CN114065685A - 一种增益电路的构建方法、系统、电子装置及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增益电路的构建方法、系统、电子装置及存储介质，构建方法包括以下步骤：提取增益电路的开环通路；从所述开环通路中获取影响增益精度的各元器件参数以及各元器件参数所服从的分布类型；根据所述各元器件参数以及所述各元器件参数所服从的分布类型，利用蒙特卡洛仿真软件计算所述增益电路的精度；在精度小于阈值精度时，对增益电路进行校准。本发明的目的在于提供一种增益电路的构建方法、系统、电子装置及存储介质，通过提取增益电路的开环通路结构和元器件参数，利用蒙特卡洛程序来估计增益电路的精度范围，并依此设置增益电路校准环节，从而有效缩短增益电路的设计周期，减少投板试验次数，降低研发成本。

Description

一种增益电路的构建方法、系统、电子装置及存储介质
技术领域
本发明涉及电路设计技术领域，尤其涉及一种增益电路的构建方法、系统、电子装置及存储介质。
背景技术
核电厂分布式控制系统(DCS)的模拟量输入通道对增益电路的精度及温度漂移具有很高的要求，然而由于工艺原因，电路中采用的集成电路芯片及电阻等元器件往往存在不同程度的参数漂移，导致增益电路的设计值和实际值存在一定的出入，需要在增益电路中加入校准环节对电路的增益误差、失调电压进行校准，以保证增益精度。
在核电厂应用场景下，要求校准环节简单可靠，能有效地消除设计偏差，而校准环节的设置依赖于增益电路的计算准确度，在现有的电路设计方法中，大多是采用方和根或绝对值求和的方法来估计增益电路的精度，继而进行校准环节的设计，然而通过方和根的估计结果通常会偏低，而绝对值求和的估计结果通常会偏高，因此增益电路设计方案的理论计算结果往往与真实电路的误差值较大，需要反复多次修改器件选型并调试增益电路及其校准环节的参数才能达到设计目标，其过程非常依赖于仪控设计人员的经验，导致设计周期冗长，不利于迭代设计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增益电路的构建方法、系统、电子装置及存储介质，通过提取增益电路的开环通路结构和元器件参数，利用蒙特卡洛程序来估计增益电路的精度范围，并依此设置增益电路校准环节，从而有效缩短增益电路的设计周期，减少投板试验次数，降低研发成本。
本发明通过下述技术方案实现：
一种增益电路的构建方法，包括以下步骤：
提取增益电路的开环通路；
从所述开环通路中获取影响增益精度的各元器件参数以及各元器件参数所服从的分布类型；
根据所述各元器件参数以及所述各元器件参数所服从的分布类型，利用蒙特卡洛仿真软件计算所述增益电路的精度；
在所述精度小于阈值精度时，对所述增益电路进行校准。
优选地，影响增益电路精度的各元器件参数包括增益误差、失调电压、阻值误差及对应的温度漂移。
优选地，参数所服从的分布包括正态分布和/或均匀分布。
优选地，在所述精度小于阈值精度时，在所述增益电路中连接电阻网络，通过调节所述电阻网络的阻值对所述增益电路进行校准。
在本申请的第二方面，本申请提供了一种增益电路的构建系统，包括提取模块、获取模块、仿真模块以及校准模块；
所述提取模块，用于提取增益电路的开环通路；
所述获取模块，用于从所述开环通路中获取影响增益精度的各元器件参数以及各元器件参数所服从的分布类型；
所述仿真模块，内置蒙特卡洛仿真软件，用于根据所述各元器件参数以及所述各元器件参数所服从的分布类型计算所述增益电路的精度；
所述校准模块，用于接收校准指令，对所述增益电路进行校准。
优选地，影响增益电路精度的各元器件参数包括增益误差、失调电压、阻值误差及对应的温度漂移。
优选地，参数所服从的分布包括正态分布和/或均匀分布。
优选地，所述校准模块内存储有电阻网络，在所述精度小于阈值精度时，根据所述校准指令调节所述电阻网络的阻值。
在本申请的第三个方面，本申请提供了一种电子装置，包括处理器和存储器；
所述存储器，用于存储所述处理器可执行指令；
所述处理器，被配置为执行如上所述的一种增益电路的构建方法。
在本申请的第四个方面，本申请提供了一种计算机可读存储介质，包括存储的计算机程序，所述计算机程序运行时执行如上所述的一种增益电路的构建方法。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
通过提取增益电路的开环通路结构和元器件参数，利用蒙特卡洛程序来估计增益电路的精度范围，并依此设置增益电路校准环节，从而有效缩短增益电路的设计周期，减少投板试验次数，降低研发成本。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明实施例中提供的开环通路结构示意图；
图3为本发明实施例中常温下未校准的隔离器增益分布示意图；
图4为本发明实施例中常温下未校准的隔离器增益分布概率密度示意图；
图5为本发明实施例中30℃温升下温漂分布示意图；
图6为本发明实施例中30℃温升下温漂分布概率密度示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供了一种增益电路的构建方法，如图1所示，包括以下步骤：
提取增益电路的开环通路；
本实施例所说的开环通路指的是：将初步设计完成的增益电路中的各元器件的串联回路、并联回路以及反馈回路进行简化后得到的唯一增益通路。
从开环通路中获取影响增益精度的各元器件参数以及各元器件参数所服从的分布类型；
具体地，影响增益电路精度的各元器件参数包括增益误差、失调电压、阻值误差及对应的温度漂移等；参数所服从的分布包括正态分布和均匀分布等分布类型。
根据各元器件参数以及各元器件参数所服从的分布类型，利用蒙特卡洛仿真软件计算增益电路的精度；
仿真过程如下：
1)假设增益通路中各级电子元器件的增益误差、失调电压、温度漂移参数所服从的分布为正态分布或均匀分布；
2)根据各元器件所服从的分布进行随机抽样，确定一组参数作为增益通路中各器件的参数值；
3)计算本组参数下增益电路的精度y；
4)重复上述步骤1)～3)，得到精度Y的分布；
5)将Y的3σ置信区间作为实际精度区间。
在精度小于阈值精度时，对增益电路进行校准。
具体的，在精度小于阈值精度时，在增益电路中添加电阻网络，通过调节电阻网络的阻值来对增益电路的精度进行校准，直至达到阈值精度。
核电厂的分布式控制系统(DCS)的模拟量输入通道对增益电路的精度及温度漂移具有很高的要求，然而由于工艺原因，电路中采用的集成电路芯片及电阻等元器件往往存在不同程度的参数漂移，导致增益电路的设计值和实际值存在一定的出入，需要在增益电路中加入校准环节对电路的增益误差、失调电压进行校准，以保证增益精度。在现有的电路设计方法中，大多是采用方和根或绝对值求和的方法来估计增益电路的精度，继而进行校准环节的设计，然而通过方和根的估计结果通常会偏低，而绝对值求和的估计结果通常会偏高，因此增益电路设计方案的理论计算结果往往与真实电路的误差值较大，需要反复多次修改器件选型并调试增益电路及其校准环节的参数才能达到设计目标，其过程非常依赖于仪控设计人员的经验，导致设计周期冗长。基于此，本实施例提供了一种增益电路的构建方法，通过将增益电路的开环通路结构、元器件参数以及元器件参数所服从的分布类型提取出来，利用蒙特卡洛仿真软件来估计当前增益电路(未进行精度校准的增益电路)的精度范围，以当前精度范围与阈值精度范围的偏差为基础，来对增益电路的精度进行校准，从而有效缩短增益电路的设计周期，减少投板试验次数，降低研发成本。
实施例2
本实施例提供了一种增益电路的构建系统，包括提取模块、获取模块、仿真模块以及校准模块；
提取模块，用于提取增益电路的开环通路；
本实施例所说的开环通路指的是：将初步设计完成的增益电路中的各元器件的串联回路、并联回路以及反馈回路进行简化后得到的唯一增益通路。
获取模块，用于从开环通路中获取影响增益精度的各元器件参数以及各元器件参数所服从的分布类型；
具体地，影响增益电路精度的各元器件参数包括增益误差、失调电压、阻值误差及对应的温度漂移等；参数所服从的分布包括正态分布和均匀分布等分布类型。
仿真模块，内置蒙特卡洛仿真软件，用于根据各元器件参数以及各元器件参数所服从的分布类型计算增益电路的精度；
校准模块，用于接收校准指令，对增益电路进行校准。
具体地，本实施例中的校准模块内存储有电阻网络，在精度小于阈值精度时，根据校准指令调节电阻网络中的电阻阻值。
实施例3
本实施例提供了一种电子装置，包括处理器和存储器；
存储器，用于存储处理器可执行指令；
处理器，被配置为执行如实施例1所提供的一种增益电路的构建方法。
实施例4
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，包括存储的计算机程序，计算机程序运行时执行如实施例1所提供的一种增益电路的构建方法。
实施例5
本实施例以具体的例子来对本申请的方案做进一步说明：
首先，提取增益电路的开环通路；即：将初步设计完成的增益电路中各级电路的串联回路、并联回路及反馈回路简化，得到的唯一的增益通路(开环通路)，如图2所示，该增益通路包括采样滤波电路、仪表放大电路、隔离放大电路、差分调理电路、校准电路，输入信号为4mA～20mA电流信号，输出为4mA～20mA电流信号，要求增益比为1，设计输出增益的相对误差优于0.05％，整体温度漂移小于±100PPM/℃。
由图2所示的开环通路可知，影响增益通路精度的因素主要包括各级电路中关键元器件的增益误差、失调电压、增益误差温度漂移、失调电压温度漂移、精密电阻精度等，图2中各级电路的整体误差，可按式(1)来估计：
Y＝(U+Vos+ΔVost*ΔT)*G*(1+ΔGe+ΔGT*ΔT) (1)
式中，Y表示整体误差，U为每一级输入，Vos为失调电压，ΔVost为失调电压温度漂移系数，G为增益，ΔGe增益误差，ΔGT为增益误差温度漂移系数，ΔT为相对于常温的温度变化。
结合各元器件的技术资料，各环节中关键元器件参数如附表1所示：
表1增益通路各级器件参数影响
Figure BDA0003370342780000071
Figure BDA0003370342780000081
对表1中各参数分布作出假设：
·放大器的失调电压、增益误差、温度漂移都近似服从正态分布；
·放大器失调电压及其温漂、增益误差及其温度漂移的典型值置信区间为1.2Sigma(76％)，最大值的置信区间为2Sigma(95％)；
·精密电阻的阻值误差最大值为3sigma(99.7％)置信区间；
据此可求得各器件增益、失调电压等参数所服从的分布：
采样滤波电路增益误差分布：
Figure BDA0003370342780000082
仪表放大电路失调电压分布：Vos2～N(10-5，(18*10-6)2+(0.1*10-6*ΔT2；
仪表放大电路增益温漂分布：G23～N(0，(ΔT*25*10-6)^2)；
隔离放大电路失调电压分布：Vos3～N(0，0.001672+(12.5*10-6*ΔT)2)；
隔离放大电路增益误差分布：G3～1/3*N(1，(4.16*10-4)2+(12.5*10-6*ΔT2)；
差分放大电路失调电压分布：Vos4～N(0，(125*10-6)2+(0.667*10-6*ΔT2；
差分放大电路增益误差分布：G4～N(1，(0.83*10-4)2+(0.83*10-6*ΔT2)；
校准电路增益误差分布：
Figure BDA0003370342780000091
利用蒙特卡洛仿真软件计算未校准时增益电路误差，并评估设计方案，具体地，包括：
将确定的参数模型及分布输入蒙特卡洛仿真软件中，计算常温下(ΔT＝0)未校准的隔离器增益分布情况，模拟结果如图3和图4所示。
由常温下未校准的隔离器增益分布概率密度可近似得出增益分布范围：
A～N(1，0.0012)2；
对应于99.7％置信区间的相对误差范围为：(-0.36％，+0.36％)，不满足设计要求，因此需要对增益误差校准。
利用蒙特卡洛仿真软件计算ΔT＝30℃时的温度漂移影响，此时忽略增益误差和失调误差，仅考虑温度漂移，结果如图5和图6所示。
根据概率密度可知，温漂服从分布：
D～N(-19.9763，21.23932)
对应于99.7％置信区间为(-83.69PPM/℃，43.74PPM/℃)，满足设计要求。
由此可知，根据蒙特卡洛仿真软件的计算结果，需要对增益误差进行校准。
设置校准环节，具体地：
通过在增益电路中加入电阻网络来实现对增益误差的校正，校正能力由电阻网络的阻值覆盖，在本实施例中包括-0.4％，-0.3％，-0.2％，-0.1％，0，0.1％，0.2％，0.3％，0.4％九个固定的校准值，组合校准分辨率为±0.05％，因此当隔离装置输出误差在(-0.36％，+0.36％)范围任一值时，可以通过调整输出电阻使得模块精度的误差落在0.05％范围内。根据增益分布概率密度：
A～N(1，0.0012)2
落在(-0.36％，+0.36％)的概率为99.96％，因此基本能保证校准环节有效性。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种增益电路的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
提取增益电路的开环通路；
从所述开环通路中获取影响增益精度的各元器件参数以及各元器件参数所服从的分布类型；
根据所述各元器件参数以及所述各元器件参数所服从的分布类型，利用蒙特卡洛仿真软件计算所述增益电路的精度；
在所述精度小于阈值精度时，对所述增益电路进行校准。
2.根据权利要求1所述的一种增益电路的构建方法，其特征在于，影响增益电路精度的各元器件参数包括增益误差、失调电压、阻值误差及对应的温度漂移。
3.根据权利要求1所述的一种增益电路的构建方法，其特征在于，参数所服从的分布包括正态分布和/或均匀分布。
4.根据权利要求1所述的一种增益电路的构建方法，其特征在于，在所述精度小于阈值精度时，在所述增益电路中连接电阻网络，通过调节所述电阻网络的阻值对所述增益电路进行校准。
5.一种增益电路的构建系统，其特征在于，包括提取模块、获取模块、仿真模块以及校准模块；
所述提取模块，用于提取增益电路的开环通路；
所述获取模块，用于从所述开环通路中获取影响增益精度的各元器件参数以及各元器件参数所服从的分布类型；
所述仿真模块，内置蒙特卡洛仿真软件，用于根据所述各元器件参数以及所述各元器件参数所服从的分布类型计算所述增益电路的精度；
所述校准模块，用于接收校准指令，对所述增益电路进行校准。
6.根据权利要求5所述的一种增益电路的构建系统，其特征在于，影响增益电路精度的各元器件参数包括增益误差、失调电压、阻值误差及对应的温度漂移。
7.根据权利要求5所述的一种增益电路的构建系统，其特征在于，参数所服从的分布包括正态分布和/或均匀分布。
8.根据权利要求5所述的一种增益电路的构建系统，其特征在于，所述校准模块内存储有电阻网络，在所述精度小于阈值精度时，根据所述校准指令调节所述电阻网络的阻值。
9.一种电子装置，其特征在于，包括处理器和存储器；
所述存储器，用于存储所述处理器可执行指令；
所述处理器，被配置为执行如权利要求1-4中任意一项所述的一种增益电路的构建方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括存储的计算机程序，所述计算机程序运行时执行如权利要求1-4中任意一项所述的一种增益电路的构建方法。
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