CN202025338U

CN202025338U - 数据采集卡校准装置

Info

Publication number: CN202025338U
Application number: CN2011200334292U
Authority: CN
Inventors: 罗宝龙; 高鹏
Original assignee: Beijing Art Technology Development Co Ltd
Current assignee: Beijing Art Technology Development Co Ltd
Priority date: 2011-01-30
Filing date: 2011-01-30
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2021-01-30

Abstract

本实用新型提供一种数据采集卡校准装置，包括：放大器以及模数转换器，放大器的输出端连接所述模数转换器的输入端；还包括：校准电压源，与放大器的输入端连接；可编程逻辑门阵列模块，与模数转换器的输出端连接；偏移调整电路，偏移调整电路的输入端设置有零点数字电位器，所述零点数字电位器的输入端与可编程逻辑门阵列模块连接；偏移调整电路的输出端连接放大器的输入端；增益调整电路，增益调整电路的输入端设置有基准数字电位器，基准数字电位器的输入端与可编程逻辑门阵列模块连接；增益调整电路的输出端连接所述模数转换器。本实用新型实现了硬件校准全自动化，对数据采集卡的校准可以免去人为校准引入的误差，提高校准效率。

Description

数据采集卡校准装置

技术领域

本实用新型涉及校准技术，特别涉及一种数据采集卡校准装置。

背景技术

随着计算机技术的高速发展，基于PC技术的数据采集卡在测试测量领域发挥着不可替代的作用，该数据采集卡的结构可以参见图1，图1为现有技术数据采集卡的结构示意图。该图1主要示出了数据采集卡的几个主要模块，其可以包括放大器12、模数转换器13以及主控制器14。其中，放大器12连接模拟输入11，并将采集到的模拟信号输入至模数转换器13，由模数转换器13将其转换为数字信号后传送至主控制器14，再由主控制器14对转换后的数字信号进行后续处理。测量精度是评估数据采集卡性能的一个重要参数；但是，随着使用时间较长、环境温度变化、元器件老化与更替等因素的影响，数据采集卡的准确度指标会发生一定的变化，使得实际测量值偏离标称测量值，从而严重影响了数据采集卡的性能。

现有技术中，为了确保数据采集卡的测量精度，定期或者测量前对数据采集卡进行校准仍然是不可缺少的必要手段。通常可以采用模拟电位器进行手动微调校准，如图1所示，该方法是通过在采集卡电路的前端调理部分加入模拟电位器，通过电位器调节模数转换器13的偏移和增益。例如，可以通过偏移调整电路15修正采集卡的零点误差，通过增益调整电路16修正采集卡的增益误差，进而修正输入模数转换器13的模拟信号；其中的偏移调整电路15和增益调整电路16中设置有用于手动调节的模拟电位器。但是，这种方法的缺陷是，调试效率较低，一般完成对多通道卡的一次校准需要一小时左右，而且通过手动调节模拟电位器进行校准会引入人为误差。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种数据采集卡校准装置，解决现有技术中数据采集卡校准的准确度和效率均很低的问题，提高数据采集卡校准的效率和准确度。

本实用新型提供一种数据采集卡校准装置，包括：放大器以及模数转换器，所述放大器的输出端连接所述模数转换器的输入端；还包括：

校准电压源，与所述放大器的输入端连接；

可编程逻辑门阵列模块，与所述模数转换器的输出端连接；

偏移调整电路，所述偏移调整电路的输入端设置有零点数字电位器，所述零点数字电位器的输入端与所述可编程逻辑门阵列模块连接；所述偏移调整电路的输出端连接所述放大器的输入端；

增益调整电路，所述增益调整电路的输入端设置有基准数字电位器，所述基准数字电位器的输入端与所述可编程逻辑门阵列模块连接；所述增益调整电路的输出端连接所述模数转换器。

如上所述的数据采集卡校准装置，所述可编程逻辑门阵列模块包括：用于存储理论码值的第一存储单元，以及用于存储所述模数转换器的采集数据的第二存储单元；用于根据所述理论码值判断所述采集数据是否合格的判断单元，所述判断单元分别与所述第一存储单元和第二存储单元连接；用于根据所述采集数据以及所述理论码值得到校准系数的处理单元，所述处理单元的一端与所述判断单元连接，另一端与所述零点数字电位器和基准数字电位器连接。

如上所述的数据采集卡校准装置，所述可编程逻辑门阵列模块还包括通道设定单元，所述通道设定单元与所述判断单元连接。

如上所述的数据采集卡校准装置，还包括：自校准模式控制模块，与所述可编程逻辑门阵列模块连接。

如上所述的数据采集卡校准装置，还包括：存储器，与所述可编程逻辑门阵列模块连接。

如上所述的数据采集卡校准装置，所述存储器为非易失性存储器。

如上所述的数据采集卡校准装置，所述偏移调整电路还包括：第一调整放大器；所述第一调整放大器与所述零点数字电位器的输出端连接；所述第一调整放大器的输入端接地，输出端连接所述放大器的输入端。

如上所述的数据采集卡校准装置，所述增益调整电路还包括：第二调整放大器；所述第二调整放大器与所述基准数字电位器的输出端连接；所述第二调整放大器的输入端连接基准电压，输出端连接所述模数转换器。

本实用新型的数据采集卡校准装置，通过FPGA技术结合简单的外围电路可以实现整个数据采集系统全自动校准，运用FPGA的实时、高效性及可编程的灵活性，实现硬件校准全自动化；对数据采集卡的校准可以免去人为校准引入的误差，提高校准效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术数据采集卡的结构示意图；

图2为本实用新型数据采集卡校准装置实施例的结构示意图；

图3为本实用新型数据采集卡校准装置实施例的工作流程图。

附图标记说明：

11-模拟输入； 12-放大器； 13-模数转换器；

14-主控制器； 15-偏移调整电路； 16-增益调整电路；

17-校准电压源； 18-FPGA模块； 19-零点数字电位器；

20-基准数字电位器； 21-自校准模式控制模块； 22-存储器；

23-第一调整放大器； 24-第二调整放大器； 25-基准电压。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的主要技术方案为，将现有技术中的模拟电位器转换为高分辨率的数字电位器，并且将该数字电位器和模数转换器均连接可编程逻辑门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称：FPGA)的主控模块，可以通过该FPGA模块自动比较和计算得到电位器的校准系数，并根据该校准系数向数字电位器输出控制信号，以使得该数字电位器可以根据该控制信号对模数转换器的零点和满度误差进行修正。通过采用FPGA模块和数字电位器，可以大大提高数据采集卡校准的效率和准确度。

下面通过附图和具体实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

图2为本实用新型数据采集卡校准装置实施例的结构示意图，如图2所示，该数据采集卡校准装置可以包括放大器12、模数转换器13、校准电压源17、FPGA模块18、偏移调整电路以及增益调整电路。

其中，放大器12的输入端连接校准电压源17，放大器12的输出端连接模数转换器13的输入端；模数转换器13的输出端连接FPGA模块18。偏移调整电路的输入端设置有零点数字电位器19，该零点数字电位器19的输入端与FPGA模块18连接；该偏移调整电路的输出端连接放大器12的输入端。增益调整电路的输入端设置有基准数字电位器20，该基准数字电位器20的输入端与FPGA模块18连接；该增益调整电路的输出端连接模数转换器13。

通过设置FPGA模块，可以由该模块自动比较模数转换器的采集数据以及理论码值，并自动计算得到电位器的校准系数，根据该校准系数对数字电位器输出控制信号，以使得该数字电位器可以根据该控制信号对模数转换器的零点和满度误差进行修正，相对于现有技术中的手动调整方式，大大提高了数据采集卡校准的效率和准确度。

本实施例中，该FPGA模块18可以包括第一存储单元、第二存储单元、判断单元和处理单元。其中，模数转换器13获得的采集数据在传输到FPGA模块18之后，可以存储在上述的第二存储单元中；第一存储单元中存储有理论校准源码值(其中，该理论校准源码值在进行零点校准时可以称为理论零点码值，在进行满度校准时可以称为理论满度码值)。判断单元分别与第一存储单元和第二存储单元连接，该判断单元可以根据理论码值判断采集数据是否合格，例如，采集数据与理论码值接近在一定范围内时可以定义为合格。处理单元的一端与判断单元连接，另一端与零点数字电位器和基准数字电位器连接；该处理单元可以在判断单元的判断结果为采集数据不合适时，根据所述采集数据以及理论码值得到电位器的校准系数，并根据该标准系数输出控制信号给零点数字电位器或基准数字电位器。

该FPGA模块18中通过设置相关的存储单元、判断单元和处理单元等，使得该FPGA模块可以对采集数据进行自动处理，得到用于控制相应数字电位器的控制信号，从而使得获得的校准系数以及对数字电位器的控制都更加精确，校准质量提高，而且该自动处理过程也大大提高了校准效率。

本实施例中，FPGA模块18中还可以包括通道设定单元，该通道设定单元可以与处理单元连接，其可以用于在数据采集卡为多通道卡，且判断单元的判断结果为采集数据合格时，选择下一个通道进行校准，从而实现了对数据采集卡的自动校准模式，效率高，非常方便。

本实施例中，该数据采集卡校准装置还可以包括自校准模式控制模块21，该自校准模式控制模块21与FPGA模块18连接，其可以用于控制FPGA模块18的控制模式。例如，可以设定FPGA模块18处于自动校准模式或者非自动校准模式；当处于自动校准模式时，FPGA模块18就可以自动开始设定通道以及执行后续的校准流程，进行实时的校准控制；当处于非自动校准模式时，FPGA模块18就可以进行固定系数的调整模式。该自校准模式控制模块21可以使得方便控制FPGA模块18的校准模式。

本实施例中，该数据采集卡校准装置还可以包括存储器22，其与FPGA模块18连接，可以用于存储FPGA模块18校准好时得到的校准系数，则当FPGA模块18处于非自动校准模式时，可以从该存储器22中直接读取相应的校准系数写入数字电位器当中。例如，该存储器22可以为非易失性存储器。存储器22的设置也使得对数据采集卡的校准更加方便，可以随时根据存储的校准系数对模数转换器进行修正。

本实施例中，如图2所示，偏移调整电路可以包括第一调整放大器23。该第一调整放大器23与零点数字电位器19的输出端连接，并且其输入端接地，输出端连接放大器12的输入端。增益调整电路还可以包括第二调整放大器24。该第二调整放大器24与基准数字电位器20的输出端连接，并且其输入端连接基准电压25，输出端连接模数转换器13。

以下结合图3对本实施例的数据采集卡校准装置的工作过程进行说明，其中，图3为本实用新型数据采集卡校准装置实施例的工作流程图。

首先，假设自校准模式控制模块21设置FPGA模块18处于自动校准模式，则数据采集卡上电时会自动切换到上电校准模式。放大器12的输入端连接校准电压源17，该校准电压源17可以输出零点电压。FPGA模块18可以设定将要校准的通道，将采集卡输入端接地使得系统处于校零模式；并且启动模数转换器13开始采集零点电压数据，模数转换器13会将采集到的数据传输至FPGA模块18。

接着，FPGA模块18可以将接收到的采集数据与其存储的理论零点码值进行比较，根据比较结果调节数字电位器的输出值。例如，采集数据(即A/D码值)与理论零点码值不接近，则表明采集数据不合格，FPGA模块18可以根据比较结果按照一定的校准控制算法得到电位器校准系数，并将该系数写入到零点数字电位器19中，即根据电位器校准系数输出控制信号给零点数字电位器19。

接着，零点数字电位器19可以根据接收到的控制信号继续控制第一调整放大器23，使其输出相应的偏移控制信号至放大器12的输入端，进行偏移调整；调整后的信号会再次经过模数转换器13进入到FPGA模块18中。FPGA模块18将继续比较该调整后的A/D码值是否与理论零点码值接近；若仍不接近，则继续计算校准系数输出至零点数字电位器19，继续进行零点校准，直至A/D码值接近理论零点码值为止。

在上述过程中，已经形成了一个反馈回路，即FPGA模块18实时的计算校准系数，并据此控制数字电位器进行采集卡的校准；调整后的信号会再次反馈给FPGA模块18，FPGA模块18可以判断校准的效果，即调整后的信号是否已经合格，并根据判断结果，在不合格时继续进行校准，这种校准方式具有实时性和高效性，校准效率和精度都很高，相比现有技术实现了校准的自动化。

然后，在完成零点校准后，FPGA模块18可以保存零点校准参数至存储器22，开始进行满度校准。校准电压源17可以输出满度电压，启动模数转换器13开始采集数据，进入满度模式。后续的流程与零点校准时类似，FPGA模块18可以根据采集数据输出满度校准系数至基准数字电位器20，并继续由第二调整放大器24据此输出增益调整信号至模数转换器13进行调整。调整后的A/D码值信号返回FPGA模块18进行判断，是否与理论满度码值接近，若不接近，则继续调整，直至A/D码值接近理论码值为止；并保存满度校准参数。

当数据采集卡为多通道卡时，FPGA模块18中的判断单元可以判断是否为末通道，若是，则可以结束校准过程；否则，可以选择下一通道继续进行校准，重复执行上述的零点校准和满度校准过程即可。其中，采集卡工作在采集模式时FPGA将AD采集到的数据直接存储到对应的缓冲区中。

若数据采集卡处于非自动校准模式，则该采集卡在上电后可以直接读取存储器22中保留的校准参数数据，根据该数据输出控制信号至数字电位器，对数字电位器进行初始化即可。

本实施例的数据采集卡校准装置，可以灵活的实现在各种场合对数据采集卡的校准，如果数据采集卡工作在环境比较稳定的场合或者对系统上电要求比较快的场合，可以将校准好的数据存入非易失性存储器，每次上电FPGA会自动从存储器中读出相应的系数写入数字电位器当中；如果采集卡使用环境不断变化且对数据采集精度要求较高时，可以将采集卡设定为每次上电自校准，这样就可以减少人为干预，提高采集效率。

本实施例的数据采集卡校准装置，通过FPGA技术结合简单的外围电路可以实现整个数据采集系统全自动校准，运用FPGA的实时、高效性及可编程的灵活性，实现硬件校准全自动化；对数据采集卡的校准可以免去人为校准引入的误差，提高校准效率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种数据采集卡校准装置，包括放大器以及模数转换器，所述放大器的输出端连接所述模数转换器的输入端；其特征在于，还包括：

校准电压源，与所述放大器的输入端连接；

可编程逻辑门阵列模块，与所述模数转换器的输出端连接；

2.根据权利要求1所述的数据采集卡校准装置，其特征在于，所述可编程逻辑门阵列模块包括：

用于存储理论码值的第一存储单元，以及用于存储所述模数转换器的采集数据的第二存储单元；

用于根据所述理论码值判断所述采集数据是否合格的判断单元，所述判断单元分别与所述第一存储单元和第二存储单元连接；

用于根据所述采集数据以及所述理论码值得到校准系数的处理单元，所述处理单元的一端与所述判断单元连接，另一端与所述零点数字电位器和基准数字电位器连接。

3.根据权利要求2所述的数据采集卡校准装置，其特征在于，所述可编程逻辑门阵列模块还包括通道设定单元，所述通道设定单元与所述判断单元连接。

4.根据权利要求1所述的数据采集卡校准装置，其特征在于，还包括：自校准模式控制模块，与所述可编程逻辑门阵列模块连接。

5.根据权利要求1所述的数据采集卡校准装置，其特征在于，还包括：存储器，与所述可编程逻辑门阵列模块连接。

6.根据权利要求5所述的数据采集卡校准装置，其特征在于，所述存储器为非易失性存储器。

7.根据权利要求1所述的数据采集卡校准装置，其特征在于，所述偏移调整电路还包括：第一调整放大器；

所述第一调整放大器与所述零点数字电位器的输出端连接；所述第一调整放大器的输入端接地，输出端连接所述放大器的输入端。

8.根据权利要求1所述的数据采集卡校准装置，其特征在于，所述增益调整电路还包括：第二调整放大器；

所述第二调整放大器与所述基准数字电位器的输出端连接；所述第二调整放大器的输入端连接基准电压，输出端连接所述模数转换器。