CN218122504U - 一种高精度自动气象站信号模拟器的湿度通道 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高精度自动气象站信号模拟器的湿度通道，包含微控制器模块、总电源模块、总线隔离模块、数模转换模块、精密调理电路模块、串口校准电路、误差存储电路，通过总线隔离及电源隔离等隔离器件，对总线及电源起到隔离作用，避免了数字系统队形的干扰，降低输出误差且减少了电磁感染，同时，使用高精度低温漂的数模转换器，控制输出电压的范围，提高了电压信号的输出稳定性，微控制器通过总线隔离模块、数模转换模块与精密调理电路相连，精密调理电路输出电压，以满足湿度传感器输出信号为0～1V的要求，使得湿度信号的最大允许误差为±3μV，检测范围和分辨率满足自动气象站采集器的检定要求。

Description

一种高精度自动气象站信号模拟器的湿度通道

技术领域

本实用新型涉及气象探测领域，尤其是一种高精度自动气象站信号模拟器的湿度通道。

背景技术

自动气象站作为天气变化和自然灾害的基本监测气象装备，其观测数据质量直接影响着气象环境和自然灾害的监测及防御水平。自动气象站信号模拟器可输出多种气象传感器对应的电信号，是自动气象站采集器各通道的计量检定仪器，保证气象观测仪器的精度，同时提高气象站的维护效率。

自动气象站的硬件一般包括采集器、传感器和外部设备三个部分。传感器将温度、湿度、雨量、气压等气象要素转换成电压、电流、频率等模拟电信号或数字信号。采集器主要完成数据采集、处理、存储、传输和系统运行管理等任务。传感器和采集器的可靠性、精度将直接影响到自动气象站的观测质量。自动气象站作为电子设备，长期在野外恶劣环境中使用，传感器和数据采集器的误差客观存在，观测精度下降。

目前，校验自动气象站采集器各通道所需的标准信号常由自动气象站信号模拟器提供。自动气象站信号模拟器包括温度、湿度、气压、辐射等通道。其中，湿度通道输出的电压信号要求具有高精度，且范围和分辨率需满足自动气象站采集器的检定要求。常温下自动气象站的电压最大允许误差为±10uV，但在自动气象站通常布置在野外，当野外的环境温度和湿度发生变化时，误差会增大到几十 uV，难以满足气象采集器和传感器的计量检定要求。同时湿度模拟通道常常由于电子器件的温漂造成输出误差较大，目前的模拟气压通道没有从硬件上采取相关隔离方法与软件上的补偿，因此难以保证自动气象站湿度通道的高精度输出要求。

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型的目的在于，提供一种高精度自动气象站信号模拟器的湿度通道，使得输出电压最大误差仅为±3μV，具有高精度和高稳定性，适用更广的环境条件范围。

技术方案：本实用新型提供的一种高精度自动气象站信号模拟器的湿度通道，包含微控制器模块、总电源模块、总线隔离模块、数模转换模块、精密调理电路模块；

微控制器模块用以根据采集到的输出电流进行计算，得到并输出数字信号；

总电源模块用以为微控制器模块提供工作电源，同时为数模转换模块及精密调理电路模块提供工作电压；

总线隔离模块用以将微控制器模块与数模转换模块进行隔离；

数模转换模块用以通过总线隔离模块接收微控制器模块输出的数字信号并转换为模拟电压信号；

精密调理电路模块用以将数模转换模块的模拟电压信号进行精密计算，调整输出电压的范围并提高分辨率。

进一步的，该湿度通道还包括误差存储电路及串口校准电路，串口校准电路与微控制器模块相连，微控制器模块均与误差存储电路及总线隔离模块相连，微控制器模块通过总线隔离模块及数模转换模块与精密调理电路相连，精密调理电路输出电压，总电源模块还包含隔离电源，总电源模块通过隔离电源与数模转换模块连接，隔离电源隔离总电源模块及数模转换模块。

进一步的，误差存储电路用以校准系统误差，串口校准电路用以通过串口及 TTL电平转换芯片联通微控制器模块的通信；微控制器模块经过计算后，将计算后的数字信号存储于误差存储电路中。

进一步的，总电源模块为数模转换模块及精密调理电路模块提供5V的工作电压。

进一步的，数模转换模块包含数模转换器、缓冲电路以及基准电压源；数模转换器的输入端作为数模转换模块的输入，数模转换器将微控制器模块输出的数字信号转换为模拟电压信号，通过缓冲电路与精密调理电路相连；基准电压源输出的电压信号通过缓冲电路输入到数模转换器的参考电压端，作为数模转换的参考电压。

进一步的，数模转换器采用完全16位数模转换器，即R-2R型数模转换器 AD5541；缓冲电路采用失调电压为1uV、漂移低于0.005uV/℃的双通道运算放大器AD8629；精密调理电路的电阻采用的是精度万分之一、温漂2ppm/℃的精密电阻。

有益效果：本实用新型与现有技术相比，其显著特点是，通过总线隔离及电源隔离等隔离器件，对总线及电源起到隔离作用，避免了数字系统队形的干扰，降低输出误差且减少了电磁感染，同时，使用高精度低温漂的数模转换器，控制输出电压的范围，提高了电压信号的输出稳定性。

附图说明

图1是本发明中自动气象站湿度通道结构图；

图2是本发明中微控制器电路图；

图3是本发明中总线隔离和电源隔离电路图；

图4是本发明中电压信号产生电路图；

图5是本发明中精密调理电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明。

本实用新型提供的一种高精度自动气象站信号模拟器的湿度通道，请参阅图 1所示，包含微控制器模块、总电源模块、总线隔离模块、数模转换模块、精密调理电路模块、串口校准电路、误差存储电路。

本实施例中，微控制器选用目前主流的单片机，数模转换器采用高精度、低功耗的MSP430F169作为主芯片产生16位DAC数字量、控制电脑通信及计算存储误差等，微控制器电路如图2所示。

微控制器模块用以根据采集到的输出电流进行计算，得到并输出数字信号。

微控制器可根据不同的输出电流产生对应的数字编码，即数字信号，该数字信号通过总线隔离芯片后，与完全16位DAC数模转换器相连。

使用六位半数字万用表测量电路的实际输出值，之后通过串口校准电路将测量的实际输出值发送至微控制器，微控制器计算实际值和标准值之间的偏差，并将该偏差存储在误差存储电路中，

该湿度通道还包括校准系统误差的误差存储电路及串口校准电路，串口校准电路主要是实现微控制器电脑上位机的通信，利用串口和TTL电平转换芯片实现使用六位半数字万用表测量电路的实际输出值，之后通过串口校准电路将测量的实际输出值发送至微控制器，微控制器计算实际值和标准值之间的偏差，并将该偏差存储在误差存储电路中，在掉电时仍然保存。

正常工作时，微控制器会根据偏差调整相应的数字量，即调整DAC的模拟电压来实现电压信号的相应调整。误差存储电路和串口校准电路为常用的串行存储和串口电路，本实施例中采用MAX232芯片构成TTL转RS-232电路。

总电源模块用以为微控制器模块提供工作电源，同时为数模转换模块及精密调理电路模块提供工作电压。

总电源模块还包含隔离电源，总电源模块通过隔离电源与数模转换模块连接，隔离电源隔离总电源模块及数模转换模块，同时为数模转换模块及精密调理电路模块提供5V的工作电压。

总线隔离模块用以将微控制器模块与数模转换模块进行隔离。

微控制器通过数据总线和地址总线与完全16位DAC数模转换器相连，微控制器通过串行数据线将数字量送入DAC芯片，为减小微控制器对模拟电路的干扰，采用隔离芯片ADUM5401实现总线和电源的同时隔离。

隔离器件采用四通道数字隔离器ADUM5401，将16位DAC和微控制器通信的 SPI总线进行隔离，以减小数字干扰，该隔离器件的芯片支持多种通道配置和数据速率，同时可以防止雷电或过电压给转换电路造成破坏，减少电磁脉冲干扰的破坏性，该隔离器件的电路图如图3所示。

数模转换模块用以通过总线隔离模块接收微控制器模块输出的数字信号并转换为模拟电压信号。

数模转换模块包含数模转换器、缓冲电路以及基准电压源；数模转换器的输入端作为数模转换模块的输入，数模转换器将微控制器模块输出的数字信号转换为模拟电压信号，通过缓冲电路与精密调理电路相连；基准电压源输出的电压信号通过缓冲电路输入到数模转换器的参考电压端，作为数模转换的参考电压。

为产生程控的高精度电压信号，在选择数模转换器时应考虑分辨率、温漂、失调误差等参数，采用R-2R型数模转换器AD5541完成D/A功能，考虑到数模转换器AD5541同时需要输入输出缓冲，选择零漂移、双通道运算放大器AD8629，其失调电压为1μV，漂移低于0.005μV/℃，电压信号产生电路图如图4所示。

精密调理电路模块用以将数模转换模块的模拟电压信号进行精密计算，调整输出电压的范围并提高分辨率。

利用运放设计调理电路信号进行加减运算，调整输出电压的范围并提高分辨率，为保证电路的高精度输出，选用精度万分之一、温漂2ppm/℃的精密电阻。

信号调理电路可调整16位DAC电路输出电压范围，由16位DAC产生的模拟电压经过缓冲后，输入到信号调理电路，设计由精密运放LTC2050对DAC的输出电压U1(反相输入端)和2.5V基准电压(同相输入端)进行运算得到输出电压U，运放采用5V双电源供电，负电源由100mA的电荷泵LTC1983-5芯片提供，如图5所示。

LTC2050为零漂移运算放大器，其典型输入失调电压和失调漂移分别为 0.5uV和10nV/℃；2.5V的基准电压U2通过R2、R3串联分压后加载到运放LTC2050 的同相端；D/A电路的输出电压U1加载到运放的反相端，反馈电阻为RF；调理后的输出电压U为：

选用精度为万分之一、温漂为2PPM/℃的UPR型电阻。阻值分别为：RF＝1K、 R1＝40K、R2＝70K、R3＝1K，基准电压U2＝2500mV，D/A电路输出的U₁的范围为0～2500mV，代入式(1)得输出U的取值范围为-26.4085～36.0916mV，分辨率δ为：

其中，Vref为DAC的参考电压2.5V。

在运放输出端接一个电阻R4和瞬态抑制二极管起到保护作用。由DAC得到的电压经调理后，产生了微弱的标准电压，并提高了分辨率，输出负值是为了便于进行零点校准。

完全DAC芯片AD5541没有内部参考电压，故需要外接。利用基准电压芯片ADR421产生2.5V基准电压，通过缓冲电路后，输入到DAC的参考电压端，作为数模转换的参考电压信号。

AD5541无输出缓冲，故16位DAC输出的模拟电压，通过缓冲电路后输出，减小负载对其影响，缓冲电路由极低失调电压运放AD8629构成。

同时，还采用软件补偿措施，电脑通过串口校准电路与该湿度通道通信，利用六位半万用表测量系统在零点和满刻度时的输出值，计算系统偏离标准值的差值，然后利用电脑将差值写入到系统中。微控制器将差值写入到误差存储电路中。正常工作时，微控制器会根据误差存储电路中的差值对DAC的数字量进行相应补偿调整，使输出电压达到标准值。

Claims (6)

1.一种高精度自动气象站信号模拟器的湿度通道，其特征在于，包含微控制器模块、总电源模块、总线隔离模块、数模转换模块、精密调理电路模块；

微控制器模块用以根据采集到的输出电流进行计算，得到并输出数字信号；

总电源模块用以为微控制器模块提供工作电源，同时为数模转换模块及精密调理电路模块提供工作电压；

总线隔离模块用以将微控制器模块与数模转换模块进行隔离；

数模转换模块用以通过总线隔离模块接收微控制器模块输出的数字信号并转换为模拟电压信号；

精密调理电路模块用以将数模转换模块的模拟电压信号进行精密计算，调整输出电压的范围并提高分辨率。

2.根据权利要求1所述的高精度自动气象站信号模拟器的湿度通道，其特征在于，该湿度通道还包括误差存储电路及串口校准电路，串口校准电路与微控制器模块相连，微控制器模块均与误差存储电路及总线隔离模块相连，微控制器模块通过总线隔离模块及数模转换模块与精密调理电路相连，精密调理电路输出电压，总电源模块还包含隔离电源，总电源模块通过隔离电源与数模转换模块连接，隔离电源隔离总电源模块及数模转换模块。

3.根据权利要求2所述的高精度自动气象站信号模拟器的湿度通道，其特征在于，误差存储电路用以校准系统误差，串口校准电路用以通过串口及TTL电平转换芯片联通微控制器模块的通信；微控制器模块经过计算后，将计算后的数字信号存储于误差存储电路中。

4.根据权利要求2所述的高精度自动气象站信号模拟器的湿度通道，其特征在于，总电源模块为数模转换模块及精密调理电路模块提供5V的工作电压。

5.根据权利要求1所述的高精度自动气象站信号模拟器的湿度通道，其特征在于，数模转换模块包含数模转换器、缓冲电路以及基准电压源；数模转换器的输入端作为数模转换模块的输入，数模转换器将微控制器模块输出的数字信号转换为模拟电压信号，通过缓冲电路与精密调理电路相连；基准电压源输出的电压信号通过缓冲电路输入到数模转换器的参考电压端，作为数模转换的参考电压。

6.根据权利要求5所述的高精度自动气象站信号模拟器的湿度通道，其特征在于，数模转换器采用完全16位数模转换器，即R-2R型数模转换器AD5541；

缓冲电路采用失调电压为1uV、漂移低于0.005uV/℃的双通道运算放大器AD8629；

精密调理电路的电阻采用的是精度万分之一、温漂2ppm/℃的精密电阻。

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