專利名稱：高精度全數字校準的模擬量調理分配裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及信號采集領域，具體涉及一種模擬量信號采集分配并實現全數字校準的模擬量采集調理分配裝置。
背景技術：
在許多工業現場，不同的系統連接時，希望雙方的信號不互相影響。特別是一方的系統故障不會損壞另一方的正常工作，在這種情況下，通常需要信號進行隔離后再連接。同時，信號隔離也能消除地環路的影響。模擬信號調理分配裝置主要功能為信號隔離和信號分配，應用于需要將現場信號傳輸給多個不同的系統使用的場合。模擬信號調理分配裝置輸入為(T20mA電流信號或(T5V電壓信號,輸出為符合工業標準的4 20mA電流信號。現有技術中的模擬量信號調理電路，包含電源電路、運算放大電路和信號隔離電路，在這樣的模擬電路中，由于運放及隔離放大器等器件存在失調及線性誤差，所以要想保證信號傳輸精度，需要對調理電路進行校準。通常模擬電路采用機械電位器(電位計)來實現失調和增益校準，以滿足較高的傳輸精度(O. 2%左右)，但是使用機械式電位器存在如下問題I、機械式電位器需要采用螺絲刀進行模擬調節，工作效率較低，而且人工調節存在人為誤差，難以實現非常高的精度，板卡一致性受到人為因素影響。針對一個模塊進行校準與測試，大約需要操作人員花費10分鐘左右的時間，效率比較低下；2、此方式成本較高，包括物料成本、人工成本和時間成本；3、機械電位器溫度系數大，受溫度影響大，而且機械電位器在長期使用時，機械觸·點會存在氧化及滑動現象，會帶來可靠性的問題。
發明內容
為解決現有技術中利用機械式電位器對模擬量的調理電路進行調校時，存在誤差大、效率低及可靠性差的問題，本發明提供一種利用數字電位器對模擬量的調理電路進行調理的裝置，具體方案如下高精度全數字校準的模擬量調理分配裝置，包括接收現場信號并進行處理的儀表放大器，和接收儀表放大器處理后的現場信號并進行隔離后輸出的隔離放大器，接收隔離放大器輸出的信號并進行校驗的校驗模塊，接收校驗模塊的信號輸出到相應系統的輸出驅動模塊，其特征在于，所述校驗模塊連接有對其輸出的現場信號進行校驗的通用校準裝置，所述通用校準裝置包括控制校驗過程的上位機和受上位機控制生成標準電壓和電流信號并向校驗模塊輸送的校驗儀，上位機通過SPI接口與校驗模塊連接，輸出驅動模塊與校驗儀連接。優選為所述隔離放大器有多個且分別與儀表放大器連接，每個隔離放大器分別依次連接一個校驗模塊和輸出驅動模塊，所述上位機通過SPI接口依次對每個隔離放大器連接的校驗模塊輸出的電壓信號進行校驗，校驗儀根據上位機的控制同步對相應的校驗模塊發送標準電壓或電流信號同時接收相應輸出驅動模塊反饋的輸出電流信號。
優選為所述校驗模塊包括帶有數字電位器DPl的調節增益偏差電路和帶有數字電位器DP2的調節失調偏差電路，其中數字電位器DPl和數字電位器DP2分別通過SPI接口受上位機控制。優選為所述輸出驅動模塊包括將輸入電壓線性變換為輸出電流的壓流變換芯片，及設置在壓流變換芯片外圍用于提供電流路徑的三極管或MOS管。優選為所述上位機讀取校驗儀接收的輸出驅動模塊輸出的電流信號，然后與校驗儀輸出的標準電壓或電流信號進行比對，然后根據差值去校準校驗模塊內的數字電位器DPl或數字電位器DP2，直到輸出驅動模塊輸出的電流信號符合設定標準。優選為所述設定標準為當模擬量調理分配裝置輸入為電流信號時，輸出驅動模塊輸出的電流信號值與校驗儀設定的電流值相等；當模擬量調理分配裝置輸入為電壓信號時，輸出驅動模塊輸出的電流值等于4倍的校驗儀設定的電壓值。
本發明采用數字電位器代替機械電位器，通過SPI接口操作數字電位器，改變其阻值，從而消除模擬量調理分配裝置存在的失調及線性誤差。本發明中數字電位器的調節采用測試工裝通過SPI接口寫控制命令，實現校準，真正實現了自動化校準，生產效率高。而且整個校準過程無需人工參與，避免了人為誤差。本發明的數字電位器采用的是10位的端到端阻值為IOK的雙路電位器，也就是說每個碼值可以調節阻值10 Ω，從而保證了極高的調節精度(優于O. 1%)。此外數字電位器溫度系數小，受溫度影響較小，也不會存在機械觸點的氧化、滑動問題，電路可靠性高。而且本發明采用的數字電位器物料成本低廉，在人工成本和時間成本方面更是優于傳統方式，本發明從根本上解決了生產效率問題，同時提高了模塊精度和可靠性且實現低成本設計。
圖I本發明的連接示意圖；圖2通用校準裝置的工作示意圖；圖3數字電位器的電路示意圖；圖4通用校準裝置的工作流程圖。
具體實施例方式如圖1、2所示，本發明的高精度全數字校準的模擬量調理分配裝置，包括接收現場信號并進行處理的儀表放大器，和接收儀表放大器處理后的現場信號并進行隔離后輸出的隔離放大器，接收隔離放大器輸出的信號并進行校驗的校驗模塊，接收校驗模塊的信號輸出到相應系統的輸出驅動模塊，校驗模塊連接有對其輸出的現場信號進行校驗的通用校準裝置，通用校準裝置包括控制校驗過程的上位機和受上位機控制生成標準電壓和電流信號并向校驗模塊輸送的校驗儀，上位機通過SPI接口與校驗模塊連接，輸出驅動模塊與校驗儀連接。本發明在校準時，上位機利用SPI接口連接模擬量調理分配裝置，校驗儀通過線夾與待檢驗的檢驗模塊連接，啟動上位機的校準軟件控制校驗儀向檢驗模塊輸出一個標準電壓或電流信號，校驗模塊將標準電壓信號進行校驗后輸出到輸出驅動模塊，輸出驅動模塊再將此校驗后的電流信號返回給校驗儀，上位機讀取此返回值并判斷此返回值是否符合設定標準，如果符合則停止校驗，如果不符合則通過SPI接口去調校校驗模塊，使最終輸出到輸出驅動模塊的電壓或電流信號符合設定標準。其中設定標準為當模擬量調理分配裝置輸入為電流信號時，輸出驅動模塊輸出的電流信號值與校驗儀設定的電流值相等；當模擬量調理分配裝置輸入為電壓信號時，輸出驅動模塊輸出的電流值等于4倍的校驗儀設定的電壓值。如圖3所示，本發明的校驗模塊包括帶有數字電位器DPl的調節增益偏差電路和帶有數字電位器DP2的調節失調偏差電路，其中數字電位器DPl和數字電位器DP2分別通過SPI接口受上位機控制。當校驗模塊輸出的電壓信號不符合設定標準時，上位機通過SPI接口直接調校相應檢驗模塊內的數字電位器DPl或數字電位器DP2，數字電位器DPl和數字電位器DP2的電路為實際意義上的模擬電路，由于數字電位器一旦寫入程序固化，就等同于可變電阻，因此通過改變其中的譯碼值就可以調整相應的阻值，從而實現輸出電壓或電流值大小的調整。本發明涉及的模擬量調理分配裝置包括多個隔離放大器，且每個隔離放大器分別 與儀表放大器連接，以實現輸送到不同系統的信號隔離，其中每個隔離放大器分別依次連接一個校驗模塊和輸出驅動模塊，因此需要對每個隔離放大器的線路進行校準，通用校準裝置的上位機通過SPI接口與模擬量調理分配裝置連接后，能夠通過SPI接口依次對每個隔離放大器連接的校驗模塊輸出的電壓信號進行校驗，校驗儀根據上位機的控制同步對相應的校驗模塊發送標準電壓或電流信號同時接收相應輸出驅動模塊反饋的輸出電流信號。通用校準裝置對每個通道依次校準，在所有通道校準完成后，則斷開SPI接口，完成此模擬量調理分配裝置的校驗。本發明的輸出驅動模塊通過壓流變換芯片實現，壓流變換芯片將輸入電壓線性變換為輸出電流，且一般具有輸出過流保護功能。為了防止輸出電流一直保持最大輸出時的過熱問題，輸出驅動模塊包括將輸入電壓線性變換為輸出電流的壓流變換芯片，及設置在壓流變換芯片外圍用于提供電流路徑的三極管或MOS管。本發明通過數字電位器來實現模擬量調理分配模塊的精度校準，而避免采用處理器(MCU)或者可編程邏輯器件(CPLD、FPGA)等智能器件，這樣一方面可以避免帶有MCU而引入軟件驗證的問題，另一方面也避免了模數混合電路中的信號干擾問題。實施例I :在實際檢驗時，當現場變送器送過來(T20mA電流信號時，經過儀表放大器的250 Ω取樣電阻R變換成(T5V差分電壓信號；或者現場變送器送過來0 5V電壓輸入時，差分電壓信號經過增益為I的儀表放大器TA變為(T5V單端的電壓信號。O飛V電壓信號通過隔離放大器(UfU4)實現輸入與輸出隔離。隔離后電壓信號存在的失調誤差和增益誤差，則通過本發明的通用校準裝置對信號調節，以保證輸出電壓信號的精度，最終輸出的電壓信號通過輸出驅動模塊的壓流變換芯片輸出(T20mA (其中有效值Γ20πιΑ)電流信號輸出到相應系統，校準時，由通用校準裝置的校驗儀輸出一個確定的電流或電壓值，然后測量輸出驅動模塊的輸出電流值。根據對應的公式電流輸入時，輸出電流I。= I1 ;電壓輸入時，輸出電流I0 = 4'，如果測量值不在理論值范圍內，則由上位機校準校驗模塊寫入的碼值，直到寫完一個碼值后，信號源的測量值跟輸入值符合對應的公式。本發明的通用校準裝置可以調節電路中器件的輸入失調、增益誤差、溫度漂移、時間漂移以及其他線性偏差，通過調節電位器來進行失調和增益校準，也稱為零校和滿校。如圖4所示，校準時，零校和滿校要分開交替進行。以輸入信號(T5V為例，零校時，通過上位機的軟件設置校驗儀輸出電壓為IV，通過SPI接口向數字電位器DPl寫入碼值，改變數字電位器DPl阻值，使得輸出驅動模塊輸出為4mA ;滿校時，設置校驗儀輸出電壓為5V，通過SPI接口向數字電位器DP2寫入碼值，改變數字電位器DP2阻值，使得輸出驅動模塊輸出為20mA。先零校,后滿校,滿校后零點已經漂移,需要重新零校,然后重新滿校。如此反復幾個循環，直到零點和滿點同時達到，此時校準完成。本發明的通用校準裝置通過軟件自動完成上述的校準過程，其中，零校時，通用校準裝置采集隔離放大器輸出的電壓，并與目標電流4mA進行比較，不斷改變碼值，調節數字電位器DPl的“觸點”，直到使輸出達到4mA ;滿校時，通用校準裝置采集電流，并與目標電流20mA進行比較，改變碼值，調節數字電位器DP2的“觸點”，直到使輸出達到20mA。如此反復，直到零點和滿點同時達到。測試時，隔離放大器建立時間為5ms，因此平臺的數據采集要有足夠的時間延時來保證采集精度。10位的數字電位器為1024階，這樣最糟糕的情況下，需要花費的時間為1024X 1024X5msX循環次數。實際調試時，可以優化校準算法，這樣校準就非常快速方便。·以上所述僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發明，任何熟悉本專利的技術人員在不脫離本發明技術方案范圍內，當可利用上述提示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發明方案的范圍內。
權利要求
1.高精度全數字校準的模擬量調理分配裝置，包括接收現場信號并進行處理的儀表放大器，和接收儀表放大器處理后的現場信號并進行隔離后輸出的隔離放大器，接收隔離放大器輸出的信號并進行校驗的校驗模塊，接收校驗模塊的信號輸出到相應系統的輸出驅動模塊，其特征在于，所述校驗模塊連接有對其輸出的現場信號進行校驗的通用校準裝置，所述通用校準裝置包括控制校驗過程的上位機和受上位機控制生成標準電壓和電流信號并向校驗模塊輸送的校驗儀，上位機通過SPI接口與校驗模塊連接，輸出驅動模塊與校驗儀連接。
2.如權利要求I所述的模擬量調理分配裝置，其特征在于，所述隔離放大器有多個且分別與儀表放大器連接，每個隔離放大器分別依次連接一個校驗模塊和輸出驅動模塊，所述上位機通過SPI接口依次對每個隔離放大器連接的校驗模塊輸出的電壓信號進行校驗，校驗儀根據上位機的控制同步對相應的校驗模塊發送標準電壓或電流信號同時接收相應輸出驅動模塊反饋的輸出電流信號。
3.如權利要求2所述的模擬量調理分配裝置，其特征在于，所述校驗模塊包括帶有數字電位器DPl的調節增益偏差電路和帶有數字電位器DP2的調節失調偏差電路，其中數字電位器DPl和數字電位器DP2分別通過SPI接口受上位機控制。
4.如權利要求I所述的模擬量調理分配裝置，其特征在于，所述輸出驅動模塊包括將輸入電壓線性變換為輸出電流的壓流變換芯片，及設置在壓流變換芯片外圍用于提供電流路徑的三極管或MOS管。
5.如權利要求I所述的模擬量調理分配裝置，其特征在于，所述上位機讀取校驗儀接收的輸出驅動模塊輸出的電流信號，然后與校驗儀輸出的標準電壓或電流信號進行比對，然后根據差值去校準校驗模塊內的數字電位器DPl或數字電位器DP2，直到輸出驅動模塊輸出的電流信號符合設定標準。
6.如權利要求5所述的模擬量調理分配裝置，其特征在于，所述設定標準為當模擬量調理分配裝置輸入為電流信號時，輸出驅動模塊輸出的電流信號值與校驗儀設定的電流值相等；當模擬量調理分配裝置輸入為電壓信號時，輸出驅動模塊輸出的電流值等于4倍的校驗儀設定的電壓值。
全文摘要
本發明公開一種高精度全數字校準的模擬量調理分配裝置，包括接收現場信號并進行處理的儀表放大器，和接收儀表放大器處理后的現場信號并進行隔離后輸出的隔離放大器，接收隔離放大器輸出的信號并進行校驗的校驗模塊，接收校驗模塊的信號輸出到相應系統的輸出驅動模塊，所述校驗模塊連接有對其輸出的現場信號進行校驗的通用校準裝置，所述通用校準裝置包括控制校驗過程的上位機和受上位機控制生成標準電壓和電流信號并向校驗模塊輸送的校驗儀，上位機通過SPI接口與校驗模塊連接，輸出驅動模塊與校驗儀連接。本發明采用數字電位器代替機械電位器，通過SPI接口操作數字電位器，改變其阻值，從而消除模擬量調理分配裝置存在的失調及線性誤差。
文檔編號G05F1/56GK102929321SQ20121047381
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月20日 優先權日2012年11月20日
發明者吳坤, 高超, 齊敏, 張春雷, 陳子松 申請人:北京廣利核系統工程有限公司, 中國廣東核電集團有限公司