CN102269775A

CN102269775A - 一种低成本高精度的电压测量系统及其测量方法

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Publication number: CN102269775A
Application number: CN2011101255786A
Authority: CN
Inventors: 钟小梅
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-05-16
Filing date: 2011-05-16
Publication date: 2011-12-07

Abstract

一种低成本高精度的电压测量系统及其测量方法，包括开关切换电路、信号处理电路、处理器和显示模块，开关切换电路的输入端接测量电压和至少一个标准电压模块，开关切换电路的输出通过信号处理电路接处理器，处理器的控制信号输出端与开关切换电路相连，处理器通过显示模块输出测量结果。本发明中，只要信号处理电路的线性度误差足够小，测量电压的误差就只与标准电压模块相关，从理论上消除了信号处理电路，如放大电路、A/D转换器等所带来的误差，达到了只需要使用低成本的信号处理电路就能实现高精度测量电压的目的；本发明中所需要的标准电压模块，在测量电路中都是作为A/D转换器的基准电压输入而现存的，本发明无须再为该模块增加成本。

Description

一种低成本高精度的电压测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量方法，尤其是是一种利用在线校准法，根据输入端的标准电压校准测量电压的系统及方法，具体地说是一种低成本高精度的电压测量方法及采用该方法的测量系统。

背景技术

目前，绝大部分用于测量各种物理量的仪表，都是通过各种传感器先将需要测量的信号转化为电压信号，再通过对该电压信号的测量，得出实际测量物理量的值，因此对电压信号测量的准确性就直接决定了所测量的物理量值的准确性。

传统的测量方法都是通过对传感器输出的电压信号进行处理（放大、衰减以及滤波等）后，得到符合A/D转换器（模拟/数字信号转换器）输入范围的电压值，再由A/D转换器输出电压的读数，并经过运算得到所测量的物理量的实际值；在此过程中，放大电路、A/D转换器等都会给信号的测量带来误差，而且随着测量环境温度的变化，这些误差也会变化；为了提高测量结果的准确性，必须使用高质量的信号处理电路（如高精密、低温漂的电阻、运算放大器，以及高质量的A/D转换器等）来降低测量误差，而且不管使用多么精密的、价格多么昂贵的处理电路，误差或多或少总会存在，从理论上无法完全消除该误差。

发明内容

本发明的目的是针对仪表在测量物理量的过程中，为了提高精度，必须采用价格昂贵的、高精度、低温漂的信号处理电路，而且就算如此也无法完全消除误差的问题，提出一种低成本高精度的电压测量系统及其测量方法。利用在线校准法，根据输入端的标准电压校准测量电压，从理论上完全消除了信号处理电路所引入的误差，以达到用低成本的电路实现高精度测量的目的。

本发明的技术方案：

一种低成本高精度的电压测量系统，它包括开关切换电路、信号处理电路、处理器和显示模块，所述的开关切换电路的输入端接测量电压和至少一个标准电压模块，开关切换电路的输出端接信号处理电路的信号输入端，信号处理电路的信号输出端与处理器相连，处理器的控制信号输出端与开关切换电路相连，处理器与显示模块相连，显示模块作为电压测量系统的信号输出，显示测量结果。

本发明的开关切换电路包括与测量电压和标准电压模块相连的多个开关，各开关的一端分别连接测量电压和标准电压模块，各开关的另一端并接，与信号处理电路的信号输入端相连。

本发明的开关是模拟开关或继电器的触点开关，所有的开关由处理器控制打开或闭合。

本发明的测量电压为一个或多个。

本发明的信号处理电路的为A/D转换器。

本发明的信号处理电路还包括放大器、衰减电路和滤波器。

一种低成本高精度的电压测量方法，应用低成本高精度的电压测量系统，它包括以下三种处理方法：

（a）、当信号处理电路的线性度误差满足测量精度的要求时，采用两个标准电压模块；

处理器控制开关切换电路，将信号处理电路的输入电压x依次切换为标准电压1和标准电压2，处理器读出各输入电压对应的信号处理电路的输出结果y，并代入线性传输方程y = kx + b；处理器解出信号处理电路的传输系数k 和信号处理电路的零点偏移b，然后切换至测量电压，读出对应测量电压经信号处理电路后的输出结果y，根据以上步骤得到的传输方程和处理结果y，处理器得到测量电压值；

（b）、当信号处理电路的线性度误差满足测量精度的要求时，且信号处理电路的零点偏移b或者传输系数k已知，采用一个标准电压模块；

处理器控制开关切换电路，将信号处理电路的输入电压x切换为标准电压1，处理器读出经过信号处理电路的输出结果y，并代入线性传输方程：y = kx + b，根据已知的零点偏移b或者传输系数k解出传输系数k或者零点偏移b；然后切换至测量电压，读出对应测量电压经信号处理电路后的输出结果y，根据以上步骤得到的传输方程和处理结果y，处理器得到测量电压值；

（c）、当信号处理电路的线性度误差超出测量精度的要求时，采用多个标准电压模块；

处理器控制开关切换电路，将信号处理电路的输入电压x依次切换到所有的标准电压模块和测量电压，读出它们经过信号处理电路的输出结果y，根据它们的y判断出离测量电压最近的比测量电压大的标准电压模块和离测量电压最近的比测量电压小的标准电压模块，根据这两个标准电压模块的电压x和它们经过信号处理电路的输出结果y，代入线性传输方程y = kx + b；解出传输系数k 和零点偏移b，然后根据测量电压经信号处理电路后的输出结果y计算出测量电压值。

本发明的方法a中，标准电压1和标准电压2设为待测量电压的上、下限或接近上、下限的电压值。

本发明的方法b中，如果信号处理电路的传输系数k已知，则标准电压模块设置为测量电压输入的下限或接近下限的电压值；如果信号处理电路的零点偏移b已知，则标准电压模块设置为测量电压输入的上限或接近上限的电压值；当下限为零电压时，直接将信号地作为标准零电压。

本发明的方法c中，多个标准电压模块为多个独立的标准电压模块或者由一个标准电压模块和电阻衰减网络构成，所述的一个标准电压模块经电阻衰减网络产生多个标准电压。

本发明的标准电压模块为根据系统测量精度的要求选用的电压基准芯片、或电压基准芯片加放大或衰减电路；如系统测量精度要求0到70度范围内精度优于0.5%时，可选用精度优于0.2%、温漂优于20ppm的电压基准芯片，如ADR01AR。

本发明的有益效果：

在本发明中，只要信号处理电路的线性度误差足够小（实际使用中，就算是低成本的信号处理电路所使用的器件，如电阻、运算放大器以及A/D转换器等，它们的线性度误差都是可以忽略不计的），测量电压的误差就只与标准电压模块相关，这就从理论上消除了信号处理电路，如放大器电路、A/D转换器等所带来的误差，从而达到了只需要使用低成本的信号处理电路就能实现高精度测量电压的目的；而本发明中所需要的标准电压模块，在测量电路中都是作为A/D转换器的基准电压输入而现存的，本发明无须再为该模块增加成本。

附图说明

图1是本发明的原理框图。

图2是使用多个标准电压模块的传输曲线图。

图3是使用一个标准电压模块和电阻衰减网络产生多个标准电压模块的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种低成本高精度的电压测量系统，其特征是它包括开关切换电路、信号处理电路、处理器和显示模块，所述的开关切换电路的输入端接测量电压和至少一个标准电压模块，开关切换电路的输出端接信号处理电路的信号输入端，信号处理电路的信号输出端与处理器相连，处理器的控制信号输出端与开关切换电路相连，处理器与显示模块相连，显示模块作为电压测量系统的信号输出，显示测量结果。

本发明的信号处理电路包括A/D转换器、放大器、衰减电路和滤波器。信号处理电路的作用是把测量电压和标准电压经过放大或衰减以及滤波等，处理成符合A/D转换器要求的电压，如果测量电压不需要任何处理就符合A/D转换器要求的电压，则放大器、衰减电路和滤波器可以省略。

图1中信号处理电路的传输方程为（假设信号处理电路的线性度误差忽略不计）：

y = kx + b

其中：y —— 信号处理电路的输出结果；

x —— 输入电压；

k —— 电路的传输系数；

b —— 零点偏移；

根据测量系统精度要求的不同，该发明有以下四种实现方式：

A、信号处理电路的线性度误差忽略不计，只需要得到准确的信号处理电路的零点偏移和传输系数，就能满足测量精度要求时（此时需要两个标准电压模块，这两个标准电压模块的电压通常设置为测量电压输入的上、下限，该处理方法为该发明最常见的一种处理方法，因为就算是低成本的处理电路所使用的器件，其线性度误差都可以忽略不计，但其零点偏移和传输系数会误差较大，而且最关键的是他们同时会随着时间和温度的变化而变化）：

处理器控制开关切换电路，将信号处理电路的输入电压x依次切换为标准电压1和标准电压2，处理器读出各输入电压对应的信号处理电路的输出结果y，并代入线性传输方程y = kx + b；处理器解出信号处理电路的传输系数k 和信号处理电路的零点偏移b，然后切换至测量电压，读出对应测量电压经信号处理电路后的输出结果y，根据以上步骤得到的传输方程和输出结果y，处理器得到测量电压值；

在实际使用时，随着温度和时间的变化，信号处理电路本身的参数会发生变化（也就是传输方程中的 k 和 b 会发生变化），但只要处理器控制开关切换电路重新切换到标准电压并修正 k 和 b （该动作可以定时进行，如果处理器还连接有温度传感器，也可以根据温度的变化进行），就能保证实际测量电压的值与电路本身参数的变化无关。

B、信号处理电路的线性度误差忽略不计，只需要得到准确的信号处理电路的零点偏移，就能满足测量精度要求时（此时只需要一个标准电压模块，这个标准电压模块的电压通常设置为测量电压输入的下限，当下限为零电压时，可以直接将信号地作为标准电压）：

处理器通过开关切换电路，将信号处理电路的输入电压x切换为标准电压1，处理器读出对应的信号处理电路的输出结果y，并代入线性传输方程：y = kx + b，传输系数 k 根据实际电路的理论计算值或人工测量值代入方程，根据方程式解出b ，然后切换输入电压x为测量电压输入，读出对应的信号处理电路的输出结果y，根据以上步骤得到的传输方程和输出结果y，处理器得到测量电压值。

C、信号处理电路的线性度误差忽略不计，只需要得到准确的信号处理电路的传输系数，就能满足测量精度要求时（此时只需要一个标准电压模块，这个标准电压模块的电压通常设置为测量电压输入的上限）：

处理器通过开关切换电路，将信号处理电路的输入电压x切换为标准电压1，处理器读出对应的信号处理电路的输出结果y，并代入线性传输方程：y = kx + b，零点偏移 b 根据实际电路的理论计算值或人工测量值代入方程，根据方程式解出k ，然后切换输入电压x为测量电压输入，读出对应的信号处理电路的输出结果y，根据以上步骤得到的传输方程和输出结果y，处理器得到测量电压值。

D、信号处理电路的线性度误差不能忽略不计，也就是传输方程不能作为一个直线方程处理时，可以根据线性度误差的大小（相对与测量精度而言）将传输曲线平均分为多段，线性度误差越大则需要分段数越多，每一小段作为直线来处理来，这样就需要多个标准电压模块来校准每一小段范围内的测量电压，如图2，而且这多个标准电压模块也可以直接由一个标准电压模块和电阻衰减网络代替，如图3）：

处理器控制开关切换电路，将信号处理电路的输入电压x依次切换到所有的标准电压模块和测量电压，读出它们经过信号处理电路处理的结果y，根据它们的y判断出离测量电压最近的比测量电压大的标准电压模块和离测量电压最近的比测量电压小的标准电压模块，根据这两个标准电压模块的电压x和它们经过信号处理电路处理的结果y，代入线性传输方程y = kx + b；解出传输系数k 和零点偏移b，然后根据测量电压经信号处理电路后的处理结果y计算出测量电压值；

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims

1.一种低成本高精度的电压测量系统，其特征是它包括开关切换电路、信号处理电路、处理器和显示模块，所述的开关切换电路的输入端接测量电压和至少一个标准电压模块，开关切换电路的输出端接信号处理电路的信号输入端，信号处理电路的信号输出端与处理器相连，处理器的控制信号输出端与开关切换电路相连，处理器与显示模块相连，显示模块作为电压测量系统的信号输出，显示测量结果。

2.根据权利要求1所述的低成本高精度的电压测量系统，其特征是所述的开关切换电路包括与测量电压和标准电压模块相连的多个开关，各开关的一端分别连接测量电压和标准电压模块，各开关的另一端并接，与信号处理电路的信号输入端相连。

3.根据权利要求1所述的低成本高精度的电压测量系统，其特征是所述的开关是模拟开关或继电器的触点开关，所有的开关由处理器控制打开或闭合。

4.根据权利要求1所述的低成本高精度的电压测量系统，其特征是所述的测量电压为一个或多个。

5.根据权利要求1所述的低成本高精度的电压测量系统，其特征是所述的信号处理电路的为A/D转换器。

6.根据权利要求5所述的低成本高精度的电压测量系统，其特征是所述的信号处理电路还包括放大器、衰减电路和滤波器。

7.一种低成本高精度的电压测量方法，应用如权利要求1所述的低成本高精度的电压测量系统，其特征是它包括以下三种处理方法：

8.根据权利要求7所述的低成本高精度的电压测量方法，其特征是所述的方法a中，标准电压1和标准电压2设为待测量电压的上、下限或接近上、下限的电压值。

9.根据权利要求7所述的低成本高精度的电压测量方法，其特征是所述的方法b中，如果信号处理电路的传输系数k已知，则标准电压模块设置为测量电压输入的下限或接近下限的电压值；如果信号处理电路的零点偏移b已知，则标准电压模块设置为测量电压输入的上限或接近上限的电压值；当下限为零电压时，直接将信号地作为标准零电压。

10.根据权利要求7所述的低成本高精度的电压测量方法，其特征是所述的方法c中，多个标准电压模块为多个独立的标准电压模块或者由一个标准电压模块和电阻衰减网络构成，所述的一个标准电压模块经电阻衰减网络产生多个标准电压。