專利名稱：一種低成本高精度的電壓測量系統(tǒng)及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量方法，尤其是是一種利用在線校準(zhǔn)法，根據(jù)輸入端的標(biāo)準(zhǔn)電壓校準(zhǔn)測量電壓的系統(tǒng)及方法，具體地說是一種低成本高精度的電壓測量方法及采用該方法的測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，絕大部分用于測量各種物理量的儀表，都是通過各種傳感器先將需要測量的信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，再通過對該電壓信號的測量，得出實際測量物理量的值，因此對電壓信號測量的準(zhǔn)確性就直接決定了所測量的物理量值的準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)的測量方法都是通過對傳感器輸出的電壓信號進行處理(放大、衰減以及濾波等)后，得到符合A/D轉(zhuǎn)換器(模擬/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器)輸入范圍的電壓值，再由A/D轉(zhuǎn)換器輸出電壓的讀數(shù)，并經(jīng)過運算得到所測量的物理量的實際值；在此過程中，放大電路、A/D 轉(zhuǎn)換器等都會給信號的測量帶來誤差，而且隨著測量環(huán)境溫度的變化，這些誤差也會變化; 為了提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須使用高質(zhì)量的信號處理電路(如高精密、低溫漂的電阻、 運算放大器，以及高質(zhì)量的A/D轉(zhuǎn)換器等)來降低測量誤差，而且不管使用多么精密的、價格多么昂貴的處理電路，誤差或多或少總會存在，從理論上無法完全消除該誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對儀表在測量物理量的過程中，為了提高精度，必須采用價格昂貴的、高精度、低溫漂的信號處理電路，而且就算如此也無法完全消除誤差的問題，提出一種低成本高精度的電壓測量系統(tǒng)及其測量方法。利用在線校準(zhǔn)法，根據(jù)輸入端的標(biāo)準(zhǔn)電壓校準(zhǔn)測量電壓，從理論上完全消除了信號處理電路所引入的誤差，以達到用低成本的電路實現(xiàn)高精度測量的目的。本發(fā)明的技術(shù)方案
一種低成本高精度的電壓測量系統(tǒng)，它包括開關(guān)切換電路、信號處理電路、處理器和顯示模塊，所述的開關(guān)切換電路的輸入端接測量電壓和至少一個標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊，開關(guān)切換電路的輸出端接信號處理電路的信號輸入端，信號處理電路的信號輸出端與處理器相連，處理器的控制信號輸出端與開關(guān)切換電路相連，處理器與顯示模塊相連，顯示模塊作為電壓測量系統(tǒng)的信號輸出，顯示測量結(jié)果。本發(fā)明的開關(guān)切換電路包括與測量電壓和標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊相連的多個開關(guān)，各開關(guān)的一端分別連接測量電壓和標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊，各開關(guān)的另一端并接，與信號處理電路的信號輸入端相連。本發(fā)明的開關(guān)是模擬開關(guān)或繼電器的觸點開關(guān)，所有的開關(guān)由處理器控制打開或閉合。本發(fā)明的測量電壓為一個或多個。
本發(fā)明的信號處理電路的為A/D轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明的信號處理電路還包括放大器、衰減電路和濾波器。一種低成本高精度的電壓測量方法，應(yīng)用低成本高精度的電壓測量系統(tǒng)，它包括以下三種處理方法
(a)、當(dāng)信號處理電路的線性度誤差滿足測量精度的要求時，采用兩個標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊； 處理器控制開關(guān)切換電路，將信號處理電路的輸入電壓χ依次切換為標(biāo)準(zhǔn)電壓1和標(biāo)
準(zhǔn)電壓2，處理器讀出各輸入電壓對應(yīng)的信號處理電路的輸出結(jié)果y，并代入線性傳輸方程 y = kx + b ；處理器解出信號處理電路的傳輸系數(shù)k和信號處理電路的零點偏移b，然后切換至測量電壓，讀出對應(yīng)測量電壓經(jīng)信號處理電路后的輸出結(jié)果y，根據(jù)以上步驟得到的傳輸方程和處理結(jié)果y，處理器得到測量電壓值；
(b)、當(dāng)信號處理電路的線性度誤差滿足測量精度的要求時，且信號處理電路的零點偏移b或者傳輸系數(shù)k已知，采用一個標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊；
處理器控制開關(guān)切換電路，將信號處理電路的輸入電壓χ切換為標(biāo)準(zhǔn)電壓1，處理器讀出經(jīng)過信號處理電路的輸出結(jié)果y，并代入線性傳輸方程y = kx + b，根據(jù)已知的零點偏移b或者傳輸系數(shù)k解出傳輸系數(shù)k或者零點偏移b ；然后切換至測量電壓，讀出對應(yīng)測量電壓經(jīng)信號處理電路后的輸出結(jié)果y，根據(jù)以上步驟得到的傳輸方程和處理結(jié)果y，處理器得到測量電壓值；
(C)、當(dāng)信號處理電路的線性度誤差超出測量精度的要求時，采用多個標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊； 處理器控制開關(guān)切換電路，將信號處理電路的輸入電壓χ依次切換到所有的標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊和測量電壓，讀出它們經(jīng)過信號處理電路的輸出結(jié)果y，根據(jù)它們的y判斷出離測量電壓最近的比測量電壓大的標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊和離測量電壓最近的比測量電壓小的標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊，根據(jù)這兩個標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊的電壓χ和它們經(jīng)過信號處理電路的輸出結(jié)果y，代入線性傳輸方程y = kx + b;解出傳輸系數(shù)k和零點偏移b，然后根據(jù)測量電壓經(jīng)信號處理電路后的輸出結(jié)果y計算出測量電壓值。本發(fā)明的方法a中，標(biāo)準(zhǔn)電壓1和標(biāo)準(zhǔn)電壓2設(shè)為待測量電壓的上、下限或接近上、下限的電壓值。本發(fā)明的方法b中，如果信號處理電路的傳輸系數(shù)k已知，則標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊設(shè)置為測量電壓輸入的下限或接近下限的電壓值；如果信號處理電路的零點偏移b已知，則標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊設(shè)置為測量電壓輸入的上限或接近上限的電壓值；當(dāng)下限為零電壓時，直接將信號地作為標(biāo)準(zhǔn)零電壓。本發(fā)明的方法c中，多個標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊為多個獨立的標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊或者由一個標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊和電阻衰減網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，所述的一個標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊經(jīng)電阻衰減網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生多個標(biāo)準(zhǔn)電壓。本發(fā)明的標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊為根據(jù)系統(tǒng)測量精度的要求選用的電壓基準(zhǔn)芯片、或電壓基準(zhǔn)芯片加放大或衰減電路；如系統(tǒng)測量精度要求0到70度范圍內(nèi)精度優(yōu)于0. 5%時，可選用精度優(yōu)于0. 2%、溫漂優(yōu)于20ppm的電壓基準(zhǔn)芯片，如ADR01AR。本發(fā)明的有益效果
在本發(fā)明中，只要信號處理電路的線性度誤差足夠小(實際使用中，就算是低成本的信號處理電路所使用的器件，如電阻、運算放大器以及A/D轉(zhuǎn)換器等，它們的線性度誤差都是可以忽略不計的)，測量電壓的誤差就只與標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊相關(guān)，這就從理論上消除了信號處理電路，如放大器電路、A/D轉(zhuǎn)換器等所帶來的誤差，從而達到了只需要使用低成本的信號處理電路就能實現(xiàn)高精度測量電壓的目的；而本發(fā)明中所需要的標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊，在測量電路中都是作為A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓輸入而現(xiàn)存的，本發(fā)明無須再為該模塊增加成本。


圖1是本發(fā)明的原理框圖。圖2是使用多個標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊的傳輸曲線圖。圖3是使用一個標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊和電阻衰減網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生多個標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊的示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。如圖1所示，一種低成本高精度的電壓測量系統(tǒng)，其特征是它包括開關(guān)切換電路、 信號處理電路、處理器和顯示模塊，所述的開關(guān)切換電路的輸入端接測量電壓和至少一個標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊，開關(guān)切換電路的輸出端接信號處理電路的信號輸入端，信號處理電路的信號輸出端與處理器相連，處理器的控制信號輸出端與開關(guān)切換電路相連，處理器與顯示模塊相連，顯示模塊作為電壓測量系統(tǒng)的信號輸出，顯示測量結(jié)果。本發(fā)明的信號處理電路包括A/D轉(zhuǎn)換器、放大器、衰減電路和濾波器。信號處理電路的作用是把測量電壓和標(biāo)準(zhǔn)電壓經(jīng)過放大或衰減以及濾波等，處理成符合A/D轉(zhuǎn)換器要求的電壓，如果測量電壓不需要任何處理就符合A/D轉(zhuǎn)換器要求的電壓，則放大器、衰減電路和濾波器可以省略。圖1中信號處理電路的傳輸方程為(假設(shè)信號處理電路的線性度誤差忽略不計) y = kx + b
其中y——信號處理電路的輸出結(jié)果； χ——輸入電壓； k——電路的傳輸系數(shù)； b——零點偏移； 根據(jù)測量系統(tǒng)精度要求的不同，該發(fā)明有以下四種實現(xiàn)方式 A、信號處理電路的線性度誤差忽略不計，只需要得到準(zhǔn)確的信號處理電路的零點偏移和傳輸系數(shù)，就能滿足測量精度要求時(此時需要兩個標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊，這兩個標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊的電壓通常設(shè)置為測量電壓輸入的上、下限，該處理方法為該發(fā)明最常見的一種處理方法， 因為就算是低成本的處理電路所使用的器件，其線性度誤差都可以忽略不計，但其零點偏移和傳輸系數(shù)會誤差較大，而且最關(guān)鍵的是他們同時會隨著時間和溫度的變化而變化)
處理器控制開關(guān)切換電路，將信號處理電路的輸入電壓χ依次切換為標(biāo)準(zhǔn)電壓1和標(biāo)準(zhǔn)電壓2，處理器讀出各輸入電壓對應(yīng)的信號處理電路的輸出結(jié)果y，并代入線性傳輸方程 y = kx + b ；處理器解出信號處理電路的傳輸系數(shù)k和信號處理電路的零點偏移b，然后切換至測量電壓，讀出對應(yīng)測量電壓經(jīng)信號處理電路后的輸出結(jié)果y，根據(jù)以上步驟得到的傳輸方程和輸出結(jié)果y，處理器得到測量電壓值；
在實際使用時，隨著溫度和時間的變化，信號處理電路本身的參數(shù)會發(fā)生變化(也就是傳輸方程中的k和b會發(fā)生變化)，但只要處理器控制開關(guān)切換電路重新切換到標(biāo)準(zhǔn)電壓并修正k和b (該動作可以定時進行，如果處理器還連接有溫度傳感器，也可以根據(jù)溫度的變化進行)，就能保證實際測量電壓的值與電路本身參數(shù)的變化無關(guān)。B、信號處理電路的線性度誤差忽略不計，只需要得到準(zhǔn)確的信號處理電路的零點偏移，就能滿足測量精度要求時(此時只需要一個標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊，這個標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊的電壓通常設(shè)置為測量電壓輸入的下限，當(dāng)下限為零電壓時，可以直接將信號地作為標(biāo)準(zhǔn)電壓)
處理器通過開關(guān)切換電路，將信號處理電路的輸入電壓X切換為標(biāo)準(zhǔn)電壓1，處理器讀出對應(yīng)的信號處理電路的輸出結(jié)果y，并代入線性傳輸方程y = kx + b，傳輸系數(shù)k根據(jù)實際電路的理論計算值或人工測量值代入方程，根據(jù)方程式解出b，然后切換輸入電壓χ 為測量電壓輸入，讀出對應(yīng)的信號處理電路的輸出結(jié)果y，根據(jù)以上步驟得到的傳輸方程和輸出結(jié)果y，處理器得到測量電壓值。C、信號處理電路的線性度誤差忽略不計，只需要得到準(zhǔn)確的信號處理電路的傳輸系數(shù)，就能滿足測量精度要求時(此時只需要一個標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊，這個標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊的電壓通常設(shè)置為測量電壓輸入的上限)
處理器通過開關(guān)切換電路，將信號處理電路的輸入電壓χ切換為標(biāo)準(zhǔn)電壓1，處理器讀出對應(yīng)的信號處理電路的輸出結(jié)果y，并代入線性傳輸方程y = kx + b，零點偏移b根據(jù)實際電路的理論計算值或人工測量值代入方程，根據(jù)方程式解出k，然后切換輸入電壓χ 為測量電壓輸入，讀出對應(yīng)的信號處理電路的輸出結(jié)果y，根據(jù)以上步驟得到的傳輸方程和輸出結(jié)果y，處理器得到測量電壓值。D、信號處理電路的線性度誤差不能忽略不計，也就是傳輸方程不能作為一個直線方程處理時，可以根據(jù)線性度誤差的大小(相對與測量精度而言)將傳輸曲線平均分為多段，線性度誤差越大則需要分段數(shù)越多，每一小段作為直線來處理來，這樣就需要多個標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊來校準(zhǔn)每一小段范圍內(nèi)的測量電壓，如圖2，而且這多個標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊也可以直接由一個標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊和電阻衰減網(wǎng)絡(luò)代替，如圖3)
處理器控制開關(guān)切換電路，將信號處理電路的輸入電壓χ依次切換到所有的標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊和測量電壓，讀出它們經(jīng)過信號處理電路處理的結(jié)果y，根據(jù)它們的y判斷出離測量電壓最近的比測量電壓大的標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊和離測量電壓最近的比測量電壓小的標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊，根據(jù)這兩個標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊的電壓χ和它們經(jīng)過信號處理電路處理的結(jié)果y，代入線性傳輸方程y = kx + b;解出傳輸系數(shù)k和零點偏移b，然后根據(jù)測量電壓經(jīng)信號處理電路后的處理結(jié)果y計算出測量電壓值；
本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種低成本高精度的電壓測量系統(tǒng)，其特征是它包括開關(guān)切換電路、信號處理電路、 處理器和顯示模塊，所述的開關(guān)切換電路的輸入端接測量電壓和至少一個標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊， 開關(guān)切換電路的輸出端接信號處理電路的信號輸入端，信號處理電路的信號輸出端與處理器相連，處理器的控制信號輸出端與開關(guān)切換電路相連，處理器與顯示模塊相連，顯示模塊作為電壓測量系統(tǒng)的信號輸出，顯示測量結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低成本高精度的電壓測量系統(tǒng)，其特征是所述的開關(guān)切換電路包括與測量電壓和標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊相連的多個開關(guān)，各開關(guān)的一端分別連接測量電壓和標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊，各開關(guān)的另一端并接，與信號處理電路的信號輸入端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低成本高精度的電壓測量系統(tǒng)，其特征是所述的開關(guān)是模擬開關(guān)或繼電器的觸點開關(guān)，所有的開關(guān)由處理器控制打開或閉合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低成本高精度的電壓測量系統(tǒng)，其特征是所述的測量電壓為一個或多個。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低成本高精度的電壓測量系統(tǒng)，其特征是所述的信號處理電路的為A/D轉(zhuǎn)換器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低成本高精度的電壓測量系統(tǒng)，其特征是所述的信號處理電路還包括放大器、衰減電路和濾波器。
7.一種低成本高精度的電壓測量方法，應(yīng)用如權(quán)利要求1所述的低成本高精度的電壓測量系統(tǒng)，其特征是它包括以下三種處理方法(a)、當(dāng)信號處理電路的線性度誤差滿足測量精度的要求時，采用兩個標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊；處理器控制開關(guān)切換電路，將信號處理電路的輸入電壓χ依次切換為標(biāo)準(zhǔn)電壓1和標(biāo)準(zhǔn)電壓2，處理器讀出各輸入電壓對應(yīng)的信號處理電路的輸出結(jié)果y，并代入線性傳輸方程 y = kx + b;處理器解出信號處理電路的傳輸系數(shù)k和信號處理電路的零點偏移b，然后切換至測量電壓，讀出對應(yīng)測量電壓經(jīng)信號處理電路后的輸出結(jié)果y，根據(jù)以上步驟得到的傳輸方程和處理結(jié)果y，處理器得到測量電壓值；(b)、當(dāng)信號處理電路的線性度誤差滿足測量精度的要求時，且信號處理電路的零點偏移b或者傳輸系數(shù)k已知，采用一個標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊；處理器控制開關(guān)切換電路，將信號處理電路的輸入電壓χ切換為標(biāo)準(zhǔn)電壓1，處理器讀出經(jīng)過信號處理電路的輸出結(jié)果y，并代入線性傳輸方程y = kx + b，根據(jù)已知的零點偏移b或者傳輸系數(shù)k解出傳輸系數(shù)k或者零點偏移b ；然后切換至測量電壓，讀出對應(yīng)測量電壓經(jīng)信號處理電路后的輸出結(jié)果y，根據(jù)以上步驟得到的傳輸方程和處理結(jié)果y，處理器得到測量電壓值；(C)、當(dāng)信號處理電路的線性度誤差超出測量精度的要求時，采用多個標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊；處理器控制開關(guān)切換電路，將信號處理電路的輸入電壓χ依次切換到所有的標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊和測量電壓，讀出它們經(jīng)過信號處理電路的輸出結(jié)果y，根據(jù)它們的y判斷出離測量電壓最近的比測量電壓大的標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊和離測量電壓最近的比測量電壓小的標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊，根據(jù)這兩個標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊的電壓χ和它們經(jīng)過信號處理電路的輸出結(jié)果y，代入線性傳輸方程y = kx + b;解出傳輸系數(shù)k和零點偏移b，然后根據(jù)測量電壓經(jīng)信號處理電路后的輸出結(jié)果y計算出測量電壓值。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的低成本高精度的電壓測量方法，其特征是所述的方法a中，標(biāo)準(zhǔn)電壓1和標(biāo)準(zhǔn)電壓2設(shè)為待測量電壓的上、下限或接近上、下限的電壓值。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的低成本高精度的電壓測量方法，其特征是所述的方法b中，如果信號處理電路的傳輸系數(shù)k已知，則標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊設(shè)置為測量電壓輸入的下限或接近下限的電壓值；如果信號處理電路的零點偏移b已知，則標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊設(shè)置為測量電壓輸入的上限或接近上限的電壓值；當(dāng)下限為零電壓時，直接將信號地作為標(biāo)準(zhǔn)零電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的低成本高精度的電壓測量方法，其特征是所述的方法c中， 多個標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊為多個獨立的標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊或者由一個標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊和電阻衰減網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，所述的一個標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊經(jīng)電阻衰減網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生多個標(biāo)準(zhǔn)電壓。
全文摘要
一種低成本高精度的電壓測量系統(tǒng)及其測量方法，包括開關(guān)切換電路、信號處理電路、處理器和顯示模塊，開關(guān)切換電路的輸入端接測量電壓和至少一個標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊，開關(guān)切換電路的輸出通過信號處理電路接處理器，處理器的控制信號輸出端與開關(guān)切換電路相連，處理器通過顯示模塊輸出測量結(jié)果。本發(fā)明中，只要信號處理電路的線性度誤差足夠小，測量電壓的誤差就只與標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊相關(guān)，從理論上消除了信號處理電路，如放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器等所帶來的誤差，達到了只需要使用低成本的信號處理電路就能實現(xiàn)高精度測量電壓的目的；本發(fā)明中所需要的標(biāo)準(zhǔn)電壓模塊，在測量電路中都是作為A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓輸入而現(xiàn)存的，本發(fā)明無須再為該模塊增加成本。
文檔編號G01R19/00GK102269775SQ201110125578
公開日2011年12月7日 申請日期2011年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月16日
發(fā)明者鐘小梅 申請人:鐘小梅