專利名稱：一種精密電子測量和補(bǔ)償?shù)姆椒ê脱b置的制作方法
精密電子測量和補(bǔ)償涉及電子測量和電子系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)念I(lǐng)域，特別的涉及采用傳感器的測量和電子系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償。
現(xiàn)有的電子測量系統(tǒng)大多是按線性系統(tǒng)函數(shù)的模型設(shè)計的。從數(shù)學(xué)的角度來看，現(xiàn)有的電子測量系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)是一個有誤差的線性函數(shù)。這個系統(tǒng)中，輸出是輸入的函數(shù)。普遍的理解是，輸出是輸入的線性函數(shù)，輸入也是輸出的線性函數(shù)，不相等的部分視為誤差。但忽略了一個重要問題，我們需要的是輸入的值，即我們關(guān)心的是輸入關(guān)于輸出的函數(shù)，而此函數(shù)的存在性，也就是反函數(shù)存在性卻被忽略了。當(dāng)系統(tǒng)函數(shù)的非線性成分不能忽略時(如非線性傳感器與特殊放大器不匹配)，輸入是不是輸出的函數(shù)已經(jīng)不能肯定了，即已不能從輸出確定輸入了。這也是線性模型的在實際應(yīng)用中的最大問題。
現(xiàn)有的電子測量系統(tǒng)由傳感器、放大器、量化器、多路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、控制與接口電路及進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的計算機(jī)組成。模擬部分的主要器件—以運(yùn)算放大器為核心的放大器和均勻量化的A/D轉(zhuǎn)換器都要求傳感器有良好的線性。而實際上傳感器都或多或少的有非線性成分，特別的有些種類的傳感器是指數(shù)或?qū)?shù)特性的。在電路中，需要在增加非線性校正電路，或增加特殊放大器(如對數(shù)放大器)進(jìn)行線性化處理。實際上，對傳感器和系統(tǒng)的非線性特性補(bǔ)償并沒有很好的解決方法。
在系統(tǒng)補(bǔ)償上，特別是補(bǔ)償溫度變化引進(jìn)的誤差和器件固有誤差時，可以采用的手段十分有限。通過采用增加一組熱敏器件來補(bǔ)償溫度誤差，而能滿足匹配要求的器件很難挑選，且增加的器件又會帶來新的固有誤差；或者采用控制系統(tǒng)的環(huán)境溫度的方法，則增加系統(tǒng)復(fù)雜性，且有一段較長的系統(tǒng)穩(wěn)定時間，精度要求越高則穩(wěn)定時間越長。在消除固有誤差上，除消除零點(diǎn)誤差可簡單地增加一電位器或電阻調(diào)整零點(diǎn)，只能依靠選擇高質(zhì)量的元件減小(而不能消除)固有誤差。由于固有誤差和溫度引進(jìn)的誤差的特性都是隨機(jī)的，在電路設(shè)計時無法預(yù)見，則在設(shè)計中無法采取措施完全消除，還需在調(diào)試的過程中消除或減小。而調(diào)試的過程中，按線性函數(shù)的方法不能保證消除整個系統(tǒng)的誤差。
由于線性模擬系統(tǒng)模型有以上缺點(diǎn)，故設(shè)計了非線性系統(tǒng)函數(shù)模型方法。一個輸入和一個輸出的系統(tǒng)，輸出是輸入的函數(shù)，系統(tǒng)設(shè)計時保證輸出是輸入的嚴(yán)格單調(diào)函數(shù)，則輸入也是輸出的函數(shù)。測量一組輸入和對應(yīng)的輸出的初值，用統(tǒng)計方法計算出輸入—輸出函數(shù)(一般情況下采用多項式函數(shù)逼近)的各項系數(shù)；使用中，由輸出直接計算出輸入。這里用到兩個基本的數(shù)學(xué)定理1.嚴(yán)格單調(diào)函數(shù)存在反函數(shù)2.閉區(qū)間上的連續(xù)函數(shù)可以用多項式來一致逼近。(Weierstrass定理)當(dāng)系統(tǒng)有多個輸入輸出時，一般的是輸入輸出的個數(shù)相等，但只關(guān)心某些輸入值。如溫度—壓力混合傳感器，壓力測量受溫度的影響，溫度的測量是為了消除溫度的影響。系統(tǒng)函數(shù)是多元向量函數(shù)，在實際應(yīng)用中可視為有界的無限次可微函數(shù)，其反函數(shù)存在的條件是雅可比(Jacobi)行列式不等于零。雅可比行列式是由輸出對輸入的偏導(dǎo)數(shù)組成的行列式，解此不等式是比較困難的，具體實現(xiàn)時與之對應(yīng)的器件的選擇和電路的設(shè)計則更加困難，僅由于器件的隨機(jī)誤差就可能破壞了此條件。而且，當(dāng)反函數(shù)存在的時侯，此反函數(shù)不一定高階可微，即由泰勒公式導(dǎo)出的二次以上的多項式逼近可能不成立。既使多項式逼近成立，計算系數(shù)的統(tǒng)計模型會非常復(fù)雜。所以，多輸入輸出系統(tǒng)需要做一些簡化，才有實際意義。
本方法的目的是當(dāng)采用非線性傳感器時，可得到精密的測量結(jié)果；提高現(xiàn)有的測量系統(tǒng)測量精度；提出一種對電子系統(tǒng)進(jìn)行精密補(bǔ)償?shù)姆椒?。同時，降低系統(tǒng)中器件的要求，簡化電子系統(tǒng)的電路和調(diào)試過程。
以下分別介紹本方法用于測量和補(bǔ)償?shù)木唧w實施方法。
1.本方法用于測量的實施方法及裝置測量系統(tǒng)由傳感器、放大器、量化器和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的微控制器或微計算機(jī)及接口電路及組成，將要測量的量視為系統(tǒng)的輸入，輸出的量化結(jié)果視為系統(tǒng)的輸出，使系統(tǒng)滿足輸出與輸入嚴(yán)格單調(diào)；測量一組輸入—輸出初值，用統(tǒng)計方法計算出輸入—輸出的函數(shù)的各項系數(shù)；使用時，由量化值和輸入—輸出函數(shù)直接計算出輸入。下面以直接輸出數(shù)字溫度值的溫度傳感器為例，說明此方法。
采用本方法設(shè)計的溫度傳感器包括兩個部分1.溫度傳感—量化部分2.數(shù)字處理部分溫度傳感—量化部分包含一組模擬溫度傳感器和放大器，量化器和一個內(nèi)部電壓源。它們被集成在可認(rèn)為溫度相同的一個封裝內(nèi)。傳感器的輸出信號經(jīng)放大器放大后輸入到量化器的輸入端，此信號是溫度的函數(shù)，設(shè)為S(t)；電壓源為量化器提供基準(zhǔn)電壓，也是溫度的函數(shù)，設(shè)為R(t)，則量化的結(jié)果為S(t)/R(t)，考慮量化器的誤差，設(shè)為D＝f(t)，約等于S(t)/R(t)。
f(t)的導(dǎo)數(shù)f′(t)約等于(R′(t)*S(t)-S′(t)*R(t))/R(t)2。實際上，2.5V能級禁帶式電壓源的典型溫度系數(shù)為50ppm/K*2.5V＝0.125mV/K，齊納穩(wěn)壓管的溫度系數(shù)更?。粋鞲衅鞯牡湫蜏囟认禂?shù)約為2mV/K，經(jīng)放大器放大后，S′(t)約為2mV/K乘以放大倍數(shù)，通過本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員所熟知的設(shè)計方法，調(diào)節(jié)整個溫度范圍內(nèi)放大器的輸出電壓，使R(t)*V′(t)的絕對值總大于V(t)*R′(t)絕對值；控制系統(tǒng)中各個部分的隨機(jī)誤差，使其不影響系統(tǒng)函數(shù)的單調(diào)性，則f′(t)的絕對值總大于零，且符號不變，即f(t)為溫度的嚴(yán)格單調(diào)函數(shù)。當(dāng)f(t)為溫度的嚴(yán)格單調(diào)函數(shù)時，反函數(shù)存在，則溫度也是D的單調(diào)函數(shù)，設(shè)溫度t＝g(D)。當(dāng)精度要求不高或測溫范圍較小時，g(D)可用一次函數(shù)逼近；否則，就增加高次項以提高精度。通過找到D和溫度一組初值，用統(tǒng)計方法計算出g(D)的各項系數(shù)，使用時，由D直接計算出溫度。
除了用普通的A/D轉(zhuǎn)換器做量化器，也可用一電壓—頻率轉(zhuǎn)換器做量化器。由于電壓—頻率轉(zhuǎn)換器可看作特殊的量化器，考慮頻率f和溫度t的函數(shù)t＝h(f)，通過測定的一組f和t的初值，來確定h(f)的各次項的系數(shù)。但頻率的測量需要一頻率基準(zhǔn)源，需要在頻率測量中考慮由頻率基準(zhǔn)源引入的誤差。
數(shù)字部分是一微控制器或微計算機(jī)及接口電路組成，通過本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員所熟知的方法實現(xiàn)，完成以下四種基本功能1.接收由溫度—量化部分傳出的結(jié)果D2.由溫度—量化部分的結(jié)果D計算出溫度3.存儲的g(D)的算法和各項系數(shù)4.計算或輔助計算的g(D)的各項系數(shù)計算g(D)的各項系數(shù)的過程，也是調(diào)試(校準(zhǔn))的過程。將傳感—量化部分放入溫場中，用精度更高的測溫儀器測量溫場溫度，同時讀出量化結(jié)果D。改變溫場溫度，重復(fù)以上過程，則得到一組溫度與D的初值，通過計算，可得到g(D)的各項系數(shù)，它被存貯在數(shù)字部分的非易失存貯器中，數(shù)字部分的計算部件用此計算出溫度值。g(D)采用的函數(shù)的次數(shù)可在這時確定從一次函數(shù)模型開始，先利用這組初值計算出函數(shù)的系數(shù)，再把各個D代入函數(shù)，檢查誤差是否滿足要求，滿足則采用一次函數(shù)；否則增加次數(shù)，重復(fù)以上過程，直到找到滿足要求的次數(shù)或次數(shù)達(dá)到一定數(shù)值時為止。
當(dāng)用二次函數(shù)逼近時，計算方法如下測量n組t，D的初值，設(shè)t＝a＋b×D＋c×D2a＋b×E(D)＋c×E(D2)＝E(t)a×E(D)＋b×E(D2)＋c×E(D3)＝E(t×D)a×E(D2)＋b×E(D3)＋c×E(D4)＝E(t×D2)其中，E(Dk)=1nΣj=1nDjk---E(t×Dk)=1nΣj=1nt×Djk]]>解上面的方程組，就得到系數(shù)a，b，c的值。將它們存儲在數(shù)字部分的非易失存儲器中。使用時，數(shù)字部分將用這組系數(shù)和二次函數(shù)的算法計算出量化結(jié)果對應(yīng)的溫度值。誤差與量化器的分辨率，函數(shù)次數(shù)和初值測量的組數(shù)有關(guān)，量化器的分辨率越高(量化的有效數(shù)字越多)，函數(shù)的次數(shù)越高(初值測量的組數(shù)相應(yīng)增多)，則整個測量范圍的誤差越小。
設(shè)計其他傳感器只需將溫度傳感器換成其他傳感器即可，滿足被測量量的值與量化結(jié)果的嚴(yán)格單調(diào)性是被測量量的值是量化結(jié)果函數(shù)的必要條件，否則被測量不是量化結(jié)果的函數(shù)。當(dāng)整個范圍不能滿足時，可分成幾個滿足單調(diào)性條件的區(qū)域，對每個區(qū)域分別采用上面的方法。
使用非線性傳感器時，需要在放大器的設(shè)計中考慮對系統(tǒng)的單調(diào)性的補(bǔ)償，特別是采用了特殊放大器時。如不能在整個范圍滿足單調(diào)條件則分幾個滿足單調(diào)性條件的區(qū)域。其他與上面相同。
2.本方法用于溫度補(bǔ)償?shù)膶嵤┓椒把b置在原系統(tǒng)中加入如上的溫度傳感器，使溫度傳感器的溫度與原系統(tǒng)的溫度相同，當(dāng)需要對模擬信號補(bǔ)償時還要加入數(shù)字輸入的補(bǔ)償電路；將溫度視為系統(tǒng)的輸入，補(bǔ)償?shù)臄?shù)字量視為系統(tǒng)的輸出，通過測量一組初值，來確定系統(tǒng)函數(shù)，將此函數(shù)的算法和其系數(shù)存儲在微控制器中。此時溫度傳感器的數(shù)字部分不是計算溫度而是計算補(bǔ)償量和計算或輔助計算系統(tǒng)函數(shù)的系數(shù)。使用時，由溫度傳感器量化器的輸出直接計算出補(bǔ)償量，輸出給補(bǔ)償電路或計算后輸出經(jīng)補(bǔ)償了的輸出量。下面以對電壓源補(bǔ)償為例，具體說明在如上的溫度傳感器的基礎(chǔ)上增加一個D/A轉(zhuǎn)換器，一個模擬加法器構(gòu)成了溫度補(bǔ)償?shù)碾妷涸?。它?可不包括數(shù)字部分的微控制器)集成在一片芯片上，可以認(rèn)為它們溫度相同，則傳感器采集的就是整個系統(tǒng)的溫度。
D/A轉(zhuǎn)換器的輸出信號和電壓源的輸出由模擬加法器相加后輸出，就是補(bǔ)償了的電壓信號。D/A轉(zhuǎn)換器的輸出信號補(bǔ)償了內(nèi)部電壓源，D/A轉(zhuǎn)換器和模擬加法器的溫度漂移。
不同溫度下輸給D/A變換器的補(bǔ)償量K為溫度的一個函數(shù)設(shè)為K＝g(t)，而溫度t又是傳感器量化輸出D的函數(shù)t＝f(D)，所以K＝g(f(D))＝h(D)。這樣，只需找到K＝h(D)的各項系數(shù)，經(jīng)過計算就可以在整個溫度區(qū)域?qū)?nèi)部電壓源，D/A轉(zhuǎn)換器和模擬加法器的溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償。在初值的測量過程，并不需要測量溫度值，只需將器件放在不同溫度的環(huán)境中，不斷設(shè)置D/A變換器的數(shù)據(jù)，直到輸出的電壓滿足誤差的要求，讀出此時量化器輸出的值就得到一組D-K的初值，按統(tǒng)計方法解出K＝h(D)的各項系數(shù)。
數(shù)字部分的微控制器中存貯著K＝h(D)的各項系數(shù)和算法，它可和其他部分集成在一起也可獨(dú)立封裝，它還要完成h(D)系數(shù)計算或輔助計算的功能。
上面的原理對多種基準(zhǔn)信號進(jìn)行溫度補(bǔ)償，如將晶體和振蕩電路和補(bǔ)償電路集成在一起，就可補(bǔ)償晶體和振蕩電路的溫度漂移，輸出高精度頻率信號。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，現(xiàn)有的電子測量技術(shù)是將系統(tǒng)視為有誤差的線性系統(tǒng)；本方法將系統(tǒng)視為無誤差的(誤差可忽略的)非線性系統(tǒng)。現(xiàn)有技術(shù)是通過在模擬電路中增加器件來改善非線性誤差，本方法是通過一組初值計算出非線性的系統(tǒng)函數(shù)，由系統(tǒng)的輸出計算出系統(tǒng)的輸入。這是微電子技術(shù)(特別是數(shù)字技術(shù))發(fā)展和精密測量要求的產(chǎn)物。本方法容許系統(tǒng)有非線性特性，即允許有現(xiàn)有技術(shù)中的非線性誤差和包括固有誤差的其他誤差的存在，這降低了實際應(yīng)用中的器件和電路的要求，省去了在器件生產(chǎn)中或在電路上進(jìn)行復(fù)雜補(bǔ)償(如激光校正)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，用戶使用本方法設(shè)計的集成傳感器時，只需考慮數(shù)字電路接口和對模擬部分供電的簡單處理，就能得到達(dá)到一定誤差要求的測量量(如溫度)的數(shù)值。對于生產(chǎn)者，無需對模擬部分的誤差在芯片上和電路上校正，只在設(shè)計中考慮單調(diào)性和對其穩(wěn)定性做一些處理即可。雖然增加了校正過程，但由于是集中的大規(guī)模的校正，與中間用戶進(jìn)行的分散的、小規(guī)模的校正相比，成本是較低的，使最終用戶的開銷降低。因為傳感—量化部分輸出的是數(shù)字信號，所以在長距離傳輸時只需增加數(shù)字長線驅(qū)動器，電路比現(xiàn)有技術(shù)簡單且不易受到干擾。
與控制系統(tǒng)環(huán)境溫度和增加溫度補(bǔ)償器件的溫度補(bǔ)償方法相比，本方法可精確的補(bǔ)償系統(tǒng)由于溫度或其他變化引進(jìn)的誤差，且?guī)缀蹩珊雎韵到y(tǒng)穩(wěn)定時間。由于無需控制系統(tǒng)溫度的能量和器件，系統(tǒng)消耗的功率很低，體積小。在溫度校正的過程中，溫度值不需要測量，也不需要將溫度控制在某一點(diǎn)上，省略了精密的溫度測量和控制的系統(tǒng)。
以上說明的兩種本方法的應(yīng)用中，對模擬的硬件的要求很低，與現(xiàn)有技術(shù)相比，精度的提高是用軟件實現(xiàn)的。軟件實現(xiàn)的方法比硬件的方法更靈活，以數(shù)字技術(shù)為硬件基礎(chǔ)所以不易被干擾。這是也是本方法的目的和優(yōu)點(diǎn)之一。
權(quán)利要求
1一種精密電子測量和補(bǔ)償?shù)姆椒?，包括下列步驟(1)建立系統(tǒng)的模型在電子測量系統(tǒng)中，將要測量的量視為系統(tǒng)的輸入，將測量的結(jié)果視為系統(tǒng)的輸出；在對系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)中，將引起原系統(tǒng)變化的量視為系統(tǒng)的輸入，對變化的補(bǔ)償視為系統(tǒng)的輸出；(2)在系統(tǒng)設(shè)計時保證系統(tǒng)輸入是系統(tǒng)輸出的函數(shù)；即在單輸入—輸出系統(tǒng)中保證輸出關(guān)于輸入嚴(yán)格單調(diào)，在多個輸入的系統(tǒng)中，使系統(tǒng)的輸出—輸入函數(shù)的雅可比(Jacobi)行列式不等于零；(3)預(yù)測量過程測量一組輸入—輸出的初值，采用統(tǒng)計方法確定滿足誤差要求的輸入—輸出的函數(shù)并計算出各項系數(shù)；(4)使用時，由(3)得到的函數(shù)及其系數(shù)由輸出計算出滿足誤差要求的輸入。
2一種精密電子測量和補(bǔ)償?shù)难b置，由一微控制器或微計算機(jī)(5)和接口電路(6)組成其核心部分，其中的非易失存儲器存儲權(quán)利要求1的(3)中得到的函數(shù)系數(shù)，包含權(quán)利要求1的(4)的計算算法。由傳感器(7)、放大器(8)和量化器(9)構(gòu)成的模擬系統(tǒng)滿足權(quán)利要求1的(2)的條件。微控制器或微計算機(jī)(5)通過接口電路(6)讀取量化器的輸出，經(jīng)過計算后輸出測量結(jié)果或?qū)υ到y(tǒng)的數(shù)字輸出的補(bǔ)償結(jié)果；在系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)难b置中，模擬系統(tǒng)測量引起系統(tǒng)變化的量。需要對原系統(tǒng)進(jìn)行模擬補(bǔ)償時，還包括數(shù)字—模擬轉(zhuǎn)換器(10)及輸出放大器(11)，微控制器或微計算機(jī)(5)計算出的補(bǔ)償結(jié)果經(jīng)接口電路(6)輸出至數(shù)字—模擬轉(zhuǎn)換器(10)，再經(jīng)輸出放大器(11)放大后對原系統(tǒng)進(jìn)行模擬補(bǔ)償。
3權(quán)利要求2的微控制器或微計算機(jī)(5)和接口電路(6)包含權(quán)利要求1的(3)的統(tǒng)計算法和輔助的接口；或權(quán)利要求2的微控制器或微計算機(jī)(5)和接口電路(6)與另一計算機(jī)(12)連接或受其控制，將數(shù)據(jù)傳送給另一計算機(jī)(12)，由另一計算機(jī)(12)計算出權(quán)利要求1的(3)的系數(shù)，并將此系數(shù)傳給微控制器或微計算機(jī)(5)和接口電路(6)或直接寫入微控制器或微計算機(jī)(5)和接口電路(6)中的非易失存儲器。
全文摘要
基于非線性系統(tǒng)函數(shù)模型的精密電子測量和補(bǔ)償涉及電子測量和電子系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)念I(lǐng)域。它克服了傳統(tǒng)的線性系統(tǒng)函數(shù)模型的對非線性誤差和固有誤差無能為力的缺點(diǎn)。系統(tǒng)設(shè)計時保證輸入是輸出的函數(shù)是本方法的關(guān)鍵。測量一組輸入和對應(yīng)的輸出的初值，用統(tǒng)計方法計算出輸入-輸出函數(shù)及各項系數(shù)；使用時，由輸出直接計算出輸入的被測量或補(bǔ)償量。目的在于提高測量精度并給出對電子系統(tǒng)進(jìn)行精密補(bǔ)償?shù)姆椒ā?br> 文檔編號G01D5/12GK1122935SQ9411771
公開日1996年5月22日 申請日期1994年11月7日 優(yōu)先權(quán)日1994年11月7日
發(fā)明者劉勁彤 申請人:劉勁彤