CN101076053B - 一种多通道光电隔离电压的测量方法及其电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道光电隔离电压测量方法及其电路，其测量方法为先根据测量到的电压基准信号点将测量量程划分为若干线性区段；测量出输入电压信号通过线性光电耦合电路的A/D值，判断该A/D值所属的线性区段；再以该所属的线性区段的两端电压基准值作为插值，使用线性插值算法将输入电压信号的A/D值转换为准确的信号电压值；其测量电路包括模拟通道切换电路、线性光电耦合电路、多段电压基准发生电路、模数转换器和微处理器；采用本发明可以得到较为理想的测量值，并且其电路结构简单，省去了复杂的***测量电路。

Description

一种多通道光电隔离电压的测量方法及其电路

[技术领域]

本发明涉及电信监控设备的测量领域，特别涉及一种多通道光电隔离电压的测量方法及其电路。

[背景技术]

现有的线性光电耦合测量电路存在有以下不容易克服的缺点：

(1)仅能在特定测量范围内保持较高的测量线性度，在全测量量程内的某些区间会出现较大的线性偏差，这种线性偏差可以使用特定的补偿电路加以弥补，但补偿电路较为复杂，需要高精度的电容阻器件，成本较高，调试难度较大，如果不加以软件校正，从根本上该缺点是难以消除的。

(2)现有的线性光电耦合测量电路通道中存在有固有静态测量误差(如零点偏移误差)；而且现有的线性光电耦合测量电路在不同环境温度条件下，测量特性曲线也会发生较大的变化，需要在测量工作中实时加以校正措施。

(3)现有的线性光电耦合测量电路因为光耦器件的差异性，测量值将发生较大的差异，需要校正，但硬件校正措施成本较高、工作量较大。

[发明内容]

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、能准确测出信号电压值的一种多通道光电隔离电压的测量方法及其电路。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种多通道光电隔离电压的测量方法，包括如下步骤，

101、根据测量到的电压基准信号点将测量量程划分为线性区段；

102、测量出输入电压信号通过线性光电耦合电路的A/D值，判断该A/D值所属的线性区段；

103、以该所属的线性区段的两端电压基准值作为插值，使用线性插值算法将输入电压信号的A/D值转换为准确的信号电压值。

其中，所述步骤101还包括，测量所述的电压基准信号通过线性光电耦合电路的A/D值，及电压基准信号A/D值对应于准确已知的电压基准值。

其中，步骤103中所述线性插值算法的计算公式为，

${\mathrm{val}}_{\left(n\right)}={\mathrm{REF}}_{\left(n\right)}-\frac{(\mathrm{ad}\_r_{\left(n\right)}-\mathrm{ad}\_{\mathrm{ai}}_{\left(n\right)})}{({\mathrm{ad}\_r}_{\left(n\right)}-{\mathrm{ad}\_r}_{(n+1)})}\×({\mathrm{REF}}_{\left(n\right)}-{\mathrm{REF}}_{(n+1)})$

其中ad_r_(n)≤ad_ai_(n)≤ad_r_(n)，val_(n)为转换的信号电压值，REF_(n)为线性区段的端点电压基准值，ad_r_(n)为电压基准信号的A/D值，ad_ai_(n)为输入电压信号的A/D值。

其中，所述基准信号点是所述电压基准信号A/D值和电压基准值在直角坐标系里的对应点。

一种多通道光电隔离电压测量电路，包括，

模拟通道切换电路，其选择多路输入电压信号或电压基准信号送入线性光电耦合电路的输入端口；

多段电压基准发生电路，其提供划分线性区段的测量基准；

模数转换器，其将经过线性光电耦合电路的电压信号转换为数字信号，供微处理器进行处理；

微处理器，其控制模拟通道切换电路，选择送入线性光电耦合电路的信号，并且控制模数转换器将线性光电耦合电路输出的电压信号转换为数字量，通过线性插值算法把该数字量转换为信号电压值。

其中，还包括线性光电耦合电路，其实现被测量的输入电压信号与测量内部电路光电线性隔离。

其中，所述线性插值算法固化于所述的微处理器中，其计算公式为，

${\mathrm{val}}_{\left(n\right)}={\mathrm{REF}}_{\left(n\right)}-\frac{(\mathrm{ad}\_r_{\left(n\right)}-\mathrm{ad}\_{\mathrm{ai}}_{\left(n\right)})}{({\mathrm{ad}\_r}_{\left(n\right)}-{\mathrm{ad}\_r}_{(n+1)})}\×({\mathrm{REF}}_{\left(n\right)}-{\mathrm{REF}}_{(n+1)})$

其中ad_r_(n)≤ad_ai_(n)≤ad_r_(n)，val_(n)为转换的信号电压值，REF_(n)为线性区段的端点电压基准值，ad_r_(n)为电压基准信号的A/D值，ad_ai_(n)为输入电压信号的A/D值。

采用本发明的多通道光电隔离电压测量方法，利用基准电压信号点形成线性区段，利用线性区段的两端点基准值采用线性插值算法对测量到的A/D值进行转换，使该测量方法在不同测量范围下测量电压信号都具有很好的测量线性精度，消除线性光电耦合电路固有的测量偏差；并且用这种光电隔离电压测量电路，其结构简单、成本也比较低，省去了复杂精密的***补偿电路。

[附图说明]

图1是本发明多通道光电隔离电压测量方法的流程示意图。

图2是本发明中由线性区段形成的拟合曲线和实际的线性光电耦合输入输出特性曲线示意图。

图3是本发明多通道光电隔离电压测量电路模块图。

图4是本发明线性光电耦合电路的电路图。

图5是本发明模拟通道切换电路的电路图。

图6是本发明电压基准发生电路的电路图。

[具体实施方式]

下面根据附图和具体实施例对本发明作进一步地阐述。

图1是本发明多通道光电隔离电压测量方法的流程示意图，首先模拟通道切换电路切换至基准通道P_AREF，此时依次测量出电压基准信号P_AREF、P_CHK1、P_CHK2、P_CHK3、P_CHK4、GND_DEV_AI通过线性光电耦合电路的A/D值ad_r1，ad_r2，ad_r3，ad_r4，aa_r5，ad_r6，其对应于准确已知的电压基准值REF1，REF2，REF3，REF4，REF5，REF6，将测量量程划分为5段线性区段〔A1〕、〔A2〕、〔A3〕、〔A4〕、〔A5〕，如图2所示形成拟合曲线线性插值表，A/D值和电压基准值在直角坐标系里对应组成基准信号点，以线性区段〔A1〕、〔A2〕、〔A3〕、〔A4〕、〔A5〕可以拟合实际的线性光电耦合电路的输入输出特性曲线。

然后模拟切换电话切换至测量通道，再测量出输入电压信号AI(n)通过线性光电耦合电路的A/D值ad_ai(n)，判断ad_ai(n)落在哪一个线性区段中〔An〕中，以线性区段〔An〕的两端基准值REF(n)，REF(n+1)作为插值计算的基准值，使用线性插值算法，将ad_ai(n)值转换为准确的信号电压值val(n)，即可根据拟合曲线表计算出实际的信号电压值，线性插值算法的计算公式为：

${\mathrm{val}}_{\left(n\right)}={\mathrm{REF}}_{\left(n\right)}-\frac{(\mathrm{ad}\_r_{\left(n\right)}-\mathrm{ad}\_{\mathrm{ai}}_{\left(n\right)})}{({\mathrm{ad}\_r}_{\left(n\right)}-{\mathrm{ad}\_r}_{(n+1)})}\×({\mathrm{REF}}_{\left(n\right)}-{\mathrm{REF}}_{(n+1)})$

其中，ad_r_(n)≤ad_ai_(n)≤ad_r_(n)

当然电压基准信号不限于仅为6个，其越多最后计算得出的信号电压值越精确。

相应的多通道光电隔离电压测量电路如图3所示，其包括，

多个被测量的电压信号1，其从AI0到AI15，(根据应用需要可以增减分段数目)；

多段电压基准发生电路2，其提供划分线性区段的测量基准；

模拟通道切换电路(MUX)3，其选择多路输入电压信号和电压基准信号送入线性光电耦合电路的输入端口；

线性光电耦合电路4，其实现被测量的输入电压信号与测量内部电路光电线性隔离；

模数转换器应用电路(A/D)5，其将经过线性光电耦合电路传递的电压信号AIN_E1转换为数字信号，供监控设备中的微处理器(MCU)进行处理，计算出实际的电压信号测量值。

其将经过线性光电耦合电路的电压信号转换为数字信号，供微处理器进行处理；

微处理器(MCU)6，整个测量电路的核心控制和计算部件，其控制模拟通道切换电路，选择送入线性光电耦合电路的信号，并且控制模数转换器(A/D)将线性光电耦合电路输出的电压信号AIN_E1转换为数字量，通过运行于固化于内部的线性插值算法，转换测量值，完成最终的测量值计算任务。

其中，模拟通道切换电路如图5所示，其主要作用是选择多路电压输入信号P_AI_MUX和电压基准信号P_AREF、P_CHK1、P_CHK2、P_CHK3、P_CHK4、GND_DEV_AI送入线性光电耦合电路输入端口P_AI_MUX。为防止干扰信号进入微处理器(MCU)，控制信号SEL_A、SEL_B、SEL_C、SEL_MUX1、SEL_MUX2、SEL_MUK3与多路模拟开关U3、U7、U11之间使用了光耦器件U2、U6、U8、U9、U12、U13进行隔离。

多段电压基准发生电路如图4所示，该部分电路为划分线性区段形成拟合曲线提供测量基准，其是由高精度电压参考器件U10和精密电阻网络构成的，线性区段分段的测量基准信号P_AREF、P_CHK1、P_CHK2、P_CHK3、P_CHK4、GND_DEV_AI将测量量程划分为5段，经过模拟通道切换电路送入线性光电耦合电路的输入端口P_AI_MUX，经线性光电耦合电路的输出端口AIN_E1送入模数转换器(A/D)。

线性线性光电耦合电路如图6所示，该部分电路是实现被测量信号与测量内部电路光电线性隔离的关键电路，其是由线性光耦器件U5、运放U1B、U4B和电阻、电容器件构成线性光电耦合电路；运放U1A，U4A的作用在于构成正相跟随电路消除输入、输出的阻抗影响。

综上所述，采用本发明的多通道光电隔离电压测量方法，利用基准电压信号点形成线性区段，利用线性区段的两端点基准值采用线性插值算法对测量到的A/D值进行转换，使该测量方法在不同测量范围下测量电压信号都具有很好的测量线性精度，消除线性光电耦合电路固有的测量偏差；并且用这种光电隔离电压测量电路，其结构简单、成本也比较低，省去了复杂精密的***补偿电路。

Claims (7)

1.一种多通道光电隔离电压的测量方法，其特征在于：包括以下步骤，

101、根据测量到的电压基准信号点将测量量程划分为若干线性区段；

102、测量出输入电压信号通过线性光电耦合电路的A/D值，判断该A/D值所属的线性区段；

103、以该所属的线性区段的两端电压基准值作为插值，使用线性插值算法将输入电压信号的A/D值转换为准确的信号电压值。

2.根据权利要求1所述的多通道光电隔离电压的测量方法，其特征在于：所述步骤101还包括，测量所述的电压基准信号通过线性光电耦合电路的A/D值，及电压基准信号A/D值对应于准确已知的电压基准值。

3.根据权利要求1或2所述的多通道光电隔离电压的测量方法，其特征在于：步骤103中所述线性插值算法的计算公式为，

${\mathrm{val}}_{\left(n\right)}={\mathrm{REF}}_{\left(n\right)}-\frac{(\mathrm{ad}\_r_{\left(n\right)}-\mathrm{ad}\_{\mathrm{ai}}_{\left(n\right)})}{({\mathrm{ad}\_r}_{\left(n\right)}-{\mathrm{ad}\_r}_{(n+1)})}\×({\mathrm{REF}}_{\left(n\right)}-{\mathrm{REF}}_{(n+1)})$

其中ad_r_(n)≤ad_ai_(n)≤ad_r_(n+1)，val_(n)为转换的信号电压值，REF_(n)为线性区段的端点电压基准值，ad_r_(n)为电压基准信号的A/D值，ad_ai_(n)为输入电压信号的A/D值。

4.根据权利要求2所述的多通道光电隔离电压的测量方法，其特征在于：所述基准信号点是所述电压基准信号A/D值和电压基准值在直角坐标系里的对应点。

5.一种多通道光电隔离电压的测量电路，其特征在于：包括，

模拟通道切换电路，其选择多路输入电压信号或电压基准信号送入线性光电耦合电路的输入端口；

多段电压基准发生电路，其提供划分线性区段的测量基准；

模数转换器，其将经过线性光电耦合电路的电压信号转换为数字信号，供微处理器进行处理；

微处理器，其控制模拟通道切换电路，选择送入线性光电耦合电路的信号，并且控制模数转换器将线性光电耦合电路输出的电压信号转换为数字量，通过线性插值算法把该数字量转换为信号电压值。

6.根据权利要求5所述的多通道光电隔离电压的测量电路，其特征在于：还包括线性光电耦合电路，其实现被测量的输入电压信号与测量内部电路光电线性隔离。

7.根据权利要求5或6所述的多通道光电隔离电压的测量电路，其特征在于：所述线性插值算法固化于所述的微处理器中，其计算公式为，

${\mathrm{val}}_{\left(n\right)}={\mathrm{REF}}_{\left(n\right)}-\frac{(\mathrm{ad}\_r_{\left(n\right)}-\mathrm{ad}\_{\mathrm{ai}}_{\left(n\right)})}{({\mathrm{ad}\_r}_{\left(n\right)}-{\mathrm{ad}\_r}_{(n+1)})}\×({\mathrm{REF}}_{\left(n\right)}-{\mathrm{REF}}_{(n+1)})$

其中ad_r_(n)≤ad_ai_(n)≤ad_r_(n)，val_(n)为转换的信号电压值，REF_(n)为线性区段的端点电压基准值，ad_r_(n)为电压基准信号的A/D值，ad_ai_(n)为输入电压信号的A/D值。

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