基于软硬件原理的小电流采集补偿电路及方法与流程

本发明涉及小电流采集，特别是涉及一种基于软硬件原理的小电流采集补偿电路及方法。

背景技术：

1、随着人工智能和云边协同技术等技术在工控行业的不断应用，工控设备正着智能化方向发展。智能化的工控系统能够根据实时数据和历史数据预测未来的状态自适应地调整控制策略、自动优化控制过程。因此对前端信号处理特别是模拟量信号处理提出了更高的要求。

2、经发明人研究发现,在现有的小电流信号采集过程中，影响小电流信号采集精度的因素主要有传感器、信号传输、电源噪声、信号调理、模数转换等方面。其中传感器对精度的影响可通过传感器选型解决、电源噪声可使用高精度电源等进行优化、模数转换对精度的影响可选用更高精度的模数转换元件解决。

3、因在小电流采集领域，由于被测信号非常微弱，一般在10-12安培乃至更低级别，这种微弱信号的传输线、信号调理电路极易受工频等外部空间辐射干扰影响,如图1所示，是被测小电流（被测电流源）以及采集路径。外部空间辐射干扰源既可能是具有规律周期的工频干扰，同时也有可能是不规律的尖峰脉冲，因此难以滤除。

4、小电流信号具有微弱和低信噪比的特点，直接测量这类电流是比较困难的。通常会将小电流信号转换为如电压等其他物理量进行测量。因此电路中大量采用的模拟器件（如电阻、电容、晶体管、运算放大器等）存在一定的参数误差，如阻值漂移、阻值固有误差、电容值漂移、失调电压、温度系数不匹配等。这些误差均会对小电流信号采集的性能和精度产生影响。

5、如图2所示，小电流信号转换为电压的传统方法1为反馈积分法，其原理为是直流电流对反馈电容不断充电，通过输出电压的变化率来衡量输入电流的大小。在一定时间内积分，可以有效的降低检测电路中的随机噪声，其缺点是延长了电路的响应时间。

6、如图3所示，小电流信号转换为电压的传统方法2为反馈电阻法，该方法运用运算放大器“虚短”特性，构成跨阻放大电路，该电路中运算放大器的同相输入端电位与反相输入端电位相等，又由于同相输入端接地，当小电流信号流经反馈电阻后，使输出电压与输入电路成比例变化。因小电流信号调理电路通常采用10兆欧（107ω）至100太欧（1014ω）高阻值电阻和跨阻放大电路进行模拟信号处理，而当电阻阻值大于10兆欧后，高阻值电阻受物理和材料限制，电阻的准确度、电阻噪声、温飘均随阻值的增大而劣化。因此反馈电阻法其缺点是对运算放大器的输入偏置电流、输入偏置电压、反馈电阻精度及稳定性要求较高。导致小电流信号难以被准确地放大和采集。

7、另外，因为小电流采集领域电流测量信号范围通常跨度达到多个数量级，所以现有常规电路一般会基于图3的改进，形成改进型小电流采集电路，参见如图4所示。但是，其采集精度仍然不算理想。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供了一种提升小电流采集精度的基于软硬件原理的小电流采集补偿电路及方法。

2、本发明的技术方案是：一种基于软硬件原理的小电流采集补偿电路，所述小电流采集补偿电路包括通过非线性误差修正方式提高小电流采集精度的模拟电路部分，和通过线性误差修正方式提高小电流采集精度的数字部分。

3、在进一步的技术方案中，所述小电流采集补偿电路的模拟电路部分包括由两个多档位i/v转换单元、减法运算调理单元和反向放大调理单元构成；其中，

4、所述多档位i/v转换单元包括用于多档位i/v转换电路，所述多档位i/v转换电路具备两个独立的跨阻放大电路，用于分别将小电流输入正端信号ip、小电流负端输入信号in，对应线性转换至电压输出正端信号vop、电压输出负端信号von；

5、所述减法运算调理单元组成包括减法运算调理电路，所述减法运算调理电路的输入端信号vip2连接多档位i/v转换单元的输出信号vop，输入端信号vin2连接多档位i/v转换单元的输出信号von；所述减法运算调理电路用于将输出信号vo2的信号幅度调节为输入信号vip2与输入信号vin2差值，以实现对工频等外部空间辐射干扰和组成信号调理电路中运算放大器的输入偏置电流、输入偏置电压、反馈电阻精度及稳定性造成的非线性误差补偿；

6、所述反向放大调理单元包括反向放大调理电路，所述反向放大调理电路的输入端信号vi3连接减法运算调理电路的输出信号vo2，所述反向放大调理电路用于将输出信号vo3的幅度调节至输入信号vi3的-1倍。

7、在进一步的技术方案中，所述小电流采集补偿电路的数字部分包括模数转换单元、微控制单元和温度采集单元；其中，

8、所述数字部分的电路输入端信号vi4连接所述反向放大调理电路的输出信号vo3，用于将小电流信号采集电路的模拟电路部分输出的电压，通过依次连接的模数转换单元、微控制单元和温度采集单元，采集所读取的二进制码，集合预设的校准系数、温度系数和时间系数，从而实现对小电流信号采集电路中因运算放大器和电阻造成的线性误差修正。

9、在进一步的技术方案中，当所述小电流采集补偿电路集成于需要进行小电流信号处理的实际电路中且该小电流采集补偿电路的模数转换单元具备正、负双极性信号输入功能时，所述小电流采集补偿电路去除所述反向放大调理单元，且数字部分的电路输入端信号vi4连接至所述减法运算调理电路的输出信号vo2，从而降低电路复杂程度。

10、在进一步的技术方案中，当所述小电流采集补偿电路集成于需要进行小电流信号处理的实际电路中且该小电流采集补偿电路仅需实现i/v转换功能时，在所述小电流采集补偿电路中仅去除所述数字部分，从而降低电路复杂程度，或者在所述小电流采集补偿电路上同时去除所述数字部分和所述反向放大调理电路，从而降低电路复杂程度。

11、在进一步的技术方案中，当所述小电流采集补偿电路集成于需要进行小电流信号处理的实际电路中且该小电流信号采集补偿电路的多档位i/v转换电路设于外部电路上，所述小电流采集补偿电路去掉模拟电路部分，从而降低电路复杂程度。

12、本发明还提供了一种基于软硬件原理的小电流采集补偿方法，所述小电流采集补偿方法基于上述的基于软硬件原理的小电流采集补偿电路，所述小电流采集补偿方法包括以下步骤：

13、步骤1、构成小电流采集补偿电路模拟电路部分的多档位i/v转换电路：

14、在多档位i/v转换电路中，编号为opp1与opn1的运算放大器采用飞安级输入偏置电流静电计放大器，并与rfp1至rfpx或rfn1至rfnx电阻共同构成跨阻放大电路；

15、编号为rfp1至rfpx和rfn1至rfnx电阻采用高精度、低噪声的高阻，且与编号opp1、opn1的运算放大器连接，根据公式1关系，实现小电流转电压功能；

16、公式1：；

17、在所述公式1中，和分别对应多档位i/v转换电路中的vop和ip，或者和分别对应多档位i/v转换电路中的von或in；分别对应多档位i/v转换电路中的rfp1至rfpx任一电阻或rfn1至rfnx任一电阻；其中，ip为小电流输入正端信号、in为小电流负端输入信号，vop为电压输出正端信号、von为电压输出负端信号；

18、在多档位i/v转换电路中，编号为k1的开关作用为通过微控制器使能信号，选择不同的rfp(1至x)接入编号为opp1的运算放大器构成的跨阻放大反馈环路，编号为k2的开关作用为通过微控制器使能信号，选择不同的rfn(1至x)接入编号为opn1的运算放大器构成的跨阻放大反馈环路，以实现对不同小电流档位的电流电压转换功能；

19、其中，编号为k1、k2的开关可由继电器、多路复用器、模拟开关、mos管、跳线、机械开关等具备实现电信号通断控制的机电元器件组成；微控制器为编号k1、k2的开关提供的使能信号均为一致，确保编号为opp1运算放大器构成的跨阻放大电路档位与编号为opn1运算放大器构成的跨阻放大电路档位保持一致，x为大于1的正整数；

20、步骤2、构成小电流采集补偿电路模拟电路部分的减法运算调理电路：

21、在减法运算调理电路中，编号为op2的运算放大器为精密运算放大器，其作用为与编号为r1、r2、r3、r4的电阻共同构成减法运算放大电路；编号为r1、r2、r3、r4的电阻为高精度、低噪声的高阻，其电阻阻值决定了减法运算放大电路的输入信号与输出信号比例；在减法运算调理中输出信号vo2的信号与输入信号vip2、输入信号vin2的输入输出线性关系用公式2表达，

22、公式2：；

23、在减法运算调理电路中，因输出信号vo2的信号幅度调节为输入信号vip2与输入信号vin2差值的1倍，故编号为r1、r2、r3、r4的电阻值比例为；

24、步骤3、构成小电流采集补偿电路模拟电路部分的反向放大调理电路：

25、在反向放大调理电路中，编号为r5与r6的电阻作用与编号为op3的运算放大器构成反相输入放大电路，其中，编号为r5与r6的阻值取决与输入信号幅度至输出信号幅度的比例，反向放大调理电路将输出信号vo3的幅度调节至输入信号vi3的-1倍为例，将-1倍代入式3，可得，编号为r5与r6的阻值比例为1:1；

26、公式3：。

27、在进一步的技术方案中，还包括以下步骤：

28、步骤4、构成小电流采集补偿电路的数字部分：

29、在小电流采集补偿电路的数字部分中，编号为u1的元件为模数转换器，其主要作用为将输入模拟电压信号vi4转换为可供微控制器读取的二进制码数字信号；编号为u2的元件为微控制器，其主要作用为读取模数转换器通过spi、iic、并口等数字接口输出的数字信号，在此基础上加载校准系数、温度系数等线性修正算法，实现读小电流信号的准确采集；编号为u3的元件为温度传感器，其主要作用为将小电流信号采集电路所处的环境温度传递给微控制器作为对小电流信号采集环境温度补偿的依据；

30、在小电流采集补偿电路的数字部分中，编号为u1的元件为模数转换器所采集到的电压值，用公式4表达，

31、公式4：；

32、在所述公式4中，为模数转换器所采集到的电压值，为模数转换器输入的参考电压，为模数转换器输出的二进制码值，为模数转换器的转换位数，如16位模数转换器值为65536，24位模数转换器值为16777216；

33、在小电流采集补偿电路的数字部分中，编号为u2的元件为微控制器所采集到的电流值经线性补偿系数修正的采集结果，用公式5表达，

34、公式5：；

35、在所述公式5中，为微控制器所采集到经线性补偿系数修正后的电流值，为模数转换器所输出的电压值，为对应跨阻放大档位反馈环路的反馈电阻值，为对应跨阻放大档位的校准系数k值，为对应跨阻放大档位的校准系数b值，为温度传感器反馈的实测环境温度，为微控制器进行温度系数校准时的基线环境温度，为对应跨阻放大档位的温度系数k值，对应跨阻放大档位的温度系数b值。

36、在进一步的技术方案中，在步骤1中，当多档位i/v转换电路集成于需要进行小电流信号处理的实际电路时，为保证多档位i/v转换单元性能及精度，编号为opp1与opn1的运算放大器为飞安级输入偏置电流静电计放大器必须为同一生产批次、编号为k1、k2的开关必须为同一生产批次、编号为rfp1至rfpx和rfn1至rfnx电阻必须为同一生产批次。

37、在进一步的技术方案中，在步骤2中，当减法运算调理电路集成于需要进行小电流信号处理的实际电路时，为保证减法运算调理单元性能及精度，编号为r1、r2、r3、r4的电阻必须为同一生产批次。

38、本发明的有益效果是：

39、1、本发明中，通过减法器硬件调理原理可规避小电流信号采集过程中由于传输线上工频等外部空间辐射干扰和组成信号调理电路中运算放大器的输入偏置电流、输入偏置电压、反馈电阻精度及稳定性造成的非线性误差；

40、2、本发明中，通过最小二乘法软件修正原理小电流信号采集电路中的微控制器元件，可根据内部掉电非易失存储区域预设的校准系数、温度系数和时间系数换算模数转换器元件读取的二进制码，进而改善小电流信号采集电路中因运算放大器和电阻造成的线性误差；

41、3、本发明中，通过最小二乘法软件修正原理改善小电流信号采集电路中的线性误差，摒弃传统人工调试操作和电位器补偿方法，结合数字化自动测试，可提升产品调试生产效率和模拟量处理电路综合精度；

42、4、本发明方法中，涉及硬件部分（公式1至公式4）和软件部分（公式5），两部分既可独立应用于小电流采集补偿，也可以组合应用小电流采集补偿，均可达到提升小电流采集精度的目的。