阅读说明：本技术 一种多量程高精度高电压隔离变送器及校准方法 (Multi-range high-precision high-voltage isolation transmitter and calibration method ) 是由 管怀军 吕华平 吴圣帆 郭志奇 于 2020-06-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种多量程高精度高电压隔离变送器及校准方法,本装置包括多量程选择电路、MCU控制电路、程控高压输入电路、可编程电阻阵列、PWM闭环控制电路、高隔离耦合互感器、PWM解调电路、线性积分电路、电压/电流转换电路。本装置的校准方法是对增益、零点偏移进行粗调和微调实现校准。本装置增益校正的粗调是通过MCU控制电路控制程控放大器实现。本装置零点偏移校正的粗调是通过MCU控制电路对可编程电阻阵列实现。本装置增益、零点偏移的校正调微是通过控制PWM闭环控制电路电源实现。本装置采用MCU控制技术、PWM技术进行信号转换,通过精准调节PWM脉冲的占空比来获得所需的多量程高精度高电压隔离传输信号。(The invention discloses a multi-range high-precision high-voltage isolation transmitter and a calibration method thereof. The calibration method of the device is to carry out coarse adjustment and fine adjustment on gain and zero offset to realize calibration. The rough adjustment of the gain correction of the device is realized by controlling the program control amplifier through the MCU control circuit. The rough adjustment of the zero offset correction of the device is realized by the MCU control circuit to the programmable resistor array. The correction and the adjustment of the gain and the zero point offset of the device are realized by controlling a PWM closed-loop control circuit power supply. The device adopts MCU control technology and PWM technology to carry out signal conversion, and obtains required multi-range high-precision high-voltage isolation transmission signals by accurately adjusting the duty ratio of PWM pulses.)

一种多量程高精度高电压隔离变送器及校准方法

技术领域

本发明涉及变送器，特别涉及一种多量程高精度高电压隔离变送器装置及校准方法。

背景技术

变送器(transmitter)是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号(或将传感器输入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源)的转换器。传感器和变送器一同构成自动控制的监测信号。不同的物理量需要不同的传感器和相应的变送器。变送器的种类很多，用在工控仪表上面的变送器主要有温度变送器、压力变送器、流量变送器、电流变送器、电压变送器等等。

电压变送器是一种能将被测交、直流电压转换成按线性比例输出的交、直流电流或电压的仪器。配以相应的指示仪表或装置，可在电力系统交、直流电路中实现对电压、电流的测量和控制。

随着科学技术的创新发展，在轨道交通，工业控制，电力电网，航天航空，新能源等现代大功率工业设备中，为了优化能源都采用了较高的电压驱动模式。对这些大功率高压系统的监控，主要是保障人身和设备的安全，而在这些大功率设备中都存在高共模的电压信号。对这些信号的检测，需要采用高可靠、高精度的高电压隔离变送器。

在轨道交通高电压牵引系统中，高电压隔离变送器电压信号输入量程范围较宽为：±60mV~±3600V的单极性或双极性的电压，经过高压隔离后输出转化为±20mA、4~20mA、±10V标准电流、电压量程。

目前，在轨道交通高电压牵引系统中使用的高压隔离变送器存在如下不足：

1、高压隔离变送器只能对固定量程高电压进行测量，无法满足多种应用场合的多量程测试检测需求；

2、高压隔离变送器增益校准、零点偏移校准是通过人工对微调元件调节实现。如可调电位器调节，由于电位器本身的材料结构性能的特点，存在着电位随振动环境跳变、电位随温度漂移、噪声大等问题。

发明内容

本发明是针对目前电力电子高电压测量领域使用的高电压隔离变送器性能存在高压隔离变送器只能对固定量程高电压进行测量，无法满足多种应用场合的多量程测试检测需求，提供一种可实现多种高压输入量程与多种输出电压/电流量程组合的高精度、高可靠性的隔离变送器装置及校准方法。

本装置所采用的技术方案是：一种多量程高精度高电压隔离变送器，一种多量程高精度高电压隔离变送器，包括高压输入电路、电阻阵列、PWM控制电路、隔离耦合互感器、PWM解调电路、线性积分电路；待测的输入高压信号经高压输入电路将高电压信号衰减为可被控制器识别的低压小信号，经电阻阵列调整信号零点偏移,送入PWM控制电路转换为PWM信号，经隔离耦合互感器隔离后，送PWM解调电路和线性积分电路转换为电压幅度信号；其特征在于：还包括多量程选择电路、MCU控制电路；所述的高压输入电路、可编程电阻阵列、PWM闭环控制电路分别为由MCU控制电路控制；

所述的多量程选择电路与MCU控制电路相连；

所述的MCU控制电路通过控制程控高压输入电路中程控放大器实现增益校准的粗调，MCU控制电路通过控制可编程电阻阵列实现零点偏移校准的粗调；MCU控制电路通过PWM闭环控制电路的工作电源，实现增益校准和零点偏移校准的微调。

进一步的，上述的多量程高精度高电压隔离变送器中：所述的程控高压输入电路至少包括程控放大器，所述的MCU控制电路通对程控放大器的电阻比值进行调整实现增益校准粗调；MCU控制电路对程控电阻阵列的电阻比值进行调整实现零点偏移校准粗调。

进一步的，上述的多量程高精度高电压隔离变送器中：所述的MCU控制电路输出占空比可调的PWM1、PWM2，经过两路线性积分电路转换为单片机可调的直流电位，经运放U11两路跟随后,控制PWM闭环控制电路的供电电源VCC+、VCC-，实现供电电源电压变化，形成增益和零点偏移的微调模块。

进一步的，上述的多量程高精度高电压隔离变送器中：所述的增益和零点偏移的微调模块包括：MCU控制电路输出2路可调的PWM信号， 2路积分电路，转化为单片机可调节的2路直流电压；该电压经运放U11两路跟随后，精确调节PWM闭环控制电路U2的供电电源VCC+、VCC-的精度微调模块。

进一步的，上述的多量程高精度高电压隔离变送器中：供电电源VCC+、VCC-的精度微调模块，包括电阻R12、电容C11组成的第一积分电路和电阻R15、电容C12组成的第二积分电路；运算放大器U11A和电阻R11组成的第一跟随器和运算放大器U11B和电阻R14组成的第二跟随器；

MCU控制电路输出占空比可调的PWM1经第一积分电路积分后通过第一跟随器输出接供电电源VCC+；

MCU控制电路输出占空比可调的PWM2经第二积分电路积分后通过第二跟随器输出接供电电源VCC-。

进一步的，上述的多量程高精度高电压隔离变送器中：所述的PWM闭环控制电路包括方波振荡电路和三角波电路、积分比较电路、调制信号输出电路；

所述的方波振荡电路包括斯密特反相器U2A、斯密特反相器U2D和电阻R4、电容C2；斯密特反相器U2A的输出端接斯密特反相器U2D的输入端；电阻R4设置在斯密特反相器U2A的输入端与输出端之间，电容C2的一端接斯密特反相器U2A的输入端，电容C2的另一端接斯密特反相器U2D的输出端；

所述的三角波电路包括电阻R3和电容C3；所述的方波振荡电路输出的方波接电阻R3的一端，电阻R3的另一端通过电容C3接地；电阻R3和电容C3相连的公共端形成三角波的输出端S2；

所述的积分比较电路包括运算放大器U1、斯密特反相器U2F、电容C1、电阻R1、电阻R2、电容C4、电阻R5；所述的三角波的输出端S2接斯密特反相器U2F的输入端，斯密特反相器U2F的输出端接电阻R5的一端，斯密特反反相器U2F的14脚和7脚分别接电源VCC+、VCC-；电阻R5的另一端通过电容C4接地；输入信号VIN经过电阻R1限流后与电阻R5与电容C4相连的公共端相连叠加后接运算放大器的异相端，运算放大器的同相端接输入端地电平VF；电容C1设置在运算放大器U1的异相端与输出之间，运算放大器U1的输出端通过电阻R2接电阻R3与电容C3相连的端；

所述的PWM调制信号输出电路包括斯密特反相器U2B和斯密特反相器U2C、电容C5；所述的斯密特反相器U2B的输入端和斯密特反相器U2C的输入端相互连接；斯密特反相器U2B的输出端和斯密特反相器U2C的输出端相互连接；电阻R2接电阻R3与电容C3相连的公共端分别接斯密特反相器U2B和斯密特反相器U2C的输入端，斯密特反相器U2B和斯密特反相器U2C的输出端接电容C5的一端，电容C5的另一端形成PWM闭环控制电路的输出S4。

进一步的，上述的多量程高精度高电压隔离变送器中：所述的高隔离耦合互感器为PCB内嵌高隔离耦合互感器。

本发明还提供了一种多量程高精度高电压隔离变送器的校准方法， MCU控制电路根据量程选择电路确定当前档位的增益和零点偏移，根据当前档位的增益和零点偏移进行校准，校准方式分为增益校准粗调、零点偏移校准粗调、增益和零点偏移调微；

增益校准粗调的步骤：该步骤中，对程控放大器的增益电阻比值进行调整，实现增益校准粗调；

零点偏移校准粗调的步骤：该步骤中，通过对可编程电阻阵列的电阻比值进行调整，实现零点偏移校准粗调；

增益和零点偏移调微的步骤：该步骤中，通过调整电源VCC+与VCC-精度微调电路精确调节PWM闭环控制电路U2的供电电压VCC+、VCC-，实现增益和零点偏移微调。

进一步的，上述的多量程高精度高电压隔离变送器的校准方法中：增益和零点偏移调微的步骤中：

单片机产生两路PWM1、PWM2占空比可调脉冲，经过两路线性积分电路转换为单片机可调的直流电位，经运放U11两路跟随后,实现PWM闭环电路里脉冲振荡电路供电电源VCC+、VCC-直流电压变化。

本发明采用智能的处理器电路对增益校准和零点偏移粗高以及增益和零点偏移调微满足多种应用场合的多量程测试检测需求。

下面结合附图和

具体实施方式

对本发明进行进一步的说明。

附图说明

附图1是本装置的组成框图。

附图2是增益和零点偏移微调模块电路原理图。

附图3是PWM闭环控制电路部分对应的电路原理图。

附图4是本装置的校准流程框图。

具体实施方式

本实施例如图1所示，是多量程高精度高电压隔离变送器装置，包括多量程选择电路、MCU控制电路、程控高压输入电路、可编程电阻阵列、PWM（脉冲宽度调制）闭环控制电路、高隔离耦合互感器、PWM解调电路、线性积分电路、电压/电流转换电路，其中程控高压输入电路包括高压衰减电路、程控放大器。

本装置MCU控制电路根据量程选择电路确定本装置当前输入/输出量程，输入高压信号经程控高压输入电路，由高压衰减电路衰减后，将高电压信号衰减为程控放大器可处理的低压小信号，通过调整程控放大器增益将该信号调整为电压幅度大小合适的信号。该信号经可编程电阻阵列调整零点偏移,送入PWM闭环控制电路转换为占空比可微调的脉冲信号，送高隔离耦合互感器隔离后。经PWM解调电路和线性积分电路转换为电压幅度信号，经电压/电流转换电路输出。

本实施例中，电压变送器量程范围多，各档增益校准、零点偏移校准，采用粗调校准和微调校准两部分组成。

MCU控制电路控制程控高压输入电路中程控放大器实现增益校正的粗调，MCU控制电路控制可编程电阻阵列实现零点偏移校正的粗调。MCU控制电路输出两路占空比可调的PWM1、PWM2信号，经过两路线性积分电路转换为单片机可调的直流电位，经运放U11两路跟随后,控制PWM闭环控制电路的供电电源VCC+、VCC-，实现供电电源电压变化，从而实现本装置增益和零点偏移的微调。由图3分析可知：PWM波闭环调制电路输出信号的占空比仅与PWM波闭环调制电路的供电电压VCC+、VCC-和输入信号VIN、信号输入端的参考电平VF有关，参考电平VF是由精密稳压源提供，则该电路输出脉冲的占空比调节精度仅由VCC+、VCC-的调节精度确定。

本实施例中，增益的粗调校准是通过MCU控制电路对程控放大器的增益电阻比值进行调整，从而对增益校准进行粗调。零点偏移校准的粗调是通过MCU控制电路对程控电阻阵列的电阻比值进行调整，从而对本装置零点偏移进行粗调。本实施例中，增益校准和零点偏移校准的调微是通过MCU控制电路，输出两路PWM1、PWM2占空比可调的脉冲，经过两路线性积分电路转换为单片机可调的直流电位，经运放U11两路跟随后,控制PWM闭环控制电路的供电电源VCC+、VCC-，实现供电电源电压变化。该电压的变化可微调本实施例的变送器的增益和零点偏移。MCU控制电路输出两路PWM信号：PWM1、PWM2脉冲，频率设置为2KHz，脉冲占空比最小调节分辨率0.01%。VCC+和VCC-进行步进相同、方向相同的调节，调整PWM闭环控制电路输出脉冲占空比为50%，微调的是本实施例的零点偏移。 VCC+和VCC-进行步进相同、方向相异的调整，微调的是本装置的增益。

本实施例中，增益校准和零点偏移校准的微调是MCU控制电路通过控制PWM闭环控制电路中的VCC+、VCC-实现如图2所示。

PWM闭环控制电路，包括PWM闭环控制电路、电源VCC+与VCC-电压精度微调电路；

所述的PWM闭环控制电路包括方波振荡电路和三角波电路、积分比较电路、脉宽调制信号输出电路；

电源VCC+与VCC-精度微调模块包括：MCU控制电路输出2路可调的PWM信号，送给2路积分电路，经运放U11两路跟随后，转化为单片机可调节的2路直流电压。该电压精确调节PWM闭环控制电路U2的供电电压VCC+、VCC-。

电源VCC+与VCC-精度微调模块如图2所示，包括电阻R12、电容C11和电阻R15、电容C12组成的两路积分电路和运算放大器U11A、R11和运算放大器U11B、电阻R14组成的两路跟随器电路。

电阻R12和电容C11组成的积分电路； MCU控制电路输出两路占空比可调的PWM1经电阻R12接电容C11的一端，电容C11的另一端接地，电阻R13的另一端还接运放U11A的3脚。

另MCU控制电路输出两路占空比可调的PWM2经电阻R15接电容C12的一端和电阻R16的一端，电容C12的另一端接地，电阻R16的另一端接运放U11的5脚。

运算放大器U11A、R11和运算放大器U11B、电阻R14组成的两路跟随器电路; 其中一路，运放U11A的1脚接电阻R11的一端，R11的另一端接运放的2脚并输出到PWM闭环控制电路的VCC+；另一路，运放U11的7脚接电阻R14的一端，R14的另一端接运放的6脚并输出到PWM闭环控制电路的VCC-。

方波振荡电路如图3所示，包括斯密特反相器U2A、斯密特反相器U2D和电阻R4、电容C2；斯密特反相器U2A的输出端接斯密特反相器U2D的输入端；电阻R4设置在斯密特反相器U2A的输入端与输出端之间，电容C2的一端接斯密特反相器U2A的输入端，电容C2的另一端接斯密特反相器U2D的输出端。

三角波电路包括电阻R3和电容C3；所述的方波振荡电路输出的方波接电阻R3的一端，电阻R3的另一端通过电容C3接地；电阻R3和电容C3相连的公共端形成三角波的输出端S2；

积分比较电路包括运算放大器U1、斯密特反相器U2F、电容C1、电阻R1、电阻R2、电容C4、电阻R5；所述的三角波的输出端S2接斯密特反相器U2F的输入端，斯密特反相器U2F的输出端接电阻R5的一端，斯密特反反相器U2F的14脚和7脚分别接电源VCC+、VCC-；电阻R5的另一端通过电容C4接地；输入信号VIN经过电阻R1限流后与电阻R5与电容C4相连的公共端相连叠加后接运算放大器的异相端，运算放大器的同相端接输入端地电平VREF；电容C1设置在运算放大器U1的异相端与输出之间，运算放大器U1的输出端通过电阻R2接电阻R3与电容C3相连的端；

PWM调制信号输出电路包括斯密特反相器U2B和斯密特反相器U2C、电容C5；所述的斯密特反相器U2B的输入端和斯密特反相器U2C的输入端相互连接；斯密特反相器U2B的输出端和斯密特反相器U2C的输出端相互连接；电阻R2接电阻R3与电容C3相连的公共端分别接斯密特反相器U2B和斯密特反相器U2C的输入端，斯密特反相器U2B和斯密特反相器U2C的输出端接电容C5的一端，电容C5的另一端形成PWM闭环控制电路的输出S4。

供电电压VCC+、VCC-调节的精度取决于MCU电路晶振的振荡频率和频率精度。MCU通过对其I/O口输出PWM脉宽的精确调节，调节VCC+和VCC-电压差的中间值等于VF，则PWM波的占空比为50%。保证了本装置输出信号的零点偏移。因此，该电路具备较高的测量精度，且元器件的参数的变化被该电路实时闭环反馈，元器件参数的变化对测量精度的影响非常小。

本实施例中，增益和零点的粗调校准的步进幅度小于1%，使得粗调校准精度调节控制在1%以内，本实施例中增益和零点的微调校准的步进小于0.01%，使得增益校准和零点校准的精度控制在0.01%以内。

本实施例中高隔离耦合互感器为PCB内嵌高隔离耦合互感器，设计整合在印刷电路板内可提高PCB密度，减小互感器的体积，且可以准确地控制电参数。PCB内嵌高隔离耦合互感器初级线圈和次级线圈为具有相同谐振频率，匝数比为1:1的自谐振线圈。设计双层蜗状螺旋线圈。采用多层PCB工艺，方便进行仿真计算，通过调整线圈尺寸，匝数、线间距、宽度与厚度、基板厚度等参数，线圈自谐振频率精确，稳定。PCB内嵌高隔离耦合互感器内的接地屏蔽层可有效抑制辐射噪声对电路的干扰，PCB高绝缘基板使得PCB内嵌高隔离耦合互感器初级线圈和次级线圈之间的隔离电压大于20kV。

电磁隔离式PWM电路中PCB内嵌高隔离耦合互感器传递的是脉冲占空比信号，传输精度几乎不受漏感影响。

本实施例通过软件的调整，完成多种高电压输入/输出量程的增益校准和零点偏移校准，选取多档编码开关切换输入/输出量程。校正过程如图4所示，MCU上电后进行参数的初始化。初始化后配置并打开串口，MCU不断读取串口命令。当串口接受到增益校准粗调命令，MCU读取串口接受到的数据并控制程控高压输入电路的程控放大器进行相应的调整；当串口接受到零点校准粗调命令，MCU读取串口接受到的数据并控制可编程电阻阵列进行相应的调整；当串口接受到增益校准微调命令，MCU读取串口接受到的数据并控制PWM1和PWM2进行步进相同、方向相反的调整；当串口接受到零点校准微调命令，MCU读取串口接受到的数据并控制PWM1和PWM2进行步进相同、方向相同的调整；当串口接受到校正完成指令，MCU保存校正后的数据并关闭串口，关闭串口后使能编码开关并不断检测编码开关变化并调用相应配置数据。

由于本装置是多种高电压输入/输出量程的组合，在校正的时候需要分别对多档输入/输出量程进行校正。例如：多量程选择电路为16档量程时，可选取16档编码开关控制输入/输出量程。在校正第一档时，编码开关拨到数字码0000位置。我们设定本装置输入电压为0V，使本装置处于零输入状态，此时本装置的输出即为的零点偏移。用高精度电压表测试本装置的输出电压，若本装置的输出电压误差＞1%则进行零点偏移校正粗调。串口接受到零点偏移校正粗调命令后，MCU读取串口接受到的数据并控制可编程电阻阵列进行相应的零点偏移校正调整，直到零点偏移误差≤1%。经粗调后若本装置的零点偏移误差≤1%且≥0.01%，则进行零点偏移校正微调。串口接受到零点偏移校正微调命令后，MCU读取串口接受到的数据并控制PWM1和PWM2进行步进相同、方向相同的调整，直到零点偏移误差＜0.01%。若零点偏移误差＜0.01%，则零点偏移校正完成。

零点偏移校正完成后进行增益校正粗调。我们设定本装置输入电压为该档位的最大输入电压。串口接受到增益校正粗调命令，MCU读取串口接受到的数据并控制程控高压输入电路的程控放大器进行相应的调整，直到增益校正误差≤1%。经增益粗调后，若变送器的增益误差≤1%且≥0.01%，则进行增益校正微调。串口接受到增益校正微调命令，MCU读取串口接受到的数据并控制PWM1和PWM2进行步进相同、方向相反的调整，直到增益误差＜0.01%。若增益误差＜0.01%，则增益校正完成。此时该档位校正完成。

此时将编码开关数字码切换到0001，进行第二档校正。零点偏移校正方法类同第一档，增益误差校正时，将变送器输入电压设置为第二档位最大输入电压，校正方法类同第一档。其他档位校准依次类推，直到所有16个档位均完成校正。校正完成后，通过串口向MCU发送校正完成命令，MCU保存校正后的数据并关闭串口，关闭串口后使能编码开关并不断检测编码开关变化并调用相应配置数据。

本实施例可达到以下主要性能指标：

输入量程范围：±60mV~±3600V的单极性或双极性的电压，

输出量程：±20mA、4~20mA、±10V标准电流、电压量程。

零点失调：＜0.05%

增益误差：＜0.05%

隔离电压：20KV (输入对输出、输入对供电电源)

EMC（EN61326）辐射干扰B级 抗扰度工业级。

本实施例采用MCU控制技术、电磁隔离PWM技术，实现多量程高精度高电压的测试。解决了现有轨道交通牵引系统中高压隔离变送器的不足。满足了多种应用场合的多量程高精度高电压信号监测需求。

本实施例中，通过软件的调整完成多种高电压输入/输出量程的校正，选取多档编码开关切换输入/输出量程；

在校正第一档时，编码开关拨到数字码0000位置；设定本装置输入电压为0V，使本装置处于零输入状态；通过高精度电压表测试本装置的输出电压，若本装置的输出电压误差＞1%则进行零点偏移校正粗调；串口接受到零点偏移校正粗调命令后，MCU读取串口接受到的数据并控制可编程电阻阵列进行相应的零点偏移校正调整，直到零点偏移误差≤1%；经粗调后若本装置的零点偏移误差≤1%且≥0.01%，则进行零点偏移校正微调；串口接受到零点偏移校正微调命令后，MCU读取串口接受到的数据并控制PWM1和PWM2进行步进相同、方向相同的调整，直到零点偏移误差＜0.01%；若零点偏移误差＜0.01%，则零点偏移校正完成。

零点偏移校正完成后进行增益校正粗调；设定本装置输入电压为该档位的最大输入电压；串口接受到增益校正粗调命令，MCU读取串口接受到的数据并控制程控高压输入电路的程控放大器进行相应的调整，直到增益校正误差≤1%；经增益粗调后，若变送器的增益误差≤1%且≥0.01%，则进行增益校正微调；串口接受到增益校正微调命令，MCU读取串口接受到的数据并控制PWM1和PWM2进行步进相同、方向相反的调整，直到增益误差＜0.01%；若增益误差＜0.01%，则增益校正完成。此时该档位校正完成；将编码开关数字码切换到0001，进行第二档校正；零点偏移校正方法类同第一档，增益校正时，将变送器输入电压设置为第二档位最大输入电压，校正方法类同第一档；其他档位校准依次类推，直到所有档位均完成校正；校正完成后，通过串口向MCU发送校正完成命令，MCU保存校正后的数据并关闭串口，关闭串口后使能编码开关并不断检测编码开关变化并调用相应配置数据。