专利名称：多通道模拟量输入模块的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种工业控制系统中的多通道模拟量输入模块，更具体 地，涉及一种在工业控制系统中的、包含针对通道切换引起的串扰进行补偿 的补偿装置的非隔离多通道模拟量输入模块。
背景技术：
在工业控制系统非隔离多通道模拟量输入模块中，各通道间必然存在串扰。串扰主要由下面两类因素引起因素l.电路布线，接线及共用电源等引起的通道间耦合。 因素2.通道切换引起的电路充放电效应。而由通道切换引起的串扰占据各种串扰的绝对最大比重。所以只要解决 了由通道切换引起的串扰，就可以使产品基本满足产品的串扰指标要求。图1示出了现有技术的多通道模拟量输入模块的典型电路结构。在图1 中，多个输入通道CHl-CHn的输入端子分别连接到多个输入预处理电路 1 l-ln,多个输入预处理电路ll-ln分别对多个输入通道CHl-CHn的模拟量输 入信号进行预处理；输入预处理电路ll-ln的输出分别连接到多路选择电路 MUX的n个输入端，多路选择电路MUX选择多个输入预处理电路ll-ln之 一的输入作为其输出，多路选择电路MUX的输出依序连接到后级的处理电 路20和模数转换电路30。在如图1所述的典型模拟量输入电路中，因为电路本身的固定参数和分 布参数而引起的充放电效应的存在，使得只要各通道输入信号(包括电压输 入信号和电流输入信号)经过各级处理电路后在模数转换器输入端产生的电 压信号不同，在后级的多路选择电路MUX切换和模数转换器30采样之间就 必须等待一段时间，以便让模数转换器30输入端的电压信号稳定下来，这样 才能得到准确的采样值。将图1的输入预处理电路ll-ln和处理电路20均简化为一阶电路，则由 多路选择电路MUX切换通道而引起的阶跃输入全响应如下面的等式(1 )所示(/,x(卜e-〃" + "2xe-'"=C/1 + ^ x ((72 _ ...... ( 1 )其中t: 从通道切换开始到模数转换器采样的时间U:本采样通道输入信号对应的模数转换器输入端的t时刻的电压信号。 Ul:本采样通道输入信号对应的模数转换器输入端的稳定电压信号。 U2:上一采样通道输入信号对应的模数转换器输入端的稳定电压信号。 t:各级处理电路的综合充放电参数。K:即时间常数e-'〃 ，当针对特定的硬件参数、并且模数转换器30的 采样频率固定后其为一固定值。在实际应用中对于同 一批次的电路板可共用 此参数。K应当通过测试而非理论计算得到。图2A是现有技术的多通道模拟量输入模块的通道切换时的放电效应(即 本通道信号低于上一采样通道信号的情况)示意图；图2B是现有技术的多通 道模拟量输入模块的通道切换时的充电效应(即本通道信号高于上一采样通 道信号的情况)示意图。在特定的硬件条件下，如果输入采样时间指标不足以让模数转换器30 输入端的电压信号稳定下来，这就会产生约为K* (U2-U1)的通道间串扰。在某些技术方案中会在两个输入通道之间切入中间电位(相当于复位电 平)。但是，这样的技术方案，使得模数转换器执行一次采样处理必须进行两 次通道切换操作，而且还必须引入准确的中间电位电平才能保证采样的精度， 从而电路复杂，且采样频率相对不高。因此期待设计出 一种新的多通道模拟量输入模块，使上述的通道间串扰 能够得到充分抑制，同时多通道模拟量输入模块的电路结构能够筒单，并且 保证采样频率。实用新型内容本实用新型的目的是基本解决至少上述问题和/或缺点，并提供至少下面 的优点。因此，本实用新型的目的是提供一种多通道模拟量输入模块，其中 多通道模拟量输入模块包括多个输入通道；多路选择电路，接收多个输入 通道的输入，选择多个输入通道之一的输入作为其输出；处理电路接收多路选择电路的输出，并对其进行处理；模数转换电路，对处理电路的输出进行 模数转换。所述多通道模拟量输入模块还包括对模数转换电路的输出进行补偿的补偿装置，所述补偿装置包括存储组件存储从模数转换器得到的补 偿前本采样通道的模数转换器读出值D、上一采样通道的模数转換器读出值 D2以及参数K1;计算组件读取存储组件存储的数据D、 D2和K1，根据 等式D1 =D+(D-D2) xKl计算出补偿后本采样通道的模数转换器读出值D1， 并将D1输出到后级电路装置，其中，参数K1是与多通道模拟量输入模块的 硬件参数和采样频率相关的参数。根据本实用新型的多通道模拟量输入模块，使上述的通道间串扰能够得 到充分抑制，同时多通道模拟量输入模块的电路结构能够筒单，并且保证采 样频率。
通过下面参照附图进行详细描述，本实用新型的上迷和其他目的、特征 和优点将变得更加明显，其中图1示出了现有技术的多通道模拟量输入模块的典型电路结构；图2A和2B分别示出了现有技术的多通道模拟量输入模块的放/充电效应；图3示出了根据本实用新型的实施例的、多通道模拟量输入模块的电路结构；图4示出对多通道模拟量输入模块的串扰进行补偿所需的参数K1的实 -睑测试方法。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施例进行说明。附图中相同的附图 标记指代相同的电路元件。本实用新型针对通道切换引起的串扰引入补偿，从而使多通道模拟量输 入模块的通道间串扰能够得到充分抑制，同时多通道模拟量输入模块的电路 结构能够简单，并能保证采样频率。图3示出了根据本实用新型的实施例的、多通道模拟量输入模块的电路 结构。在图3中，多个输入通道CHl-CHn的输入端子分别连接到多个输入预 处理电路ll-ln，多个输入预处理电路ll-ln分别对多个输入通道CHl-CHn 的模拟量输入信号进行预处理；输入预处理电路ll-ln的输出分别连接到多 路选择电路MUX的n个输入端，多路选择电路MUX选择多个输入预处理电 路ll-ln之一的输入作为其输出，多路选择电路MUX的输出依序连接到后级 的处理电路20、模数转换电路30和补偿装置40。与图1相比，除了图3的多通道模拟量输入模块还包括在模数转换电路 30之后的补偿装置40之外，图3与图1基本相同。下面解释根据本实用新型多通道模拟量输入模块的补偿装置所采用的补偿原理。同样将图3的输入预处理电路和处理电路均简化为一阶电路，因为是通 过测试获得等效一阶电路的K值，而不是通过计算得到K值，因此不需要引 入二阶、三阶模型；并且二阶、三阶计算会消耗更多的时间。 根据图2A、 2B以及等式(1) 〃 = "l +《x(t/2-f/l)可知 如果设D为补偿前本采样通道的模数转换器读出值，则其应对应于等式 (1 )中的U;设D1为补偿后本采样通道的模数转换器读出值，则其应对应于等式(1 ) 中的Ul;设D2为上一采样通道的模数转换器读出值，则其应对应于等式(l)中 的U2;(其中，D2可取值为补偿前上一采样通道的模数转换器读出值，或取 值为补偿后上一采样通道的模数转换器读出值，因为补偿前后的差值相对 D-D2来说小的多)贝'J:与等式l对应地，D、 Dl和D2应该存在下面等式(2)的关系D = D1十Kx(D2-Dl)...... (2)其中K即时间常数e-'〃 ，当针对特定的硬件参数、并且模数转换器的 采样频率固定后其为一固定值。由等式(2)可推导出下面的等式(3):Dl = (D-KxD2)/(l-K) = D+(D-D2) xK/(l-K) =D+(D-D2)xKl……(3)其中，K1=K/(1-K)。显然与参数K一样，当硬件参数和采样频率固定 后Kl为一固定值，对于同一批次的电路板，此参数的一致性较好。从上面的等式(3)推知，需要补偿的偏差为(D-D2)xKl。最大偏差发生在(D-D2) 等于FSR (满量程范围)时。因此，在获得补偿前本采样通道的模数转换器读出值D、上一采样通道 的模数转换器读出值D2以及参数K1之后，就可以通过等式(3)的计算近 似计算得出补偿后本采样通道的模数转换器读出值Dl, Dl能够充分接近本 采样通道输入信号对应的模数转换器输入端的稳定电压信号Ul。图3中的补偿装置40根据上述分析计算对通道间的串扰进行补偿。补偿装置40包括存储组件41和计算组件42。存储組件41存储从模数 转换器30得到的补偿前本采样通道的模数转换器读出值D、上一采样通道的 模数转换器读出值D2以及参数Kl。计算组件42读取存储组件41存储的数 据D、 D2和Kl,根据等式(3)计算出补偿后本采样通道的模数转换器读出 值D1，并将D1输出到后级电路装置(未示出)。图4示出对多通道模拟量输入模块的串扰进行补偿所需的参数K1的实 马全测-汰方法。因为当针对特定的硬件参数、并且模数转换器的采样频率固定后参数K 是为一固定值。在实际应用中对于同一批次的电路板可共用此参数。K应当 通过测试而非理论计算得到。因而Kl也应当通过测试而非理论计算得到。Kl的一种实验测试方法如下步骤Sl. 将上一采样通道和本采样通道的输入值均设置为输入量程 最小值，进行采样读数，将本通道的模数转换器读出值赋给D1。步骤S2. 将上一采样通道的输入值设置为输入量程最大值，将本采样 通道的输入值设置为输入量程最小值，进行采样读数，将本通道的模数转换 器读出值赋给D,将上一通道的模数转换器读出值赋给D2。步骤S3. 将D、 Dl和D2代入等式(3 )即可得出Kl。在图4的Kl实验测试方法中，可以计算偏差值Kl (D-D2)，其近似通 道切换产生的最大串扰，如果该最大串扰值大于设计指标，那么使用图3补 偿装置将是最经济、简单的手段。本实用新型的串扰补偿装置不受采样频率和精度要求的影响。其补偿效 果主要受温度和硬件参数一致程度的影响，因而补偿效果取决于如下因素1. 充放电环节硬件受温度影响的程度。如果要在全温度范围内取得好 的补偿效果，则充放电环节的硬件需选择温漂小的器件。2. 同一批次电路板采用同一测试参数Kl，因此不同电路板的补偿效 果取决于充放电环节硬件参数的离散程度，比如电阻器的精度。充放电环节 硬件参数的离散程度越小，不同电路板的补偿效果一致性越好。本实用新型的串扰补偿装置既可以通过硬件实现也可以通过软件实现。 均可以解决通道间串扰，继而保证输入精度。在采样时间指标确定的情况下， 通过使用本实用新型的串扰补偿装置，可选择较低性能的多路选择电路以降 低成本。虽然已参照本实用新型的某些优选实施例示出并描述了本实用新型，但 本领域技术人员应当明白，在不背离由所附权利要求书所限定的本实用新型 的精神和范围的情况下，可以在形式上和细节上对其做出各种变化。
权利要求1. 一种多通道模拟量输入模块，其中多通道模拟量输入模块包括多个输入通道；多路选择电路，接收多个输入通道的输入，选择多个输入通道之一的输入作为其输出；处理电路接收多路选择电路的输出，并对其进行处理；模数转换电路，对处理电路的输出进行模数转换；其特征在于所述多通道模拟量输入模块还包括对模数转换电路的输出进行补偿的补偿装置，所述补偿装置包括存储组件存储从模数转换器得到的补偿前本采样通道的模数转换器读出值D、上一采样通道的模数转换器读出值D2以及参数K1；计算组件读取存储组件存储的数据D、D2和K1，根据下面等式计算出补偿后本采样通道的模数转换器读出值D1，并将D1输出到后级电路装置，D1＝D+(D-D2)×K1其中，参数K1是与多通道模拟量输入模块的硬件参数和采样频率相关的参数。
专利摘要一种多通道模拟量输入模块，其中多通道模拟量输入模块包括多个输入通道；多路选择电路，接收多个输入通道的输入，选择多个输入通道之一的输入作为其输出；处理电路接收多路选择电路的输出，并对其进行处理；模数转换电路，对处理电路的输出进行模数转换。所述多通道模拟量输入模块还包括对模数转换电路的输出进行补偿的补偿装置。
文档编号H04L12/28GK201122977SQ20072015593
公开日2008年9月24日 申请日期2007年7月3日 优先权日2007年7月3日
发明者杨贤红 申请人:施耐德电器工业公司