一种基于数学拟合的硬件电路校正方法与流程

本发明涉及电路技术领域，尤其涉及一种基于数学拟合的硬件电路校正方法。

背景技术：

测控系统中各系统之间经常采用电压模拟量的方式来传递相关信息。系统间进行电压模拟量传输过程中为了避免系统之间互相干扰以及对系统之间的保护，往往要求系统间输出的电压模拟量进行隔离输出。系统的电压模拟量输出流程图如图1所示。

系统中mcu控制d/a芯片输出相应的电压模拟量，d/a芯片输出的电压模拟量经过调制电路1、隔离光耦、调制电路2后直接输出。由于d/a芯片输出的电压模拟量经过处理的环节较多，以及隔离光耦的线性度问题，电压模拟量的实际输出值与理论输出值往往有较大偏差，需要校正。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于数学拟合的硬件电路矫正方法，用以解决测控系统中输出的电压模拟量信号需要经过调制电路以及隔离电路处理，导致电压模拟量的实际输出值与理论输出值存在较大偏差等诸多问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

在基于本发明方法的一个实施例中，提供了一种基于数学拟合的硬件电路校正方法，硬件电路包括：mcu、d/a芯片、调制电路1、隔离光耦、调制电路2，mcu控制d/a芯片输出相应的电压模拟量，d/a芯片输出的电压模拟量经过调制电路1、隔离光耦、调制电路2后直接输出，矫正方法包括步骤：

s1、获得不同电压模拟量的实际输出值与理论输出值；

s2、对s1中获得的数据进行拟合，得到校正补偿函数；

s3、将s2中得到的校正补偿函数编辑到mcu中，通过软件数学拟合的方式校正补偿硬件电路。

在基于本发明方法的另一个实施例中，调制电路1包括运算放大器d2a，电容c2、c5，电阻r4、r5；r5的一端为输入端，另一端接d2a的反相输入端和c5的一端，c5的一端为调制电路1的第一输出端，c5的另一端接d2a的输出端和r4的一端，r4的另一端为调制电路1的第二输出端，d2a的正电源端接+5v电源并接c2的一端，c2的另一端、d2a的正向输入端、d2a的负电源端接地；调制电路2包括运算放大器d4a、d4b，电容c3、c4、c6、c7，电阻r2、r3、r6、r7、r8、r9、r10，d4b的反向输入端为调制电路2的输入端，反向输入端接c3的一端、r2的一端，d4b的输出端接r2的另一端和c3的另一端，d4b的正向输入端接地，r6的一端接d4b的输出端u，r6的另一端接r3的一端和d4a的正向输入端，r3的另一端接地，r10的一端接入2.5v电压，r10的另一端接r8的一端和d4a的反向输入端，r8的另一端接r9，r9的另一端接d4a的输出端和r7的一端，r7的另一端为调制电路2的输出端，r7的另一端接c6的一端，c6的另一端接地，d4a的正电源端接+12v电源，并接c4的一端，c4的另一端接地，d4a的负电源端接-12v电源，并接c7的一端，c7的另一端接地。

在基于本发明方法的另一个实施例中，步骤s1具体包括：

s11、设置电压模拟量的理论输出值；

s12、编写理论上可以在输出端测得理论输出值的程序，并将该程序编辑到mcu中；

s13、测量电压模拟量的实际输出值。

在基于本发明方法的另一个实施例中，步骤s2具体包括：

s21、将电压模拟量的实际输出值与理论输出值进行拟合，得到拟合函数；

s22、将步骤s21得到的拟合函数反解，得到该函数不同电压模拟量的理论输出值对应的应输出电压值；

s23、将电压模拟量理论输出值与应输出电压值进行处理，拟合出校正补偿函数。

在基于本发明方法的另一个实施例中，步骤s3具体包括：将校正补偿函数做为软件补偿编辑到mcu中，mcu进行模拟量输出时调用该函数，对硬件电路的非线性进行校正，此时系统输出的电压模拟量即为经过数学拟合校正后的电压模拟量。

在基于本发明方法的另一个实施例中，拟合具体包括：

在excel中记录需要拟合的两组数据后，运用excel自带的函数拟合功能，将两组数据进行处理，拟合出两组数据之间的数学函数。

在基于本发明方法的另一个实施例中，步骤s11中，理论输出值应在系统输出电压模拟量的范围内均匀取值。

在基于本发明方法的另一个实施例中，步骤s22中得到该函数不同电压模拟量的理论输出值对应的应输出电压值具体为：

将步骤s21中得到的函数y＝ax+b中自变量和因变量互换位置，得到函数将集合x中的电压模拟量理论输出值代入到函数中的y′，相应的求解出应输出电压值x′的序列，此时求解的x′为电压模拟量隔离输出电路需要得到实际输出值时d/a芯片所需要的应输出电压值。

本发明有益效果如下：

本发明针对测控系统中各系统之间经常采用隔离电压模拟量的方式来传递相关信息，克服了模拟量的实际输出值与理论输出值存在较大偏差，实现了校正后的电压输出值误差更小、线性度高的技术效果，大大提高了传输信息的准确度。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为系统电压模拟量输出流程图；

图2为本发明实施例硬件电路图；

图3为本发明实施例校正方法流程图；

图4为电压模拟量测量示意图；

图5为电压模拟量的实际输出值与理论输出值拟合曲线；

图6为电压模拟量的实际输出值与应输出电压值拟合曲线；

图7为应输出电压值与电压模拟量理论输出值拟合曲线；

图8为校正后系统电压模拟量输出流程图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。本发明实施例中提到的mcu包括单片机或数字处理单元等硬件设备。

根据本发明的一个具体实施例，公开了一种基于数学拟合的硬件电路校正方法，硬件电路包括：mcu、d/a芯片、调制电路1、隔离光耦、调制电路2，mcu控制d/a芯片输出相应的电压模拟量，d/a芯片输出的电压模拟量经过调制电路1、隔离光耦、调制电路2后直接输出，校正方法如图2所示，具体包括：

s1、获得硬件电路不同电压模拟量的实际输出值与理论输出值；

s2、对s1中获得的数据进行拟合，得到校正补偿函数；

s3、将s2中得到的校正补偿函数编辑到mcu中，通过数学拟合的方式校正补偿硬件电路。

其中，调制电路1包括运算放大器d2a，电容c2、c5，电阻r4、r5；r5的一端为输入端，另一端接d2a的反相输入端和c5的一端，c5的一端为调制电路1的第一输出端，c5的另一端接d2a的输出端和r4的一端，r4的另一端为调制电路1的第二输出端，d2a的正电源端接+5v电源并接c2的一端，c2的另一端、d2a的正向输入端、d2a的负电源端接地。

优选地，r4为220ω，r5为100kω，c2为0.1uf，c5为1nf。

调制电路2包括运算放大器d4a、d4b，电容c3、c4、c6、c7，电阻r2、r3、r6、r7、r8、r9、r10，d4b的反向输入端为调制电路2的输入端，反向输入端接c3的一端、r2的一端，d4b的输出端接r2的另一端和c3的另一端，d4b的正向输入端接地，r6的一端接d4b的输出端u，r6的另一端接r3的一端和d4a的正向输入端，r3的另一端接地，r10的一端接入2.5v电压，r10的另一端接r8的一端和d4a的反向输入端，r8的另一端接r9，r9的另一端接d4a的输出端和r7的一端，r7的另一端为调制电路2的输出端，r7的另一端接c6的一端，c6的另一端接地，d4a的正电源端接+12v电源，并接c4的一端，c4的另一端接地，d4a的负电源端接-12v电源，并接c7的一端，c7的另一端接地。

优选地，r2为100kω，r3为50kω，r6为10kω，r7为510ω，r8为1kω，r9为49kω，r10为10kω，c3为1nf，c4为0.1uf，c6为0.01uf，c7为0.1uf。

隔离光耦选用hcnr201-300。

其中，步骤s1具体包括：

在记录电压模拟量实际输出值时，为了使电压模拟量实际输出值与理论输出值的函数关系更加精确，使拟合后的电压模拟量的实际输出值与理论输出值之间的误差尽可能小，应在满足实际应用精度的前提下，选择精度更高的电压表或其他电压测量设备对输出电压进行测量。如图2所示。为了在系统输出电压模拟量的范围内得到更高的线性度，理论输出值在系统输出电压模拟量的范围内均匀取值，设置好理论输出值后，编写理论上可以在输出端测得理论输出值的程序，并将该程序编辑到mcu中，通过电压表或其他电压测量设备在电路的输出端对实际输出电压量进行测量。在条件允许的情况下，取的记录点数应尽量多，这样拟合后的数学函数会更加真实的反应电压模拟量的实际输出值与理论输出值的关系。

优选地，为了便于数据记录及数据处理，记录数据时将待记录的数据点记录到excel中，将电压模拟量的理论输出值记录一列定义为集合x，将电压模拟量的实际输出值记录一列，定义为集合y。

步骤s2具体包括：

步骤s21、将电压模拟量的实际输出值与理论输出值进行拟合，得到拟合函数；

将电压模拟量的实际输出值与理论输出值进行处理，拟合出电压模拟量理论输出值与实际输出值之间的数学函数，该数学函数作为电压模拟量隔离输出电路的输入与输出函数。

优选地，如图4所示，在excel中记录好不同电压模拟量的实际输出值与理论输出值后，运用excel自带的函数拟合功能，将电压模拟量的实际输出值与理论输出值进行处理，拟合出电压模拟量理论输出值与实际输出值之间的数学函数y＝ax+b，其中，y为电压模拟量实际输出值，x为电压模拟量理论输出值。该数学函数即为电压模拟量隔离输出电路的输入与输出函数。

s22、根据步骤s21得到的拟合函数，得到该函数不同电压模拟量的理论输出值对应的应输出电压值；

将步骤s21中得到的函数y＝ax+b中自变量和因变量互换位置，得到函数将集合x中的电压模拟量理论输出值代入到函数中的y′，相应的求解出应输出电压值x′的序列，定义为集合x′。此时求解的x′为电压模拟量隔离输出电路需要得到实际输出值时d/a芯片所需要的应输出电压值。为了便于数据记录及数据处理，记录数据时将待记录的数据点记录到excel中，将电压模拟量实际输出值记录一列，将应输出电压值记录一列。如图5所示。

步骤s23、将电压模拟量理论输出值与应输出电压值进行处理，拟合出电压模拟量理论输出值与应输出电压值之间的数学函数，此函数即为校正补偿函数。

优选地，在excel中记录好不同的电压模拟量理论输出值与应输出电压值后，运用excel自带的函数拟合功能，将电压模拟量理论输出值的集合x与应输出电压值的集合x′进行处理，拟合出理论输出值与应输出电压值的数学函x′＝cx+d其中，x′为应输出电压值，x为电压模拟量理论输出值。校正补偿函数为电压模拟量理论输出值与应输出电压值的数学函数。如图6所示。

s3、将s2中得到的校正补偿函数编辑到mcu中，通过数学拟合的方式校正补偿硬件电路；

通过数学拟合得出的校正补偿函数x′＝cx+d，将该函数做为软件补偿编辑到mcu中，mcu进行模拟量输出时调用该函数，对硬件电路的非线性进行校正，此时系统输出的电压模拟量即为经过数学拟合校正后的电压模拟量。如图7所示。

表1为软件数学拟合校正前和软件数学拟合校正后的输出对比。

表1软件数学拟合校正前后输入输出关系

通过对比可以看出软件数学拟合校正后的电压输出值误差更小，线性度高。

有益效果：本发明针对测控系统中各系统之间经常采用隔离电压模拟量的方式来传递相关信息，克服了电压模拟量的实际输出值与理论输出值存在较大偏差，实现了校正后的电压输出值误差更小、线性度高的技术效果，大大提高了传输信息的准确度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。