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关于ADC数值标定转换为物理量数值的方法

GReq_mcu168 来源:今日头条 作者:今日头条 2022-05-26 15:58 次阅读

当处理器经过模数转换得到数值之后,需要经过进一步的转换得到表征真实物理量的数值。

得到了物理量数值,就可以进行显示,故障判断等操作。

我们需要找到从模数转换数值到物理量之间的转换关系;

比如,用14位的ADC对市电电压进行采样,得到了某个数据,该数据并不是电压值,而需要经过转换关系得到电压值。

如果传感器和信号处理电路的线性度都比较好,可以在整个测量范围内采用线性关系进行转换,如下:

a033c832-dcbb-11ec-ba43-dac502259ad0.png

a0423bba-dcbb-11ec-ba43-dac502259ad0.jpg

ADC与物理量的线性关系

x为ADC读到的数值,y为物理量的数值,比如电压值、电流值、温度值、压力值等等。

有两个问题需要注意:

1) k,b的数值从何而来

2) 单片机如何转换

一、k, b数值的确认

我通常采用三种方法来确认k、b数值:

1)正向推导,根据传感器、信号处理电路的线性关系推导得到:

以下图的三相线电压测量电路为例:

a04f3450-dcbb-11ec-ba43-dac502259ad0.png

三相线电压测量电路

电压互感器的参数为:

初次级的变比:1mA:1mA

初级限流电流为:400kΩ;

次级线圈电阻为:17Ω;

次级采样电阻为:100Ω;

运放组成的处理电路的参数为:

放大倍数:47/(4.7+0.1//0.017)=9.969。

根据这些参数,假设相电压的真有效值为U,按照下面步骤推导:

  • 初级电流为a056d57a-dcbb-11ec-ba43-dac502259ad0.png

  • 次极输出电压=次极电流*100//4700=

a05e8f22-dcbb-11ec-ba43-dac502259ad0.png

  • 运放输出电压=次极输出电压*放大倍数

a06f2832-dcbb-11ec-ba43-dac502259ad0.png

  • 单片机读到的14位ADC的数值=

a080d708-dcbb-11ec-ba43-dac502259ad0.png

  • ADC与线电压的关系为:

a08d6734-dcbb-11ec-ba43-dac502259ad0.png

  • 进一步得到:

a09e5120-dcbb-11ec-ba43-dac502259ad0.png

  • 为了减少量化误差,提供精度,我们对换算得到的电压保留一位小数,当用整数来表示需,需要扩大10倍,得到:

a0b0fc1c-dcbb-11ec-ba43-dac502259ad0.png

从而得到了ADC与扩大10倍的线电压之间的线性转换关系,其k=3.302264,b=0;

2)分段线性化以及最小二乘法确认转换关系

在另一篇文章中详述。

二、 单片机如何转换

当我们得到ADC数值与物理量之间的线性转换关系:

a033c832-dcbb-11ec-ba43-dac502259ad0.png

我们需要在程序中将物理量计算出来。

低端的单片机都没有硬件浮点数计算能力,即使是32位的cortex-M0/cortex-M3内核的处理器(如STM32F0xx以及STM32F1xx系统处理器)也没有硬件浮点数计算能力。

当我们通过浮点数进行转换运算时,会消耗大量的时间。

我的做法是,将k转变为整以一个整数后再除以另一个整数,

而对物理量保留小数点,利用扩大整10倍的整数进行存储时,b可以直接四舍五入为整数;

即:

a0c4d7c8-dcbb-11ec-ba43-dac502259ad0.png

,其中,M、N、b都是整数。

STM32F103的处理器上,我做了一些测算:

采用64MHz的时间频率,

计算65535次的浮点数转换的耗时为:164ms。

单次运算耗时为:2.5us。

转化为整数乘除运算,计算65535次耗时为:20ms。

单次运算耗时为:0.31us。

当转为整数运算时,可能会扩大舍入误差。

我的做法是,根据整数M、N的位数取大数,比如16位的数。

如果k小于1,则将N固定为65535。

M=round(k*65535)。

如果k大于等于1,则将M固定为65535。

N=round(65535/k)。

在上例中,k=3.302264,则M=65535,N=round(65535/3.302264)=19845。

const STRConfigCalDef g_pt_calvoldefs[PT_VOLTAGE_NUM] =
{
{65535, 19845, 0},
{65535, 19845, 0},
{65535, 19845, 0}
};
U16  pt_calval(U16 val, U16 pm, U16 pn, signed int pk,){
U32 uwDataA;
signed int uwDataB;
U16 resval;
uwDataA = (U32)val * pm;
if(pn == 0){
pn = 1;
}
uwDataA = (U32)val * pm;
uwDataA = (U32)uwDataA / pn;
uwDataB = (signed int)uwDataA;
uwDataB = uwDataB + pk;
if(uwDataB < 0){
uwDataB = 0;
}
  if(uwDataB > 65535){
uwDataB = 65535;
}
resval = (U16)uwDataB;
return(resval)
}

a0d21f46-dcbb-11ec-ba43-dac502259ad0.jpg

转为整数运算的转换算法

审核编辑 :李倩


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    05282945-012 05282945-012 线性位移传感器 - LVDT

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    发表于 08-21 02:00 48次 阅读

    05282946-006 05282946-006 线性位移传感器 - LVDT

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  目前没有详细产品特性的在线信息。 
    发表于 08-21 02:00 44次 阅读

    05282946-012 05282946-012 线性位移传感器 - LVDT

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  电气特征 线性位移传感器 - LVDT/LVIT 电源电压 (V): ±15 模拟输出 : ±10 V 电气连接 : PT02A-10-6P 主体特性 线性位移传感器 - LVDT/LVIT 外形尺寸 : 圆柱形 弹簧回弹式 : 分离式铁芯, 分离式铁芯 壳体特性 线性位移传感器 - LVDT/LVIT 外壳材料 : 不锈钢 外壳直径 : 4.78 mm [ .188 in ] 使用环境 工作温度范围 : 0 – 70 °C [ 32 – 158 °F ] 环境规范 : 1,000 PSI 压力 ...
    发表于 08-21 01:00 91次 阅读

    070369000000-M 070369000000-M 角位移传感器 - RVDTRVIT

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  请注意:所有产品设计活动都应参照产品图纸。  产品类型特性 角度位移传感器 - RVDT/RVIT 类型 : RVDT 结构特性 电气连接 : M12.5 针 电气特征 Input Current (Max) (mA): 25 角度位移传感器 - RVDT/RVIT 输出类型 : 0 – 10 VDC 主体特性 角度感应范围 (°): 0 – 120 角度位移传感器 - RVDT/RVIT 重量 (g): 99 外壳材料 : 铝 机械附件 角度位移传感器 - RVDT/RVIT 安装 : Servo Groove ...
    发表于 08-21 01:00 40次 阅读

    20009882-00 20009882-00 即插即用加速度传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 加速度计类型 : MEMS DC 即插即用加速度计传感器类型 : 直流响应即插即用加速度计 结构特性 电气连接 : 5 针连接器 电气特征 满量程输出电压 (VDC): ±2 励磁电压 (VDC): 4 – 30 零加速输出 (mV): ±50 信号特征 频率响应 (Hz): 0-1500 主体特性 轴数 : 1 重量 : 16 g [ .56 oz ] 材料 : 不锈钢 ...
    发表于 08-21 01:00 50次 阅读

    2350437-1 2350437-1 角度位置传感器 - 空心轴旋转变压器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  请注意:所有产品设计活动都应参照产品图纸。  结构特性 Resolver Size : 21 Pole Pairs : 1 其他 Angular Error ('): 20
    发表于 08-21 01:00 81次 阅读

    315-120 315-120 即插即用加速度传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 即插即用加速度计传感器类型 : 电缆组件
    发表于 08-21 01:00 74次 阅读

    10207854-00 341A-240 即插即用加速度传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 即插即用加速度计传感器类型 : 电缆组件
    发表于 08-21 01:00 72次 阅读

    4000A-005-060 4000A-005-060 即插即用加速度传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 加速度计类型 : MEMS DC 即插即用加速度计传感器类型 : 直流响应即插即用加速度计 结构特性 电气连接 : 一体式电缆 电气特征 满量程输出电压 (VDC): ±2 励磁电压 (VDC): 8 – 36 零加速输出 (mV): ±100 励磁电流 (mA): 5 信号特征 频率响应 (Hz): 0-300 主体特性 轴数 : 1 重量 : 7 g [ .245 oz ] ...
    发表于 08-21 01:00 106次 阅读

    4000A-050-030 4000A-050-030 即插即用加速度传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 加速度计类型 : MEMS DC 即插即用加速度计传感器类型 : 直流响应即插即用加速度计 结构特性 电气连接 : 一体式电缆 电气特征 满量程输出电压 (VDC): ±2 励磁电压 (VDC): 8 – 36 零加速输出 (mV): ±100 励磁电流 (mA): 5 信号特征 频率响应 (Hz): 0-800 主体特性 轴数 : 1 重量 : 7 g [ .245 oz ] ...
    发表于 08-21 01:00 98次 阅读

    603-0100-120 603-0100-120 速率和惯性传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 速率和惯性传感器类型 : Rate Sensors/Gyros 电气特征 励磁电压 (VDC): 5 – 16 尺寸 尺寸 MM : 20.8 x 20.8 x 14.5 使用环境 工作温度范围 : -40 – 105 °C [ -40 – 221 °F ] 包装特性 速率和惯性传感器包装 : Anodized Aluminium 其他 精确度 : ±0.5% Non-Linearity FS 范围 (±) DEG/SEC : 100...
    发表于 08-21 01:00 66次 阅读

    20010631-00 610-12K-276 速率和惯性传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 速率和惯性传感器类型 : Rate Sensors/Gyros 电气特征 励磁电压 (VDC): 5 – 16 尺寸 尺寸 MM : 14.6 x 10.2 x 7.6 使用环境 工作温度范围 : -40 – 105 °C [ -40 – 221 °F ] 包装特性 速率和惯性传感器包装 : Anodized Aluminium 其他 精确度 : ±0.5% Non-Linearity FS 范围 (±) DEG/SEC : 12000...
    发表于 08-21 01:00 54次 阅读

    62105012-000 62105012-000 位置传感器配套仪表

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  电气特征 线路电源电压要求 (VDC): ±12, ±15 信号调节 - LVDT/RVDT 输出类型 (VDC): ±10 励磁电压 (Vrms): 3 信号特征 励磁频率 (kHz): 2.5 – 10 机械附件 信号调节 - LVDT/RVDT 安装 : Printed Circuit Board Edge or Terminal Block 使用环境 工作温度范围 : -1 – 55 °C [ 30 – 130 °F ] 其他 传感器类型 : 带 5 或 6 根导线的 LVDT 或 RVDT 传感器通道 : 1 ...
    发表于 08-21 01:00 68次 阅读

    67010001-000 67010001-000 线性位移传感器 - LVDT

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  使用环境 工作温度范围 : 5 – 60 °C [ 41 – 140 °F ]
    发表于 08-21 01:00 64次 阅读

    7104A-0050 7104A-0050 即插即用加速度传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 加速度计类型 : IEPE 即插即用加速度计传感器类型 : 交流响应即插即用加速度计 结构特性 电气连接 : 10-32 同轴连接器 电气特征 满量程输出电压 (VDC): ±5 励磁电压 (VDC): 18 – 30 励磁电流 (mA): 2 – 10 信号特征 频率响应 (Hz): 0.3-10000 主体特性 轴数 : 1 重量 : 8.6 g [ .303 oz ] 材料 : 不锈钢 ...
    发表于 08-21 01:00 53次 阅读

    72162000-020 72162000-020 倾角传感器和倾角仪

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  结构特性 接口 : 模拟 电气特征 电源电压 (VDC): 12 – 24 模拟接口 (mA): 4 – 20 端接特性 倾角传感器和测斜仪安装 : 垂直 尺寸 尺寸 (mm): 最多 70 倾角传感器和测斜仪精确度 (°): 最多 +/- .5 分辨率 (°): 最多 +/- .01 使用环境 测量原理 : 液体 工作温度范围 : -25 – 60 °C [ -13 – 140 °F ] 包装特性 倾...
    发表于 08-21 01:00 47次 阅读

    11106140-00 AST4300A05000P4P1000 压力传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 压力传感器类型 : 非易燃压力变送器 压力类型 : 测量仪 结构特性 压力端口/接头 : 1/4 MNPT 电气连接 : 10 英尺导管 电气特征 压力传感器电源电压 (V): 10 – 28 主体特性 端口材料 : 316L 使用环境 压力 : 344.73 bar [ 5000 psi ] 工作温度范围 : -40 – 80 °C [ -40 – 176 °F ] 操作/应用 耐压范围 : 2X,最小值 ...
    发表于 08-21 01:00 123次 阅读

    11108715-00 AST4600A02000P4W1000 压力传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 压力传感器类型 : 防爆型压力变送器 压力类型 : 测量仪 结构特性 压力端口/接头 : 1/4 MNPT 电气连接 : 导管 2 m 引线 电气特征 压力传感器电源电压 (V): 10 – 28 主体特性 端口材料 : 316L 使用环境 工作温度范围 (°C): -40 – 85 工作温度范围 (°F): -40 – 185, -40 – 185 操作/应用 耐压范围 : 2X,最小值 ...
    发表于 08-21 01:00 74次 阅读