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一種寬動(dòng)態(tài)范圍的智能測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要：介紹一種寬動(dòng)態(tài)范圍的智能測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其中幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)；自校零與自校準(zhǔn)技術(shù)、程控放大和程控濾波電路的原理和實(shí)現(xiàn)途徑。關(guān)鍵詞：智能測(cè)量系統(tǒng) 自校零 自校準(zhǔn) 程控放大 程控濾波
在電磁無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)中，信號(hào)調(diào)理是一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。由于信號(hào)的幅度小，只有μV/mV級(jí)，對(duì)于不同的材料、形狀、缺陷類型，拾取的信號(hào)差別很大，動(dòng)態(tài)范圍寬；而且由于信號(hào)的干擾源多，有時(shí)甚至掩蓋掉缺陷信號(hào)，很難辨識(shí)是缺陷信號(hào)還是干擾信號(hào)。工作不同的材質(zhì)、形狀、尺寸，不同的缺陷類型，不同的測(cè)量速度，得到的信號(hào)頻譜不同，干擾信號(hào)的特點(diǎn)也不同。
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根據(jù)測(cè)量信號(hào)的特點(diǎn)，為了提高測(cè)量精度，滿足傳感器輸出的微小信號(hào)在各種狀態(tài)下的放大調(diào)節(jié)，同時(shí)能夠有效地抑制干擾信號(hào)，可靠地檢測(cè)出缺隱信號(hào)，常常需要高精度的測(cè)量放大器和合適的濾波器。因事先不知道被測(cè)信號(hào)的大小，用微控制器來(lái)檢測(cè)，從而控制放大器的放大倍數(shù)，能將信號(hào)調(diào)到最佳，獲得最佳測(cè)量數(shù)據(jù)。又因?yàn)椴恢刂葡到y(tǒng)中激勵(lì)信號(hào)的頻率以及在不同的環(huán)境條件下的干擾情況，因此，為了實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍、多干擾因素的檢測(cè)系統(tǒng)的智能化，程控放大與程控濾波是必然的選擇，以實(shí)現(xiàn)軟件與硬件有機(jī)地結(jié)合。這是目前比較新穎、實(shí)用的電路設(shè)計(jì)。
1 系統(tǒng)組成
智能測(cè)量系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。它主要由電壓基準(zhǔn)源MAX6062和乘法型D/A轉(zhuǎn)換器MAX501實(shí)現(xiàn)可變電壓標(biāo)準(zhǔn)；由多路開(kāi)關(guān)MAX313對(duì)信號(hào)進(jìn)行切換，使零點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值、參考標(biāo)準(zhǔn)值和待測(cè)信號(hào)分別送入前置放大電路，前置放大電路設(shè)計(jì)成固定增益的形式。放大后信號(hào)輸入到程控濾波器MAX262和程控放大電路MAX501。濾波放大后的待測(cè)信號(hào)分成兩路，一路經(jīng)有效值轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成有效值，經(jīng)上下限比較電路判斷是否過(guò)量程，如果過(guò)量程，減小放大倍數(shù)，直到在量程范圍內(nèi)。這時(shí)，切換到A/D轉(zhuǎn)換器，采樣有效值。根據(jù)采樣值決定待測(cè)信號(hào)的放大倍數(shù)，并把待測(cè)信號(hào)切換到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。
2 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)
整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)主要由標(biāo)準(zhǔn)源產(chǎn)生電路、程控濾波電路、程控放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)組成。下面介紹其關(guān)鍵的自校零與自校準(zhǔn)技術(shù)、程控濾波電路和程控放大電路的設(shè)計(jì)。
2.1 自校零與自校準(zhǔn)技術(shù)
本系統(tǒng)的自校零與自校準(zhǔn)功能充分利用了微控制器的功能，用軟件和少量硬件，在軟件程序的導(dǎo)引下進(jìn)行三步測(cè)量法，自動(dòng)校準(zhǔn)零點(diǎn)以及自動(dòng)消除因零點(diǎn)、增益漂移而引入的系統(tǒng)誤差，從而提高系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定度。采用這種智能化技術(shù)，可以使低精度、低穩(wěn)定度的測(cè)量系統(tǒng)獲得高精度的測(cè)量結(jié)果。測(cè)量精度僅決定于測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。
圖2是消除系統(tǒng)中效大器增益和零漂變化對(duì)測(cè)量結(jié)果影響的自校準(zhǔn)原理圖。其中，標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)值與輸入信號(hào)Vx同類型，假設(shè)都為電壓值。
本系統(tǒng)所采用的是兩標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)自校法。它執(zhí)行三步測(cè)量法。
第1步，校零。輸入信號(hào)為零點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值，放大電路的輸出值為y0。
y0=G·ε （1）
式中，G為放大器增益，ε為折算到輸入端的由放大器增益和零點(diǎn)漂移變化引起的變化的數(shù)值。
第2步，標(biāo)定。輸入信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)值VR，放大電路的輸出值為yR。
yR=G·(VR+ε ) (2)
第3步，測(cè)量。輸入信號(hào)為待測(cè)信號(hào)Vx，放大電路的輸出值為yx。
yx=G·(Vx+ε) （3）
由式（1）、（2）和（3）可以得到
Vx=[(yx-y0)/(yR-y0)]VR (4)
從式（4）可以看出，已消除季放大器漂移變化的影響。因此，在測(cè)量過(guò)程中，把y0、yR、Vx和yx的值分別存儲(chǔ)于系統(tǒng)的內(nèi)存中，利用式（4）就可以實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)。
一般而言，對(duì)于一個(gè)寬量程多增益系統(tǒng)，每檔增益都應(yīng)實(shí)時(shí)標(biāo)定進(jìn)行自校準(zhǔn)，因此標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)值也有多少。
2.2 程控濾波電路設(shè)計(jì)
在智能測(cè)量系統(tǒng)中一般都要使用濾波器。一般有源濾波器均由運(yùn)算放大器和RC元件組成，對(duì)元器件的參數(shù)精度要求比較高，設(shè)計(jì)和和調(diào)試都比較麻煩。美信公司（Maxim）生產(chǎn)的可編程濾波器芯片MAX262可以通過(guò)編程對(duì)各種低頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通、帶限以及全通濾波處理，而且濾波的特性參數(shù)如中心頻率、品質(zhì)因數(shù)等也可以通過(guò)編程進(jìn)行設(shè)置。
2.2.1 MAX262芯片介紹
MAX262主要由放大器、積分器、電容切換網(wǎng)絡(luò)（SCN）和工作模式選擇器組成。積分器、電容切換網(wǎng)絡(luò)（SCN）和工作模式選擇器分別由編程數(shù)據(jù)M0～M1、F0～F5和Q0～Q6控制。MAX262內(nèi)部有2個(gè)二級(jí)濾波器。濾波器A和B可以單獨(dú)使用，也可級(jí)聯(lián)成四階濾波器使用。
MAX262芯片的工作頻率為1Hz～140kHz。當(dāng)時(shí)鐘頻率為4MHz，工作模式選擇為模式3時(shí)，芯片可以對(duì)140kHz的輸入信號(hào)進(jìn)行濾波處理。其它工作模式的最高工作頻率為100kHz。濾波器A和B可以采用內(nèi)部時(shí)鐘，也可以采用外部時(shí)鐘。外部時(shí)鐘分別從芯片的引腳CLKA、CLKB引入。對(duì)外部時(shí)鐘無(wú)占空比要求。
MAX262芯片有3個(gè)編程參數(shù)；中心頻率f0、Q值和工作模式。中心頻率由編程數(shù)據(jù)F0～F5控制，共64個(gè)不同的二進(jìn)數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)1個(gè)時(shí)鐘頻率fclk與中心頻率f0的比值flk/f0。Q值由編程數(shù)據(jù)Q0～Q6控制，共128個(gè)不同的二制數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)1個(gè)Q值，最小的Q值為0.5，最大的Q值為64。工作模式由編程數(shù)據(jù)M0～M1控制，分別對(duì)應(yīng)工作模式1、2、3和4。
2.2.2 程控濾波器實(shí)現(xiàn)
由MAX262通用開(kāi)關(guān)電容濾波器實(shí)現(xiàn)的程控濾波電路原理如圖3所示。每個(gè)濾波器的工作模式、中心頻率、Q值所需的編程數(shù)據(jù)，均需要分8次寫(xiě)入MAX262的內(nèi)部寄存器才能完成設(shè)置。
通過(guò)文件[3]給出的fclk/f0與F0～F5的關(guān)系表格，得到本文根據(jù)fclk/f0計(jì)算編程數(shù)據(jù)F0～F5的公式，即fclk/f0與F0～F5的關(guān)系為：
fclk/f0=40.84+1.57N1 （5）
式中，N1為二進(jìn)制數(shù)據(jù)F0～F5對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制整數(shù)，范圍為0～63，共64級(jí)。
同樣，對(duì)應(yīng)濾波器的Q值也是通過(guò)計(jì)算來(lái)獲得Q值的編程數(shù)據(jù)Q0～Q6。Q值與Q0～Q6的關(guān)系為
Q=64/(128-N2) (6)
式中，N2為二進(jìn)制數(shù)據(jù)Q0～Q6對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制整數(shù)，范圍為0～127，共128級(jí)。
2.3 程控放大電路設(shè)計(jì)
在智能測(cè)量系統(tǒng)中，常常需要一個(gè)增益可軟件編程的放大器（PGA），用將不同幅度的模擬輸入信號(hào)放大到某個(gè)特定范圍，便于A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣；或者將給定信號(hào)放大一個(gè)由軟件設(shè)定的增益后輸出。
可軟件編程的放大器主要有4種。
①集成程控增益放大器。它們具有低漂移、低非線性、高共模抑制比和寬頻帶等優(yōu)點(diǎn)，但其增益量程有限，只能實(shí)現(xiàn)特定的幾種增益切換。
②運(yùn)放+模擬開(kāi)關(guān)+電阻網(wǎng)絡(luò)。這種方法利用模擬開(kāi)關(guān)切換電阻反饋網(wǎng)絡(luò)，從而改變放大電路的閉環(huán)增益。此種方法所需無(wú)器件較多，電路龐大，而且精度受到限制。
③運(yùn)放+數(shù)字電位器。采用固態(tài)數(shù)字電位器來(lái)控制放大電路的增益，線路較為簡(jiǎn)單。但現(xiàn)有的數(shù)字電位器分辨率有限，常見(jiàn)的32、64抽頭，構(gòu)成的放大器精度有限，無(wú)法滿足10位甚至10位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。
④采用D/A轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度可編程增益放大器。這種方案非常簡(jiǎn)單，只需要單D/A轉(zhuǎn)換器即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的高精度PGA，甚至可以不需要任何外圍元件，并且它還具有十分方便的編程接口，可以直接掛到數(shù)據(jù)總線；能夠?qū)崿F(xiàn)量程多變，具有寬的通頻帶等特點(diǎn)。
圖4所示是一個(gè)采用Maxim公司的12位D/A轉(zhuǎn)換器MAX501構(gòu)成的12位可編程增益放大器。MAX501 D/A轉(zhuǎn)換器利用R-2R梯形解碼網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)字量到模擬量的變換。從D/A轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分
析可知：
IOUT=（VREF/R）×（D/4096） （7）
R-2R網(wǎng)絡(luò)的參考端到輸出端的等效電阻為
RD=R(R096/D) （8）
將RD作為反饋電阻，則得到放大器的閉環(huán)增益為
G=RD/R=4096/D (9)
式中，D為輸入數(shù)字量。輸入不同的數(shù)字量D，就可以在1～4096間設(shè)定放大器的電壓增益。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
由于系統(tǒng)功能多，并且每種功能的輸入?yún)?shù)較多，因此系統(tǒng)軟件采用人機(jī)對(duì)話方式和模塊化設(shè)計(jì)，將各個(gè)功能分成獨(dú)立模塊，由系統(tǒng)和監(jiān)控程序統(tǒng)一管理執(zhí)行。圖5所是系統(tǒng)監(jiān)控程序的流程圖。
4 結(jié)論
采用自校零、自校準(zhǔn)智能化技術(shù)，可以使低精度、低穩(wěn)定度測(cè)量系統(tǒng)獲得高精度的測(cè)量結(jié)果；采用程控放大，可以方便地調(diào)節(jié)增益倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)多量程、寬動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)測(cè)量；采用程控濾波設(shè)計(jì)，可以根據(jù)信號(hào)的不同特點(diǎn)，設(shè)計(jì)不同濾波器模式，完全復(fù)現(xiàn)信號(hào)。因此，采用這向項(xiàng)智能化技術(shù)，可以使測(cè)量系統(tǒng)有寬的適用范圍，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性，同時(shí)提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。
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