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一種寬動態(tài)范圍的智能測量系統(tǒng)設計
摘要：介紹一種寬動態(tài)范圍的智能測量系統(tǒng)的設計及其中幾項關鍵技術；自校零與自校準技術、程控放大和程控濾波電路的原理和實現(xiàn)途徑。關鍵詞：智能測量系統(tǒng) 自校零 自校準 程控放大 程控濾波
在電磁無損檢測系統(tǒng)中，信號調(diào)理是一個重點和難點。由于信號的幅度小，只有μV/mV級，對于不同的材料、形狀、缺陷類型，拾取的信號差別很大，動態(tài)范圍寬；而且由于信號的干擾源多，有時甚至掩蓋掉缺陷信號，很難辨識是缺陷信號還是干擾信號。工作不同的材質、形狀、尺寸，不同的缺陷類型，不同的測量速度，得到的信號頻譜不同，干擾信號的特點也不同。
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根據(jù)測量信號的特點，為了提高測量精度，滿足傳感器輸出的微小信號在各種狀態(tài)下的放大調(diào)節(jié)，同時能夠有效地抑制干擾信號，可靠地檢測出缺隱信號，常常需要高精度的測量放大器和合適的濾波器。因事先不知道被測信號的大小，用微控制器來檢測，從而控制放大器的放大倍數(shù)，能將信號調(diào)到最佳，獲得最佳測量數(shù)據(jù)。又因為不知控制系統(tǒng)中激勵信號的頻率以及在不同的環(huán)境條件下的干擾情況，因此，為了實現(xiàn)大動態(tài)范圍、多干擾因素的檢測系統(tǒng)的智能化，程控放大與程控濾波是必然的選擇，以實現(xiàn)軟件與硬件有機地結合。這是目前比較新穎、實用的電路設計。
1 系統(tǒng)組成
智能測量系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。它主要由電壓基準源MAX6062和乘法型D/A轉換器MAX501實現(xiàn)可變電壓標準；由多路開關MAX313對信號進行切換，使零點標準值、參考標準值和待測信號分別送入前置放大電路，前置放大電路設計成固定增益的形式。放大后信號輸入到程控濾波器MAX262和程控放大電路MAX501。濾波放大后的待測信號分成兩路，一路經(jīng)有效值轉換電路轉換成有效值，經(jīng)上下限比較電路判斷是否過量程，如果過量程，減小放大倍數(shù)，直到在量程范圍內(nèi)。這時，切換到A/D轉換器，采樣有效值。根據(jù)采樣值決定待測信號的放大倍數(shù)，并把待測信號切換到A/D轉換器進行采樣。
2 關鍵技術設計
整個測量系統(tǒng)主要由標準源產(chǎn)生電路、程控濾波電路、程控放大電路、A/D轉換電路和單片機組成。下面介紹其關鍵的自校零與自校準技術、程控濾波電路和程控放大電路的設計。
2.1 自校零與自校準技術
本系統(tǒng)的自校零與自校準功能充分利用了微控制器的功能，用軟件和少量硬件，在軟件程序的導引下進行三步測量法，自動校準零點以及自動消除因零點、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，可以使低精度、低穩(wěn)定度的測量系統(tǒng)獲得高精度的測量結果。測量精度僅決定于測量標準。
圖2是消除系統(tǒng)中效大器增益和零漂變化對測量結果影響的自校準原理圖。其中，標準發(fā)生器產(chǎn)生的標準值與輸入信號Vx同類型，假設都為電壓值。
本系統(tǒng)所采用的是兩標準實時自校法。它執(zhí)行三步測量法。
第1步，校零。輸入信號為零點標準值，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漂移變化引起的變化的數(shù)值。
第2步，標定。輸入信號為標準值VR，放大電路的輸出值為yR。
yR=G·(VR+ε ) (2)
第3步，測量。輸入信號為待測信號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，在測量過程中，把y0、yR、Vx和yx的值分別存儲于系統(tǒng)的內(nèi)存中，利用式（4）就可以實現(xiàn)自校準。
一般而言，對于一個寬量程多增益系統(tǒng)，每檔增益都應實時標定進行自校準，因此標準信號產(chǎn)生的標準值也有多少。
2.2 程控濾波電路設計
在智能測量系統(tǒng)中一般都要使用濾波器。一般有源濾波器均由運算放大器和RC元件組成，對元器件的參數(shù)精度要求比較高，設計和和調(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可以通過編程對各種低頻信號實現(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、品質因數(shù)等也可以通過編程進行設置。
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（SCN）和工作模式選擇器組成。積分器、電容切換網(wǎng)絡（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個二級濾波器。濾波器A和B可以單獨使用，也可級聯(lián)成四階濾波器使用。
MAX262芯片的工作頻率為1Hz～140kHz。當時鐘頻率為4MHz，工作模式選擇為模式3時，芯片可以對140kHz的輸入信號進行濾波處理。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)部時鐘，也可以采用外部時鐘。外部時鐘分別從芯片的引腳CLKA、CLKB引入。對外部時鐘無占空比要求。
MAX262芯片有3個編程參數(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個不同的二進數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)對應1個時鐘頻率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個不同的二制數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)對應1個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，分別對應工作模式1、2、3和4。
2.2.2 程控濾波器實現(xiàn)
由MAX262通用開關電容濾波器實現(xiàn)的程控濾波電路原理如圖3所示。每個濾波器的工作模式、中心頻率、Q值所需的編程數(shù)據(jù)，均需要分8次寫入MAX262的內(nèi)部寄存器才能完成設置。
通過文件[3]給出的fclk/f0與F0～F5的關系表格，得到本文根據(jù)fclk/f0計算編程數(shù)據(jù)F0～F5的公式，即fclk/f0與F0～F5的關系為：
fclk/f0=40.84+1.57N1 （5）
式中，N1為二進制數(shù)據(jù)F0～F5對應的十進制整數(shù)，范圍為0～63，共64級。
同樣，對應濾波器的Q值也是通過計算來獲得Q值的編程數(shù)據(jù)Q0～Q6。Q值與Q0～Q6的關系為
Q=64/(128-N2) (6)
式中，N2為二進制數(shù)據(jù)Q0～Q6對應的十進制整數(shù)，范圍為0～127，共128級。
2.3 程控放大電路設計
在智能測量系統(tǒng)中，常常需要一個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放大到某個特定范圍，便于A/D轉換器進行采樣；或者將給定信號放大一個由軟件設定的增益后輸出。
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，但其增益量程有限，只能實現(xiàn)特定的幾種增益切換。
②運放+模擬開關+電阻網(wǎng)絡。這種方法利用模擬開關切換電阻反饋網(wǎng)絡，從而改變放大電路的閉環(huán)增益。此種方法所需無器件較多，電路龐大，而且精度受到限制。
③運放+數(shù)字電位器。采用固態(tài)數(shù)字電位器來控制放大電路的增益，線路較為簡單。但現(xiàn)有的數(shù)字電位器分辨率有限，常見的32、64抽頭，構成的放大器精度有限，無法滿足10位甚至10位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。
④采用D/A轉換器來實現(xiàn)高精度可編程增益放大器。這種方案非常簡單，只需要單D/A轉換器即可實現(xiàn)一個完整的高精度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；能夠實現(xiàn)量程多變，具有寬的通頻帶等特點。
圖4所示是一個采用Maxim公司的12位D/A轉換器MAX501構成的12位可編程增益放大器。MAX501 D/A轉換器利用R-2R梯形解碼網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)字量到模擬量的變換。從D/A轉換器的內(nèi)部結構分
析可知：
IOUT=（VREF/R）×（D/4096） （7）
R-2R網(wǎng)絡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間設定放大器的電壓增益。
3 系統(tǒng)軟件設計
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)軟件采用人機對話方式和模塊化設計，將各個功能分成獨立模塊，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 結論
采用自校零、自校準智能化技術，可以使低精度、低穩(wěn)定度測量系統(tǒng)獲得高精度的測量結果；采用程控放大，可以方便地調(diào)節(jié)增益倍數(shù)，實現(xiàn)多量程、寬動態(tài)范圍的信號測量；采用程控濾波設計，可以根據(jù)信號的不同特點，設計不同濾波器模式，完全復現(xiàn)信號。因此，采用這向項智能化技術，可以使測量系統(tǒng)有寬的適用范圍，提高系統(tǒng)的適應性，同時提高系統(tǒng)的測量精度。
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