一种宽动态范围的智能测量系统设计

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一种宽动态范围的智能测量系统设计

摘要：介绍一种宽动态范围的智能测量系统的设计及其中几项关键技术；自校零与自校准技术、程控放大和程控滤波电路的原理和实现途径。    关键词：智能测量系统 自校零 自校准 程控放大 程控滤波
在电磁无损检测系统中，信号调理是一个重点和难点。由于信号的幅度小，只有μV/mV级，对于不同的材料、形状、缺陷类型，拾取的信号差别很大，动态范围宽；而且由于信号的干扰源多，有时甚至掩盖掉缺陷信号，很难辨识是缺陷信号还是干扰信号。工作不同的材质、形状、尺寸，不同的缺陷类型，不同的测量速度，得到的信号频谱不同，干扰信号的特点也不同。

    根据测量信号的特点，为了提高测量精度，满足传感器输出的微小信号在各种状态下的放大调节，同时能够有效地抑制干扰信号，可靠地检测出缺隐信号，常常需要高精度的测量放大器和合适的滤波器。因事先不知道被测信号的大小，用微控制器来检测，从而控制放大器的放大倍数，能将信号调到最佳，获得最佳测量数据。又因为不知控制系统中激励信号的频率以及在不同的环境条件下的干扰情况，因此，为了实现大动态范围、多干扰因素的检测系统的智能化，程控放大与程控滤波是必然的选择，以实现软件与硬件有机地结合。这是目前比较新颖、实用的电路设计。
1 系统组成
智能测量系统的原理框图如图1所示。它主要由电压基准源MAX6062和乘法型D/A转换器MAX501实现可变电压标准；由多路开关MAX313对信号进行切换，使零点标准值、参考标准值和待测信号分别送入前置放大电路，前置放大电路设计成固定增益的形式。放大后信号输入到程控滤波器MAX262和程控放大电路MAX501。滤波放大后的待测信号分成两路，一路经有效值转换电路转换成有效值，经上下限比较电路判断是否过量程，如果过量程，减小放大倍数，直到在量程范围内。这时，切换到A/D转换器，采样有效值。根据采样值决定待测信号的放大倍数，并把待测信号切换到A/D转换器进行采样。

2 关键技术设计
整个测量系统主要由标准源产生电路、程控滤波电路、程控放大电路、A/D转换电路和单片机组成。下面介绍其关键的自校零与自校准技术、程控滤波电路和程控放大电路的设计。
2.1 自校零与自校准技术
本系统的自校零与自校准功能充分利用了微控制器的功能，用软件和少量硬件，在软件程序的导引下进行三步测量法，自动校准零点以及自动消除因零点、增益漂移而引入的系统误差，从而提高系统的精度和稳定度。采用这种智能化技术，可以使低精度、低稳定度的测量系统获得高精度的测量结果。测量精度仅决定于测量标准。
图2是消除系统中效大器增益和零漂变化对测量结果影响的自校准原理图。其中，标准发生器产生的标准值与输入信号Vx同类型，假设都为电压值。
本系统所采用的是两标准实时自校法。它执行三步测量法。
第1步，校零。输入信号为零点标准值，放大电路的输出值为y0。

    y0=G·ε     （1）
式中，G为放大器增益，ε为折算到输入端的由放大器增益和零点漂移变化引起的变化的数值。
第2步，标定。输入信号为标准值VR，放大电路的输出值为yR。
yR=G·(VR+ε )    (2)
第3步，测量。输入信号为待测信号Vx，放大电路的输出值为yx。
yx=G·(Vx+ε)     （3）
由式（1）、（2）和（3）可以得到
Vx=[(yx-y0)/(yR-y0)]VR     (4)
从式（4）可以看出，已消除季放大器漂移变化的影响。因此，在测量过程中，把y0、yR、Vx和yx的值分别存储于系统的内存中，利用式（4）就可以实现自校准。
一般而言，对于一个宽量程多增益系统，每档增益都应实时标定进行自校准，因此标准信号产生的标准值也有多少。
2.2 程控滤波电路设计
在智能测量系统中一般都要使用滤波器。一般有源滤波器均由运算放大器和RC元件组成，对元器件的参数精度要求比较高，设计和和调试都比较麻烦。美信公司（Maxim）生产的可编程滤波器芯片MAX262可以通过编程对各种低频信号实现低通、高通、带通、带限以及全通滤波处理，而且滤波的特性参数如中心频率、品质因数等也可以通过编程进行设置。

    2.2.1 MAX262芯片介绍
MAX262主要由放大器、积分器、电容切换网络（SCN）和工作模式选择器组成。积分器、电容切换网络（SCN）和工作模式选择器分别由编程数据M0～M1、F0～F5和Q0～Q6控制。MAX262内部有2个二级滤波器。滤波器A和B可以单独使用，也可级联成四阶滤波器使用。
MAX262芯片的工作频率为1Hz～140kHz。当时钟频率为4MHz，工作模式选择为模式3时，芯片可以对140kHz的输入信号进行滤波处理。其它工作模式的最高工作频率为100kHz。滤波器A和B可以采用内部时钟，也可以采用外部时钟。外部时钟分别从芯片的引脚CLKA、CLKB引入。对外部时钟无占空比要求。
MAX262芯片有3个编程参数；中心频率f0、Q值和工作模式。中心频率由编程数据F0～F5控制，共64个不同的二进数据，每个数据对应1个时钟频率fclk与中心频率f0的比值flk/f0。Q值由编程数据Q0～Q6控制，共128个不同的二制数据，每个数据对应1个Q值，最小的Q值为0.5，最大的Q值为64。工作模式由编程数据M0～M1控制，分别对应工作模式1、2、3和4。
2.2.2 程控滤波器实现
由MAX262通用开关电容滤波器实现的程控滤波电路原理如图3所示。每个滤波器的工作模式、中心频率、Q值所需的编程数据，均需要分8次写入MAX262的内部寄存器才能完成设置。
通过文件[3]给出的fclk/f0与F0～F5的关系表格，得到本文根据fclk/f0计算编程数据F0～F5的公式，即fclk/f0与F0～F5的关系为：
fclk/f0=40.84+1.57N1     （5）
式中，N1为二进制数据F0～F5对应的十进制整数，范围为0～63，共64级。
同样，对应滤波器的Q值也是通过计算来获得Q值的编程数据Q0～Q6。Q值与Q0～Q6的关系为
Q=64/(128-N2)     (6)
式中，N2为二进制数据Q0～Q6对应的十进制整数，范围为0～127，共128级。
2.3 程控放大电路设计
在智能测量系统中，常常需要一个增益可软件编程的放大器（PGA），用将不同幅度的模拟输入信号放大到某个特定范围，便于A/D转换器进行采样；或者将给定信号放大一个由软件设定的增益后输出。
可软件编程的放大器主要有4种。
①集成程控增益放大器。它们具有低漂移、低非线性、高共模抑制比和宽频带等优点，但其增益量程有限，只能实现特定的几种增益切换。
②运放+模拟开关+电阻网络。这种方法利用模拟开关切换电阻反馈网络，从而改变放大电路的闭环增益。此种方法所需无器件较多，电路庞大，而且精度受到限制。
③运放+数字电位器。采用固态数字电位器来控制放大电路的增益，线路较为简单。但现有的数字电位器分辨率有限，常见的32、64抽头，构成的放大器精度有限，无法满足10位甚至10位数据采集系统的要求。
④采用D/A转换器来实现高精度可编程增益放大器。这种方案非常简单，只需要单D/A转换器即可实现一个完整的高精度PGA，甚至可以不需要任何外围元件，并且它还具有十分方便的编程接口，可以直接挂到数据总线；能够实现量程多变，具有宽的通频带等特点。

    图4所示是一个采用Maxim公司的12位D/A转换器MAX501构成的12位可编程增益放大器。MAX501 D/A转换器利用R-2R梯形解码网络实现数字量到模拟量的变换。从D/A转换器的内部结构分析可知：
IOUT=（VREF/R）×（D/4096）     （7）
R-2R网络的参考端到输出端的等效电阻为
RD=R(R096/D)     （8）
将RD作为反馈电阻，则得到放大器的闭环增益为
G=RD/R=4096/D (9)
式中，D为输入数字量。输入不同的数字量D，就可以在1～4096间设定放大器的电压增益。
3 系统软件设计
由于系统功能多，并且每种功能的输入参数较多，因此系统软件采用人机对话方式和模块化设计，将各个功能分成独立模块，由系统和监控程序统一管理执行。图5所是系统监控程序的流程图。
4 结论
采用自校零、自校准智能化技术，可以使低精度、低稳定度测量系统获得高精度的测量结果；采用程控放大，可以方便地调节增益倍数，实现多量程、宽动态范围的信号测量；采用程控滤波设计，可以根据信号的不同特点，设计不同滤波器模式，完全复现信号。因此，采用这向项智能化技术，可以使测量系统有宽的适用范围，提高系统的适应性，同时提高系统的测量精度。

李小路

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