度量轉換/一種寬動態範圍的智慧測量系統設計

  摘要:介紹一種寬動態範圍的智慧測量系統的設計及其中幾項關鍵技術;自校零與自校準技術、程式控制放大和程式控制濾波電路的原理和實現途徑。

  關鍵字:智慧測量系統 自校零 自校準 程式控制放大 程式控制濾波


  在電磁無損檢測系統中,信號調理是一個重點和難點。由於信號的幅度小,只有μV/mV級,對於不同的材料、形狀、缺陷類型,拾取的信號差別很大,動態範圍寬;而且由於信號的干擾源多,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。

  根據測量信號的特點,為了提高測量精度,滿足感測器輸出的微小信號在各種狀態下的放大調節,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,能將信號調到最佳,獲得最佳測量資料。又因為不知控制系統中激勵信號的頻率以及在不同的環境條件下的干擾情況,因此,為了實現大動態範圍、多干擾因素的檢測系統的智慧化,程式控制放大與程式控制濾波是必然的選擇,以實現軟體與硬體有機地結合。這是目前比較新穎、實用的電路設計。

1 系統組成

  智慧測量系統的原理框圖如圖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。放大後信號輸入到程式控制濾波器MAX262和程式控制放大電路MAX501。濾波放大後的待測信號分成兩路,一路經有效值轉換電路轉換成有效值,經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,直到在量程範圍內。這時,切換到A/D轉換器,採樣有效值。根據採樣值決定待測信號的放大倍數,並把待測信號切換到A/D轉換器進行採樣。

2 關鍵技術設計

  整個測量系統主要由標準源產生電路、程式控制濾波電路、程式控制放大電路、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、程式控制濾波電路和程式控制放大電路的設計。 2.1 自校零與自校準技術

  本系統的自校零與自校準功能充分利用了微控制器的功能,用軟體和少量硬體,在軟體程式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誤差,從而提高系統的精度和穩定度。採用這種智慧化技術,可以使低精度、低穩定度的測量系統獲得高精度的測量結果。測量精度僅決定於測量標準。

  圖2是消除系統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,標準發生器產生的標準值與輸入信號Vx同類型,假設都為電壓值。

  本系統所採用的是兩標準即時自校法。它執行三步測量法。

  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的值分別存儲於系統的記憶體中,利用式(4)就可以實現自校準。

  一般而言,對於一個寬量程多增益系統,每檔增益都應即時標定進行自校準,因此標準信號產生的標準值也有多少。


  2.2 程式控制濾波電路設計

  在智慧測量系統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,對元器件的參數精度要求比較高,設計和和調試都比較麻煩。美信公司(Maxim)生產的可編程濾波器晶片MAX262可以通過編程對各種低頻信號實現低通、高通、帶通、帶限以及全通濾波處理,而且濾波的特性參數如中心頻率、品質因數等也可以通過編程進行設置。

  2.2.1 MAX262晶片介紹

  MAX262主要由放大器、積分器、電容切換網路(SCN)和工作模式選擇器組成。積分器、電容切換網路(SCN)和工作模式選擇器分別由編程資料M0~M1、F0~F5和Q0~Q6控制。MAX262內部有2個二級濾波器。濾波器A和B可以單獨使用,也可級聯成四階濾波器使用。

  MAX262晶片的工作頻率為1Hz~140kHz。當時鐘頻率為4MHz,工作模式選擇為模式3時,晶片可以對140kHz的輸入信號進行濾波處理。其他工作模式的最高工作頻率為100kHz。濾波器A和B可以採用內部時鐘,也可以採用外部時鐘。外部時鐘分別從晶片的引腳CLKA、CLKB引入。對外部時鐘無占空比要求。

  MAX262晶片有3個編程參數;中心頻率f0、Q值和工作模式。中心頻率由編程資料F0~F5控制,共64個不同的二進資料,每個資料對應1個時鐘頻率fclk與中心頻率f0的比值flk/f0。Q值由編程資料Q0~Q6控制,共128個不同的二制資料,每個資料對應1個Q值,最小的Q值為0.5,最大的Q值為64。工作模式由編程資料M0~M1控制,分別對應工作模式1、2、3和4。

  2.2.2 程式控制濾波器實現

  由MAX262通用開關電容濾波器實現的程式控制濾波電路原理如圖3所示。每個濾波器的工作模式、中心頻率、Q值所需的編程資料,均需要分8次寫入MAX262的內部寄存器才能完成設置。

  通過檔[3]給出的fclk/f0與F0~F5的關係表格,得到本文根據fclk/f0計算編程資料F0~F5的公式,即fclk/f0與F0~F5的關係為: f clk/f0=40.84+1.57N1 (5)

式中,N1為二進位資料F0~F5對應的十進位整數,範圍為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值的編程資料Q0~Q6。Q值與Q0~Q6的關係為

Q=64/(128-N2) (6)

式中,N2為二進位資料Q0~Q6對應的十進位整數,範圍為0~127,共128級。

  2.3 程式控制放大電路設計

  在智慧測量系統中,常常需要一個增益可軟體編程的放大器(PGA),用將不同幅度的類比輸入信號放大到某個特定範圍,便於A/D轉換器進行採樣;或者將給定信號放大一個由軟體設定的增益後輸出。

  可軟體編程的放大器主要有4種。

  ①集成程式控制增益放大器。它們具有低漂移、低非線性、高共模抑制比和寬頻帶等優點,但其增益量程有限,只能實現特定的幾種增益切換。

  ②運放+類比開關+電阻網路。這種方法利用類比開關切換電阻回饋網路,從而改變放大電路的閉環增益。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+數字電位器。採用固態數位電位器來控制放大電路的增益,線路較為簡單。但現有的數位電位器解析度有限,常見的32、64抽頭,構成的放大器精度有限,無法滿足10位元甚至10位元資料獲取系統的要求。

  ④採用D/A轉換器來實現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轉換器即可實現一個完整的高精度PGA,甚至可以不需要任何週邊元件,並且它還具有十分方便的編程介面,可以直接掛到資料匯流排;能夠實現量程多變,具有寬的通頻帶等特點。

  圖4所示是一個採用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梯形解碼網路實現數位量到類比量的變換。從D/A轉換器的內部結構分析可知:

IOUT=(VREF/R)×(D/4096) (7)

R-2R網路的參考端到輸出端的等效電阻為

RD=R(R096/D) (8)

將RD作為回饋電阻,則得到放大器的閉環增益為

G=RD/R=4096/D (9) 式中,D為輸入數位量。輸入不同的數位量D,就可以在1~4096間設定放大器的電壓增益。

3 系統軟體設計

  由於系統功能多,並且每種功能的輸入參數較多,因此系統軟體採用人機對話方式和模組化設計,將各個功能分成獨立模組,由系統和監控程序統一管理執行。圖5所是系統監控程序的流程圖。

4 結論

  採用自校零、自校準智慧化技術,可以使低精度、低穩定度測量系統獲得高精度的測量結果;採用程式控制放大,可以方便地調節增益倍數,實現多量程、寬動態範圍的信號測量;採用程式控制濾波設計,可以根據信號的不同特點,設計不同濾波器模式,完全複現信號。因此,採用這向項智慧化技術,可以使測量系統有寬的適用範圍,提高系統的適應性,同時提高系統的測量精度。

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