關(guān)鍵詞：智能測量系統(tǒng) 自校零 自校準(zhǔn) 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(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。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(shí)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(zhì)、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(diǎn)也不同。

    根據(jù)測量信號的特點(diǎn)，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(shí)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?yàn)椴恢刂葡到y(tǒng)中激勵(lì)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(shí)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(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)；由多路開關(guān)MAX313對信號進(jìn)行切換，使零點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值、參考標(biāo)準(zhǔn)值和待測信號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(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(shí)，切換到A/D轉(zhuǎn)換器，采樣有效值。根據(jù)采樣值決定待測信號的放大倍數(shù)，并把待測信號切換到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)行三步測量法，自動校準(zhǔn)零點(diǎn)以及自動消除因零點(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)定度的測量系統(tǒng)獲得高精度的測量結(jié)果。測量精度僅決定于測量標(biāo)準(zhǔn)。

圖2是消除系統(tǒng)中效大器增益和零漂變化對測量結(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)行三步測量法。

第1步，校零。輸入信號為零點(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(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)。

一般而言，對于一個(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可以通過編程對各種低頻信號實(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)二級濾波器。濾波器A和B可以單獨(dú)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(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140kHz的輸入信號進(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。對外部時(shí)鐘無占空比要求。

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次寫入MAX262的內(nèi)部寄存器才能完成設(shè)置。

通過文件[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對應(yīng)的十進(jìn)制整數(shù)，范圍為0～63，共64級。

同樣，對應(yīng)濾波器的Q值也是通過計(jì)算來獲得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對應(yīng)的十進(jìn)制整數(shù)，范圍為0～127，共128級。

2.3 程控放大電路設(shè)計(jì)

在智能測量系統(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+模擬開關(guān)+電阻網(wǎng)絡(luò)。這種方法利用模擬開關(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(gòu)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(zhuǎn)換器來實(shí)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(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)定度測量系統(tǒng)獲得高精度的測量結(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、寬動態(tài)范圍的信號測量；采用程控濾波設(shè)計(jì)，可以根據(jù)信號的不同特點(diǎn)，設(shè)計(jì)不同濾波器模式，完全復(fù)現(xiàn)信號。因此，采用這向項(xiàng)智能化技術(shù)，可以使測量系統(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)的測量精度。