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一种宽动态范围的智能测量系统设计

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

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。
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    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。
一种宽动态范围的智能测量系统设计
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。
一种宽动态范围的智能测量系统设计
    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)

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