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《一種寬動態(tài)范圍的智能測量系統(tǒng)設(shè)計》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在工程資料-天天文庫。
1、一種寬動態(tài)范圍的智能測量系統(tǒng)設(shè)計
2、第1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(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，干擾信號的特點也不同。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
3、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(jī)地結(jié)合。這是目前比較新穎、實用的電路設(shè)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(zhǔn)源MAX6062和乘法型D/A轉(zhuǎn)換器MAX501實現(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
4、點標(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，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)計整個測量系統(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)、
5、程控濾波電路和程控放大電路的設(shè)計。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(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)實時自校法。它執(zhí)行三步測量法。第1步，校零
6、。輸入信號為零點標(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
7、）就可以實現(xiàn)自校準(zhǔn)。一般而言，對于一個寬量程多增益系統(tǒng)，每檔增益都應(yīng)實時標(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(shè)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(zhì)因數(shù)等也可以通過編程進(jìn)行設(shè)置。2.2.1MAX262芯片介紹MAX262主要由放大器、積分器、電容切換網(wǎng)絡(luò)
8、（S）和工作模式選擇器組成。積分器、電容切換網(wǎng)絡(luò)（S）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(dāng)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(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
9、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(jìn)數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)對應(yīng)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1
