一種寬動態(tài)范圍的智能測量系統(tǒng)設計

時間：2023-05-01 12:28:34 電子通信論文我要投稿

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摘要：介紹一種寬動態(tài)范圍的智能測量系統(tǒng)的設計及其中幾項關鍵技術；自校零與自校準技術、程控放大和程控濾波電路的原理和實現(xiàn)途徑。

關鍵詞：智能測量系統(tǒng) 自校零自校準程控放大程控濾波

在電磁無損檢測系統(tǒng)中，信號調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、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，滿足傳感器輸出的微小信號在各種狀態(tài)下的放大調節(jié)，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(shù)，能將信號調到最佳，獲得最佳測量數(shù)據。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)軟件與硬件有機地結合。這是目前比較新穎、實用的電路設計。

1 系統(tǒng)組成

智能測量系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。它主要由電壓基準源MAX6062和乘法型D/A轉換器MAX501實現(xiàn)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(shù)，直到在量程范圍內。這時，切換到A/D轉換器，采樣有效值。根據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轉換器進行采樣。

2 關鍵技術設計

整個測量系統(tǒng)主要由標準源產生電路、程控濾波電路、程控放大電路、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、程控濾波電路和程控放大電路的設計。

2.1 自校零與自校準技術

本系統(tǒng)的自校零與自校準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(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，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果。測量精度僅決定于測量標準。

圖2是消除系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)所采用的是兩標準實時自校法。它執(zhí)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(shù)值。

第2步，標定。輸入信號為標準值VR，放大電路的輸出值為y

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