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