1、一種寬動態范圍的智能測量系統設計 摘要介紹一種寬動態范圍的智能測量系統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途徑。 關鍵詞智能測量系統自校零自校準程控放大程控濾波在電磁無損檢 測系統中，信號調理是一個重點和難點。 由于信號的幅度小，只有 U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。 范文先生網收集整理根據測量信號的特點，為了提高測量精度，

2、滿足 傳感器輸出的微小信號在各種狀態下的放大調節，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，能將信號調到最佳，獲得最佳測量數據。 又因為不知控制系統中激勵信號的頻率以及在不同的環境條件下的 干擾情況，因此，為了實現大動態范圍、多干擾因素的檢測系統的智能化, 程控放大與程控濾波是必然的選擇，以實現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 系統組成智能測量系統的原理框圖如圖 1 所示。 它主要由電壓基準源 6062 和乘法型轉換器 501 實現可變

3、電壓標準； 由多路開關 313 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 262 和程控放大電路 501。 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，直 到在量程范圍內。 這時，切換到轉換器，采樣有效值。 根據采樣值決定待測信號的放大倍數，并把待測信號切換到轉換器進 行采樣。 2 關鍵技術設計整個測量系統主要由標準源產生電路、 程控濾波電路、 程控放大電路、轉換電路和單片機組成。 面介紹其關鍵的自校零與自校準技術、程控

4、濾波電路和程控放大電 路的設計。 21 自校零與自校準技術本系統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誤差，從而提 高系統的精度和穩定度。 采用這種智能化技術，可以使低精度、低穩定度的測量系統獲得高精 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，標準發生器產生的標準值與輸入信號同類型， 假設都為電壓值。 本系統所采用的是兩標準實時自校法。 它執行三步測量法。 第 1 步，校零。 輸入信號為零點標準

5、值，放大電路的輸出值為0。 0=式中，為放大器增益，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值。 第 2 步，標定。 輸入信號為標準值，放大電路的輸出值為。 = + 第3步，測量。 輸入信號為待測信號，放大電路的輸出值為。 = + 3 由式 1、2 和 3 可以得到 =-0-04 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 0、和的值分別存儲于系統的內存中，利 用式 4 就可以實現自校準。 一般而言，對于一個寬量程多增益系統，每檔增益都應實時標定進行 自校準，因此標準信號產生的標準值也有多少。 22 程控濾波電路設計在智能測量系統中一般都要使

6、用濾波器。 般有源濾波器均由運算放大器和元件組成，對元器件的參數精度要 求比較高，設計和和調試都比較麻煩。 美信公司生產的可編程濾波器芯片 262 可以通過編程對各種低頻信號 實現低通、高通、帶通、帶限以及全通濾波處理，而且濾波的特性參數如 中心頻率、品質因數等也可以通過編程進行設置。 221262 芯片介紹 262 主要由放大器、 積分器、電容切換網絡和工作模 式選擇器組成。 積分器、電容切換網絡和工作模式選擇器分別由編程數據 和06控制。 262 內部有 2 個二級濾波器。 濾波器和可以單獨使用，也可級聯成四階濾波器使用。 140 的輸入 262 芯片的工作頻率為 1 140。 當時鐘頻率

7、為 4，工作模式選擇為模式 3 時，芯片可以對 信號進行濾波處理。 其它工作模式的最高工作頻率為 100。 濾波器和可以采用內部時鐘，也可以采用外部時鐘。 外部時鐘分別從芯片的引腳、引入。 對外部時鐘無占空比要求。 262 芯片有 3 個編程參數；中心頻率 0、值和工作模式。 每個數據 中心頻率由編程數據 05 控制，共 64 個不同的二進數據， 對應 1 個時鐘頻率與中心頻率 0 的比值 0。 值由編程數據 06 控制，共 1 28個不同的二制數據， 每個數據對應 1 8 個值，最小的值為 05，最大的值為 64。 工作模式由編程數據 01控制，分別對應工作模式 1、2、3 和 4。 222

8、 程控濾波器實現由 262 通用開關電容濾波器實現的程控濾波電路 原理如圖 3 所示。 每個濾波器的工作模式、中心頻率、值所需的編程數據，均需要分 次寫入 262 的內部寄存器才能完成設置。 通過文件3給出的0與05的關系表格，得到本文根據 0 計算編程 數據 05 的公式， 即 0與 05 的關系為 0=4084+15715式中， 1 為二進制 數據 05 對應的十進制整數，范圍為 063，共 64級。 同樣，對應濾波器的值也是通過計算來獲得值的編程數據 0 6。 值與 06 的關系為 =64128-26式中， 2為二進制數據 06對應的十進 制整數，范圍為 0 127，共 128 級。 2

9、3 程控放大電路設計在智能測量系統中， 常常需要一個增益可軟件編 程的放大器，用將不同幅度的模擬輸入信號放大到某個特定范圍，便于轉 換器進行采樣；或者將給定信號放大一個由軟件設定的增益后輸出。 可軟件編程的放大器主要有 4 種。 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點，但其增 益量程有限，只能實現特定的幾種增益切換。 運放 +模擬開關 + 電阻網絡。 這種方法利用模擬開關切換電阻反饋網絡，從而改變放大電路的閉環 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。 運放 +數字電位器。 采用固態數字電位器來控制放大電路的增益，線路較為簡單。 但現有

10、的數字電位器分辨率有限，常見的32、64 抽頭，構成的放大 器精度有限，無法滿足 10位甚至 10 位數據采集系統的要求。 采用轉換器來實現高精度可編程增益放大器。 這種方案非常簡單，只需要單轉換器即可實現一個完整的高精度，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 接掛到數據總線；能夠實現量程多變，具有寬的通頻帶等特點。 圖 4 所示是一個采用公司的 12 位轉換器 501 構成的 12 位可編程增益 放大器。 501 轉換器利用 -2梯形解碼網絡實現數字量到模擬量的變換。 從轉換器的內部結構分析可知 =X 40967-2網絡的參考端到輸出端的等 效電阻為 =0968 將作為反饋電阻， 則得到放大器的閉環增益為 =40969 式 中，為輸入數字量。 輸入不同的數字量，就可以在 14096間設定放大器的電壓增益。 3 系統軟件設計由于系統功能多，并且每種功能的輸入參數較多，因 此系統軟件采用人機對話方式和模塊化設計，將各個功能分成獨立模塊， 由系統和監控程序統一管理執行。 圖 5 所是系統監控程序的流程圖。 4 結論采用自校