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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。
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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MAX6062和乘法型D/A轉換器MAX501實現可變電壓標準；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，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，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Vx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值。
第2步，標定。輸入信號為標準值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。
2.2 程控濾波電路設計
在智能測量系統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，對元器件的參數精度要求比較高，設計和和調試都比較麻煩。美信公司（Maxim）生產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。
2.2.1 MAX262芯片介紹
MAX262主要由放大器、積分器、電容切換網絡（SCN）和工作模式選擇器組成。積分器、電容切換網絡（SCN）和工作模式選擇器分別由編程數據M0～M1、F0～F5和Q0～Q6控制。MAX262內部有2個二級濾波器。濾波器A和B可以單獨使用，也可級聯成四階濾波器使用。
MAX262芯片的工作頻率為1Hz～140kHz。當時鐘頻率為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個編程參數；中心頻率f0、Q值和工作模式。中心頻率由編程數據F0～F5控制，共64個不同的二進數據，每個數據對應1個時鐘頻率fclk與中心頻率f0的比值flk/f0。Q值由編程數據Q0～Q6控制，共128個不同的二制數據，每個數據對應1個Q值，最小的Q值為0.5，最大的Q值為64。工作模式由編程數據M0～M1控制，分別對應工作模式1、2、3和4。
2.2.2 程控濾波器實現
由MAX262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、Q值所需的編程數據，均需要分8次寫入MAX262的內部寄存器才能完成設置。
通過文件[3]給出的fclk/f0與F0～F5的關系表格，得到本文根據fclk/f0計算編程數據F0～F5的公式，即fclk/f0與F0～F5的關系為：
fclk/f0=40.84+1.57N1 （5）
式中，N1為二進制數據F0～F5對應的十進制整數，范圍為0～63，共64級。
同樣，對應濾波器的Q值也是通過計算來獲得Q值的編程數據Q0～Q6。Q值與Q0～Q6的關系為
Q=64/(128-N2) (6)
式中，N2為二進制數據Q0～Q6對應的十進制整數，范圍為0～127，共128級。
2.3 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（PGA），用將不同幅度的模擬輸入信號放大到某個特定范圍，便于A/D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。
①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。
②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。
③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。
④采用D/A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D/A轉換器即可實現一個完整的高精度PGA，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Maxim公司的12位D/A轉換器MAX501構成的12位可編程增益放大器。MAX501 D/A轉換器利用R-2R梯形解碼網絡實現數字量到模擬量的變換。從D/A轉換器的內部結構分
析可知：
IOUT=（VREF/R）×（D/4096） （7）
R-2R網絡的參考端到輸出端的等效電阻為
RD=R(R096/D) （8）
將RD作為反饋電阻，則得到放大器的閉環增益為
G=RD/R=4096/D (9)
式中，D為輸入數字量。輸入不同的數字量D，就可以在1～4096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
采用自校零、自校準智能化技術，可以使低精度、低穩定度測量系統獲得高精度的測量結果；采用程控放大，可以方便地調節增益倍數，實現多量程、寬動態范圍的信號測量；采用程控濾波設計，可以根據信號的不同特點，設計不同濾波器模式，完全復現信號。因此，采用這向項智能化技術，可以使測量系統有寬的適用范圍，提高系統的適應性，同時提高系統的測量精度。
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