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。

    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y

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