峰值采樣電路在渦流電導(dǎo)儀中的應(yīng)用

1 引言
受廠家委托，我們開發(fā)研制了利用渦流效應(yīng)測量金屬電導(dǎo)率的渦流電導(dǎo)儀。渦流效應(yīng)，簡單地說，就是金屬在高頻線圈附近感應(yīng)后形成的感應(yīng)磁場，它會(huì)對(duì)通過該線圈的高頻信號(hào)產(chǎn)生反作用，影響該信號(hào)的相位和幅值。不同的金屬對(duì)同一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的影響各不相同，根據(jù)這一原理，我們只需測量出相位和幅值，然后利用Matlab 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，就能得出電導(dǎo)率與幅值、相位的函數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)幅值是關(guān)鍵性的，對(duì)于非鐵磁性金屬材料，利用幅值得到的區(qū)分度最大。
而測量幅值最直接、最有效的方法就是測量其峰值電壓，這就要用到峰值采樣電路。

2 原理
峰值采樣電路通常僅由采樣保持器和比較器組成（如圖1所示），當(dāng)Vi>V時(shí)，V2為高電平，并控制LF398采樣，當(dāng)經(jīng)過峰值后，ViV1，此時(shí)，V2為低，使此時(shí)的V1，即，峰值被保持。峰值采樣電路有兩個(gè)功能：采樣和保持。采樣值保持多久，需要根據(jù)具體情況來決定。我們所研制的渦流電導(dǎo)儀，由于標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)在60kHz以上，頻率較高，因此這樣的峰值采樣電路已經(jīng)不能適用，主要原因一是其保持時(shí)間太短，A/D轉(zhuǎn)換芯片速度跟不上，改用高速A/D又不經(jīng)濟(jì)；二是采樣保持器本身的局限，如其采樣時(shí)間的要求、反應(yīng)速度、保持精度（與保持電容CP有關(guān)）等，并且，對(duì)于峰值時(shí)刻與控制脈沖跳變時(shí)刻的偏移無法調(diào)節(jié)。這種電路用于較低頻率（10kHz以下）系統(tǒng)，其效果較好，但隨著頻率的提高，偏移就越大。
基于以上原因，我們對(duì)該電路進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的電路原理框圖如圖2所示。

原有電路最大的問題在于頻率較高時(shí)，采樣和保持時(shí)間均過短，這與采樣保持器的控制信號(hào)有關(guān)。圖1中，V2在頻率較高時(shí)不能直接用作控制信號(hào)，需將其分頻后再加至采樣保持器的控制端。這里，我們是利用微分和比較器電路產(chǎn)生采樣保持器的控制信號(hào)。將采樣信號(hào)微分后，輸入過零比較器的負(fù)輸入端，正端為基準(zhǔn)零點(diǎn)。具體電路如圖3所示，這里，微分器使用的運(yùn)放為LF356，比較器是LM311。
微分電路中需要注意R、C值的選擇，根據(jù)不同的頻率范圍，所用的R、C值是不同的。選擇方法如下：
以圖4為例，電阻R1可降低高頻噪聲，電容Cf用于抑制自激振蕩。電路的傳遞函數(shù)為：

根據(jù)式（1）和式（2），可得微分電路的設(shè)計(jì)步驟如下：?
（1）設(shè)fa等于輸入信號(hào)的最高頻率（根據(jù)具體需要而定），選擇電容C11μF，然后根據(jù)式（2）計(jì)算Rf。
（2）選fa=10fb，根據(jù)式（2）計(jì)算R1。?
（3）由式（1）計(jì)算出Cf。?

微分電路的輸出信號(hào)連至比較器。在最初使用比較電路時(shí)，基準(zhǔn)零點(diǎn)（LM311正輸入端）是直接接地的，但在使用中我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻率較高時(shí)（>10kHz），比較器的輸出，即采樣保持器LF398的控制信號(hào)脈沖跳變時(shí)刻與采樣信號(hào)的峰值時(shí)刻的偏差就開始擴(kuò)大，為此,將直接接地改為如圖3所示的與對(duì)稱的正負(fù)電源相接的串聯(lián)分壓電路，電位器用來微調(diào)基準(zhǔn)零點(diǎn)。這樣改動(dòng)后，通過調(diào)整電位器，可以使LF398的控制脈沖保持在峰值時(shí)刻發(fā)生跳變。
然而，實(shí)際上，此時(shí)并不能將比較器輸出直接作為控制信號(hào)，需要將其分頻后再使用，這是為了絕對(duì)滿足采樣保持器的采樣時(shí)間和A/D轉(zhuǎn)換器輸入信號(hào)的保持時(shí)間的要求。
另外，分頻后的控制信號(hào)又作為單片機(jī)的外部中斷輸入信號(hào)（中斷觸發(fā)方式最好設(shè)為邊沿觸發(fā)方式），以此作為單片機(jī)啟動(dòng)A/D的信號(hào)，開始采樣。
當(dāng)然，也可不使用分頻器，將比較器的輸出直接作為單片機(jī)的中斷信號(hào)，而用單片機(jī)的一個(gè)I/O口，作為采樣保持器的控制口線。中斷信號(hào)來之前，該控制口線置為采樣所需電平（對(duì)LF398為高電平），中斷信號(hào)來后，置為保持電平（對(duì)LF398為低電平），并啟動(dòng)A/D開始采樣數(shù)據(jù)。這種方式可省去分頻器，而且保持時(shí)間可以隨意由單片機(jī)控制，使用較靈活。但是需占用一個(gè)通用I/O口。需要注意的是，如果采樣信號(hào)頻率很高，比較器輸出脈沖信號(hào)的高低電平保持時(shí)間不滿足單片機(jī)對(duì)其外部中斷信號(hào)的要求，仍需要加分頻器。
3 結(jié)束語
經(jīng)過測試，該電路性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，通用性強(qiáng)，使用靈活，具有一定的實(shí)用價(jià)值。?

參考文獻(xiàn)?

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