一種寬動(dòng)態(tài)范圍的智能測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：介紹一種寬動(dòng)態(tài)范圍的智能測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其中幾項(xiàng)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(shí)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(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。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(dòng)態(tài)范圍寬；而且由于信號的干擾源多，有時(shí)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(diǎn)也不同。

　　根據(jù)測量信號的特點(diǎn)，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(shí)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?yàn)椴恢刂葡到y(tǒng)中激勵(lì)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(shí)現(xiàn)大動(dòng)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(shí)現(xiàn)軟件與硬件有機(jī)地結(jié)合。這是目前比較新穎、實(shí)用的電路設(shè)計(jì)。

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(shí)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(diǎn)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(jì)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(shí)，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(jì)

　　整個(gè)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(jī)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(jì)。

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(dòng)校準(zhǔn)零點(diǎn)以及自動(dòng)消除因零點(diǎn)、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(shí)時(shí)自校法。它執(zhí)行三步測量法。

　　第1步，校零。輸入信號為零點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值，放大電路的輸出值為y0。

　　y0=G