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一種用于渦街流量計的程控放大器
點擊次數：2322 發布時間：2011-9-22
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渦街流量計是基于卡門渦街原理工作的，目前大多采用壓電傳感器來檢測卡門渦街。在理想情況下，傳感器輸出信號是一正弦信號，其幅值與流量的平方成正比。實際上，渦街信號中含有復雜的噪聲成分，噪聲的頻率、幅度及規律性隨現場使用條件有很大差異。通常流量變化范圍比較大，傳感器的調理電路必須適合整個流量范圍的信號，所以，采用固定放大倍數的放大電路是很難滿足要求的。若放大倍數太小，信號幅值太小，如圖1a所示，對于采用脈沖計數方式的渦街流量計，將達不到脈沖整形觸發器門限，就會少計脈沖；對于采用數字信號處理的渦街流量計，不能充分發揮ADC轉換的精度，降低對信號的分辨能力，特別是遇到渦街信號衰落時[1]，ADC對信號的分辨能力會大大降低。若放大倍數太大，會使信號飽和，并且噪聲幅值也相應被放大，如圖1b所示。對于采用脈沖計數方式的渦街流量計，就會多計脈沖；對于采用數字信號處理的渦街流量計，由于信號飽和，信號接近幅值部分被削平，近似方波，則奇次諧波增加，如果噪聲正好落在奇次諧波附近，則諧波能量有可能超過基波能量，從而使得基于數字頻譜的數字信號處理方法計算出錯誤渦街頻率。 針對以上情況，文獻[2，3]提出了一種基于集成程控放大器的幅值調節方法，但集成程控放大器價格比較貴，而且放大倍數一般都大于1，調節范圍不靈活；文獻[4]提出了一種限幅放大加低通濾波的方法，這種方法放大倍數固定，為了適應小流量情況，放大倍數設置得比較大，所以，當大流量時信號幅值比較大，可能會出現飽和，造成頻譜分析的誤差。為此，文中提出一種采用低功耗運放加數字電位器組成程控放大器的方案，根據信號的平均值來調節信號的幅值，在實驗中得到很好的效果。
圖1 放大倍數太小和放大倍數太大時的信號波形
圖2所示為所設計的程控放大器，放大器采用低功耗運放、數字電位器和電容電阻組成帶濾波器的放大電路，而數字電位器可以通過SPI端口寫入對應數值來改變電位器輸出引腳B和W之間的電阻值Rx，從而實現放大倍數的程序調節。放大器的放大倍數關系為Rx/（R1+R2），設計中數字電位器采用AD5160BRU100，其zui大阻值Rx為100kΩ，zui小阻值為450.625Ω，R1+R2=5kΩ，所以，放大器的放大倍數變化范圍可以在0.5～20倍之間，能夠滿足將渦街信號放大到合適范圍的需要。 考慮到系統采用TMS320LF2407A數字信號處理器上的10位單極性ADC，其參考電壓為3.3V，所以，放大器加了1.5V的直流偏置Vref，這樣信號zui大幅值可以達到1.5V。另外，還在Rx兩端并聯了二極管D1～D4起限幅作用。
圖2 程控放大電路 確定程控放大器的放大倍數zui直接有效的方法就是依據信號的幅值。這就要求能夠檢測到信號的幅值大小。檢測的方法較多，可以將頻譜分析所得的功率譜zui大值作為信號幅值進行調節[2]，也可以使用峰值檢測電路來檢測信號幅值。由于渦街信號成分比較復雜，不是理想的正弦波，在實驗中發現，頻譜分析對渦街信號基波幅值跟蹤很不穩定，而峰值檢波電路對信號上的尖峰毛刺比較敏感，容易造成檢測幅值大于真實幅值的情況；所以，這兩種方法對于渦街信號這種效果都不是很好。 考慮到所要的幅值只需反映整個信號的能量，是一種平均效果，所以可以利用信號的平均值或有效值作為調節依據。通過比較，發現在采集到的信號數據足夠多的情況下這兩種方法的精度差不多，而求平均值的計算量比較小，所以，選用求平均值的方法。平均值隨正弦波幅值相應變化，能夠反映信號幅值的大小。 連續信號平均值計算公式為
式中，Vaver為平均值；x（t）為信號；t1-t0為信號長度。 如果信號為整周期正弦波，則Vaver等于常量2A/π（A為正弦波幅值），可見正弦波幅值與其平均值之間的關系為A=π·Vaver/2。 在數字系統中式（1）變為式（2）
式中，Vaver為平均值；x（i）為離散信號序列；Δt為采樣周期；N為總采樣點數。 在數字系統中，式（2）中x（i）對應的離散信號序列是經過ADC采樣轉換后的量化值，對這個量化值要先進行去直流偏置處理，即將硬件部分所述的直流偏置電壓Vref去掉。另外，為了更直觀的反應信號幅值，要將式（2）得到的平均值轉化為能夠反映實際電壓的信號幅值。由于理想渦街信號為正弦波，所以，采用正弦波來反應信號幅值，結合式（1），有正弦波幅值對應的電壓值計算公式為 式中，A為實際信號電壓幅值；LSB為ADCzui小量化單位代表的電壓值。 得到了實際信號的電壓幅值，就可以根據這個電壓幅值進行放大倍數的調整，從而調節信號幅值。在主程序中加入幅值調節一個步驟，每次程序執行到這里就進行一次幅值調整。具體調節方法可用式（4）表示 式中，Rx為數字電位器應該調整的電阻值；Rl為數字電位器當前輸出阻值；A0為信號要求的幅值；A為當前計算得到的信號的幅值；c為常數，表示放大倍數是否需要調整的門限值。 將式（4）計算得到的電阻值轉換為數字電位器對應的量化值，通過SPI通信接口寫入數字電位器寄存器，就可以改變程控放大器放大倍數，從而調節信號幅值。
圖3是系統主程序流程圖，圖4是幅值調節部分的流程圖。
對以上方案，分別采用信號發生器作為信號源和渦街流量計傳感器輸出信號作為信號源進行了實驗，實驗中取A0=0.7V，c=0.1V。 圖5是用TektronixAFG3101信號發生器產生的不同幅值的信號，經過調節后的效果，可以看出經過幅值調整后信號幅值基本上維持在0.7V左右，與要求的信號幅值A0接近。
圖6是將系統與重慶耐德工業的40mm口徑渦街流量計一次儀表相連，對傳感器輸出信號進行幅值調整的效果，可見在不同頻率下，即不同流量下，經過調整后的傳感器輸出信號幅值基本上維持在0.7V左右，也與A0接近。
實驗結果表明，文中研究的程控放大器和幅值調整方法具有很好的效果。 |
（1）
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