一种大动态范围数字式智能微伏表的设计
上一篇 / 下一篇 2006-11-02 20:19:52 / 天气: 晴朗 / 心情: 高兴
一种大动态范围数字式智能微伏表的设计
杨日杰 王 昭 杨晓东 赵俊渭
(西北工业大学声学工程研究所 西安 710072)
摘要 本文提出一种用于测量大动态范围变化的弱信号的方法，经实际测试，取得了满意的效果。该方法采用以增益可控部件为核心的步进式数字自动增益控制电路，对信号进行大范围动态压缩；利用80C31微处理机对信号进行实时处理，使系统完成实时显示、故障自检和过载自动报警等功能。它既可作为大动态范围数字式微伏表，又可作为多通道大动态范围低噪声放大器使用。本文主要介绍了系统的基本工作原理、系统的硬件结构及主要软件流程。
关键词 数字微伏表 自动增益控制 微处理机
1 引 言
电子仪表的发展经历了由模拟式到数字式的过程，目前已进入智能化发展阶段，其主要标志之一就是微处理机的引入。在信号检测与测量领域，经常需精确、快速测定大动态范围变化的弱信号。这就对测试设备提出了较高的要求，如设备的本机噪声、灵敏度、测量准确度、动态范围等。而测试设备的性能主要由设计时所采用的技术方案和所选用的电路及器件决定。本文介绍的微伏表，是为回波模拟器的测试与校准设计的专用设备，主要用于多通道回波模拟器输出回波的幅值的校准，由于它可实时测量微伏级信号，故亦可作为多通道、大动态范围、低噪声放大器使用。
2 系统工作原理
该设备完成对微伏级信号的实时测量与显示。由于输入信号为弱信号，且动态范围较大，所以其关键技术是如何扩展系统的动态范围，以及如何提高系统对弱信号的检测能力。这里采用以增益可控部件AD7110为核心的步进式数字自动增益控制电路，对信号进行大动态范围压缩，扩展系统的线性范围；采用低噪声窄带选频放大器作为前置放大器，对输入信号进行选频放大，以提高系统的信噪比和灵敏度，增加检测概率，降低虚警概率。
2.1 系统自动增益控制电路
系统自动增益控制电路采用步进式数字自动增益控制电路AGC，其目的是对输入信号进行大动态范围压缩，以满足系统线性度及A/D的要求。
设AGC电路增益包括可变增益KV和固定增益KC；其中KV由增益可控部件的数字控制量x决定，KC包括滤波放大器的放大量和检波衰减在内的所有不变增益。
图1 AGC电路简图
设x(x=0,1,2,…，N)的最低有效位对应增益可控部件ΔdB衰减，若对应第m个样本Vi(m)、V0(m)计数器输出的控制量为x(m)，则有
由于时钟频率远大于信号频率，Vi(m)≈Vi(m+1)，上式变为
对AGC电路而言，要求其输出Vo在一规定范围，设为VL≤Vo≤VH，当Vi＜VL时，逻辑判决程序使计数器减法计数，即x(m+1)＜x(m)，从而经几次取样后，使Vo(m+1)＞Vo(m)。当VL＜Vi＜VH时，逻辑判决程序使计数器保持不计数。当Vi＞VH时，逻辑判决程序使计数器加法计数，即x(m+1)＞x(m)，经几次取样，使Vo(m+1)＜VH(m)。
2.2 弱信号检测电路
为从噪声背景中提取出不失真的信号波形，并提高信噪比，使用前置选频放大器对输入信号进行前置处理。其信噪比增益由下式计算。
式中，W是噪声带宽(通常指换能器的带宽)。实际电路设计为三个具有不同中心频率，彼此独立的选频放大器，其带宽均为3kHz，可有效地提高输出信噪比。
3 硬件设计及特点
系统硬件结构简图如图2所示，系统由以下几个功能模块组成：弱信号检测电路、数字自动增益控制电路、微处理机控制及终端处理电路〔1〕等。
图2 硬件结构框图
输入信号经过弱信号检测电路预处理后，进入由增益可控部件构成的可变增益放大器进行放大，放大器的放大量受控于80C31输出的数字码的大小。有源带通滤波器采用专用开关电容有源滤波器芯片MF10构成，它可通过外部时钟电路精确地设置带通滤波器的中心频率，其带宽和放大量可通过外接电阻方便地进行设计和调整，以保证输出信号的幅值和信噪比；检波器对有源带通滤波器的信号进行正向检波，检波后的信号通过A/D和锁存器，送入80C31对信号的幅度进行判决；根据要求，软件程序设有最高门限阈值VH和最低门限阈值VL，检波器输出的信号幅值分别与VL、VH进行比较，然后经软件判断及计算，产生控制AD7110放大量的增益码。
3.1 弱信号检测电路
该电路由低噪声选频放大器和缓冲放大器构成。其等效输入噪声电平小于0.5μv，通频带均为3kHz，放大量为40dB，实现对输入弱信号的选频放大，它是影响整机性能的关键电路。
3.2 自动增益控制电路
该电路由数控衰减器、放大器、带通滤波器、检波器、A/D、锁存器、80C31、光电耦合器等构成闭环回路，主要实现对输入信号的动态压缩。由于输入信号的动态范围很大，而模数转换的动态范围是有限的，为此采用专用数字增益控制芯片AD7110作为输入信号动态范围的控制器件。
AD7110是低功耗数字增益控制衰减器，其衰减范围是0～88.5dB，步长1.5dB。当码字为1111XX(X为1或0)时，为不通状态，即衰减量为最大。当外加运放将其电流输出转化为电压输出时，传递函数为
Vout=Vin10-1.5N/20
N为0～59的二进制码，对于N=60～63，输入衰减为无穷大〔2〕。AGC的增益控制码由80C31计算得出。当系统中的一路信号经检波积分后，其电平经A/D转换进入80C31内部时，由80C31编程计算增益码的大小，并在80C31总线上给出AD7110的4位控制码。为防止单片机总线上的脉冲信号影响模拟信号，80C31输出的4位控制码经光电耦合器进行隔离后，再送给AD7110；在此，光电耦合器将数字的和模拟的分开，同时也有电平转换功能，即将TTL电平转换为AD7110所需要的电平。在实际电路设计中，AD7110使用高4位码进行增益控制，低二位接地，从而使衰减步长为6dB。高4位码接至80C31的P1口，通过软件程序决定控制码的增或减，以此改变高4位数字码的值，从而实现可控增益放大器放大量的调整。
带通滤波器由MF10构成，MF10内部为二个彼此独立的开关电容滤波器，其中每一级可由外部时钟和外接的4个电阻完成各种二阶滤波功能。对二阶带通滤波器而言，其中心频率取决于外部时钟频率，其带宽、放大量由外围电阻决定。用MF10设计带通滤波器具有设计简单、中心频率精确、带宽和放大量计算及实现方便、准确、不需调整等特点。由一级MF10—50构成的带通滤波器，其主要特征参数为：
滤波器的中心频率 f0=fclock/50
品质因素 Q=R3/R2
放大倍数 K=-R3/R1
式中 R1、R2、R3为MF10的外围电阻〔3〕。
MF10的外部时钟频率fclock由晶体振荡器经分频获得。分频器的分频比，受控于80C31(与模拟开关的控制信号同步，均受控于工作频率选择开关)，其带宽为3kHz。
当被测信号频率大于30kHz时，带通滤波器为由LM353构成的宽带带通滤波器，此时MF10被断开，它们通过80C31输出的控制信号，控制模拟开关实现自动切换。
3.3 微处理机控制及终端处理电路
该电路由80C31、存储器、锁存器、驱动及显示器构成。它通过软件实现对输入信号的判断、计算，以输出实时的增益码控制信号和显示信号。
3.4 电源
为了减少数字电路对模拟预处理电路的干扰，模拟处理与数字处理分别由两块DC-DC逆变器的输出供电。逆变器采用开关电源模块PKA2232PI，该电源模块的开关频率为300kHz，转换效率为85%，具有良好的电磁屏蔽效应，输出稳定的+15V、-15V和+5V三种电压。
4 系统程序的设计
系统程序由主程序块、键控功能程序、线性与对数刻度转换程序、线性校正程序、显示程序、自检程序等组成(图3)。其中，A/D转换与频率切换采用外部中断方式。
图3 系统程序流程图
主程序块主要完成对输入、输出接口的初始化，对内存所有工作单元的初始化，开机时对各功能键的处理工作等。
键控程序主要完成频率控制键的控制功能。测试信号的频率范围由频率键控制，每按一次可依次显示1、2、3、4字符。其中1、2、3、4分别代表频段10Hz～10kHz；10～20kHz；20～30kHz；30～100kHz，上电后，频率自动置“3”。
线性与对数刻度转换程序，主要完成输出方式的转换。设备的输出有电平(微伏)和分贝两种方式，其关系为：(db)=20log(电平×10-6)。
线性校正程序，主要修正由于AGC对信号进行非线性动态压缩所带来的失真，保证输出显示真实地反映输入的大小。
自检程序，主要完成系统软件工作的检查。开机后，如听到响声同时显示PASS字样，说明设备可正常工作。
5 仪 器 性 能
所设计的大动态范围数字式智能微伏表的主要技术指标为：
工作频段 10Hz～10kHz；10～20kHz；20～30kHz；30～100kHz。
输入信号幅度 3μV～3V
信号动态范围 120dBV
测量误差 经多次检测试验及军检，结果表明，仪器的电压测量误差为：当输入信号小于10μV时，测量误差在±1.5%内；当输入信号大于10μV时，测量误差在±1%内。
电源：直流19V～36V。
6 结 束 语
该仪器利用先进的弱信号检测技术和数字信号处理技术，成功地完成了微伏级信号的实时测量和显示。它具有灵敏度高、集成度高、干扰抑制能力强等优点。其性能指标均满足用户提出的技术指标要求，对提高设备检测速度和准确度具有重要应用价值。
* 航空基金（编号95D53043）博士学科基金资助项目（编号96-31）。本文于1997年1月收到。
参考文献
1 李华.MCS-51单片机实用接口技术.北京航空航天大学出版社，1993，8.
2 AD7110 Data Sheet.Analog Devices.1980.
3 National Semiconductor Corporation Databook Linear 2.1988,1～97.
A Design of Intellect Large Dynamic Range Microvolt Meter
Yang Rijie Wang Zhao Yang Xiaodong Zhao Junwei
(Institute of Underwater Acoustic Engineering NPU Xian 710072)
ABSTRACT:The paper presents a method to measure large dynamic range weak signal.Satisfied effects have obtained through practical tests.This method applies gain controlled technique which mainly contains gain controlled components to perform large scale dynamic condensing,and the real—time treatment conducted by 80C31 microcomputer to accomplish real—time display,error self－detect and overcharge auto－warning.It can be used as not only the high accurate,large dynamic range and digital microvolt meter,but also the multi—channel,large dynamic range and low noisy amplifier.The article mainly introduces the systemic basical principle,the system hardware constructure and principal software producer.
KEY WORDS：Digital microvolt meter,Automatic gain control,Microcomputer.
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- 更新时间: 2008-04-02
