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采用低功耗运放加数字电位器组成涡街流量计程控放大器的方案

采用低功耗运放加数字电位器组成涡街流量计程控放大器的方案涡街流量计是根据卡门涡街原理工作的,目前大多采用压电传感器来检测卡门涡街。在理想情况下,传感器输出信号是一正弦信号,其幅值与流量的平方成正比。实际上,涡街信号中含有复杂的噪声成分,噪声的频率、幅度及规律性随现场使用条件有很大差异。通常流量变化范围比较大,传感器的调理电路必须适合整个流量范围的信号,所以,采用固定放大倍数的放大电路是很难满足要求的。若放大倍数太小,信号幅值太小,如图1a所示,对于采用脉冲计数方式的涡街流量计,将达不到脉冲整形触发器门限,就会少计脉冲;对于采用数字信号处理的涡街流量计,不能充分发挥ADC转换的精度,降低对信号的分辨能力,特别是遇到涡街信号衰落时[1]ADC对信号的分辨能力会大大降低。若放大倍数太大,会使信号饱和,并且噪声幅值也相应被放大,如图1b所示。对于采用脉冲计数方式的涡街流量计,就会多计脉冲;对于采用数字信号处理的涡街流量计,由于信号饱和,信号接近幅值部分被削平,近似方波,则奇次谐波增加,如果噪声正好落在奇次谐波附近,则谐波能量有可能超过基波能量,从而使得根据数字频谱的数字信号处理方法计算出错误涡街频率。   

        涡轮流量计,气体涡轮流量计,罗茨流量计

针对以上情况,文献[23]提出了一种根据集成程控放大器的幅值调节方法,但集成程控放大器价格比较贵,而且放大倍数一般都大于1,调节范围不灵活;文献[4]提出了一种限幅放大加低通滤波的方法,这种方法放大倍数固定,为了适应小流量情况,放大倍数设置得比较大,所以,当大流量时信号幅值比较大,可能会出现饱和,造成频谱分析的误差。为此,文中提出一种采用低功耗运放加数字电位器组成程控放大器的方案,根据信号的绝队平均值来调节信号的幅值,在实验中得到很好的效果。

1 放大倍数太小和放大倍数太大时的信号波形

1 硬件设计  

2所示为所设计的程控放大器,放大器采用低功耗运放、数字电位器和电容电阻组成带滤波器的放大电路,而数字电位器可以通过SPI端口写入对应数值来改变电位器输出引脚BW之间的电阻值Rx,从而实现放大倍数的程序调节。放大器的放大倍数关系为Rx/R1+R2),设计中数字电位器采用AD5160BRU100,其蕞大阻值Rx100kΩ,蕞小阻值为450.625Ω,R1+R2=5kΩ,所以,放大器的放大倍数变化范围可以在0.520倍之间,能够满足将涡街信号放大到合适范围的需要。

考虑到系统采用TMS320LF2407A数字信号处理器上的10位单极性ADC,其参考电压为3.3V,所以,放大器加了1.5V的直流偏置Vref,这样信号蕞大幅值可以达到1.5V。另外,还在Rx两端并联了二极管D1D4起限幅作用。  

程控放大电路

2 软件设计

确定程控放大器的放大倍数最直接有效的方法就是根据信号的幅值。这就要求能够检测到信号的幅值大小。检测的方法较多,可以将频谱分析所得的功率谱蕞大值作为信号幅值进行调节[2],也可以使用峰值检测电路来检测信号幅值。由于涡街信号成分比较复杂,不是理想的正弦波,在实验中发现,频谱分析对涡街信号基波幅值跟踪很不稳定,而峰值检波电路对信号上的尖峰毛刺比较敏感,容易造成检测幅值大于真实幅值的情况;所以,这两种方法对于涡街信号这种效果都不是很好。

考虑到所要的幅值只需反映整个信号的能量,是一种平均效果,所以可以利用信号的绝队平均值或有效值作为调节根据。通过比较,发现在采集到的信号数据足够多的情况下这两种方法的精度差不多,而求绝队平均值的计算量比较小,所以,选用求绝队平均值的方法。绝队平均值随正弦波幅值相应变化,能够反映信号幅值的大小。

连续信号绝队平均值计算公式为

式中,Vaver绝队平均值;xt)为信号;t1-t0为信号长度。

如果信号为整周期正弦波,则Vaver等于常量2A/π(A为正弦波幅值),可见正弦波幅值与其绝队平均值之间的关系为A=π·Vaver/2

在数字系统中式(1)变为式(2

式中,Vaver绝队平均值;xi)为离散信号序列;Δt为采样周期;N为总采样点数。

在数字系统中,式(2)中xi)对应的离散信号序列是经过ADC采样转换后的量化值,对这个量化值要先进行去直流偏置处理,即将硬件部分所述的直流偏置电压Vref去掉。另外,为了更直观的反应信号幅值,要将式(2)得到的绝队平均值转化为能够反映实际电压的信号幅值。由于理想涡街信号为正弦波,所以,采用正弦波来反应信号幅值,结合式(1),有正弦波幅值对应的电压值计算公式为

式中,A为实际信号电压幅值;LSBADC蕞小量化单位代表的电压值。

得到了实际信号的电压幅值,就可以根据这个电压幅值进行放大倍数的调整,从而调节信号幅值。在主程序中加入幅值调节一个步骤,每次程序执行到这里就进行一次幅值调整。具体调节方法可用式(4)表示

式中,Rx为数字电位器应该调整的电阻值;Rl为数字电位器当前输出阻值;A0为信号要求的幅值;A为当前计算得到的信号的幅值;c为常数,表示放大倍数是否需要调整的门限值。

将式(4)计算得到的电阻值转换为数字电位器对应的量化值,通过SPI通信接口写入数字电位器寄存器,就可以改变程控放大器放大倍数,从而调节信号幅值。  

3是系统主程序流程图,图4是幅值调节部分的流程图。

3 实验结果

对以上方案,分别采用信号发生器作为信号源和涡街流量计传感器输出信号作为信号源进行了实验,实验中取A0=0.7Vc=0.1V

5是用TektronixAFG3101信号发生器产生的不同幅值的信号,经过调节后的效果,可以看出经过幅值调整后信号幅值基本上维持在0.7V左右,与要求的信号幅值A0接近。

6是将系统与苏州华陆仪器仪表有限公司的40mm口径涡街流量计一次仪表相连,对传感器输出信号进行幅值调整的效果,可见在不同频率下,即不同流量下,经过调整后的传感器输出信号幅值基本上维持在0.7V左右,也与A0接近。

实验结果表明,文中研究的程控放大器和幅值调整方法具有很好的效果。

点击次数:  更新时间:2018-09-02 23:01:38  【打印此页】  【关闭