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(fù)雜的噪聲成分,噪聲的頻率、幅度及規(guī)律性隨現(xiàn)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(diào)理電路須適合整個流量范圍的信號,所以,采用固定放大倍數(shù)的放大電路是很難滿足要求的。若放大倍數(shù)太小,信號幅值太小,如圖1a所示,對于采用脈沖計數(shù)方式的渦街流量計,將達(dá)不到脈沖整形觸發(fā)器門限,就會少計脈沖;對于采用數(shù)字信號處理的渦街流量計,不能充分發(fā)揮ADC轉(zhuǎn)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,ADC對信號的分辨能力會大大降低。若放大倍數(shù)太大,會使信號飽和,并且噪聲幅值也相應(yīng)被放大,如圖1b所示。
對于采用脈沖計數(shù)方式的渦街流量計,就會多計脈沖;對于采用數(shù)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(shù)字頻譜的數(shù)字信號處理方法計算出錯誤渦街頻率。針對以上情況,文獻中提出了一種基于集成程控放大器的幅值調(diào)節(jié)方法,但集成程控放大器價格比較貴,而且放大倍數(shù)一般都大于1,調(diào)節(jié)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(shù)固定,為了適應(yīng)小流量情況,放大倍數(shù)設(shè)置得比較大,所以,當(dāng)大流量時信號幅值比較大,可能會出現(xiàn)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(shù)字電位器組成程控放大器的方案,根據(jù)信號的纟色對平均值來調(diào)節(jié)信號的幅值,在實驗中得到很好的效果。
1.硬件設(shè)計
圖2所示為所設(shè)計的程控放大器,放大器采用低功耗運放、數(shù)字電位器和電容電阻組成帶濾波器的放大電路,而數(shù)字電位器可以通過SPI端口寫入對應(yīng)數(shù)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(xiàn)放大倍數(shù)的程序調(diào)節(jié)。放大器的放大倍數(shù)關(guān)系為Rx/(R1+R2),設(shè)計中數(shù)字電位器采用AD5160BRU100,其ZUI大阻值Rx,為100k歐姆,zui小阻值為450.625歐姆,R1+R2=5k歐姆,所以,放大器的放大倍數(shù)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(tǒng)采用TMS320LF2407A數(shù)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(dá)到1.5V。另外,還在R,兩端并聯(lián)了二極管D1-D4起限幅作用。
2.軟件設(shè)計
確定程控放大器的放大倍數(shù)ZUI直接有效的方法就是依據(jù)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(diào)節(jié),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(fù)雜,不是理想的正弦波,在實驗中發(fā)現(xiàn),頻譜分析對渦街信號基波幅值跟蹤很不穩(wěn)定,而峰值檢波電路對信號上的尖峰毛剌比較敏感,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纟色對平均值或有效值作為調(diào)節(jié)依據(jù)。通過比較,發(fā)現(xiàn)在采集到的信號數(shù)據(jù)足夠多的情況下這兩種方法的精度差不多,而求纟色對平均值的計算量比較小,所以,選用求纟色對平均值的方法。纟色對平均值隨正弦波幅值相應(yīng)變化,能夠反映信號幅值的大小。
連續(xù)信號纟色對平均值計算公式為
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纟色對平均值之間的關(guān)系為A=π?Vaver/2
在數(shù)字系統(tǒng)中式(1)變?yōu)槭?2)
式中,Vaver。為纟色對平均值;x(i)為離散信號序列;Δt為采樣周期;N為總采樣點數(shù)。
在數(shù)字系統(tǒng)中,式(2)中x(i)對應(yīng)的離散信號序列是經(jīng)過ADC采樣轉(zhuǎn)換后的量化值,對這個量化值要**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(yīng)信號幅值,要將式(2)得到的纟色對平均值轉(zhuǎn)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(yīng)信號幅值,結(jié)合式
(1),有正弦波幅值對應(yīng)的電壓值計算公式為式中,A為實際信號電壓幅值;LSB為ADC ZUI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(jù)這個電壓幅值進行放大倍數(shù)的調(diào)整,從而調(diào)節(jié)信號幅值。在主程序中加人幅值調(diào)節(jié)一個步驟,毎次程序執(zhí)行到這里就進行一次幅值調(diào)整。具體調(diào)節(jié)方法可用式（4）表示式中,Rx,為數(shù)字電位器應(yīng)該調(diào)整的電阻值;Rl為數(shù)字電位器當(dāng)前輸出阻值;A0為信號要求的幅值;A為當(dāng)前計算得到的信號的幅值;c為常數(shù),表示放大倍數(shù)是否需要調(diào)整的門限值。
將式(4)計算得到的電阻值轉(zhuǎn)換為數(shù)字電位器對應(yīng)的量化值,通過SPI通信接口寫人數(shù)字電位器寄存器,就可以改變程控放大器放大倍數(shù),從而調(diào)節(jié)信號幅值。
圖3是系統(tǒng)主程序流程圖,圖4是幅值調(diào)節(jié)部分的流程圖。
3.實驗結(jié)果
對以上方案,分別采用信號發(fā)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 Tektronix AFG3101信號發(fā)生器產(chǎn)生的不同幅值的信號,經(jīng)過調(diào)節(jié)后的效果,可以看出經(jīng)過幅值調(diào)整后信號幅值基本上維持在0.7V左右,與要求的信號幅值A(chǔ)。接近。
圖6是將系統(tǒng)與耐德工業(yè)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(diào)整的效果,可見在不同頻率下,即不同流量下，經(jīng)過調(diào)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(jié)果表明,文中研究的程控放大器和幅值調(diào)整方法具有很好的效果。
上一條：
一種用于電磁流量計的無線手操器
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雷達(dá)液位計測易冷凝介質(zhì)的技術(shù)改進
