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基于AGC回路的超声波流量测量新方法

2012/4/20 12:05:09  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

  摘 要:针对超声波流量测量系统干扰因素多、测量精度不高、不利于数据采集等特点,对该测量系统的AGC回路应用进行了研究。采用数学方法建立数学模型,并通过分析数学模型计算出AGC回路的可变增益和稳定时间,设计了相应的电路并分析了AGC回路对流量测量计算过程的影响。实际应用证明,该系统可以提供较高的流量测量精度。

  关键词:超声波流量测量 AGC回路 可变增益 稳定时间 测量精度

  0 引言

  在超声波流量测量系统中,由于接收波受管径大小、管壁的结垢、液体介质的浊度等因素的影响,其幅值变化很大;同时,最初几个回波因幅值较小而容易被噪声淹没。

  AGC回路(automatic gain control circuit)是一种在输入信号幅度变化很大的情况下,使输出信号幅度保持恒定或仅在较小的范围内变化的自动控制环路[1]。这种环路在移动、卫星、光纤等通信系统以及雷达、广播电视系统中已得到广泛应用。现在已有部分研究学者提出将其应用在超声波测量系统,但是均未作深入研究。由于AGC回路的非线性方程和传递函数都比较复杂,因此,动静态特性分析难度较大。

  从理论分析和实际应用的角度,本文论证了AGC回路的特性,以对数形式简化了回路静态微动方程和动态运动方程,并采用数学模型表示AGC回路输出信号和增益控制的变化,最后通过实验检测了超声波测量系统实际性能改善的效果。

  1 典型AGC回路模型

  AGC回路一般由可变增益放大器VGA (variable-gain amplifiers )、环路滤波器(loop filter)、对数放大器、峰值检测电路(peak detector)和比较器组成[2]。自动增益控制回路是一种反馈控制电路,即当输入电平变化时,采用改变可变增益放大器VGA增益的方法,来维持输出电平基本不变的一种反馈控制系统。

  AGC回路的工作原理是将输出信号的电平或峰值功率与参考值(VREF)相比较,差值分量经过环路滤波产生调整增益电压值Vc,通过调整增益,使得输出信号电平或峰值功率与参考值保持一致。其原理如图1所示。

  图1 AGC回路原理图

  Fig. 1 Principle ofAGC circuit

  可变增益放大器(VGA)是AGC的关键组成部分,它直接决定了AGC的动态控制范围和环路稳定时间(settling tmi e)。一个优良的可变增益放大器可以使环路建立时间与环路绝对增益无关,并且能够尽可能地减小环路建立时间。一般VGA是指数控制特性的增益放大器,整个回路是非线性的且具有很强的指数特性,因此采用对数来表示环路方程。AGC环路可以近似为一个线性系统。

  设环路动态增益为G(Vc),则:

  VOUT(t)=G(Vc)VIN(t) (1)

  令AOUT、AIN分别为VOUT和VIN的峰值电压,则有:

  AOUT=G(Vc)AIN(2)

  取常数k1,则式(2)可化为:

  AOUT=k1G(Vc)AINk1(3)

  将式(3)化为对数方程,可得:

  AOUT=k1×10{lg[G(Vc)]+lg(AINk1)}(4)

  令z=20lgVREF,由于系统的参考电压为常数,所以z也为常数,量纲变为dB;VREF=k110lgVREFk1。由文献[4]可知,回路中环路滤波器的传递函数为GL/sτC。所以,可以得到如图2所示的AGC回路数学模型[3]。

  图2 AGC回路数学模型

  Fig. 2 Mathematicalmodel ofAGC circuit

  2 AGC回路的设计

  在超声波流量测量系统中,超声波的频率一般为1MHz,且频率基本不变。因此,系统要求AGC回路具有频率低、带宽小的工作特性,且测量设备多数是离线工作,要求AGC回路功耗较低。对测量设备而言,除了稳定性的要求之外,重要的是考虑回路的稳定时间,稳定反应时间不会因工作条件的变化而变化。对于超声波流量测量系统来讲,AGC回路稳定时间过长,则跟不上输入信号的电平变化;太短,则导致滤波性能变差。因此,要求回路的反应时间始终保持不变,只有这样才能保持较高的流量测量精度。

  AGC回路还有一个重要的参数———动态范围。对于单纯的AGC回路而言,希望其信号的输出范围越大越好,同时也希望允许可变增益放大器的输入信号范围变化越大越好。可是在超声波流量测量系统中,由于接收到的脉冲信号是不连续的信号,也就是说信号接收端接收到的信号是分时段进入的[4]。这种情况下,如果VGA的输入范围很大,可能会引入较大的噪声信号。因此,在设计AGC回路时,为AGC回路设定一个门限电压值ud。只有当输入信号的峰值大于ud时,AGC回路才会启动。门限电压值输入波形如图3所示。

 

  图3 门限电压值输入波形

  Fig. 3 Inputwaveform of threshold voltage

  选用AD603作为AGC回路的可变增益放大器。AGC的峰值检测回路由三极管Q1组成,Q1用来送出AGC的控制电压,电路图如图4所示。

  图4 AGC回路

  Fig. 4 AGC circuit

  放大器的输出信号经C6输入到Q1的AGC,并由Q1的发射极PN结完成AGC检波,然后经集电极点,经C7滤波后送出控制电压Vc。AD603的2脚输入参考电平为:

  VREF=R4R4+R5×VCC(5)

  AD603的增益受1、2脚电压差V12的控制,并随V12的增大而增大,反之亦然。输入信号的门限电平ud由一个单独回路产生,且:

  ud=R11R10+R11×VCC(6)

  即通过电阻分压将C8一端的电平抬高,实现输入信号的门限控制。

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