您现在的位置:首页 >> 技术资料 >> 流量计论文 >> 内容

超声流量计中基于MCP42100的程控增益系统

时间:2014/2/26 15:58:16 点击:1509

  核心提示:1 引言超声波流量计以其非接触式测量,低流量损失,高测量精度和宽测量范围等优点,在工业生产、医疗检测、海洋观测、石油勘探等诸多领域都获得了广泛的应用。在半导体制造过程中,应用超声波流量传感器对部分工艺过程的流体流量进行监测,对于同一种小管径小流量的测控设备,其面对的传播流体可能是水或其他各种化学试剂...
    1 引言

    超声波流量计以其非接触式测量,低流量损失,高测量精度和宽测量范围等优点,在工业生产、医疗检测、海洋观测、石油勘探等诸多领域都获得了广泛的应用。在半导体制造过程中,应用超声波流量传感器对部分工艺过程的流体流量进行监测,对于同一种小管径小流量的测控设备,其面对的传播流体可能是水或其他各种化学试剂,流体不同会导致接收信号的幅值等发生变化,从而影响测量精度。要实现超声波信号的精确测量,必须根据接收信号的强度对接收电路增益进行调整。为了保证测量精度,期望信号到达检测电路之前必须保证其幅值基本接近。为此,采用了自动增益控制放大的方式。

    2 原理

    图1和图2分别给出了在某小管径流量测量传感器中流经两种不同介质(介质1和介质2),其相应波形信号是相同放大倍数的实测结果,可见,信号在两种介质下其传播幅值相差50%(峰峰值分别为2500mV以及1600mV)。

图1 介质1

图2 介质2

    使用数字采样的方式对放大后的信号进行采样,并将本次测量信号的峰值采样结果送给MCU,MCU以此来判断下次采样所需的放大倍数。我们采用运放加数字电位计的方法来实现对上述情况的程控响应,这种方法本质上是一种自动增益控制(AGC)。

    本文探讨了系统采用运放+数字电位器组成可变增益放大电路。数字电位器(RDAC)是一种具有数字接口的有源器件,可以很方便地与微控制器接口,用来精确调整其阻值。对形如下面图3的反馈放大系统,使用数字电位计替代反馈(或输入)电阻,改变阻值,即达到控制放大倍数的目的。

    3 系统设计

    一个实际的程控放大系统由单片机+运算放大器+数字电位器来构成。

    3.1 硬件设计      

    采用的单片机是AVRmega32,具有下面的优点:32K字节的系统内是可编程Flash(具有可以同时读写的能力,即RWW),1024字节SRAM,32个通用的I/O口线和32个通用工作寄存器,用来边界扫描的JTAG接口,支持片内调试与编程,三个具有比较模式的灵活的定时器计数器(T/C)片内外中断,8路10位具有可选差分输入级可编程增益的ADC,可编程串行USART,面向字节的两线串行接口,一个SPI的串行端口,具有片内振荡器的可编程看门狗定时器,还有六个可以通过软件进行选择的省电模式。

    运放选用LT公司的LT6233,是单路低噪声、轨至轨输出、单位增益稳定的运算放大器,具有1.9nV/√Hz的噪声电压,每个放大器仅吸收1.2mA的电源电流。这个放大器把非常低噪声和电源电流与60MHz的增益带宽乘积、17V/us的转换速率结合在一起,并针对低电源电压信号调节系统进行了优化。

    数字电位器用的是MCP42100,包含两路独立的电位器,具有256个可数字化控制的档位,器件中电位器具有相同的调整功能,基准阻值是100K的,使用低功耗CMOS技术,SPI串行接口,静态工作的电流最大值为1uA,多个器件可以通过菊花链连接在一起,有关断功能,可以断开所有电阻电路,最大限度节省功耗。软件关断功能可以将“A”端与电阻阵列断开,同时把抽头连接到“B”端。另外,MCP42100还有一个SHDN引脚,可通过硬件实现上面的功能。在关断模式期间,能更改抽头控制寄存器的内容,电位器在退出关断模式后将使用新值。在上电时抽头复位到半量程(80h),通过RS(复位)的引脚执行硬件复位同时将抽头返回半量程。

    上次测量中超声波放大信号通过一个数字采样电路提取峰值送入单片机,该峰值与期望峰值的比例用以确定在本次测量过程中的放大倍数调整值。此时数字电位器MCP42100的阻值作为输入电阻,反馈电阻是固定的,通过控制MCP42100的阻值给出一种放大倍数可程控的方法来调整实现。程控增益调节的硬件电路系统如图3所示。

图3 硬件电路系统图

    图3中,用MCP42100的A通道的PWB作为输入电阻Rin,47K的电阻作为反馈电阻Rf,信号的放大倍数G由G=Rf/Rin决定。    

    设上次测量时的值为Rin*,上次采样得到的峰值为T0,在设定参考峰值Tref的情况下,本次测量的输入电阻的值应为:

    

,将采样到得峰值送到MCU后,MCU会将峰值与设定的参考峰值相比较,然后适当的调整MCP42100的阻值,使得下次采样得到的峰值与比较值相当。

图4 MCP4200的SPI时序特性    

    3.2 程控增益系统软件简述

    从以上的分析可以看出,系统放大倍数的程控主要通过对对MCP42100的阻值的调控来完成。MCP42100提供了两路256个抽头的数字电位器,使用单个电位器可以满足测量精度的要求。

    MCP42100的阻值是通过写入数字寄存器的数据决定的,当要将新数据写入一个或多个电位器数据寄存器时,写命令后紧跟的数据字节中包含要写入的数据。命令选择位C1和C0置为0,1。电位器选择位P1和P0允许用一条命令将新值写入电位器0和电位器1(或两者)。P1或P0任意一位为1会将数据写入相应的数据寄存器,P1或P0为0则不会引起变化。MCP42100的SPI时序特性如图4所示。

    这些所有的命令都是通过把CS设置为低电平,而且随后将命令字节和紧跟的数据字节移入16位移位寄存器完成的,当CS上升后执行命令。数据在时钟的上升沿送入,在时钟下降沿时移出SO引脚。器件会记录CS处于低电平时的时钟数(上升沿),如果时钟数不是16的倍数,则会中止所有命令。

    4 测试结果

    图5和图6显示了对两种介质实施增益控制的结果。

图5 介质1控制结果

图6 介质2控制结果

    图5是介质1得到的放大信号,最大的幅值有1250mV,图6是介质2的放大信号,最大的幅值仅有800mV经过设计的这个程控增益放大系统之后得到的信号如图5所示,介质1幅值大概稳定到约1080mV,介质2幅值大概稳定到约1050mV,基本达到了控制目标要求。

    5 结束语

    我们在超声波流量计的应用中,使用单片机+运算放大器+数字电位器的方法实现了程控增益放大,使超声波信号在不同的介质中传播时,信号到达检测电路时,其幅值是稳定的,从而保障了测量精度。

    从测试结果来看,该系统基本上是达到了目标。

作者:佚名 来源:不详
共有评论 0相关评论
发表我的评论
  • 大名:
  • 内容:
  • 流量计资料网(www.china-flowmeter.com) © 2020 版权所有 All Rights Reserved.
  • Email:xq800612@163.com 站长QQ:11241429sitemap沪公网安备 31011402003394号 沪ICP备08019780号-1