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基于除法AGC改进科氏流量计驱动电路

发布时间:2019-04-16 16:56:16 浏览:

0 引言

科氏流量计[1]主要由流量管、速度传感器、温度检测传感器、电磁激振器组成的一次仪表, 和由信号处理系统、显示模块、驱动电路组成的二次仪表组成, 其中驱动电路是流量计正常、准确工作的前提。

对科氏流量计驱动电路的研究, 国外学者、企业的研究成果主要以专利形式出现, 国内以徐科军为代表, 在科氏流量计驱动方法上作了一些研究, 如科氏流量计模拟驱动方法研究[1]、基于FPGA的科氏流量计驱动技术实现[2]等。广泛使用的模拟驱动电路, 其自动增益控制电路 (AGC) 基本是基于乘法器的自动增益控制电路。图1为基于乘法AGC的典型科氏流量计模拟驱动框图[1,3,4]

图1 科氏流量计典型模拟驱动框图

图1 科氏流量计典型模拟驱动框图   下载原图

AGC电路为科氏流量计模拟驱动电路中核心部分, 起着放大与稳定驱动信号作用。基于乘法器AGC存在小放大倍数, 流量管起振慢, 大放大倍数可快速起振, 却振动不稳定问题, 针对该问题提出基于除法AGC的改进驱动电路, 可快速使流量管起振, 且具有小信号稳幅、振动稳定特点。

1 AGC电路及稳幅分析

1.1 AGC电路分类

AGC电路是一种当输入信号幅度在一定范围变化时, 使输出信号幅度保持恒定或仅在较小范围内变化的自动控制电路。模拟式AGC电路典型组成[5]如图2所示, 图2中由乘法器构成的AGC电路与由VGA芯片组成AGC电路结构基本相同, 部分VGA芯片内部集成检波电路, 添加少量元件可构成模拟AGC电路, 如AD603和AD8367。

图2 模拟AGC电路结构

图2 模拟AGC电路结构   下载原图

在由乘法器构成的AGC电路中, 乘法器一个输入端为输入信号, 另一个输入端为与输入信号幅值成线性关系的控制电压, 输出信号为两信号相乘放大结果。在由VGA组成的AGC电路中, VGA的增益端由输出信号的平均值电压决定, VGA的另一端则接信号输入。许多射频电路中, 其AGC模块采用了增益可调的运算放大器 (如AD603、AD8367等) 组成的AGC电路。

此外, 还有基于数模混合技术的高中频快速AGC电路设计[6]、基于FPGA射频接收机前端AGC系统电路设计[7]和级联式AGC电路设计[8]。但这些AGC设计频率均在MHz级别工作, 不适用于低频下运行, 如科氏流量计的工作频率 (60 Hz~1 k Hz) 。

1.2 乘法AGC稳幅分析

AGC电路的增益控制, 是一种闭环控制。当输入信号幅值增大时, 增益控制电压将随之减小, 从而使得输出信号幅值减小, 使输出信号不跟随输入信号等比放大;若输入信号幅值减小时, 增益控制电压将增大, 从而增加输出信号幅值, 使其不随输入信号等比例减小。

分析图2可知, 由乘法器组成的自动增益控制电路。该AGC电路由乘法器、放大电路、整流电路、低通滤波和比较放大 (差动放大) 电路5个模块组成。现设乘法器增益为1, 输入信号为

 

放大电路的放大倍数为k1, 乘法器的控制电压为ug (t) , 则此AGC输出的信号y (t) 为

 

设比较放大电路中参考电压为ur, 放大倍数为k2, 信号经过整流电路、低通滤波后幅值放大倍数为λ, 那么增益控制电压为

 

结合式 (3) 与式 (2) , 可得y (t) 的幅值A (t) :

 

由式 (4) 、式 (5) 可得:

 

当输入信号幅值不变时 (即u (t) =u0) , AGC稳定输出时y (t) 为

 

由式 (7) 可知, 当模拟电路系统元件确定时, 对于乘法AGC电路, k1、k2和λ的值是不变的, 由式 (7) 还可知如下结论:

 

当放大电路放大倍数k1与比较放大电路放大倍数k2乘积很大时, 基于乘法器AGC输出信号可由式 (8) 近似确定, 输出信号稳定幅值取决于参考电压与整流平均放大倍数的比值。图3为参考电压1 V, 整流均值放大倍数为1时, 不同k1k2乘积下输出信号幅值随输入信号幅值变化曲面图。

图3 变放大倍数乘法AGC仿真结果

图3 变放大倍数乘法AGC仿真结果   下载原图

由图3可知, 该参数下AGC输出信号幅值是收敛于Z=1的平面。图4 (a) 为几个放大乘积k1k2数值下, 信号输入输出幅值曲线, 由图4 (a) 可知, 曲线收敛的速度与放大乘积不是线性关系, 这与式 (7) 相吻合。图4 (b) 为图3在输入信号幅值与放大倍数乘积平面的投影, 随着放大乘积的增加, AGC模块的稳幅速度增加, 当放大乘积比大于某个值时, 稳幅速度变化缓慢。

图5为输入信号幅值为0.1 V时, Multisim10仿真下, 乘法AGC输入输出信号曲线图, 此时两放大倍数乘积为20。

图4 变放大倍数乘法AGC仿真投影

图4 变放大倍数乘法AGC仿真投影   下载原图

图5 放大倍数20乘法AGC仿真结果

图5 放大倍数20乘法AGC仿真结果   下载原图

对于科氏质量流量计流量管振动, 其传感器输出信号幅值缓慢增加[9], 若实现快速稳定驱动信号幅值, 则可增大放大乘积系数k1k2的值, 从而提高AGC稳幅速度, 加快流量管起振速度。但放大倍数太大会导致流量管振动不稳定, 故提出基于除法AGC改进模拟驱动。

2 基于除法AGC电路

2.1 AGC电路改进思路

基于乘法AGC的稳幅速度, 可通过增加放大倍数来提高。但是对于科氏质量流量计振动系统, 在AGC闭环控制中, 存在如下问题:

(1) 流量传感器信号幅值变化范围大, 通常0~1.5 V;

(2) 流量传感器信号幅值短时动态变化范围可达±15 m V;

(3) 模拟电子芯片信号输入、输出有范围限制, 采用±5 V供电时, 通常输出信号幅值<5 V。

若比较放大倍数k2=10, 采用1 V参考电压, 在流量计开机时, AGC的理想增益控制电压为10 V, 实际则远达不到10 V;若放大电路放大倍数, 则当传感器输出信号为1.2 V时, 整流平均电压将受到限制, 达不到6 V。因此, 实际AGC电路的稳幅效果达不到图4中效果, 输出信号幅值与式 (6) 不完全相符, 且容易受到干扰噪声影响, 导致流量管振动不稳定。若降低放大倍数, 则可解决稳定性问题, 但是降低了流量管起振速度。

为解决此问题, 改变AGC模块输出信号的幅值函数, 使其为可控恒定值。如式 (9) , 为改变AGC输出信号幅值函数。

 

式中u珔 (t) 为传感器输入信号幅值平均值的倍数。

则基于除法的AGC电路的输出信号为

 

实际电路中, 设计输入信号幅值均值函数为

 

则实际基于除法AGC输出信号为

 

假设参数β=1, 在Matlab中进行仿真, 基于除法AGC输入输出信号幅值曲线如图6所示。由图6可知, 基于除法AGC稳幅速度比乘法AGC稳幅速度快。

图6 除法AGC输入输出仿真结果

图6 除法AGC输入输出仿真结果   下载原图

2.2 除法AGC的组成

图7为除法AGC的组成结构图。除法AGC组成包含除法器芯片、比例放大电路、峰值检波电路、求输入信号平均值电压的低通滤波电路和输出信号低通滤波电路, 其中除法器芯片是核心, 实际电路采用四象限除法器。输入信号均值电压, 使用峰值检波电路与平均值低通滤波组合求出, 比图2中乘法器AGC的求平均值低通滤波电路求电压快, 跟踪传感器信号幅值更快。控制电压由比例放大电路求得, 故在输入信号幅值变化时, 除法AGC稳幅速度更快。

图7 除法AGC组成结构图

图7 除法AGC组成结构图   下载原图

2.2.1 峰值检波电路

图8为在Multisim10平台上设计的峰值检波电路。图8 (a) 是仿真电路图, 图8 (b) 是Multisim10里示波器显示仿真结果。仿真中, 信号幅值为0.1 V, 频率在60~1 000 Hz之间。电路中使用运放NE5532来构成检波电路, 其是一款低噪声双运放运算放大器, 具有更好的噪声性能、优良的输出驱动能力的特点, 同时供电电压具有较大的变化范围。

图8 峰值检波电路及仿真

图8 峰值检波电路及仿真   下载原图

2.2.2 平均值低通滤波

对于除法AGC, 峰值检波后求平均值电压可采用低通滤波实现。此处采用三极点低通滤波器[9,10], 该低通滤波器具有60 dB的十倍频滚降率, 比二极点的40 dB每十倍频滚降率要高, 可有效减少直流电压中高频的波纹。此外, 该三极点电路结构在二极点Sallen-Key滤波器的输入端加入了一个RC低通滤波, 使得该电路至少能保证20 d B每十倍频的滚降率。

在滤波器设计时, 可遵循如下步骤:

(1) 选择电阻R1、R2、R3, 并有R1=R2=R3=R;

(2) 计算初始值, fsf=2πR·f;

(3) 计算电容值, 

(4) 在实际电路中, 选择与上述电容较为接近的电容。

根据上述步骤, 设计三极点低通滤波器 (图9 (a) ) , 图9 (b) 为仿真结果, 从图中可知滤波信号输出幅值与检波信号幅值基本相同, 同时抑制了检波信号中的波纹。

图9 三极点低通滤波电路及仿真

图9 三极点低通滤波电路及仿真   下载原图

2.3 除法AGC电路仿真

图10为基于除法AGC仿真电路及变信号幅值仿真结果。由于仿真电路中不存在实际电路中诸多干扰, 故仿真时并未在输出端加入后级滤波电路。图10 (a) 为设定信号初始幅值为0.1 V, 主频181 Hz时的仿真电路, 电路中通过改变滑动变阻器R9阻值, 改变输入信号幅值。图10 (b) 为动态改变信号幅值, 除法AGC输入及输出信号曲线图。从图10 (b) 可知, 基于除法的AGC电路在输入信号突变时, 能够快速稳定。

式12为基于除法AGC的信号输入输出幅值关系式, 现在Multisim10中, 更改输入信号幅值大小, 观察稳幅时除法AGC输出信号幅值大小变化。表1为仿真测试结果, 图11为表中数据插值拟合的信号输入输出幅值曲线图。图11中曲线与图6中Matlab仿真曲线基本一致, 说明基于除法AGC与乘法AGC相比, 具有更快的稳幅速度。

图1 0 除法AGC电路及变信号幅值仿真

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表1 稳幅仿真输入输出幅值     下载原表

表1 稳幅仿真输入输出幅值
图1 1 除法AGC稳幅输入输出曲线

图1 1 除法AGC稳幅输入输出曲线   下载原图

3 基于除法AGC改进驱动电路实验

图12为Altium Designer Summer 09平台下绘制的除法AGC电路原理图, 在该除法AGC中, 使用NE5532作为通用型运放, 组成峰值检波与低通滤波电路, 除法电路由芯片AD734与OP177组成。AD734是一款高速高精度四象限模拟乘法器, 其总静态误差 (调整、失调和非线性度相加) 是满量程的0.1%, 保证典型失真小于-80 dB。而且由AD734和OP177组成的除法器电路, 具有极少的外围元器件, 方便使用。

图1 2 基于除法AGC模拟驱动电路原理

图1 2 基于除法AGC模拟驱动电路原理   下载原图

由于科氏质量流量计传感器主频信号为低频信号 (如68 Hz, 100 Hz, 181 Hz) , 基于除法的AGC电路适合其驱动电路中应用, 这是一般VGA芯片所搭建AGC电路不能实现的。图13为除法AGC电路在流量计驱动电路中应用实际起振效果。文献[11]中, 以稳定幅值的80%作为起振结束时间, 图13中给出稳定幅值80%、90%的起振线, 由图13可知, 除法AGC比文献[11]乘法AGC起振时间要快, 而且没有乘法AGC中因放大倍数过高所带来的不稳定性缺点。

图1 3 基于除法AGC模拟驱动起振效果

图1 3 基于除法AGC模拟驱动起振效果   下载原图

4 结论

在科氏质量流量计模拟驱动中, 模拟AGC模块的稳幅效果对流量管快速起振至关重要。基于乘法器AGC电路结构简单, 易于使用。在其乘积放大倍数大于20时, 具有快速稳幅效果, 但在比例放大部分, 易受干扰影响, 致使增益控制电压不稳定, 影响AGC信号输出。针对其问题, 改变信号输入输出关系式, 采用基于除法的AGC电路模块, 实现了流量管的快速起振, 以及增强了振动的稳定性。基于除法AGC的改进科氏质量流量计驱动电路, 显著提高了流量管的起振速度。