一種快速自動(dòng)增益控制裝置及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于模擬信號(hào)采集及處理技術(shù)領(lǐng)域。具體涉及一種快速自動(dòng)增益控制裝置 及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 模擬信號(hào)的采集及處理技術(shù)是一項(xiàng)應(yīng)用廣泛的技術(shù)，但在一些特殊領(lǐng)域?qū)π盘?hào)的 采集精度要求較高，此種情況通常采用增加自動(dòng)增益環(huán)節(jié)來(lái)解決。自動(dòng)增益原理如下：自動(dòng) 增益環(huán)節(jié)自動(dòng)判斷輸出信號(hào)的幅值，如果幅值小于最佳目標(biāo)值，采用反饋控制手段，提高前 向通道的增益，增大實(shí)際信號(hào)的輸出，使得實(shí)際信號(hào)幅值接近或達(dá)到最佳目標(biāo)幅值;如果幅 值大于最佳目標(biāo)值，采用反饋控制，通過(guò)減小前向通道的增益，減小實(shí)際信號(hào)的輸出，使其 幅值接近或達(dá)到最佳目標(biāo)幅值。通過(guò)自動(dòng)增益處理的信號(hào)可通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)采集，采集 的數(shù)據(jù)供系統(tǒng)使用。
[0003] 目前的自動(dòng)增益控制技術(shù)，一類是純模擬電路實(shí)現(xiàn)，這種方法靈活性差、調(diào)試復(fù) 雜，如專利"自動(dòng)增益控制電路（【申請(qǐng)?zhí)枴?01280026592.3)"，該專利電路包括峰值檢測(cè)電 路、平均值檢測(cè)和輸出幅度設(shè)置電路、電流源電路、濾波器電路等多個(gè)組成部分，各個(gè)電路 又由多個(gè)電子元器件組成，參數(shù)設(shè)計(jì)及調(diào)試復(fù)雜，靈活性不夠；另一類是結(jié)合微控制器實(shí) 現(xiàn)，該方法中，一類是控制方法不夠合理，增益調(diào)節(jié)速度不夠快，如專利"快速調(diào)整自動(dòng)增益 控制值的方法及模塊（申請(qǐng)?zhí)?200710147354.9)"，該專利首先設(shè)置自動(dòng)增益控制值的初始 值和自動(dòng)增益控制步長(zhǎng)的初始值，然后通過(guò)統(tǒng)計(jì)在一個(gè)周期內(nèi)所接收數(shù)據(jù)溢出次數(shù)，自適 應(yīng)調(diào)整控制步長(zhǎng)，顯然當(dāng)信號(hào)突變導(dǎo)致超量程時(shí)，該方案不能及時(shí)作出反應(yīng)，采集的數(shù)據(jù)會(huì) 失真；另一類是信號(hào)的分級(jí)不夠合理，如專利"三級(jí)自動(dòng)增益控制裝置及其控制方法（申請(qǐng) 號(hào)：201410407021.5)"，該專利設(shè)置三級(jí)閾值，根據(jù)門(mén)限誤差分為三級(jí)處理，得到不同更新 周期的增益步階，信號(hào)誤差越大步階越大，信號(hào)誤差越小步階越小，最后一級(jí)停止調(diào)整，但 由于是精確分級(jí)的，難免導(dǎo)致信號(hào)在分界點(diǎn)附近跳動(dòng)時(shí)所造成的增益頻繁切換，容易造成 米集系統(tǒng)不穩(wěn)定。
[0004] 因此需要開(kāi)發(fā)一種能夠克服上述技術(shù)缺陷，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益快速穩(wěn)定調(diào)節(jié)的控制裝 置及方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了克服上述不足提供一種快速自動(dòng)增益控制裝置及其控制方 法。
[0006] -種快速自動(dòng)增益控制裝置，包括以下部分:信號(hào)增益控制模塊100，用于接收前 端輸入的原始信號(hào)，并根據(jù)增益調(diào)整模塊602的指令對(duì)所接收的信號(hào)進(jìn)行增益調(diào)整；
[0007] 峰值檢測(cè)模塊200，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)信號(hào)在量程時(shí)的峰值模擬量；
[0008]第二模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊300,用于將增益調(diào)整后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；
[0009]超限檢測(cè)模塊400,用于檢測(cè)增益調(diào)整后的模擬信號(hào)是否超過(guò)量程的極限電壓，若 超限則產(chǎn)生中斷信號(hào)，通知模糊推理模塊601、增益調(diào)整模塊602及輸出模塊603;
[0010]第一模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊500,用于將峰值檢測(cè)模塊200實(shí)時(shí)檢測(cè)的信號(hào)在量程時(shí)的峰值 模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，為模糊推理模塊601提供峰值輸入；
[0011]所述峰值檢測(cè)模塊200、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊300以及超限檢測(cè)模塊400的信號(hào)輸入 端均與信號(hào)增益控制模塊100的信號(hào)輸出端相連，所述峰值檢測(cè)模塊200的信號(hào)輸出端與第 一模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊500的信號(hào)輸入端相連。
[0012] 模糊推理模塊601，用于根據(jù)峰值檢測(cè)計(jì)算的結(jié)果，對(duì)信號(hào)峰值的檔位歸屬進(jìn)行模 糊分類及控制，以最佳峰值為目標(biāo)來(lái)推理計(jì)算信號(hào)的增益，將增益值輸出給增益調(diào)整模塊 602，并隨時(shí)接收超限檢測(cè)模塊400的通知將各變量復(fù)位，準(zhǔn)備重新進(jìn)行模糊推理計(jì)算；
[0013] 增益調(diào)整模塊602:用于根據(jù)模糊推理模塊601的結(jié)果和超限檢測(cè)模塊400的輸出 來(lái)控制信號(hào)增益控制模塊100的增益，若此時(shí)超限檢測(cè)模塊400未產(chǎn)生中斷信號(hào)，則按模糊 推理模塊601的指令正常輸出增益，若收到超限檢測(cè)模塊400的中斷信號(hào)，則輸出最安全增 益；
[0014] 輸出模塊603:用于將采集的數(shù)據(jù)還原輸出給系統(tǒng)，如果當(dāng)前沒(méi)有收到超限檢測(cè)模 塊400的中斷信號(hào)，說(shuō)明信號(hào)正常，正常輸出結(jié)果;如果增益已切換至最安全增益仍然收到 超限檢測(cè)模塊400的中斷信號(hào)，說(shuō)明信號(hào)異常，將當(dāng)前數(shù)據(jù)標(biāo)記為超量程數(shù)據(jù)；
[0015]所述模糊推理模塊601的信號(hào)輸入端同時(shí)與超限檢測(cè)模塊400和第一模數(shù)轉(zhuǎn)換模 塊500的信號(hào)輸出端相連，所述增益調(diào)整模塊602的信號(hào)輸入端同時(shí)與超限檢測(cè)模塊400和 模糊推理模塊601的信號(hào)輸出端相連，所述輸出模塊603的信號(hào)輸入端同時(shí)與超限檢測(cè)模塊 400和第二模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊300的信號(hào)輸出端相連，所述增益調(diào)整模塊602的信號(hào)輸出端與信 號(hào)增益控制模塊100的信號(hào)輸入端相連。
[0016] -種所述的快速自動(dòng)增益控制裝置，其控制方法具體為：
[0017] 原始信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)增益控制模塊后分為并行的三路，三路相互獨(dú)立且相互關(guān)聯(lián)； 第一路用于信號(hào)在量程時(shí)的峰值檢測(cè)及采樣，第二路直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)； 第三路則用于信號(hào)超限的實(shí)時(shí)檢測(cè)；峰值檢測(cè)的結(jié)果采用模糊控制策略進(jìn)行模糊分級(jí)處 理，并以最佳峰值為目標(biāo)計(jì)算增益，并根據(jù)是否超限最終決定增益值，若超限則將增益切換 至最安全增益，若不超限則采用正常推理計(jì)算的增益值，并以是否超限決定是否為系統(tǒng)提 供有效數(shù)據(jù);其具體操作步驟，包括：
[0018] S01:開(kāi)始；
[0019] S02:將通道增益試設(shè)置為1;
[0020] S03:通過(guò)超限檢測(cè)模塊檢測(cè)信號(hào)是否超限，若超限則轉(zhuǎn)至S04,若不超限轉(zhuǎn)至S07; [0021] S04:此時(shí)判斷為信號(hào)超限，將通道增益切換至最安全增益；
[0022] S05:再次通過(guò)超限檢測(cè)模塊檢測(cè)信號(hào)是否超限，若超限則轉(zhuǎn)至S06,否則轉(zhuǎn)至S07;
[0023] S06:此時(shí)判斷為在最安全增益下仍然超限，因此判斷為超量程，并轉(zhuǎn)至S05;
[0024] S07:此時(shí)信號(hào)正常，完成數(shù)模轉(zhuǎn)換；
[0025] S08:向系統(tǒng)輸出正常數(shù)據(jù)；
[0026] S09:檢測(cè)采集信號(hào)峰值；
[0027] S10:接收信號(hào)峰值結(jié)果，完成增益的模糊推理計(jì)算；
[0028] SI 1:根據(jù)模糊推理計(jì)算結(jié)果，調(diào)整前向通道增益；
[0029] S12:再次通過(guò)超限檢測(cè)模塊檢測(cè)信號(hào)是否超限，若超限則轉(zhuǎn)至S13,否則轉(zhuǎn)至S07; [0030] S13:信號(hào)已經(jīng)超限，此時(shí)將過(guò)程變量全部復(fù)位，為下一次計(jì)算做好準(zhǔn)備，并轉(zhuǎn)至 S04〇
[0031] 所述模糊控制策略為：
[0032] 將基本論域變換為模糊論域，公式為：
[0034] 式中：x為基本論域中的值且xe[a，b]，n為離散度，a，b為基本論域的下限值和上 限值，y為模糊論域中的值；
[0035] 采用三角形隸屬函數(shù)對(duì)信號(hào)峰值分檔，整個(gè)論域分為6檔，將目標(biāo)峰值設(shè)在5檔；
[0036] 設(shè)計(jì)隸屬度滯環(huán)為[0.3，0.6]，其含義為隸屬度逐漸增大時(shí)，直到隸屬度達(dá)到0.6 時(shí)才確認(rèn)其屬于該檔位，當(dāng)隸屬度逐漸減小時(shí)，只有隸屬度小于〇. 3才確認(rèn)信號(hào)不屬于該檔 位；
[0037] 其中檔位歸屬判別規(guī)則為:如果首次判別信號(hào)峰值檔位歸屬且出現(xiàn)隸屬度相等的 情況，按取較小檔位原則判別檔位歸屬;非首次判別檔位歸屬、信號(hào)峰值不在兩個(gè)相鄰的檔 位之間連續(xù)變化且出現(xiàn)隸屬度相等的情況時(shí)，按與原檔位接近的原則判別檔位歸屬;如果 信號(hào)峰值在相鄰的兩個(gè)檔位之間連續(xù)變化，則按滯環(huán)原則判別檔位歸屬;其它情況按最大 隸屬度原則判別檔位歸屬；
[0038] 增益計(jì)算公式為:欲更新增益值=目標(biāo)峰值/當(dāng)前采樣峰值X當(dāng)前增益值，并圓整 為最接近的增益檔位值，且控制在[最小增益，最大增益]區(qū)間之內(nèi)；
[0039]增益調(diào)整規(guī)則為：當(dāng)信號(hào)峰值檔位沒(méi)有發(fā)生變化時(shí)，則保持當(dāng)前增益不變，當(dāng)信號(hào) 峰值檔位發(fā)生變化時(shí)，則更新增益值；
[0040] 實(shí)時(shí)檢測(cè)超限信號(hào)是否有效，若有效則復(fù)位計(jì)算過(guò)程變量。
[0041] 本方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0042] 1.該方法的快速性一方面體現(xiàn)在當(dāng)信號(hào)在量程時(shí)對(duì)信號(hào)峰值的實(shí)時(shí)檢測(cè)及控制， 另一方面體現(xiàn)在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)是否超限，當(dāng)信號(hào)超限時(shí)以最快的速度將增益切換至最安全 增益，并復(fù)位模糊推理過(guò)程變量，同時(shí)為輸出有效數(shù)據(jù)提供依據(jù)。
[0043] 2.由于該方法將信號(hào)峰值進(jìn)行分級(jí)處理，同時(shí)對(duì)信號(hào)峰值的檔位歸屬進(jìn)行模糊分 類及控制，因此本方法可實(shí)現(xiàn)增益的自動(dòng)鎖定及智能化分檔切換，并有效防止了采用精確 分類及控制方法時(shí)，當(dāng)信號(hào)峰值在分界點(diǎn)附近變動(dòng)時(shí)造成的增益頻繁切換，使數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)更穩(wěn)定。
【附圖說(shuō)明】
[0044]圖1為快速自動(dòng)增益控制裝置圖。
[0045]圖2為信號(hào)峰值檔位隸屬函數(shù)圖。
[0046]圖3為超限檢測(cè)模塊原理圖。
[0047]圖4為快速自動(dòng)增益控制流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0048]以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明：
[0049]本方案可以采用FPGA構(gòu)建微控制模塊，實(shí)現(xiàn)模糊推理模塊、增益調(diào)整模塊及輸出 模塊，并控制模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、接收超限信號(hào);模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用AD7656，建立具有快速自動(dòng) 增益控制功能的數(shù)據(jù)采