一種快速自動增益控制裝置及其控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于模擬信號采集及處理技術領域。具體涉及一種快速自動增益控制裝置 及其控制方法。
【背景技術】
[0002] 模擬信號的采集及處理技術是一項應用廣泛的技術，但在一些特殊領域?qū)π盘柕?采集精度要求較高，此種情況通常采用增加自動增益環(huán)節(jié)來解決。自動增益原理如下：自動 增益環(huán)節(jié)自動判斷輸出信號的幅值，如果幅值小于最佳目標值，采用反饋控制手段，提高前 向通道的增益，增大實際信號的輸出，使得實際信號幅值接近或達到最佳目標幅值;如果幅 值大于最佳目標值，采用反饋控制，通過減小前向通道的增益，減小實際信號的輸出，使其 幅值接近或達到最佳目標幅值。通過自動增益處理的信號可通過模數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)采集，采集 的數(shù)據(jù)供系統(tǒng)使用。
[0003] 目前的自動增益控制技術，一類是純模擬電路實現(xiàn)，這種方法靈活性差、調(diào)試復 雜，如專利"自動增益控制電路（【申請?zhí)枴?01280026592.3)"，該專利電路包括峰值檢測電 路、平均值檢測和輸出幅度設置電路、電流源電路、濾波器電路等多個組成部分，各個電路 又由多個電子元器件組成，參數(shù)設計及調(diào)試復雜，靈活性不夠；另一類是結(jié)合微控制器實 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)整自動增益 控制值的方法及模塊（申請?zhí)?200710147354.9)"，該專利首先設置自動增益控制值的初始 值和自動增益控制步長的初始值，然后通過統(tǒng)計在一個周期內(nèi)所接收數(shù)據(jù)溢出次數(shù)，自適 應調(diào)整控制步長，顯然當信號突變導致超量程時，該方案不能及時作出反應，采集的數(shù)據(jù)會 失真；另一類是信號的分級不夠合理，如專利"三級自動增益控制裝置及其控制方法（申請 號：201410407021.5)"，該專利設置三級閾值，根據(jù)門限誤差分為三級處理，得到不同更新 周期的增益步階，信號誤差越大步階越大，信號誤差越小步階越小，最后一級停止調(diào)整，但 由于是精確分級的，難免導致信號在分界點附近跳動時所造成的增益頻繁切換，容易造成 米集系統(tǒng)不穩(wěn)定。
[0004] 因此需要開發(fā)一種能夠克服上述技術缺陷，實現(xiàn)自動增益快速穩(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增益控制裝置及其控制方 法。
[0006] -種快速自動增益控制裝置，包括以下部分:信號增益控制模塊100，用于接收前 端輸入的原始信號，并根據(jù)增益調(diào)整模塊602的指令對所接收的信號進行增益調(diào)整；
[0007] 峰值檢測模塊200，用于實時檢測信號在量程時的峰值模擬量；
[0008]第二模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊300,用于將增益調(diào)整后的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；
[0009]超限檢測模塊400,用于檢測增益調(diào)整后的模擬信號是否超過量程的極限電壓，若 超限則產(chǎn)生中斷信號，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,用于將峰值檢測模塊200實時檢測的信號在量程時的峰值 模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，為模糊推理模塊601提供峰值輸入；
[0011]所述峰值檢測模塊200、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊300以及超限檢測模塊400的信號輸入 端均與信號增益控制模塊100的信號輸出端相連，所述峰值檢測模塊200的信號輸出端與第 一模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊500的信號輸入端相連。
[0012] 模糊推理模塊601，用于根據(jù)峰值檢測計算的結(jié)果，對信號峰值的檔位歸屬進行模 糊分類及控制，以最佳峰值為目標來推理計算信號的增益，將增益值輸出給增益調(diào)整模塊 602，并隨時接收超限檢測模塊400的通知將各變量復位，準備重新進行模糊推理計算；
[0013] 增益調(diào)整模塊602:用于根據(jù)模糊推理模塊601的結(jié)果和超限檢測模塊400的輸出 來控制信號增益控制模塊100的增益，若此時超限檢測模塊400未產(chǎn)生中斷信號，則按模糊 推理模塊601的指令正常輸出增益，若收到超限檢測模塊400的中斷信號，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)，如果當前沒有收到超限檢測模 塊400的中斷信號，說明信號正常，正常輸出結(jié)果;如果增益已切換至最安全增益仍然收到 超限檢測模塊400的中斷信號，說明信號異常，將當前數(shù)據(jù)標記為超量程數(shù)據(jù)；
[0015]所述模糊推理模塊601的信號輸入端同時與超限檢測模塊400和第一模數(shù)轉(zhuǎn)換模 塊500的信號輸出端相連，所述增益調(diào)整模塊602的信號輸入端同時與超限檢測模塊400和 模糊推理模塊601的信號輸出端相連，所述輸出模塊603的信號輸入端同時與超限檢測模塊 400和第二模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊300的信號輸出端相連，所述增益調(diào)整模塊602的信號輸出端與信 號增益控制模塊100的信號輸入端相連。
[0016] -種所述的快速自動增益控制裝置，其控制方法具體為：
[0017] 原始信號經(jīng)過信號增益控制模塊后分為并行的三路，三路相互獨立且相互關聯(lián)； 第一路用于信號在量程時的峰值檢測及采樣，第二路直接進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)； 第三路則用于信號超限的實時檢測；峰值檢測的結(jié)果采用模糊控制策略進行模糊分級處 理，并以最佳峰值為目標計算增益，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:開始；
[0019] S02:將通道增益試設置為1;
[0020] S03:通過超限檢測模塊檢測信號是否超限，若超限則轉(zhuǎn)至S04,若不超限轉(zhuǎn)至S07; [0021] S04:此時判斷為信號超限，將通道增益切換至最安全增益；
[0022] S05:再次通過超限檢測模塊檢測信號是否超限，若超限則轉(zhuǎn)至S06,否則轉(zhuǎn)至S07;
[0023] S06:此時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:此時信號正常，完成數(shù)模轉(zhuǎn)換；
[0025] S08:向系統(tǒng)輸出正常數(shù)據(jù)；
[0026] S09:檢測采集信號峰值；
[0027] S10:接收信號峰值結(jié)果，完成增益的模糊推理計算；
[0028] SI 1:根據(jù)模糊推理計算結(jié)果，調(diào)整前向通道增益；
[0029] S12:再次通過超限檢測模塊檢測信號是否超限，若超限則轉(zhuǎn)至S13,否則轉(zhuǎn)至S07; [0030] S13:信號已經(jīng)超限，此時將過程變量全部復位，為下一次計算做好準備，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)對信號峰值分檔，整個論域分為6檔，將目標峰值設在5檔；
[0036] 設計隸屬度滯環(huán)為[0.3，0.6]，其含義為隸屬度逐漸增大時，直到隸屬度達到0.6 時才確認其屬于該檔位，當隸屬度逐漸減小時，只有隸屬度小于〇. 3才確認信號不屬于該檔 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、信號峰值不在兩個相鄰的檔 位之間連續(xù)變化且出現(xiàn)隸屬度相等的情況時，按與原檔位接近的原則判別檔位歸屬;如果 信號峰值在相鄰的兩個檔位之間連續(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] 增益計算公式為:欲更新增益值=目標峰值/當前采樣峰值X當前增益值，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：當信號峰值檔位沒有發(fā)生變化時，則保持當前增益不變，當信號 峰值檔位發(fā)生變化時，則更新增益值；
[0040] 實時檢測超限信號是否有效，若有效則復位計算過程變量。
[0041] 本方法具有以下優(yōu)點：
[0042] 1.該方法的快速性一方面體現(xiàn)在當信號在量程時對信號峰值的實時檢測及控制， 另一方面體現(xiàn)在實時監(jiān)測信號是否超限，當信號超限時以最快的速度將增益切換至最安全 增益，并復位模糊推理過程變量，同時為輸出有效數(shù)據(jù)提供依據(jù)。
[0043] 2.由于該方法將信號峰值進行分級處理，同時對信號峰值的檔位歸屬進行模糊分 類及控制，因此本方法可實現(xiàn)增益的自動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，當信號峰值在分界點附近變動時造成的增益頻繁切換，使數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)更穩(wěn)定。
【附圖說明】
[0044]圖1為快速自動增益控制裝置圖。
[0045]圖2為信號峰值檔位隸屬函數(shù)圖。
[0046]圖3為超限檢測模塊原理圖。
[0047]圖4為快速自動增益控制流程圖。
【具體實施方式】
[0048]以下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明：
[0049]本方案可以采用FPGA構建微控制模塊，實現(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;模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用AD7656，建立具有快速自動 增益控制功能的數(shù)據(jù)采