基于首波寬度調(diào)整自動(dòng)增益控制方法的研究

張海波

摘 要：本文提出一種利用首波寬度作為自動(dòng)增益控制目標(biāo)值的測量方法。該方法提高抗干擾能力，使信號(hào)一致性增強(qiáng)，從而提高測量精度。

關(guān)鍵詞：首波；自動(dòng)增益；濾波

中圖分類號(hào)：TN72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

在測量模擬信號(hào)時(shí)，通常會(huì)因?yàn)樵撔盘?hào)的變化，給測量帶來很多困擾。但是，如果該信號(hào)一致性好，那對隨后的測量將會(huì)有很大的幫助，特別是首波的一致性尤其重要。要保證信號(hào)的一致性，自動(dòng)增益控制就是一種常用的調(diào)節(jié)方法。

1.自動(dòng)增益控制原理簡介

自動(dòng)增益控制使放大電路的增益自動(dòng)地隨信號(hào)強(qiáng)度而調(diào)整的自動(dòng)控制方法。自動(dòng)增益控制是限幅輸出的一種，它利用線性放大和壓縮放大的有效組合對輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)弱信號(hào)輸入時(shí)，線性放大電路工作，保證輸出信號(hào)的強(qiáng)度；當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，啟動(dòng)壓縮放大電路，使輸出幅度降低。也就是說， 自動(dòng)增益控制可以通過改變輸入輸出壓縮比例自動(dòng)控制增益的幅度。

2.首波的重要性

在高動(dòng)態(tài)范圍的測量中，首波檢測尤其重要。通常在檢測到首波的脈沖后，開始測量所需的信號(hào)傳播時(shí)間。首波信號(hào)的強(qiáng)弱，對后續(xù)的信號(hào)處理和準(zhǔn)確度提升都有直接關(guān)系。如果首波被噪聲干擾導(dǎo)致信號(hào)提前、推后或變化過大，借助事先準(zhǔn)備的異常數(shù)據(jù)濾波算法，則直接宣告此次測量無效，必須重新開始下一次測量。所以，首波對準(zhǔn)確測量至關(guān)重要。

3.首波寬度控制

3.1 選擇首波寬度控制的原因

信號(hào)在傳輸過程中，有很多因素可能會(huì)使傳播時(shí)間發(fā)生變化。其中有幾個(gè)非常重的影響因素，如溫度、壓力、密度、濕度、流速等影響將會(huì)改變信號(hào)的強(qiáng)度和傳播時(shí)間。對于相對速度較慢的系統(tǒng)來說，這種影響帶來的問題可以通過智能軟件來進(jìn)行糾正。但是對于高動(dòng)態(tài)系統(tǒng)來說，這種方式就不能夠適用。此時(shí)，可以采用自動(dòng)增益控制調(diào)節(jié)信號(hào)大小，確保信號(hào)一致，從而更加準(zhǔn)確測量出信號(hào)的傳播時(shí)間。

在信號(hào)傳播過程中，有多種特征值可供選擇，作為控制信號(hào)。通過這些特征值的調(diào)整，可以調(diào)節(jié)最終的測量信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制。不過，由于這些特征值都處于中間環(huán)節(jié)，這樣的調(diào)整雖然可行，但經(jīng)過傳遞之后，調(diào)節(jié)效率無疑會(huì)受影響。但是首波寬度不同，它是測量信號(hào)數(shù)字化的結(jié)果，表示最終測量信號(hào)的強(qiáng)度。以它為控制特征值，就是直接以最終測量信號(hào)的強(qiáng)度為控制對象，調(diào)節(jié)結(jié)果也就直接作用在首波寬度上。只有首波寬度一致性好，那測量信號(hào)的一致性也就可以得到保障。由于信號(hào)寬度不同，也可以過濾掉一些毛刺帶來的干擾信號(hào)，使后續(xù)測量值的可靠性大大提高。

3.2首波寬度控制的實(shí)現(xiàn)

由于首波寬度直接體現(xiàn)了信號(hào)的強(qiáng)度，當(dāng)首波寬度不同時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度必然有差異。總的來說，首波寬度越大，信號(hào)越強(qiáng)；首波寬度越窄，信號(hào)越弱。但是對于測量而言，既不是信號(hào)越強(qiáng)越好，也不是信號(hào)越弱越好。因?yàn)殡S著環(huán)境和介質(zhì)的多種因素變化，信號(hào)會(huì)出現(xiàn)不同程度在衰減或放大。信號(hào)過強(qiáng)，則容易過飽和；信號(hào)太弱，又會(huì)失真。所以如果能保證信號(hào)強(qiáng)度的一致性夠好，才是測量的最佳狀態(tài)。此時(shí)的測量才是真實(shí)有效的。

傳播信號(hào)經(jīng)放大以后，變成如圖1所示模擬信號(hào)。由圖1中可知，信號(hào)是正弦波。要對處于變化中的正弦波進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，明顯不是最合理的處理方式。但是，可以通過比較電平，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的脈沖信號(hào)，如圖2所示。由圖1和圖2可知，首波信號(hào)肯定不完整，第2波信號(hào)可能也不完整，但正常情況下，第3、4和5波信號(hào)是真實(shí)存在，且最能體現(xiàn)傳播信號(hào)的完整性。因此采集首波寬度后，再采集從起點(diǎn)到這3個(gè)波形在上升沿（或下降沿）所經(jīng)歷的傳播時(shí)間t3、t4、t5，并且理論上應(yīng)存在等式2*t4=t3+t5。但實(shí)際上該等式并不存在，測量值應(yīng)滿足不等式0 ≤ 2*t4-（t3+t5）≤ T或者0 ≤（t3+t5）-2*t4 ≤ T，其中，T為該傳播信號(hào)的固有頻率。

當(dāng)首波寬度低于寬度范圍下限時(shí)，說明此時(shí)信號(hào)強(qiáng)度過小，應(yīng)迅速調(diào)整增益值，使首波寬度值向大的方向調(diào)整。反之，如果采集首波寬度超過寬度范圍上限時(shí)，說明此事信號(hào)強(qiáng)度過大，應(yīng)迅速調(diào)整增益值，使首波寬度值向小的方向調(diào)整。無論向大或向小調(diào)節(jié)的目標(biāo)都是首波寬度達(dá)到寬度范圍的中心位置。只有首波寬度在寬度范圍內(nèi)時(shí)的測量，才是真實(shí)可信的測量值。

4.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

基于上述方法，在常溫常壓環(huán)境條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得一組數(shù)據(jù)，見表1。

由表1中數(shù)據(jù)可知，首波寬度越小，信號(hào)就越弱，傳播時(shí)間越長，與理論值的誤差就越大。反之首波寬度越大，信號(hào)就越強(qiáng)，傳播時(shí)間越短，測量值也越接近理論值。但是，考慮到實(shí)際應(yīng)用中，信號(hào)會(huì)放大，飽和度越高，信號(hào)失真的風(fēng)險(xiǎn)越大。因此，應(yīng)盡量將控制目標(biāo)放在中間區(qū)域，對信號(hào)的放大和縮小都保留一定的調(diào)節(jié)范圍。另外，表中傳播時(shí)間與理論值誤差較大，是硬件和軟件延時(shí)引入的。

結(jié)語

這種把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)以后，以最終測量信號(hào)為控制目標(biāo)的增益控制方式目的性更強(qiáng)，抗干擾能力更好，有效的保持測量信號(hào)一致性。

參考文獻(xiàn)

[1]胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京：科學(xué)出版社，2007：2-5.

[2]童壽興，伍根伙.超聲波首波波幅對混凝土強(qiáng)度測值的影響[J].無損檢測，2011，33（3）：14-16.