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，但在一些特殊領域對信號的 采集精度要求較高，此種情況通常采用增加自動增益環節來解決。自動增益原理如下：自動 增益環節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轉換環節采集，采集 的數據供系統使用。
[0003] 目前的自動增益控制技術，一類是純模擬電路實現，這種方法靈活性差、調試復 雜，如專利"自動增益控制電路（【申請號】201280026592.3)"，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，參數設計及調試復雜，靈活性不夠；另一類是結合微控制器實 現，該方法中，一類是控制方法不夠合理，增益調節速度不夠快，如專利"快速調整自動增益 控制值的方法及模塊（申請號: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，然后通過統計在一個周期內所接收數據溢出次數，自適 應調整控制步長，顯然當信號突變導致超量程時，該方案不能及時作出反應，采集的數據會 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 米集系統不穩定。
[0004] 因此需要開發一種能夠克服上述技術缺陷，實現自動增益快速穩定調節的控制裝 置及方法。
【發明內容】
[0005] 本發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，并根據增益調整模塊602的指令對所接收的信號進行增益調整；
[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]第二模數轉換模塊300,用于將增益調整后的模擬信號轉換為數字信號；
[0009]超限檢測模塊400,用于檢測增益調整后的模擬信號是否超過量程的極限電壓，若 超限則產生中斷信號，通知模糊推理模塊601、增益調整模塊602及輸出模塊603;
[0010]第一模數轉換模塊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 模擬信號轉換為數字信號，為模糊推理模塊601提供峰值輸入；
[0011]所述峰值檢測模塊200、第二模數轉換模塊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 一模數轉換模塊500的信號輸入端相連。
[0012] 模糊推理模塊601，用于根據峰值檢測計算的結果，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] 增益調整模塊602:用于根據模糊推理模塊601的結果和超限檢測模塊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:用于將采集的數據還原輸出給系統，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，將當前數據標記為超量程數據；
[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和第一模數轉換模 塊500的信號輸出端相連，所述增益調整模塊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和第二模數轉換模塊300的信號輸出端相連，所述增益調整模塊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； 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轉換，為系統提供數據； 第三路則用于信號超限的實時檢測；峰值檢測的結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提 供有效數據;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，若超限則轉至S04,若不超限轉至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，若超限則轉至S06,否則轉至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，并轉至S05;
[0024] S07:此時信號正常，完成數模轉換；
[0025] S08:向系統輸出正常數據；
[0026] S09:檢測采集信號峰值；
[0027] S10:接收信號峰值結果，完成增益的模糊推理計算；
[0028] SI 1:根據模糊推理計算結果，調整前向通道增益；
[0029] S12:再次通過超限檢測模塊檢測信號是否超限，若超限則轉至S13,否則轉至S07; [0030] S13:信號已經超限，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則為:如果首次判別信號峰值檔位歸屬且出現隸屬度相等的 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 位之間連續變化且出現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變化，則按滯環原則判別檔位歸屬;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]區間之內；
[0039]增益調整規則為：當信號峰值檔位沒有發生變化時，則保持當前增益不變，當信號 峰值檔位發生變化時，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] 本方法具有以下優點：
[0042] 1.該方法的快速性一方面體現在當信號在量程時對信號峰值的實時檢測及控制， 另一方面體現在實時監測信號是否超限，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，同時為輸出有效數據提供依據。
[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，使數據采集系 統更穩定。
【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]以下結合具體實施例對本發明作進一步的說明：
[0049]本方案可以采用FPGA構建微控制模塊，實現模糊推理模塊、增益調整模塊及輸出 模塊，并控制模數轉換模塊、接收超限信號;模數轉換芯片采用AD7656，建立具有快速自動 增益控制功能的數據采