FPGA的超聲波氣體流量計中AGC的原理及設(shè)計實(shí)現(xiàn)

概述：為能充分利用數(shù)字技術(shù)可靠性高、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，將自動增益控制AGC引入數(shù)字域，并針對超聲波氣體流量計中接收信號的特點(diǎn)，給出一種基于EPlK30TCl44-3的全數(shù)字AGC設(shè)計方案。測試結(jié)果表明該系統(tǒng)設(shè)計可以實(shí)現(xiàn)40 dB動態(tài)范圍的控制，且具有控制精度高、調(diào)節(jié)速度快、受環(huán)境影響小，穩(wěn)定性和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

1 引言
??? 超聲波流量計是一種新興的工業(yè)產(chǎn)品，具有無阻擋體，無可動件，無壓損，無示值漂移，適用于大口徑管道測量，測量精確度高，重復(fù)性強(qiáng)，量程比寬，可承受工作壓力高，可測多相流，不受氣體溫度、壓力、組成等變化的影響、易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信等優(yōu)點(diǎn)。為減小甚至避免流速分布對流量計精度帶來的影響，超聲波流量計采用多聲道超聲波的測量方式。
??? 對于多聲路超聲波流量計，發(fā)射和接收電路是公用的，通過傳感器切換電路測量轉(zhuǎn)換各個聲路順流和逆流傳播時間，但由于各個聲路的長度不同，傳感器的特性存在差異，每次測量的接收信號大小也不同，并且強(qiáng)度也不穩(wěn)定。因此，要實(shí)現(xiàn)超聲波信號的精確測量，必須根據(jù)接收信號的強(qiáng)度自動調(diào)節(jié)接收電路增益，而且要單獨(dú)控制每個方向上的增益。為實(shí)現(xiàn)高精度的測量，在信號到達(dá)檢測電路之前必須使信號穩(wěn)定可靠。為此，信號處理要采用自動增益控制放大器。

2 自動增益控制AGC
??? 自動增益控制AGC(Automatic Gain Control)是一種在輸入信號幅度變化很大的情況下，使輸出信號幅度保持恒定或僅在較小的范圍內(nèi)變化的自動增益控制環(huán)路，即當(dāng)輸入信號很弱時，自動增益控制電路的增益較大，自動增益控制電路不起作用；當(dāng)輸入信號很強(qiáng)時，自動增益控制電路進(jìn)行控制使增益減小。這樣，當(dāng)輸入信號強(qiáng)度變化時，輸出端的信號電壓或功率基本不變或保持恒定。
??? 信號傳輸過程中，隨著傳輸距離的變化及其他因素的影響，信號在空間傳播過程中存在明顯衰落，在接收機(jī)輸入端的信號強(qiáng)度有很大變化。因此在接收機(jī)前端必須加一個幅度控制系統(tǒng)，自動增益控制環(huán)路是信號傳輸中必不可少的。
??? 數(shù)字AGC精度高、適應(yīng)性好、體積小、可靠性高，因此受到廣大設(shè)計人員的關(guān)注。圖1為數(shù)字AGC框圖。

3 數(shù)字AGC的設(shè)計
??? 數(shù)字AGC系統(tǒng)組成包括A／D轉(zhuǎn)換器(ADC)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、可編程只讀存儲器(PROM)，如圖2所示。

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3．1 FPGA選型簡介
??? 該設(shè)計采用Altera公司的ACEX系列FPGA器件EPlK30TCl44-3作為核心控制器，其特點(diǎn)是：高密集型；適合大容量應(yīng)用的低成本可編程結(jié)構(gòu)；多電平標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，其I／O接口可驅(qū)動2．5 V和3．3 v器件或被5 V器件驅(qū)動；靈活的內(nèi)部連接；強(qiáng)大的I／0接口．對于每個I／0接口有獨(dú)立的三態(tài)輸出控制使能，對于每個I／O接口都有開漏輸出選擇。
??? EPIK30TCl44-3型FPGA滿足該系統(tǒng)設(shè)計要求，30 000個邏輯門適合于數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計所需的邏輯門數(shù)量；多電平標(biāo)準(zhǔn)簡化了FPGA與外部電路的接口；102個功能強(qiáng)大的I／0接口方便了FPGA外嗣電路設(shè)計；JATG邊界掃描功能為系統(tǒng)開發(fā)與完善提供了很大的方便。
3．2 FPGA內(nèi)部設(shè)計
??? 該設(shè)計主要由乘法器、門限判決、寄存器、加／減計數(shù)器4個模塊組成，實(shí)現(xiàn)40 dB動態(tài)范圍的控制。FPGA內(nèi)部框圖如圖3所示。

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??? 經(jīng)A／D采樣后的信號x(n)進(jìn)入FPGA進(jìn)行處理。x(n)首先進(jìn)入乘法器模塊與可控增益因子k(n)相乘，然后分成兩路。一路作為調(diào)整增益后的AGC輸出y(n)；另一路送入門限判決模塊。門限判別模塊包括門限判決器和增益查找表，門限判決器內(nèi)設(shè)有高低2個門限，當(dāng)輸入包絡(luò)信號電平大于高門限時，則認(rèn)為輸入信號過大，應(yīng)調(diào)整增益控制因子k(n)減?。寒?dāng)輸入包絡(luò)信號電平小于低門限時，則認(rèn)為輸入信號過小，應(yīng)調(diào)整增益控制因子k(n)增加。對于增加或減少的步進(jìn)量g(n)則從增益查找表中得到。加／減計數(shù)器模塊根據(jù)查找表得到的步進(jìn)因子g(n)及門限判決模塊提供的計數(shù)方向w(n)來調(diào)整增益控制因子的。
3．2．1 門限判決模塊
??? 門限判決模塊用于限制加／減計數(shù)器控制號的波動，防止環(huán)路振蕩，其內(nèi)設(shè)高低2個門之間的范圍即為AGC輸出信號的波動范圍。防止AGC發(fā)生振蕩，該范圍應(yīng)該在滿足解調(diào)器要求的動態(tài)范圍條件下足夠?qū)?，而不是恒定不變的電平值。如果大于高門限，則認(rèn)為信號過大，首先送給加／減計數(shù)器一個向下計數(shù)的信號，然后根據(jù)信號的范同從查找表中確定加／減計數(shù)器的步進(jìn)量；如果小于低門限，則認(rèn)為信號過小，首先送給加／減計數(shù)器一個向上計數(shù)的信號，然后根據(jù)信號的范圍從查找表中確定加／減計數(shù)器的步進(jìn)量；如果在兩門限之間，則加／減計數(shù)器的步進(jìn)量為零。

?圖4是門限判決模塊的仿真波形。其中，clk為時鐘信號，reset為復(fù)位信號，iir_2_stage_output為濾波器的輸出信號，set_control為與門限進(jìn)行比較的信號，acc_addr為查找表地址，updn_count_out為控制加／減計數(shù)器的計數(shù)方向，dead_band_out為控制加／減計數(shù)器的計數(shù)控制信號，accelerate_gain為控制加／減計數(shù)器的計數(shù)步進(jìn)量。

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??? 從圖4中可以看出，當(dāng)信號小于低門限7500時，dead_band_out=‘0’，updn_count_out=‘1’，控制加／減計數(shù)器向上計數(shù)，set_control遠(yuǎn)離低門限，計數(shù)步進(jìn)量增大；當(dāng)信號大于高門限10 500時，deadband_out=‘0’，updn_count_out=‘0’，控制加／減計數(shù)器向下計數(shù)，set_control遠(yuǎn)離高門限，計數(shù)步進(jìn)量增大。
3．2．2 加／減計數(shù)器模塊
??? 加／減計數(shù)器模塊根據(jù)輸入信號與最佳的接收信號之間的差值，對輸入信號進(jìn)行反向補(bǔ)償。假設(shè)輸入信號經(jīng)過一定衰減，AGC環(huán)路經(jīng)過比較可確定接收信號電平低于最佳電平。這個差值將導(dǎo)致計數(shù)器向上計數(shù)，增加環(huán)路增益，直到環(huán)路濾波器的輸出重新回到門限判決模塊的兩個門限之間。如果信號乘以增益后、環(huán)路濾波器的輸出信號大于門限判決模塊的高門限時，計數(shù)器向下計數(shù)，降低環(huán)路增益，直到信號重新回到可以準(zhǔn)確解調(diào)所需的接收信號范圍。
??? 圖5是加/減計數(shù)器模塊的仿真波形。gain_counter_out為截位前的增益值，gain_control_out為截位后實(shí)際輸出的增益值。從圖5看出，當(dāng)reset=‘1’時，計數(shù)器復(fù)位，設(shè)增益初始值gain_control_out=‘32’。而當(dāng)deadband_in=‘O’，updn_count_in=‘1’，加／減計數(shù)器按步進(jìn)量accelerate_gain_in向上計數(shù)；而當(dāng)deadband_in=‘O’，updn_count_in=‘0’，加／減計數(shù)器按步進(jìn)量accelerate_gainjn向下計數(shù)。計數(shù)所得的值即為輸出的增益控制因子。

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4 結(jié)論
??? 本文實(shí)現(xiàn)了一種全數(shù)字AGC的設(shè)計方案。此方案可實(shí)現(xiàn)40 dB動態(tài)范圍的控制，并且具有控制精度高，調(diào)節(jié)速度快，調(diào)試簡單，受環(huán)境影響小，穩(wěn)定性和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。隨著集成器件的發(fā)展，有望實(shí)現(xiàn)高動態(tài)范圍的全數(shù)字AGC，以便應(yīng)用到更廣闊的領(lǐng)域中。