基于FPGA的超聲波氣體流量計中AGC的實現
河北工業大學 劉艷萍 楊玉芝 崔朋朋
摘要： 對于多聲路超聲波流量計，發射和接收電路是公用的，通過傳感器切換電路測量轉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，并且強度也不穩定。因此，要實現超聲波信號的精確測量，必須根據接收信號的強度自動調節接收電路增益，而且要單獨控制每個方向上的增益。為實現高精度的測量，在信號到達檢測電路之前必須使信號穩定可靠。為此，信號處理要采用自動增益控制放大器。
Abstract：
Key words :
1 引言
超聲波流量計是一種新興的工業產品，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，重復性強，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、易于實現數字通信等優點。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，發射和接收電路是公用的，通過傳感器切換電路測量轉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，并且強度也不穩定。因此，要實現超聲波信號的精確測量，必須根據接收信號的強度自動調節接收電路增益，而且要單獨控制每個方向上的增益。為實現高精度的測量，在信號到達檢測電路之前必須使信號穩定可靠。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變化的自動增益控制環路，即當輸入信號很弱時，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；當輸入信號很強時，自動增益控制電路進行控制使增益減小。這樣，當輸入信號強度變化時，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，在接收機輸入端的信號強度有很大變化。因此在接收機前端必須加一個幅度控制系統，自動增益控制環路是信號傳輸中必不可少的。
數字AGC精度高、適應性好、體積小、可靠性高，因此受到廣大設計人員的關注。圖1為數字AGC框圖。
3 數字AGC的設計
數字AGC系統組成包括A／D轉換器(ADC)、現場可編程門陣列(FPGA)、可編程只讀存儲器(PROM)，如圖2所示。
3．1 FPGA選型簡介
該設計采用Altera公司的ACEX系列FPGA器件EPlK30TCl44-3作為核心控制器，其特點是：高密集型；適合大容量應用的低成本可編程結構；多電平標準系統，其I／O接口可驅動2．5 V和3．3 v器件或被5 V器件驅動；靈活的內部連接；強大的I／0接口．對于每個I／0接口有獨立的三態輸出控制使能，對于每個I／O接口都有開漏輸出選擇。
EPIK30TCl44-3型FPGA滿足該系統設計要求，30 000個邏輯門適合于數字系統設計所需的邏輯門數量；多電平標準簡化了FPGA與外部電路的接口；102個功能強大的I／0接口方便了FPGA外嗣電路設計；JATG邊界掃描功能為系統開發與完善提供了很大的方便。
3．2 FPGA內部設計
該設計主要由乘法器、門限判決、寄存器、加／減計數器4個模塊組成，實現40 dB動態范圍的控制。FPGA內部框圖如圖3所示。
經A／D采樣后的信號x(n)進入FPGA進行處理。x(n)首先進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，門限判決器內設有高低2個門限，當輸入包絡信號電平大于高門限時，則認為輸入信號過大，應調整增益控制因子k(n)減小：當輸入包絡信號電平小于低門限時，則認為輸入信號過小，應調整增益控制因子k(n)增加。對于增加或減少的步進量g(n)則從增益查找表中得到。加／減計數器模塊根據查找表得到的步進因子g(n)及門限判決模塊提供的計數方向w(n)來調整增益控制因子的。
3．2．1 門限判決模塊
門限判決模塊用于限制加／減計數器控制號的波動，防止環路振蕩，其內設高低2個門之間的范圍即為AGC輸出信號的波動范圍。防止AGC發生振蕩，該范圍應該在滿足解調器要求的動態范圍條件下足夠寬，而不是恒定不變的電平值。如果大于高門限，則認為信號過大，首先送給加／減計數器一個向下計數的信號，然后根據信號的范同從查找表中確定加／減計數器的步進量；如果小于低門限，則認為信號過小，首先送給加／減計數器一個向上計數的信號，然后根據信號的范圍從查找表中確定加／減計數器的步進量；如果在兩門限之間，則加／減計數器的步進量為零。
圖4是門限判決模塊的仿真波形。其中，clk為時鐘信號，reset為復位信號，iir_2_stage_output為濾波器的輸出信號，set_control為與門限進行比較的信號，acc_addr為查找表地址，updn_count_out為控制加／減計數器的計數方向，dead_band_out為控制加／減計數器的計數控制信號，accelerate_gain為控制加／減計數器的計數步進量。
從圖4中可以看出，當信號小于低門限7500時，dead_band_out=‘0’，updn_count_out=‘1’，控制加／減計數器向上計數，set_control遠離低門限，計數步進量增大；當信號大于高門限10 500時，deadband_out=‘0’，updn_count_out=‘0’，控制加／減計數器向下計數，set_control遠離高門限，計數步進量增大。
3．2．2 加／減計數器模塊
加／減計數器模塊根據輸入信號與最佳的接收信號之間的差值，對輸入信號進行反向補償。假設輸入信號經過一定衰減，AGC環路經過比較可確定接收信號電平低于最佳電平。這個差值將導致計數器向上計數，增加環路增益，直到環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、環路濾波器的輸出信號大于門限判決模塊的高門限時，計數器向下計數，降低環路增益，直到信號重新回到可以準確解調所需的接收信號范圍。
圖5是加/減計數器模塊的仿真波形。gain_counter_out為截位前的增益值，gain_control_out為截位后實際輸出的增益值。從圖5看出，當reset=‘1’時，計數器復位，設增益初始值gain_control_out=‘32’。而當deadband_in=‘O’，updn_count_in=‘1’，加／減計數器按步進量accelerate_gain_in向上計數；而當deadband_in=‘O’，updn_count_in=‘0’，加／減計數器按步進量accelerate_gainjn向下計數。計數所得的值即為輸出的增益控制因子。
4 結論
本文實現了一種全數字AGC的設計方案。此方案可實現40 dB動態范圍的控制，并且具有控制精度高，調節速度快，調試簡單，受環境影響小，穩定性和可靠性高等優點。隨著集成器件的發展，有望實現高動態范圍的全數字AGC，以便應用到更廣闊的領域中。
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