测量量程自动调整方法

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本文介绍测量量程自动调整方法。

1.量程自动调整原理

由于在数据采集系统中各测量点的参数变化范围不同，传感器输出信号的电压可能相差很大，为了减少硬件设备，使用一个可编程增益放大器（PGA），在微控制器的控制下，根据所连接的传感器输出电压的高低来改变PGA的增益，使每一路信号都能放大到合适的幅度，从而提高测量精度。量程自动调整流程图如下图。

自动调整过程：

1)根据ADC采集的值溢出，来进行总增益（衰减，增益）的调整（降挡）

2)ADC采集的值没有溢出，根据显示值没有溢出来进行总增益（衰减，增益）的调整（升挡）

3)调整策略为保证ADC值不溢出的情况下，尽可能的放大输入采集的信号

2.案例

被测对象为5个电压值，6.67V，33.3V，57.7V，100V，150V，要求测量系统的相对量化误差小于0.05%，试设定增益/衰减挡数和换挡准则，已知测量系统采用12位A/D转换器，满量程输入电压 $U_{FS}$ =5V。增益挡数为：1，3，5挡，衰减挡数为：1/10，1/100挡。

1)进入A/D转换器电压最大值 $U_{max}$ 的限定。

$U_{max}$ < $U_{FS}$ =5V

即电压最大值 $U_{max}$ 不能等于 $U_{FS}$ ，因为大于或等于 $U_{FS}$ ，A/D转换器的输出均无法区分，都是相同的“1”，因此暂设

$U_{max}$ $\geqslant$ 4.8V

为增益必须换小一挡的准则。

2)增益必须换大一挡的准则。这可有要求的相对量化误差 $\varepsilon _{Q}$ $\leqslant$ 0.05%来决定，12位A/D转换器在满量程收入电压 $U_{FS}$ =5V时，其量化值Q为

$Q=\frac{U_{FS}}{2^{12}-1}=\frac{5}{2^{12}-1}=1.2mV$

输入A/D转换器的电压最小值 $U_{min}$ 必须满足相对量化误差的要求，即

$\varepsilon =\frac{Q/2}{U_{min}}< \varepsilon _{Q}=0.05\%$

故可知 $U_{min}$ >1.2V，因此暂设

$U_{min}$ $\leq$ 2.5V

为增益必须换大一挡的准则。

注意：A/D转换器的精度通常为Q/2

3)根据上述换挡准则，5个被测电压的衰减与增益值设置如下表。

被测电压/V	衰减	增益	进入A/D转换器的电压值/V
150	1/100	3	4.5
100	1/100	3	3.0
57.5	1/100	5	2.885
33.3	1/10	1	3.33
6.67	1/10	5	3.335

换挡顺序是：衰减由最大逐渐减小，增益由最小逐渐增大，总的原则是输入信号由小到大，以被测电压6.67V为例，首先置衰减挡为1/100，依次置增益为1->3->5，即

6.67*(1/100)*1=0.0667V<2.5V

6.67*(1/100)*3=0.2001V<2.5V

6.67*(1/100)*5=0.3035V<2.5V

上述均小于 $U_{min}$ =2.5V，故再换衰减挡，置为1/10，再依次置增益为1->3->5，即

6.67*(1/10)*1=0.667V<2.5V

6.67*(1/10)*3=2.001V<2.5V

6.67*(1/10)*5=3.035V>2.5V

因此，6.67V衰减为1/10，增益为5。其他几个电压值也是按同样的顺序自动换挡，自动改变衰减，增益值，最后选定测量挡位。

总结，本文介绍了测量量程自动调整方法。

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