一种快速自动增益控制装置及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于模拟信号采集及处理技术领域。具体涉及一种快速自动增益控制装置 及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 模拟信号的采集及处理技术是一项应用广泛的技术，但在一些特殊领域对信号的 采集精度要求较高，此种情况通常采用增加自动增益环节来解决。自动增益原理如下：自动 增益环节自动判断输出信号的幅值，如果幅值小于最佳目标值，采用反馈控制手段，提高前 向通道的增益，增大实际信号的输出，使得实际信号幅值接近或达到最佳目标幅值;如果幅 值大于最佳目标值，采用反馈控制，通过减小前向通道的增益，减小实际信号的输出，使其 幅值接近或达到最佳目标幅值。通过自动增益处理的信号可通过模数转换环节采集，采集 的数据供系统使用。
[0003] 目前的自动增益控制技术，一类是纯模拟电路实现，这种方法灵活性差、调试复 杂，如专利"自动增益控制电路（【申请号】201280026592.3)"，该专利电路包括峰值检测电 路、平均值检测和输出幅度设置电路、电流源电路、滤波器电路等多个组成部分，各个电路 又由多个电子元器件组成，参数设计及调试复杂，灵活性不够；另一类是结合微控制器实 现，该方法中，一类是控制方法不够合理，增益调节速度不够快，如专利"快速调整自动增益 控制值的方法及模块（申请号:200710147354.9)"，该专利首先设置自动增益控制值的初始 值和自动增益控制步长的初始值，然后通过统计在一个周期内所接收数据溢出次数，自适 应调整控制步长，显然当信号突变导致超量程时，该方案不能及时作出反应，采集的数据会 失真；另一类是信号的分级不够合理，如专利"三级自动增益控制装置及其控制方法（申请 号：201410407021.5)"，该专利设置三级阈值，根据门限误差分为三级处理，得到不同更新 周期的增益步阶，信号误差越大步阶越大，信号误差越小步阶越小，最后一级停止调整，但 由于是精确分级的，难免导致信号在分界点附近跳动时所造成的增益频繁切换，容易造成 米集系统不稳定。
[0004] 因此需要开发一种能够克服上述技术缺陷，实现自动增益快速稳定调节的控制装 置及方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了克服上述不足提供一种快速自动增益控制装置及其控制方 法。
[0006] -种快速自动增益控制装置，包括以下部分:信号增益控制模块100，用于接收前 端输入的原始信号，并根据增益调整模块602的指令对所接收的信号进行增益调整；
[0007] 峰值检测模块200，用于实时检测信号在量程时的峰值模拟量；
[0008]第二模数转换模块300,用于将增益调整后的模拟信号转换为数字信号；
[0009]超限检测模块400,用于检测增益调整后的模拟信号是否超过量程的极限电压，若 超限则产生中断信号，通知模糊推理模块601、增益调整模块602及输出模块603;
[0010]第一模数转换模块500,用于将峰值检测模块200实时检测的信号在量程时的峰值 模拟信号转换为数字信号，为模糊推理模块601提供峰值输入；
[0011]所述峰值检测模块200、第二模数转换模块300以及超限检测模块400的信号输入 端均与信号增益控制模块100的信号输出端相连，所述峰值检测模块200的信号输出端与第 一模数转换模块500的信号输入端相连。
[0012] 模糊推理模块601，用于根据峰值检测计算的结果，对信号峰值的档位归属进行模 糊分类及控制，以最佳峰值为目标来推理计算信号的增益，将增益值输出给增益调整模块 602，并随时接收超限检测模块400的通知将各变量复位，准备重新进行模糊推理计算；
[0013] 增益调整模块602:用于根据模糊推理模块601的结果和超限检测模块400的输出 来控制信号增益控制模块100的增益，若此时超限检测模块400未产生中断信号，则按模糊 推理模块601的指令正常输出增益，若收到超限检测模块400的中断信号，则输出最安全增 益；
[0014] 输出模块603:用于将采集的数据还原输出给系统，如果当前没有收到超限检测模 块400的中断信号，说明信号正常，正常输出结果;如果增益已切换至最安全增益仍然收到 超限检测模块400的中断信号，说明信号异常，将当前数据标记为超量程数据；
[0015]所述模糊推理模块601的信号输入端同时与超限检测模块400和第一模数转换模 块500的信号输出端相连，所述增益调整模块602的信号输入端同时与超限检测模块400和 模糊推理模块601的信号输出端相连，所述输出模块603的信号输入端同时与超限检测模块 400和第二模数转换模块300的信号输出端相连，所述增益调整模块602的信号输出端与信 号增益控制模块100的信号输入端相连。
[0016] -种所述的快速自动增益控制装置，其控制方法具体为：
[0017] 原始信号经过信号增益控制模块后分为并行的三路，三路相互独立且相互关联； 第一路用于信号在量程时的峰值检测及采样，第二路直接进行模数转换，为系统提供数据； 第三路则用于信号超限的实时检测；峰值检测的结果采用模糊控制策略进行模糊分级处 理，并以最佳峰值为目标计算增益，并根据是否超限最终决定增益值，若超限则将增益切换 至最安全增益，若不超限则采用正常推理计算的增益值，并以是否超限决定是否为系统提 供有效数据;其具体操作步骤，包括：
[0018] S01:开始；
[0019] S02:将通道增益试设置为1;
[0020] S03:通过超限检测模块检测信号是否超限，若超限则转至S04,若不超限转至S07; [0021] S04:此时判断为信号超限，将通道增益切换至最安全增益；
[0022] S05:再次通过超限检测模块检测信号是否超限，若超限则转至S06,否则转至S07;
[0023] S06:此时判断为在最安全增益下仍然超限，因此判断为超量程，并转至S05;
[0024] S07:此时信号正常，完成数模转换；
[0025] S08:向系统输出正常数据；
[0026] S09:检测采集信号峰值；
[0027] S10:接收信号峰值结果，完成增益的模糊推理计算；
[0028] SI 1:根据模糊推理计算结果，调整前向通道增益；
[0029] S12:再次通过超限检测模块检测信号是否超限，若超限则转至S13,否则转至S07; [0030] S13:信号已经超限，此时将过程变量全部复位，为下一次计算做好准备，并转至 S04〇
[0031] 所述模糊控制策略为：
[0032] 将基本论域变换为模糊论域，公式为：
[0034] 式中：x为基本论域中的值且xe[a，b]，n为离散度，a，b为基本论域的下限值和上 限值，y为模糊论域中的值；
[0035] 采用三角形隶属函数对信号峰值分档，整个论域分为6档，将目标峰值设在5档；
[0036] 设计隶属度滞环为[0.3，0.6]，其含义为隶属度逐渐增大时，直到隶属度达到0.6 时才确认其属于该档位，当隶属度逐渐减小时，只有隶属度小于〇. 3才确认信号不属于该档 位；
[0037] 其中档位归属判别规则为:如果首次判别信号峰值档位归属且出现隶属度相等的 情况，按取较小档位原则判别档位归属;非首次判别档位归属、信号峰值不在两个相邻的档 位之间连续变化且出现隶属度相等的情况时，按与原档位接近的原则判别档位归属;如果 信号峰值在相邻的两个档位之间连续变化，则按滞环原则判别档位归属;其它情况按最大 隶属度原则判别档位归属；
[0038] 增益计算公式为:欲更新增益值=目标峰值/当前采样峰值X当前增益值，并圆整 为最接近的增益档位值，且控制在[最小增益，最大增益]区间之内；
[0039]增益调整规则为：当信号峰值档位没有发生变化时，则保持当前增益不变，当信号 峰值档位发生变化时，则更新增益值；
[0040] 实时检测超限信号是否有效，若有效则复位计算过程变量。
[0041] 本方法具有以下优点：
[0042] 1.该方法的快速性一方面体现在当信号在量程时对信号峰值的实时检测及控制， 另一方面体现在实时监测信号是否超限，当信号超限时以最快的速度将增益切换至最安全 增益，并复位模糊推理过程变量，同时为输出有效数据提供依据。
[0043] 2.由于该方法将信号峰值进行分级处理，同时对信号峰值的档位归属进行模糊分 类及控制，因此本方法可实现增益的自动锁定及智能化分档切换，并有效防止了采用精确 分类及控制方法时，当信号峰值在分界点附近变动时造成的增益频繁切换，使数据采集系 统更稳定。
【附图说明】
[0044]图1为快速自动增益控制装置图。
[0045]图2为信号峰值档位隶属函数图。
[0046]图3为超限检测模块原理图。
[0047]图4为快速自动增益控制流程图。
【具体实施方式】
[0048]以下结合具体实施例对本发明作进一步的说明：
[0049]本方案可以采用FPGA构建微控制模块，实现模糊推理模块、增益调整模块及输出 模块，并控制模数转换模块、接收超限信号;模数转换芯片采用AD7656，建立具有快速自动 增益控制功能的数据采