峰值采樣電路在渦流電導(dǎo)儀中的應(yīng)用

1 引言
受廠家委托，我們開發(fā)研制了利用渦流效應(yīng)測量金屬電導(dǎo)率的渦流電導(dǎo)儀。渦流效應(yīng)，簡單地說，就是金屬在高頻線圈附近感應(yīng)后形成的感應(yīng)磁場，它會對通過該線圈的高頻信號產(chǎn)生反作用，影響該信號的相位和幅值。不同的金屬對同一標(biāo)準(zhǔn)信號的影響各不相同，根據(jù)這一原理，我們只需測量出相位和幅值，然后利用Matlab 軟件進行數(shù)值模擬分析，就能得出電導(dǎo)率與幅值、相位的函數(shù)。通過實驗，我們發(fā)現(xiàn)幅值是關(guān)鍵性的，對于非鐵磁性金屬材料，利用幅值得到的區(qū)分度最大。
而測量幅值最直接、最有效的方法就是測量其峰值電壓，這就要用到峰值采樣電路。

2 原理
峰值采樣電路通常僅由采樣保持器和比較器組成（如圖1所示），當(dāng)Vi>V時，V2為高電平，并控制LF398采樣，當(dāng)經(jīng)過峰值后，ViV1，此時，V2為低，使此時的V1，即，峰值被保持。峰值采樣電路有兩個功能：采樣和保持。采樣值保持多久，需要根據(jù)具體情況來決定。我們所研制的渦流電導(dǎo)儀，由于標(biāo)準(zhǔn)信號在60kHz以上，頻率較高，因此這樣的峰值采樣電路已經(jīng)不能適用，主要原因一是其保持時間太短，A/D轉(zhuǎn)換芯片速度跟不上，改用高速A/D又不經(jīng)濟；二是采樣保持器本身的局限，如其采樣時間的要求、反應(yīng)速度、保持精度（與保持電容CP有關(guān)）等，并且，對于峰值時刻與控制脈沖跳變時刻的偏移無法調(diào)節(jié)。這種電路用于較低頻率（10kHz以下）系統(tǒng)，其效果較好，但隨著頻率的提高，偏移就越大。
基于以上原因，我們對該電路進行了改進，改進后的電路原理框圖如圖2所示。

原有電路最大的問題在于頻率較高時，采樣和保持時間均過短，這與采樣保持器的控制信號有關(guān)。圖1中，V2在頻率較高時不能直接用作控制信號，需將其分頻后再加至采樣保持器的控制端。這里，我們是利用微分和比較器電路產(chǎn)生采樣保持器的控制信號。將采樣信號微分后，輸入過零比較器的負(fù)輸入端，正端為基準(zhǔn)零點。具體電路如圖3所示，這里，微分器使用的運放為LF356，比較器是LM311。
微分電路中需要注意R、C值的選擇，根據(jù)不同的頻率范圍，所用的R、C值是不同的。選擇方法如下：
以圖4為例，電阻R1可降低高頻噪聲，電容Cf用于抑制自激振蕩。電路的傳遞函數(shù)為：

根據(jù)式（1）和式（2），可得微分電路的設(shè)計步驟如下：?
（1）設(shè)fa等于輸入信號的最高頻率（根據(jù)具體需要而定），選擇電容C11μF，然后根據(jù)式（2）計算Rf。
（2）選fa=10fb，根據(jù)式（2）計算R1。?
（3）由式（1）計算出Cf。?

微分電路的輸出信號連至比較器。在最初使用比較電路時，基準(zhǔn)零點（LM311正輸入端）是直接接地的，但在使用中我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻率較高時（>10kHz），比較器的輸出，即采樣保持器LF398的控制信號脈沖跳變時刻與采樣信號的峰值時刻的偏差就開始擴大，為此,將直接接地改為如圖3所示的與對稱的正負(fù)電源相接的串聯(lián)分壓電路，電位器用來微調(diào)基準(zhǔn)零點。這樣改動后，通過調(diào)整電位器，可以使LF398的控制脈沖保持在峰值時刻發(fā)生跳變。
然而，實際上，此時并不能將比較器輸出直接作為控制信號，需要將其分頻后再使用，這是為了絕對滿足采樣保持器的采樣時間和A/D轉(zhuǎn)換器輸入信號的保持時間的要求。
另外，分頻后的控制信號又作為單片機的外部中斷輸入信號（中斷觸發(fā)方式最好設(shè)為邊沿觸發(fā)方式），以此作為單片機啟動A/D的信號，開始采樣。
當(dāng)然，也可不使用分頻器，將比較器的輸出直接作為單片機的中斷信號，而用單片機的一個I/O口，作為采樣保持器的控制口線。中斷信號來之前，該控制口線置為采樣所需電平（對LF398為高電平），中斷信號來后，置為保持電平（對LF398為低電平），并啟動A/D開始采樣數(shù)據(jù)。這種方式可省去分頻器，而且保持時間可以隨意由單片機控制，使用較靈活。但是需占用一個通用I/O口。需要注意的是，如果采樣信號頻率很高，比較器輸出脈沖信號的高低電平保持時間不滿足單片機對其外部中斷信號的要求，仍需要加分頻器。
3 結(jié)束語
經(jīng)過測試，該電路性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，通用性強，使用靈活，具有一定的實用價值。?

參考文獻?

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