渦街流量計(jì)是基于卡門渦街原理工作的，目前大多采用壓電傳感器來檢測(cè)卡門渦街。在理想情況下，傳感器輸出信號(hào)是一正弦信號(hào)，其幅值與流量的平方成正比。實(shí)際上，渦街信號(hào)中含有復(fù)雜的噪聲成分，噪聲的頻率、幅度及規(guī)律性隨現(xiàn)場(chǎng)使用條件有很大差異。通常流量變化范圍比較大，傳感器的調(diào)理電路必須適合整個(gè)流量范圍的信號(hào)，所以，采用固定放大倍數(shù)的放大電路是很難滿足要求的。若放大倍數(shù)太小，信號(hào)幅值太小，如圖1a所示，對(duì)于采用脈沖計(jì)數(shù)方式的渦街流量計(jì)，將達(dá)不到脈沖整形觸發(fā)器門限，就會(huì)少計(jì)脈沖；對(duì)于采用數(shù)字信號(hào)處理的渦街流量計(jì)，不能充分發(fā)揮ADC轉(zhuǎn)換的精度，降低對(duì)信號(hào)的分辨能力，特別是遇到渦街信號(hào)衰落時(shí)[1]，ADC對(duì)信號(hào)的分辨能力會(huì)大大降低。若放大倍數(shù)太大，會(huì)使信號(hào)飽和，并且噪聲幅值也相應(yīng)被放大，如圖1b所示。對(duì)于采用脈沖計(jì)數(shù)方式的渦街流量計(jì)，就會(huì)多計(jì)脈沖；對(duì)于采用數(shù)字信號(hào)處理的渦街流量計(jì)，由于信號(hào)飽和，信號(hào)接近幅值部分被削平，近似方波，則奇次諧波增加，如果噪聲正好落在奇次諧波附近，則諧波能量有可能超過基波能量，從而使得基于數(shù)字頻譜的數(shù)字信號(hào)處理方法計(jì)算出錯(cuò)誤渦街頻率。

    針對(duì)以上情況，文獻(xiàn)[2，3]提出了一種基于集成程控放大器的幅值調(diào)節(jié)方法，但集成程控放大器價(jià)格比較貴，而且放大倍數(shù)一般都大于1，調(diào)節(jié)范圍不靈活；文獻(xiàn)[4]提出了一種限幅放大加低通濾波的方法，這種方法放大倍數(shù)固定，為了適應(yīng)小流量情況，放大倍數(shù)設(shè)置得比較大，所以，當(dāng)大流量時(shí)信號(hào)幅值比較大，可能會(huì)出現(xiàn)飽和，造成頻譜分析的誤差。為此，文中提出一種采用低功耗運(yùn)放加數(shù)字電位器組成程控放大器的方案，根據(jù)信號(hào)的平均值來調(diào)節(jié)信號(hào)的幅值，在實(shí)驗(yàn)中得到很好的效果。

圖1　放大倍數(shù)太小和放大倍數(shù)太大時(shí)的信號(hào)波形

    考慮到系統(tǒng)采用TMS320LF2407A數(shù)字信號(hào)處理器上的10位單極性ADC，其參考電壓為3.3V，所以，放大器加了1.5V的直流偏置Vref，這樣信號(hào)zui大幅值可以達(dá)到1.5V。另外，還在Rx兩端并聯(lián)了二極管D1～D4起限幅作用。  

 圖2 程控放大電路

      確定程控放大器的放大倍數(shù)zui直接有效的方法就是依據(jù)信號(hào)的幅值。這就要求能夠檢測(cè)到信號(hào)的幅值大小。檢測(cè)的方法較多，可以將頻譜分析所得的功率譜zui大值作為信號(hào)幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)[2]，也可以使用峰值檢測(cè)電路來檢測(cè)信號(hào)幅值。由于渦街信號(hào)成分比較復(fù)雜，不是理想的正弦波，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，頻譜分析對(duì)渦街信號(hào)基波幅值跟蹤很不穩(wěn)定，而峰值檢波電路對(duì)信號(hào)上的尖峰毛刺比較敏感，容易造成檢測(cè)幅值大于真實(shí)幅值的情況；所以，這兩種方法對(duì)于渦街信號(hào)這種效果都不是很好。

    考慮到所要的幅值只需反映整個(gè)信號(hào)的能量，是一種平均效果，所以可以利用信號(hào)的平均值或有效值作為調(diào)節(jié)依據(jù)。通過比較，發(fā)現(xiàn)在采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)足夠多的情況下這兩種方法的精度差不多，而求平均值的計(jì)算量比較小，所以，選用求平均值的方法。平均值隨正弦波幅值相應(yīng)變化，能夠反映信號(hào)幅值的大小。

    連續(xù)信號(hào)平均值計(jì)算公式為

   （1）

    式中，V_aver為平均值；x（t）為信號(hào)；t₁-t₀為信號(hào)長度。

    如果信號(hào)為整周期正弦波，則V_aver等于常量2A/π（A為正弦波幅值），可見正弦波幅值與其平均值之間的關(guān)系為A=π·Vaver/2。

    在數(shù)字系統(tǒng)中式（1）變?yōu)槭剑?） 

  （2）

    式中，V_aver為平均值；x（i）為離散信號(hào)序列；Δt為采樣周期；N為總采樣點(diǎn)數(shù)。

    在數(shù)字系統(tǒng)中，式（2）中x（i）對(duì)應(yīng)的離散信號(hào)序列是經(jīng)過ADC采樣轉(zhuǎn)換后的量化值，對(duì)這個(gè)量化值要先進(jìn)行去直流偏置處理，即將硬件部分所述的直流偏置電壓V_ref去掉。另外，為了更直觀的反應(yīng)信號(hào)幅值，要將式（2）得到的平均值轉(zhuǎn)化為能夠反映實(shí)際電壓的信號(hào)幅值。由于理想渦街信號(hào)為正弦波，所以，采用正弦波來反應(yīng)信號(hào)幅值，結(jié)合式（1），有正弦波幅值對(duì)應(yīng)的電壓值計(jì)算公式為

      （3）

    式中，A為實(shí)際信號(hào)電壓幅值；LSB為ADCzui小量化單位代表的電壓值。

    得到了實(shí)際信號(hào)的電壓幅值，就可以根據(jù)這個(gè)電壓幅值進(jìn)行放大倍數(shù)的調(diào)整，從而調(diào)節(jié)信號(hào)幅值。在主程序中加入幅值調(diào)節(jié)一個(gè)步驟，每次程序執(zhí)行到這里就進(jìn)行一次幅值調(diào)整。具體調(diào)節(jié)方法可用式（4）表示

      （4）

    式中，Rx為數(shù)字電位器應(yīng)該調(diào)整的電阻值；Rl為數(shù)字電位器當(dāng)前輸出阻值；A0為信號(hào)要求的幅值；A為當(dāng)前計(jì)算得到的信號(hào)的幅值；c為常數(shù)，表示放大倍數(shù)是否需要調(diào)整的門限值。

　　將式（4）計(jì)算得到的電阻值轉(zhuǎn)換為數(shù)字電位器對(duì)應(yīng)的量化值，通過SPI通信接口寫入數(shù)字電位器寄存器，就可以改變程控放大器放大倍數(shù)，從而調(diào)節(jié)信號(hào)幅值。  

    圖3是系統(tǒng)主程序流程圖，圖4是幅值調(diào)節(jié)部分的流程圖。

   　　對(duì)以上方案，分別采用信號(hào)發(fā)生器作為信號(hào)源和渦街流量計(jì)傳感器輸出信號(hào)作為信號(hào)源進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中取A₀=0.7V，c=0.1V。

　　圖5是用TektronixAFG3101信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的不同幅值的信號(hào)，經(jīng)過調(diào)節(jié)后的效果，可以看出經(jīng)過幅值調(diào)整后信號(hào)幅值基本上維持在0.7V左右，與要求的信號(hào)幅值A(chǔ)₀接近。

    圖6是將系統(tǒng)與重慶耐德工業(yè)的40mm口徑渦街流量計(jì)一次儀表相連，對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行幅值調(diào)整的效果，可見在不同頻率下，即不同流量下，經(jīng)過調(diào)整后的傳感器輸出信號(hào)幅值基本上維持在0.7V左右，也與A₀接近。

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，文中研究的程控放大器和幅值調(diào)整方法具有很好的效果。