基于首波宽度调整自动增益控制方法的研究

张海波

摘 要：本文提出一种利用首波宽度作为自动增益控制目标值的测量方法。该方法提高抗干扰能力，使信号一致性增强，从而提高测量精度。

关键词：首波；自动增益；滤波

中图分类号：TN72 文献标识码：A

0.引言

在测量模拟信号时，通常会因为该信号的变化，给测量带来很多困扰。但是，如果该信号一致性好，那对随后的测量将会有很大的帮助，特别是首波的一致性尤其重要。要保证信号的一致性，自动增益控制就是一种常用的调节方法。

1.自动增益控制原理简介

自动增益控制使放大电路的增益自动地随信号强度而调整的自动控制方法。自动增益控制是限幅输出的一种，它利用线性放大和压缩放大的有效组合对输出信号进行调整。当弱信号输入时，线性放大电路工作，保证输出信号的强度；当输入信号达到一定强度时，启动压缩放大电路，使输出幅度降低。也就是说， 自动增益控制可以通过改变输入输出压缩比例自动控制增益的幅度。

2.首波的重要性

在高动态范围的测量中，首波检测尤其重要。通常在检测到首波的脉冲后，开始测量所需的信号传播时间。首波信号的强弱，对后续的信号处理和准确度提升都有直接关系。如果首波被噪声干扰导致信号提前、推后或变化过大，借助事先准备的异常数据滤波算法，则直接宣告此次测量无效，必须重新开始下一次测量。所以，首波对准确测量至关重要。

3.首波宽度控制

3.1 选择首波宽度控制的原因

信号在传输过程中，有很多因素可能会使传播时间发生变化。其中有几个非常重的影响因素，如温度、压力、密度、湿度、流速等影响将会改变信号的强度和传播时间。对于相对速度较慢的系统来说，这种影响带来的问题可以通过智能软件来进行纠正。但是对于高动态系统来说，这种方式就不能够适用。此时，可以采用自动增益控制调节信号大小，确保信号一致，从而更加准确测量出信号的传播时间。

在信号传播过程中，有多种特征值可供选择，作为控制信号。通过这些特征值的调整，可以调节最终的测量信号，实现信号控制。不过，由于这些特征值都处于中间环节，这样的调整虽然可行，但经过传递之后，调节效率无疑会受影响。但是首波宽度不同，它是测量信号数字化的结果，表示最终测量信号的强度。以它为控制特征值，就是直接以最终测量信号的强度为控制对象，调节结果也就直接作用在首波宽度上。只有首波宽度一致性好，那测量信号的一致性也就可以得到保障。由于信号宽度不同，也可以过滤掉一些毛刺带来的干扰信号，使后续测量值的可靠性大大提高。

3.2首波宽度控制的实现

由于首波宽度直接体现了信号的强度，当首波宽度不同时，信号强度必然有差异。总的来说，首波宽度越大，信号越强；首波宽度越窄，信号越弱。但是对于测量而言，既不是信号越强越好，也不是信号越弱越好。因为随着环境和介质的多种因素变化，信号会出现不同程度在衰减或放大。信号过强，则容易过饱和；信号太弱，又会失真。所以如果能保证信号强度的一致性够好，才是测量的最佳状态。此时的测量才是真实有效的。

传播信号经放大以后，变成如图1所示模拟信号。由图1中可知，信号是正弦波。要对处于变化中的正弦波进行数学计算，明显不是最合理的处理方式。但是，可以通过比较电平，将模拟信号转换为数字量的脉冲信号，如图2所示。由图1和图2可知，首波信号肯定不完整，第2波信号可能也不完整，但正常情况下，第3、4和5波信号是真实存在，且最能体现传播信号的完整性。因此采集首波宽度后，再采集从起点到这3个波形在上升沿（或下降沿）所经历的传播时间t3、t4、t5，并且理论上应存在等式2*t4=t3+t5。但实际上该等式并不存在，测量值应满足不等式0 ≤ 2*t4-（t3+t5）≤ T或者0 ≤（t3+t5）-2*t4 ≤ T，其中，T为该传播信号的固有频率。

当首波宽度低于宽度范围下限时，说明此时信号强度过小，应迅速调整增益值，使首波宽度值向大的方向调整。反之，如果采集首波宽度超过宽度范围上限时，说明此事信号强度过大，应迅速调整增益值，使首波宽度值向小的方向调整。无论向大或向小调节的目标都是首波宽度达到宽度范围的中心位置。只有首波宽度在宽度范围内时的测量，才是真实可信的测量值。

4.实验数据

基于上述方法，在常温常压环境条件下进行实验，获得一组数据，见表1。

由表1中数据可知，首波宽度越小，信号就越弱，传播时间越长，与理论值的误差就越大。反之首波宽度越大，信号就越强，传播时间越短，测量值也越接近理论值。但是，考虑到实际应用中，信号会放大，饱和度越高，信号失真的风险越大。因此，应尽量将控制目标放在中间区域，对信号的放大和缩小都保留一定的调节范围。另外，表中传播时间与理论值误差較大，是硬件和软件延时引入的。

结语

这种把模拟信号转换为数字信号以后，以最终测量信号为控制目标的增益控制方式目的性更强，抗干扰能力更好，有效的保持测量信号一致性。

参考文献

[1]胡寿松.自动控制原理[M].北京：科学出版社，2007：2-5.

[2]童寿兴，伍根伙.超声波首波波幅对混凝土强度测值的影响[J].无损检测，2011，33（3）：14-16.