基于FPGA的超声波气体流量计中AGC的实现

摘要：为能充分利用数字技术可靠性高、灵活性强等优点，将自动增益控制AGC引入数字域，并针对超声波气体流量计中接收信号的特点，给出一种基于EPlK30TCl44-3的全数字AGC设计方案。测试结果表明该系统设计可以实现40 dB动态范围的控制，且具有控制精度高、调节速度快、受环境影响小，稳定性和可靠性高等优点。
关键词：超声波气体流量计；自动增益控制(AGC)；FPGA；EPlK30TCl44-3

1 引言
超声波流量计是一种新兴的工业产品，具有无阻挡体，无可动件，无压损，无示值漂移，适用于大口径管道测量，测量精确度高，重复性强，量程比宽，可承受工作压力高，可测多相流，不受气体温度、压力、组成等变化的影响、易于实现数字通信等优点。为减小甚至避免流速分布对流量计精度带来的影响，超声波流量计采用多声道超声波的测量方式。
对于多声路超声波流量计，发射和接收电路是公用的，通过传感器切换电路测量转换各个声路顺流和逆流传播时间，但由于各个声路的长度不同，传感器的特性存在差异，每次测量的接收信号大小也不同，并且强度也不稳定。因此，要实现超声波信号的精确测量，必须根据接收信号的强度自动调节接收电路增益，而且要单独控制每个方向上的增益。为实现高精度的测量，在信号到达检测电路之前必须使信号稳定可靠。为此，信号处理要采用自动增益控制放大器。

2 自动增益控制AGC
自动增益控制AGC(Automatic Gain Control)是一种在输入信号幅度变化很大的情况下，使输出信号幅度保持恒定或仅在较小的范围内变化的自动增益控制环路，即当输入信号很弱时，自动增益控制电路的增益较大，自动增益控制电路不起作用；当输入信号很强时，自动增益控制电路进行控制使增益减小。这样，当输入信号强度变化时，输出端的信号电压或功率基本不变或保持恒定。
信号传输过程中，随着传输距离的变化及其他因素的影响，信号在空间传播过程中存在明显衰落，在接收机输入端的信号强度有很大变化。因此在接收机前端必须加一个幅度控制系统，自动增益控制环路是信号传输中必不可少的。
数字AGC精度高、适应性好、体积小、可靠性高，因此受到广大设计人员的关注。图1为数字AGC框图。