一種適合於網絡分析的浮置式測量系統的製作方法

2023-05-17 02:54:46 2

專利名稱：一種適合於網絡分析的浮置式測量系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電子測量儀器領域，具體涉及網絡分析儀和頻率特性分析儀器。
背景技術：
本實用新型所述的一種適合於網絡分析的浮置式測量系統，廣泛應用在頻率特性分析儀以及網絡分析儀等電子測量儀器的科研、生產和教學領域，用於測試電子線路、低壓電氣網絡、自動控制系統、傳感器和電子元器件的頻率特性及多種網絡參數，克服了現有一些產品被測試網絡接入時考慮接入電位問題的弊端。是一種既能測試輸入輸出具有公共接地參考電位的被測網絡又能測量浮置式雙口輸入輸出網絡頻率特性的電子式測量儀器。本實用新型所述的網絡分析儀器浮置的輸入輸出電路，不需要特別考慮輸入信號電平和被測對象的接地電位，能夠在短時間內高精度測量動態變化著的頻率響應特性，操作簡單。

實用新型內容本實用新型以圖1所示測量系統所特有的結構的形式，公開了一種適合於網絡分析的浮置式測量系統。圖1所述的一種適合於網絡分析的浮置式測量系統包括MCU主控單元模塊(101)、激勵信號源模塊(102)、信號檢測與轉換控制模塊(110)、總線隔離器 0(114)、總線隔離器1(115)、模擬信號隔離器(106)和被測網絡(105)模塊。MCU主控模塊通過總線隔離器0、總線隔離器1分別於激勵信號源模塊、信號檢測與轉換控制模塊連接； 激勵信號源模塊的輸出與被測網絡的輸入相連接；被測網絡的輸出與信號檢測與轉換控制模塊的輸入相連接；模擬信號隔離器的輸入與激勵信號源模塊的輸出相連接，模擬信號隔離器的輸出與信號檢測與轉換主控模塊的輸入相連接。所述的MCU(微控制器)主控單元模塊(101)包括微處理器系統、程序存儲單元、 鍵盤輸入單元、列印單元和顯示單元，還可以包括多種通信接口單元等。MCU主控模塊、激勵信號源模塊、信號檢測與轉換控制模塊被總線隔離器0、總線隔離器1和模擬信號隔離器分割成具有不同參考電位的浮置式模塊；被測網絡的輸入輸出迴路可以具有獨立的參考電位；被測網絡的輸入輸出也可以具有相同的參考電位。被測網絡的輸入信號經模擬信號隔離器之後，連同被測網絡的輸出信號一起作為信號檢測與轉換控制模塊的輸入；被測網絡的激勵信號和響應信號應該被兩個相同的A/D轉換器以高於被測網絡帶寬2倍以上的採樣率同步採樣。所述的激勵信號源模塊(10 可以產生被測網絡產生所需的多種激勵信號，例如正弦波、正弦掃頻信號或其它調頻、調幅、調相信號等。所述的被測網絡(10 可以是各種電子式有源或無源網絡，其輸入與輸出可以具有公共接電位，也可以是任何輸入輸出浮置式的雙口網絡。所述的模擬信號隔離器(106)可以是光介質的電氣隔離器，亦可以是磁介質的電氣隔離器，是用來隔離被測網絡(105)的輸入激勵Xl(104)和輸出響應信號X2(107)以及Xl經變換產生的信號X3(108)，但並不影響被測網絡的輸入輸出具有公共參考電位的應用場合。所述的信號檢測與轉換控制模塊(110)可以包括模擬信號檢測電路、衰減和放大電路等，也包括將模擬信號轉換成數位訊號的器件(A/D轉換器或ADC)及其與之相關的器件；對於多路模擬輸入信號，可能還需要考慮兩路信號的同步採樣而設置的同步採集電路。所述的總線隔離器0(114)、總線隔離器1(115)用來將MCU主控模塊(101)和系統供電電源隔離起來。使激勵信號源模塊(102)、信號檢測與轉換控制模塊(110)與MCU主控模塊(101)具有不同的參考電位，即分別是參考電位互相浮置式的獨立參考電位模塊。所述的MCU主控模塊(101)通過總線隔離器0(114)與激勵信號源模塊(102)相連接，向激勵信號源模塊(10 發送控制參數、啟停命令等控制信號。所述的MCU主控模塊(101)通過總線隔離器1 (115)與信號檢測與轉換控制模塊 (110)相連接，用來讀取由信號檢測與轉換控制模塊(110)獲取的採樣數據，由MCU主控模塊(101)進行運算處理。所述的激勵信號源模塊(102)的輸出與被測網絡(105)的輸入端相連接，為被測網絡提供參考電位為GNDl (10 的激勵信號Xl (104)；激勵信號源模塊(10 的輸出又與模擬信號隔離器(106)的輸入連接；模擬信號隔離器(106)的輸出信號X3(108)是輸入信號Xl經過模擬信號隔離器(106)變換之後、且與Xl具有不同參考電位的模擬信號。所述的被測網絡(105)的輸出端與信號檢測與轉換控制模塊(110)的輸入端相連接。被測網絡(105)的輸出信號X2 (107)與模擬信號隔離器(106)的輸出信號X3 (108) — 起作為信號檢測與轉換控制模塊(110)的輸入，它們具有相同的公共參考電位GND2 (109)。所述的MCU主控模塊(101)中所有信號均為相對於參考電位GNDO (113)的信號； 所述的激勵信號源模塊(102)中的所有信號以及輸出響應信號Xl都是相對於參考電位 GNDl (103)的信號；所述的信號檢測與轉換控制模塊(110)中的信號以及X3信號均為相對於參考電位GND2 (109)的信號；所述的GNDO、GNDl和GND2是具有相互浮置且獨立的模塊的參考電位，不連接在一起。由於這種系統電路結構的特點，特別適合於具有輸入輸出迴路浮置式的被測網絡頻率特性及網絡參數的測量，並且也適合於輸入輸出迴路具有公共參考電位的保持網絡的測量，使用時不必考慮被測網絡的接地電位問題，避免操作失誤造成被測網絡或器件的損壞，並極大地方便了操作，有益於提高產品的競爭力。

圖1是本實用新型所述的一種適合於網絡分析的浮置式測量系統的結構框圖。圖中101是MCU主控模塊；102是激勵信號源模塊；110是信號檢測與轉換控制模塊105是被測網絡；114是總線隔離器0 ；115是總線隔離器1 ；106是模擬信號隔離模塊104是被測網絡激勵信號Xl ；107是被測網絡的輸出響應信號X2 ； 108是模擬信號隔離器的輸出信號 X3 ； 113是MCU主控模塊的參考電位GNDO ；103是激勵信號產生與輸出調理模塊的參考電位 GNDl ； 109是被測網絡的輸出、模擬隔離器輸出X3和信號檢測與轉換控制模塊輸入的參考電位GND2 ；圖2是本實用新型所述的實施實例，即頻率響應分析儀從各模塊在電氣上獨立的角度劃分的原理框圖。圖2中與圖1框圖一致的模塊採用了相同的圖形標號，便於表述。圖 2中的202框是將圖1中的102框與圖1中的模擬信號隔離器合(106)的輸入級合在一起的框；圖2中的210框是圖1中的110框加入了模擬信號隔離器(106)的輸出級合在一起形成的；211是圖1中激勵信號源模塊(102)中的一個波形控制單元；209是信號檢測與轉換控制模塊中(110)中的一個功能單元，命名為數據採集控制單元。圖2中，206是圖1中所述的模擬信號隔離器(106)的一部分，是採用隔離放大器實現的輸入級的標號。圖3是圖2中的202框中的波形控制單元Qll)使用CPLD(複雜可編程器件)的實現；圖2中210框中的數據採集控制單元Q09)由FPGA(現場可編程門陣列)的實現，以及與總線隔離器1的具體關係說明框圖。圖中212是同步採樣單元。圖4是實施實例所述的頻率特性分析儀從儀器功能實現的角度上劃分的原理框圖。圖4中403是波形生成單元、DAC單元和低通濾波器的總和，稱為波形生成模塊；404框是輸出調理模塊。211、403和404框圖是將圖1中102框按功能分解後的框圖；408框是加入了模擬信號隔離器(106)形成的信號檢測單元。圖4中的信號檢測單元408又分兩個信號檢測子單元，即406子單元和407子單元。圖5是為一種適合於網絡分析的浮置式測量系統的供電的電源結構框圖。圖5中 500是變壓器T ;501是圖1中MCU主控模塊(101)供電的變壓器次級的整流、濾波和穩壓I 模塊；502是圖1中激勵信號源模塊(102)的供電的變壓器次級的整流、濾波和穩壓II模塊503是為圖1中輸入調理與轉換控制模塊(110)供電的變壓器次級的整流、濾波和穩壓 III模塊，它們的輸出電壓參考電位是相互浮置的。
具體實施方式
本實用新型結合附圖2、附圖3、附圖4來說明頻率特性分析儀作為所述的一種適合於網絡分析的浮置式測量系統的實現方案，但不作為對本實用新型的限定。本實用新型實施實例描述了一種頻率特性分析儀的設計方案、連接關係及其功能的實現。圖1中MCU主控模塊(101)框圖所含的具體實際單元要依具體的設計要求和技術指標而定。圖2給出了一般的MCU主控模塊所含的程序存儲單元、顯示單元、列印和鍵盤輸入單元，是現代電子測量儀器廣泛採用的電路結構。圖1中MCU的選擇更為寬泛，可以是個人計算機中所使用的CPU加存儲器加外設接口模式，也可以使用流行的ARM嵌入式處理器或DSP數位訊號處理器，甚至在功能和速度上要求不高的情況下可以使用各類單片機完成。圖1中MCU主控模塊(101)與總線隔離器1(115)的連接可以採用SPI串行同步總線，也可以採用IEEE 1394總線，還可以採用UART串行異步總線，以及採用I2S總線。總線確定後，再選擇總線隔離晶片，例如美國ADI公司生產的ADUM1301三通道數字隔離器晶片。圖2是實施實例所述的頻率特性分析儀從浮置式參考電位獨立的模塊的角度劃分的原理框圖。圖3中說明了總線隔離器1(115)的另一端和信號檢測與採集控制模塊(110)中的數據採集控制單元(209)相連接。數據採集控制單元(209)是採用FPGA (現場可編程門陣列)晶片實現的，FPGA可以選美國Altera公司生產的產品EP3C25QM0，也可以選美國 Xilinx公司生產的，對於本例無本質區別。所述的FPGA中嵌入的數據採集控制單元(209)，它與圖4中的信號檢測單元 (408)相連接。FPGA中還設計了總線隔離器0(114)的接口。時鐘1接入FPGA的時鐘輸入引腳。總線隔離器0的另一端與圖2中所述的激勵信號源模塊O02)中的波形控制單元 (211)相連接。圖3示出了波形控制單元011)由CPLD(複雜可編程器件)晶片實現的結構，CPLD晶片選擇範圍廣，例如，選美國Altera公司生產的產品EPM570。時鐘0接入CPLD 的時鐘引腳。MCU主控模塊(101)通過總線隔離器1(115)與FPGA相連接，通過FPGA再與總線隔離器0(114)向激勵信號產生與輸出調理模塊(10 發出控制參數和控制命令，以啟動激勵信號源工作，實現了 MCU主控模塊(101)和信號檢測與轉換控制模塊(110)的電氣隔離及通信；又實現了 MCU主控模塊(101)與激勵信號源模塊(110)的電氣隔離與通信。所述的以GNDl為參考電位的模塊包括時鐘0以及波形控制單元011)、波形生成模塊(40 和輸出調理模塊004)。所述的以GND2為參考電位的模塊包括時鐘1以及數據採集控制單元009)、 ADC_1和ADC_2以及同步採樣單元(21 、輸入緩衝I單元和隔離放大器的輸出級；還包括增益調節單元、輸入緩衝III單元、放大單元II、衰減控制II單元、輸入緩衝II單元。隔離放大器可選ADI公司的晶片，也可選其它公司的隔離放大器；輸入緩衝II可選美國 MAX公司的MAX4201晶片等，同樣也可選其它公司的產品。圖3示出了以波形控制單元011)和數據採集控制單元O09)實現的結構框圖。 時鐘0接入CPLD，CPLD中實現的波形控制單元(211)的輸入與總線隔離器0的一側相連接； 波形控制單元011)的輸出通過總線BUSO與波形生成模塊(404)的輸入相連接，波形控制單元(211)輸出控制參數和控制命令使波形生成單元按一定的工作模式運行；在波形生成模塊G03)中，波形生成單元的輸出與DAC的數字量輸入端相連接，將波形生成單元輸出的波形數據轉換成階梯正弦波，再經低通濾波器成為光滑的正弦電流波形；波形生成單元、 DAC單元和低通濾波器單元合起來稱為波形生成模塊G03)，可選擇成品DDS晶片實現，例如ADI公司生產的型號為AD99M的DDS晶片，AD9954內部時鐘可工作在IMHz 400MHz， 採用DDS(直接數字頻率合成)結構工作，內部具有32位的頻率控制字；也可以採用FPGA 由硬體描述語言實現DDS生成的正弦波模塊。所述的波形生成模塊G03)的輸出與輸出調理模塊G04)的輸入相連接；輸出調理模塊(404)包括I/U轉換單元、幅度控制單元、放大單元和衰減單元。所述的輸出調理模塊(404)用來將波形生成模塊(40 輸出的電流信號轉換成電壓信號，再由波形控制單元oil)的總線BUSl輸出控制信號，完成幅度控制、放大和衰減功能，以調節輸出掃頻正弦激勵信號Xl (104)的強度，從而實現了被測網絡(105)需要的正弦波激勵源。所述的信號檢測模塊(408)劃分成兩個信號檢測子模塊(406、407)。信號檢測子模塊(406)按著從輸入到輸出依次連接的次序包括採用隔離放大器單元實現的模擬信號隔離器單元(106)、輸入緩衝I單元和ADC_1 (模數轉換器)單元，用來將激勵信號Xl轉換成數位訊號；信號檢測子模塊(407)按著從輸入到輸出依次連接的次序包括輸入緩衝II單元、衰減控制II單元、放大單元II、輸入緩衝III單元和ADC_2單元(模數轉換單元)， 用來完成將被測網絡的響應信號X2(107)轉換成數位訊號的實現。所述的ADC_1和ADC_2應採用高速模數轉換器，其解析度與技術指標有關，例如12 位、14位或16位。有多種選擇，例如選擇美國LiriearTechnology公司的型號為LTC2207 的A/D轉換器，它是16位、80MSPS的高速高解析度的A/D轉換器，它能採樣低於40MHz帶寬的激勵信號源。當前高速ADC的輸入多為LVDS (低壓差分)輸入模式，選擇ADC驅動器作為輸入緩衝器I和輸入緩衝器III的實現，它將單端模擬信號轉換成雙端輸出的LVDS (低壓差分) 信號，為ADC_1和ADC_2提供無縫連接的LVDS接口信號。例如選擇型號為美國ADI公司的 AD8131或AD8138等ADC驅動晶片。所述的衰減控制I單元和放大單元II單元由數據採集控制模塊(209)通過總線 BUS2發出的控制信號，以滿足ADC_2輸入量程需要。所述的403框中的同步採樣單元(21 將時鐘信號一分為二，分別接到兩個子通道的ADC晶片的時鐘輸入端來控制採樣的同步。同步採樣單元(212)可以選擇時鐘分配器晶片實現，例如選擇美國MAX公司生產的型號為MAX9150時鐘分配晶片。以上所述的具體實施方式
，應理解為僅為本實用新型的實現方式之一，並不作為限定本實用新型的保護範圍，凡涉及本實用新型實質的實施實例均在本實用新型的保護之內，不限於所選器件的具體生產公司、具體型號。凡在本實用新型實質原則之內，所做的任何改動、等同替換、變相改進等，都應視為包含在本實用新型的保護範圍之中。
權利要求1.一種適合於網絡分析的浮置式測量系統包括MCU主控模塊、總線隔離器0、總線隔離器1、激勵信號源模塊、信號檢測與轉換控制模塊、模擬信號隔離器模塊和被測網絡；其特徵在於MCU主控模塊通過總線隔離器0、總線隔離器1分別與激勵信號源模塊、信號檢測與轉換控制模塊連接；激勵信號源模塊的輸出與被測網絡的輸入相連接；被測網絡的輸出與信號檢測與轉換控制模塊的輸入相連接；模擬信號隔離器的輸入與激勵信號源模塊的輸出相連接，模擬信號隔離器的輸出與信號檢測與轉換主控模塊的輸入相連接。
2.根據權利要求1所述的一種適合於網絡分析的浮置式測量系統的特徵在於MCU主控模塊、激勵信號源模塊、信號檢測與轉換控制模塊被總線隔離器0、總線隔離器1和模擬信號隔離器分割成具有不同參考電位的浮置式模塊。
3.根據權利要求1所述的一種適合於網絡分析的浮置式測量系統的特徵在於被測網絡的輸入輸出迴路可以具有獨立的參考電位；被測網絡的輸入輸出也可以具有相同的參考電位。
4.根據權利要求1所述的一種適合於網絡分析的浮置式測量系統的特徵還在於被測網絡的輸入信號經模擬信號隔離器之後，連同被測網絡的輸出信號一起作為信號檢測與轉換控制模塊的輸入。
5.根據權利要求1所述的一種適合於網絡分析的浮置式測量系統的特徵還在於被測網絡的激勵信號和響應信號應該被兩個相同的A/D轉換器以高於被測網絡帶寬2倍以上的採樣率同步採樣。
專利摘要本實用新型公開了一種適合於網絡分析的浮置式測量系統，包括MCU主控模塊、總線隔離器0、總線隔離器1、激勵信號源模塊、信號檢測與轉換控制模塊、模擬信號隔離器和被測網絡。MCU主控模塊、激勵信號源模塊、信號檢測與轉換控制模塊由總線隔離器0、總線隔離器1和模擬信號隔離器隔離，成為浮置式的獨立參考電位模塊。被測網絡的輸入輸出可以具有公共參考電位，也可以是浮置式的輸入輸出迴路。被測網絡的輸入信號經模擬信號隔離器之後，連同被測網絡的輸出信號一起作為信號檢測與轉換控制模塊的輸入，要求使用兩個高速模數轉換器進行同步採樣。這種電路結構特別適合於網絡分析儀或頻率特性分析儀等具有浮置式輸入輸出迴路的被測網絡的特性測量。
文檔編號G01R31/00GK202083746SQ201120053329
公開日2011年12月21日 申請日期2011年3月3日 優先權日2011年3月3日
發明者趙孔新 申請人:趙孔新