一種大動態高精度傳感器接口模擬信號發生裝置的製作方法

2023-05-27 12:08:41 2

本發明涉及複雜傳感器接口模擬信號發生領域，具體涉及一種大動態高精度傳感器接口模擬信號發生裝置。

背景技術：

在傳感器測試系統的研製生產過程中，需要產生模擬的各種傳感器接口信號輸入到傳感器測試系統中以評估傳感器測試系統的測量精度，並對其可靠性進行驗證。現有的各種信號發生裝置都不能同時滿足大動態和高精度的要求，使得在利用現有的這些信號發生裝置對某些複雜的傳感器測試系統進行測試評估時，出現評估結果一致性差，影響評估結果可信度的問題。

技術實現要素：

本發明提供一種大動態高精度傳感器接口模擬信號發生裝置，能夠產生具有大動態幅度和頻率調節範圍的高精度傳感器接口模擬信號，滿足各種傳感器測試系統對傳感器接口模擬信號發生裝置的應用要求。

本發明的技術方案為：

一種大動態高精度傳感器接口模擬信號發生裝置，包括USB通訊接口、可編程邏輯器件、高精度D/A變換電路、信號調理濾波電路、高壓輸出電路、輸出接口、電壓變換電路、高精度A/D變換電路；

USB通訊接口與可編程邏輯器件相連，可編程邏輯器件的輸出經高精度D/A變換電路、信號調理濾波電路連接到高壓輸出電路，高壓輸出電路的輸出分別連接到電壓變換電路和輸出接口，電壓變換電路的輸出經高精度A/D變換電路連接到可編程邏輯器件。

還包括電源分配電路，電源分配電路輸出的電源分別連接到USB通訊接口、可編程邏輯器件、高精度D/A變換電路、信號調理濾波電路、高壓輸出電路、電壓變化電路和高精度A/D變換電路。

所述可編程邏輯器件包括直接數字頻率合成模塊、任意波形配置表模塊、自適應預失真處理模塊、數字幅度控制模塊和通訊接口控制模塊；

通訊接口控制模塊與USB通訊接口相連，通訊接口控制模塊的輸出分別連接到直接數字頻率合成模塊、任意波形配置表模塊和數字幅度控制模塊，直接數字頻率合成模塊的輸出連接到自適應預失真處理模塊，任意波形配置表模塊的輸出連接到直接數字頻率合成模塊，數字幅度控制模塊的輸入端與高精度A/D變換電路連接，數字幅度控制模塊的輸出連接到自適應預失真處理模塊，自適應預失真處理模塊的輸出連接到高精度D/A變換電路。

所述高精度D/A變換電路和高精度A/D變換電路中的DA和AD變換器的精度不低於16位。

所述直接數字頻率合成模塊的相位累加器位數大於24位。

所述任意波形配置表模塊、自適應預失真處理模塊和數字幅度控制模塊中的處理位寬不低於16位。

本發明的有益效果為：

本發明所述傳感器接口模擬信號發生裝置產生的信號具有大動態的幅度和頻率調節範圍，同時具備高精度特性。信號幅度動態範圍可從-36V～+36V，信號頻率範圍可從DC～100KHz，輸出頻率精度在全頻率範圍內優於0.1Hz，輸出信號總諧波失真在全頻率範圍內，滿幅輸出時優於0.01％，滿幅輸出時的幅度精度優於0.1％。

本發明所述裝置產生的信號不僅信號幅度調節範圍大、信號頻率和幅度輸出精度高，還具有高壓信號輸出失真小的特點。特別是高壓低失真信號輸出的特性，彌補了當前一般信號發生裝置輸出電壓低、信號失真相對嚴重的問題。本發明能夠滿足傳感器測試系統對各種複雜傳感器接口模擬信號發生裝置的實際需求。

附圖說明

圖1為本發明所述的一種大動態高精度傳感器接口模擬信號發生裝置的電路原理圖。

其中，1-USB通訊接口，2-可編程邏輯器件，3-高精度D/A變換電路，4-信號調理濾波電路，5-高壓輸出電路，6-輸出接口，7-電壓變換電路，8-高精度A/D變換電路，9-電源分配電路，10-直接數字頻率合成模塊，11-自適應預失真處理模塊，12-任意波形配置表模塊，13-數字幅度控制模塊，14-通訊接口控制模塊。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進行進一步描述。

如圖1所示，本發明是一種大動態高精度傳感器接口模擬信號發生裝置，包括軟體和硬體兩部分。

所述硬體部分包括USB通訊接口1、可編程邏輯器件2、高精度D/A變換電路3、信號調理濾波電路4、高壓輸出電路5、輸出接口6、電壓變換電路7、高精度A/D變換電路8和電源分配電路9。USB通訊接口1接收來自外部的指令和信息，在可編程邏輯器件2的控制下，信號通過多個電路經過多次變換，最終從輸出接口6對外輸出，用於對傳感器測試系統進行測試評估。

其中，USB通訊接口1與可編程邏輯器件2連接，可編程邏輯器件2的輸出連接到高精度D/A變換電路3，高精度D/A變換電路3的輸出連接到信號調理濾波電路4，信號調理濾波電路4的輸出連接到高壓輸出電路5，高壓輸出電路5的輸出分別連接到電壓變換電路7和輸出接口6，電壓變換電路7的輸出連接到高精度A/D變換電路8，高精度A/D變換電路8的輸出連接到可編程邏輯器件2。電源分配電路9輸出的電源分別連接到USB通訊接口1、可編程邏輯器件2、高精度D/A變換電路3、信號調理濾波電路4、高壓輸出電路5、電壓變化電路7和高精度A/D變換電路8。

所述軟體部分用於配置可編程邏輯器件2，可編程邏輯器件2是本發明的核心部分，包括直接數字頻率合成(DDS)模塊10、任意波形配置表模塊11、自適應預失真處理模塊12、數字幅度控制13模塊和通訊接口控制14模塊。

其中，通訊接口控制模塊14與USB通訊接口1相連，通訊接口控制模塊14的輸出分別連接到直接數字頻率合成(DDS)模塊10、任意波形配置表模塊11和數字幅度控制模塊13。直接數字頻率合成(DDS)模塊10的輸出連接到自適應預失真處理模塊12，任意波形配置表模塊11的輸出連接到直接數字頻率合成(DDS)模塊10，數字幅度控制模塊13的輸入與高精度A/D變換電路8的輸出連接，數字幅度控制模塊13的輸出連接到自適應預失真處理模塊12，自適應預失真處理模塊12的輸出連接到高精度D/A變換電路3。

本發明的工作原理如下：

USB通訊接口1用於從外部獲取需要輸出的信號幅度、頻率、波形配置信息，並把接收的信息輸入到可編程邏輯器件2。由可編程邏輯器件2內部配置的通訊接口控制模塊14接收來自USB通訊接口1的信息，並分別傳送給直接數字頻率合成(DDS)模塊10、任意波形配置表模塊11和數字幅度控制模塊13；根據獲取的信號幅度、頻率、波形配置信息，經過任意波形配置表模塊11和直接數字頻率合成(DDS)模塊10合成相應的輸出波形進入到自適應預失真處理模塊12；同時，從高精度A/D變換電路8反饋的信號經過數字幅度控制模塊13變換以後，進入自適應預失真處理模塊12。在自適應預失真處理模塊12中，自適應預失真算法在消除高壓信號失真的同時，還能夠完成對信號幅度的精確控制，並將最終的信號輸出到高精度D/A變換電路3。高精度D/A變換電路3把接收的數字波形信號變換為模擬電壓信號輸出到信號調理濾波電路4。信號調理濾波電路4把接收的單極性信號變換為雙極性信號並進行濾波，然後輸出信號進入高壓輸出電路5。高壓輸出電路5能夠對信號進行高壓放大輸出，輸出的高壓信號一路通過輸出接口6對外輸出，一路進入電壓變換電路7進行電壓變換。電壓變換電路7把接收的雙極性信號變換為單極性信號並把信號幅度變換到能夠適應高精度A/D變換電路8的輸入範圍，然後輸出信號進入高精度A/D變換電路8。高精度A/D變換電路8把接收的模擬電壓信號變換為數位訊號輸入到可編程邏輯器件2。電源分配電路9主要用於對硬體電路各部分供電。

本實施例中，高精度D/A變換電路3和高精度A/D變換電路8中，DA和AD變換器的精度要求不低於16位。電壓變換電路7和高精度A/D變換電路8在工作的環境溫度範圍內的穩定性能夠滿足輸出信號的精度要求。高壓輸出電路5中的高壓運放的增益帶寬積必須在信號輸出頻率範圍內滿足輸出幅度要求。直接數字頻率合成(DDS)模塊10的相位累加器位數最好大於24位，任意波形配置表模塊11、自適應預失真處理模塊12和數字幅度控制模塊13中的處理位寬要求不低於16位。自適應預失真處理模塊12的算法要求對輸出信號能夠提供精確的幅度調節控制。

上面對本發明的實施例作了詳細說明，上述實施方式僅為本發明的最優實施例，但是本發明並不限於上述實施例，在本領域普通技術人員所具備的知識範圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下做出各種變化。