信號數位化儀的製作方法

2023-05-08 09:46:16 3

專利名稱：信號數位化儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種信號數位化儀，屬儀器儀表技術領域。
信號數位化是將需要進行計算機數位化分析的模擬電壓信號，如測量用傳感器測到的電壓信號或任何其它的電壓信號，在一個受計算機控制的集成系統中進行一系列的預處理，並最終轉化為數字量信號數位化儀與計算機僅通過印表機並行口連接和交換數據。它是數字信息處理系統最基本，也是最重要的組成部分之一，是現代測試分析必不可少的，有著廣泛的工程技術應用背景。
利用通用計算機代替專用信號處理機進行信號處理和分析，已成為當今國內外信號處理的一大趨勢。目前的信號數位化處理，大多是放大、抗混濾波及模數轉換等都由分離的儀器或裝置連接在一起進行工作。模數轉換則是以計算機擴展電路板的形式插入計算機擴展槽中工作。測量時需要分別連接，統一調試。這樣使得信號的數位化裝置種類繁雜，很不規範，通用性不好。特別是一些在線信號處理，工作起來往往很困難。例如，車輛運行過程中的振動、噪聲及工況監測等，目前大多使用可攜式或筆記本式微機，現有的模數轉換裝置(A/D板)均難以安裝到這類微機中，而一般微機在此環境下工作很不方便，有時甚至難以進行。此外，由於放大、抗混濾波和模數轉換的分離狀態，使得測量繁瑣，且不易實現程控，一定程度上影響了測量結果的可靠性和精確性。
本實用新型的目的是設計一種信號數位化儀，以解決上述信號測試中存在的問題，將信號的放大、抗混濾波及模數轉換等集成到一個獨立的裝置中，僅通過微機上的印表機並行口與微機相連接，完成對該裝置的計算機控制和數據傳遞。
本實用新型設計的信號數位化儀，由信號變換部分、主控部分和手控部分組成，其中的信號變換部分包括
(1)將外部8路電壓信號接入的多通道轉換器(U51)；(2)將輸入的電壓信號進行放大的兩級程控放大器，由晶片(U53，U39)和運算放大器(U101，U102，U103，U104)組成；(3)將上述放大後的信號進行抗混濾波的低通濾波器(U42)和運算放大器電路(U105)；(4)將上述抗混濾波後的信號進行A/D轉換的採樣保持器(U44)和A/D變換器(U46)；(5)用以將A/D轉換後的數字量通過印表機並行口線送入計算機的數據鎖存器(U50，U52和U54)。
其中的主控部分包括(1)將計算機通過印表機並行口送來的控制信息分配到各鎖存器上的總線驅動器(U1)；(2)鎖存信號變換部分的放大增益信號的信號鎖存器(U3和U5，U4和(U6)；(3)用以控制A/D啟動信號和濾波頻率信號的數據鎖存器(U7，U8，U9)和定時器(U17，U18)；(4)用以控制信號變換部分的8選1控制信息的數據鎖存器(U10)；(5)將計算機通過印表機並行口線送來的地址選通信號解碼、選通的地址解碼器(U15和U16)和觸發器(U55-58)。
其中的手控部分包括(1)接收手動控制信息，控制信號轉換部分的放大器增益和濾波頻率的8個微動按鈕；(2)接收濾波頻率的手動信號的計數器U23和用LED顯示控制狀態的解碼器(U30)；(3)選擇控制脈衝，並將其送至信號變換部分低通濾波器的模擬開關(U33)；(4)根據手動控制信息產生的直通信號，生成濾波旁通控制信號，並將其通往信號變換部分模擬開關(U43)以控制濾波旁通的門電路(G1)；(5)接收放大器增益的手動控制信息，使其變為兩級放大器的增益控制信號的計數器(U25)和解碼器(U29和U31)，再將控制信號鎖存輸出的鎖存器(U35和U37)；(6)協調放大器增益的主控和手動控制轉換的反相器G2-G4和控制旁通第二級放大器的門電路(G5和G6)；(7)控制LED顯示放大器增益的控制狀態的電平顯示器(U34和U36)。


圖1是本實用新型設計的信號數位化儀的組成框圖。
圖2是信號數位化儀的信號變換部分的電路原理圖。
圖3是主控部分電路原理圖。
圖4是手控部分電路原理圖。
以下結合附圖詳細介紹本實用新型的內容。本信號數位化儀由完全獨立的、電路相同的A、B兩通道構成，為了簡明起見，以下對圖2、圖4所示的信號變換部分和手動部分的一個通道的組成和電路原理給以說明，但在圖3所示的主控部分中仍保留兩個通道的控制信息。
信號變換部分電路原理如圖2所示。外部8路電壓信號(CH0-CH7)經多通道轉換器U51(4501)接入，U51根據主控部分送來的控制信息(ASLC)，從中選擇1路作為輸入。選中的輸入信號經數模轉換器U53和U39(DAC0832)和運算放大器U101，U102，U103組成的兩級程控放大器放大。程控放大器的增益控制信息(AMA1)和(AMA2)由主控部分或手控部分控制。
放大後的信號通過低通濾波器U42(RF5609)進行抗混濾波。濾波頻率控制脈衝(LPFACLK)由手控部分模擬開關U33控制。從抗混濾波器出來的信號由採樣保持器U44(LF398)和A/D變換器U46(AD574)進行A/D變換得到數字量。A/D變換開始信息(ADRC)由主控部分的定時器U17提供；結束信息(1/GT1)也送回主控部分的U17。數字量經數據鎖存器U50，U52和U54(74LS373)分三次通過印表機並行口線，送入計算機，其選通信號(ALIE、AMOE、AHOE)由主控部分的地址解碼器U15提供。U8(LB1405)用於顯示放大後的信號電平。模擬開關U38(4053)用於旁通第一級放大器，其控制信號(A*1)來自手控部分的……U31，模擬開關U41(4053)用於旁通第二級放大器，其控制信號(A/DC/AC)來自手控部分的G6。模擬開關U43(4053)是為了設定濾波器的旁通，其控制信號(ALPFEN)由手動部分的G1提供。
主控部分接收計算機送來的控制信息以控制整個信號變換部分的工作。圖3是主控部分的電路原理圖。計算機通過印表機並行口線送來的控制數據(DIN0-7)，經總線驅動器U1(74HCT245)分配到各鎖存器上。數據鎖存器U3和U5(74HC373)鎖存並送出A通道兩級放大器增益。數據鎖存器U7、U8(74HC373)和定時器U17(8253)聯合協調工作，以控制生成A/D啟動信號(ADRC)，並將此信號送入信號變換部分的模數轉換器U46，並接收U46送回的A/D結束信號(1GT0)，由此向印表機並行口送出A/D結束信號(AOUT)。定時器U17的時鐘輸入(CLK2)來自標準時鐘脈衝電路。數據鎖存器U9、U8(74HC373)和定時器U18(8253)聯合控制生成A、B兩通道的濾波頻率控制信號(2OUT0、2OUT1)。A通道濾波頻率控制信號(2/OUT0)送往手動控制部分的模擬開關U33，再與手動部分協調以控制濾波頻率。U18的輸入時鐘CLK0來自標準時鐘脈衝電路。數據鎖存器U10(74HC273)鎖存A、B兩通道的8選1控制信息(ASLC、BSLC)，A通道的信息(ASLC)送往信號轉換部分的U51。計算機通過印表機並行口線送來的地址選通信號(AIN0-2和AIN3)經地址解碼器U15和U16(74HC138)解碼，再經觸發器U55-U58(74HC221)產生的延時脈衝控制各鎖存器的選通。U15還譯出A、B兩通道的A/D轉換數據選通控制信號(ALOE、AMOE、AHOE、BLOE、BMOE、BHOE)，A通道的選通控制信號(ALOE、AMOE、AHOE)分別送往信號轉換部分的U50、U52和U54。
手動控制部分的電路原理如圖4所示，本儀器通過8個微動按鈕(A、B兩通道)接收手動控制信息(A通道為LPAU、LPAD、AMAU、AMAD)，以控制信號轉換部分的放大器增益和濾波頻率，計數器U23(74HC193)接受濾波頻率的手動控制信息，經解碼器U30(74LS138)用LED顯示控制狀態，並控制模擬開關U33(74LS151)選擇來自主控部分的控制脈衝(2/OUT0)還是來自標準時鐘電路的控制脈衝(CLK1-6)之一，作為抗混濾波頻率的控制脈衝(LPFACLK)，然後送往信號轉換部分的U42。門電路G1根據手動控制信息產生的直通信號，生成濾波旁通控制信號(ALPFEN)，送往信號變換部分的U43以控制濾波旁通。計數器U25(74HC193)接收放大器增益的手動控制信息，經解碼器U29和U31(74HC138)變為兩級放大器的增益控制數據，再經鎖存器U35和U37(74HC240)鎖存輸出(AMA1、AMA2)。鎖存器U61(74HC373)鎖定增益為1時的控制數據(AMA1)。反相器G2-G4協調放大器增益的主控與手動控制的轉換；門電路G5和G6控制第二級放大器增益為1時，生成控制信號(A/DC/AC)，並將其送往信號轉換部分U41以控制旁通第二級放大器。從U31引出第一級放大器增益手動控制為1時的控制信號(A*1)，送往信號轉換部分U38，以控制第一級放大器的旁通。電平顯示器U34和U36(74LS373)控制LED顯示放大器增益的控制狀態。
本實用新型的優點是不僅使測量方便，系統簡練，而且信號的數位化過程中的控制參數，如放大倍數、低通截止頻率、A/D採樣頻率等既可手動，也可完全程控。且有放大增益範圍寬(72Bd)，抗混衰減陡峭(80dB/Oct)，最高採樣頻率達32KHz，雙通道同時採樣，多通道擴展等。可滿足大多數工程信號的處理。本機還帶有使用方便、功能強大的微機示波器軟體，供測試檢測用。本機可通過微機上的印表機並行口直接與各種微機相連，適應性廣，通用性強，並可實時監測信號的輸入情況，進行光電報警。
權利要求1.一種信號數位化儀，其特徵在於該數位化儀由信號變換部分、主控部分和手控部分組成，其中所述的信號變換部分包括(1)將外部8路電壓信號接入的多通道轉換器(U51)；(2)將輸入的電壓信號進行放大的兩級程控放大器，由晶片(U53，U39)和運算放大器(U101，U102，U103，U104)組成；(3)將上述放大後的信號進行抗混濾波的低通濾波器(U42)和運算放大器電路(U105)；(4)將上述抗混濾波後的信號進行A/D轉換的採樣保持器(U44)和A/D變換器(U46)；(5)用以將A/D轉換後的數字量通過印表機並行口線送入計算機的數據鎖存器(U50，U52和U54)；其中所述的主控部分包括；(1)將計算機通過印表機並行口送來的控制信息分配到各鎖存器上的總線驅動器(U1)；(2)鎖存信號變換部分的放大增益信號的信號鎖存器(U3和U5，U4和(U6)；(3)用以控制A/D啟動信號和濾波頻率信號的數據鎖存器(U7，U8，U9)和定時器(U17，U18)；(4)用以控制信號變換部分的8選1控制信息的數據鎖存器(U10)；(5)將計算機通過印表機並行口線送來的地址選通信號解碼、選通的地址解碼器(U15和U16)和觸發器(U55-58)；其中的手控部分包括(1)接收手動控制信息，控制信號轉換部分的放大器增益和濾波頻率的8個微動按鈕；(2)接收濾波頻率的手動信號的計數器U23和用LED顯示控制狀態的解碼器(U30)；(3)選擇控制脈衝，並將其送至信號變換部分低通濾波器的模擬開關(U33)；(4)根據手動控制信息產生的直通信號，生成濾波旁通控制信號，並將其通往信號變換部分模擬開關(U43)以控制濾波旁通的門電路(G1)；(5)接收放大器增益的手動控制信息，使其變為兩級放大器的增益控制信號的計數器(U25)和解碼器(U29和U31)，再將控制信號鎖存輸出的鎖存器(U35和U37)；(6)協調放大器增益的主控和手動控制轉換的反相器G2-G4和控制旁通第二級放大器的門電路(G5和G6)；(7)控制LED顯示放大器增益的控制狀態的電平顯示器(U34和U36)。
專利摘要本實用新型涉及一種信號數位化儀，將信號的放大、抗混濾波及模數轉換等集成到一個獨立的裝置中，僅通過微機上的印表機並行口與微機相連接，完成對該裝置的計算機控制和數據傳遞。本實用新型設計的信號數位化儀，由信號變換部分、主控部分和手動部分組成，信號數位化過程中的控制參數，如放大倍數、低通截止頻率、A/D採樣頻率等，既可手動，也可完全程控。本儀器具有放大增益範圍寬、抗混衰減陡峭、採樣頻率高、雙通道同時採樣、多通道擴展等優點，可用於大多數工程信號的處理。
文檔編號G06F3/05GK2243096SQ9520888
公開日1996年12月18日 申請日期1995年4月28日 優先權日1995年4月28日
發明者連小珉, 儀垂傑, 謝華, 蔣孝煜 申請人:清華大學