信號分析儀的製作方法
2023-10-28 04:44:02 2
專利名稱：信號分析儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種信號分析儀，具體地說是一種利用虛擬儀器技術、使用LabVIEW的數據採集編程程序的信號分析儀。
背景技術：
被譽為「測控技術的革命」和「21世紀的技術」之虛擬儀器技術成功地應用在航空、航天和工業控制等領域。其主要特點是用軟體代替硬體製成各種具有測量和控制功能的儀器或設備，它的硬體部分只有一個數據採集卡，實現被測信號由模擬量到數字量的轉換，利用工業計算機以及虛擬儀器技術，完成數據處理、計算、分析、顯示、存儲和輸出。常用的在線監測儀器或裝置，大多採用硬體原理研製而成，雖然是智能化儀器，通常也只能實現動態信號分析或編碼器在線測試某種單一的功能。如何將編碼器在線測試、動態信號分析、多通道數據記錄和復現、高速模擬數據存儲和復現、高速數字數據存儲和復現這五種功能集於一體，亦即用一臺儀器取代五臺儀器，往往是實際生產在線監測系統中所遇到的技術難題。
發明內容
本實用新型要解決的技術問題是提供一種利用虛擬儀器技術和筆記本電腦，集模/數轉換處理、存儲、波形顯示和信號復現功能於一體、測試、攜帶簡便的信號分析儀。
為解決上述技術問題，本實用新型由信號調理器和筆記本電腦兩部分組成，用線纜將此兩部分電連接，筆記本電腦上設置有數據採集卡，所述數據採集卡分別經線纜與信號調理器上的接口相連；在線測試信號送入模擬信號調理電路、數位訊號調理電路、編碼器信號調理電路，分別經線纜輸入到數據採集卡中，將模擬信號進行模/數轉換、將數位訊號進行計數後輸至筆記本電腦中；經筆記本電腦的運作，完成編碼器在線測試、動態信號分析、多通道數據記錄和復現、高速模擬數據存儲和復現、高速數字數據存儲和復現。
作為本實用新型的一種改進，所述模擬信號調理電路、數位訊號調理電路分別設置成至少八路信號輸入，且1～8路輸入通道之間相互隔離；所述編碼器信號調理電路，有A、B、Z三相信號輸入；上述輸入的信號經調理後分別經線纜送至筆記本電腦中。
作為本實用新型的另一種改進，所述信號調理器面板上設置有模擬信號調理電路的輸入通道、至少有八路、電壓-電流轉換開關、至少有八路、數位訊號調理電路的輸入通道、至少有八路、編碼器信號調理電路的輸入通道、有A、B、Z三相、電源開關、電量指示燈、線纜接口，所述信號調理器採用電池供電，所述電池固接在信號調理器內，充電器接口位於信號調理器的側面，熔斷器固接在信號調理器中。所述編碼器信號調理電路由隔離電路、整形電路、鑑相電路組成，所述隔離電路由電阻R1、高速光電耦合器U2組成，所述整形電路包括正反饋分壓電路、電壓比較器U3、施密特觸發器U4A和U4B、低通濾波器，其輸出端接至信號調理器上的接口，其中，所述正反饋分壓電路由可調電位器W1、電阻R3和R4組成，在施密特觸發器U4A和U4B之間連接著由電阻R6、電容C2組成的低通濾波器，所述鑑相電路由D觸發器U1構成，鑑相電路的輸入信號為經過隔離、整形電路的A相和B相信號，其輸出端U/D接至信號調理器上的接口，編碼器信號調理電路的輸出端經接口、線纜接至數據採集卡。
本實用新型是一種利用虛擬儀器技術、使用LabVIEW的數據採集編程程序的信號分析儀。它將編碼器在線測試、動態信號分析、多通道教據記錄和復現、高速模擬數據存儲和復現、高速數字數據存儲和復現五種功能集於一身，也就是說，使用一臺儀器就相當於擁有了五臺儀器，體積和價格相對大幅下降。一般工業信號的分析處理均採用工業控制計算機，價格高且通用性較差，本實用新型採用筆記本電腦，便於攜帶、價格相對於工控計算機也低了許多。本實用新型測試、攜帶可靠簡便，同時，還能將測試數據存於筆記本電腦、並能在電腦中及時編輯測試文件；還可將數據、文檔通過網絡直接傳到需要的測試中心，以便及時進行數據分析處理。
以下結合附圖對本實用新型的具體實施方式
作進一步的詳細說明。
圖1示出了本實用新型的信號分析儀的系統工作框圖。
圖2為圖1所示分析儀的一種結構示意圖。
圖3為圖1所示分析儀的一種電路框圖。
圖4為圖1所示分析儀的一種編碼器鑑相電路原理圖。
圖5為圖1所示分析儀的一種整形電路原理圖。
圖6為圖1所示分析儀的一種模擬信號調理電路原理圖。
圖7為圖1所示分析儀的一種數位訊號調理電路原理圖。
圖8示出了本實用新型的信號分析儀一種軟體流程圖。
具體實施方式
本實用新型的信號分析儀即編碼器在線測試、數據採集的系統工作框圖由圖1示出。從圖1～圖3中可知，本信號分析儀由信號調理器和筆記本電腦兩部分組成，用線纜將此兩部分電連接，筆記本電腦4上設置有數據採集卡2、3，所述數據採集卡2、3分別經線纜5、6與信號調理器1上的接口14、15相連；在線測試信號送入模擬信號調理電路7、數位訊號調理電路9、編碼器信號調理電路10，經調理後分別經線纜5、6輸入到數據採集卡2、3中，將模擬信號進行模/數轉換、將數位訊號進行計數後輸至筆記本電腦4中，經筆記本電腦4的運作，完成編碼器在線測試、動態信號分析、多通道數據記錄和復現、高速模擬數據存儲和復現、高速數字數據存儲和復現五種功能。所述模擬信號調理電路7、數位訊號調理電路9分別設置成至少八路信號輸入，且1～8路輸入通道之間相互隔離，編碼器信號調理電路10有A、B、Z三相信號輸入，即10-A、10-B和10-Z相，上述輸入的信號經調理後分別經線纜5、6送至筆記本電腦4中。所述信號調理器1面板上設置有模擬信號調理電路7的輸入通道、至少有八路，即7-1～7-8路、電壓-電流轉換開關8、至少有八路、即8-1～8-8路、數位訊號調理電路9的輸入通道、至少有八路，即9-1～9-8路、編碼器信號調理電路10的輸入通道有A、B、Z三相、即10-A、10-B、10-Z相、電源開關11、電量指示燈12、線纜接口14和15，所述信號調理器1採用電池供電，所述電池固接在信號調理器1內，充電器接口16位於信號調理器1的側面，熔斷器13固接在信號調理器1中。由圖2、圖3和圖8示出，本實用新型的分析儀通過軟體來實現所述的五種功能，各功能面板都是軟體實現的虛擬面板。本分析儀開發所使用的軟體是美國NI公司開發的面向儀器與測試過程的圖形化開發平臺LabVIEW，使用的程式語言是基於圖形化編程的G語言。圖4和圖5示出了編碼器信號調理電路10由隔離電路整形電路、鑑相電路組成，整形電路的輸出接至接口15；鑑相電路的輸入信號為編碼器信號經過隔離、整形電路的A相和B相信號，其輸出端U/D也接至接口15。隔離電路包括電阻R1、高速光電耦合器U2；編碼器的輸出信號送至高速光電耦合器U2，由於6N137型高速光電耦合器U2是電流驅動器件，可以構成電流環傳輸，這種低阻抗電路對噪聲不敏感，抗幹擾能力較強。且光電耦合器U2還可對系統起到安全保護作用，它切斷現場與接收端系統之間的地線迴路，使二者能用獨立的電源供電，消除二地間電位差帶來的影響和危害，並可防止現場一側在運行和檢修時由於故障和錯誤造成的強電混入，使系統免遭致命的傷害。整形電路包括正反饋分壓電路、電壓比較器U3、施密特觸發器U4A和U4B、低通濾波器，所述正反饋分壓電路由可調電位器W1、電阻R3和R4組成，在施密特觸發器U4A和U4B之間連接著由電阻R6、電容C2組成的低通濾波器。編碼器選用增量式光電旋轉編碼器較為合理。編碼器有A、B、Z相輸出信號，Z相信號是一個代表零位的脈衝信號，用於調零和對位。採用74HC74型D觸發器U1進行鑑相來判斷編碼器的正反轉，A相與B相脈衝相位相差90°，兩相相比為高電平表示編碼器正轉，反之，為低電平則表示編碼器反轉。為了保證輸出波形的可靠性，在設計時採用了具有施密特電路特性的LM339型電壓比較器U3。考慮到如果輸入信號中有噪聲而進行電平比較時，輸出會出現「跳躍」，因此，用可調電位器W1、電阻R3和R4組成正反饋分壓電路，以產生一定的滯後電壓，使其穩定工作。這樣利用電壓比較器U3就消除了由於高速光電耦合器U2內部噪聲電壓帶來的幹擾。在電壓比較器U3之後，加入了74HC14型施密特觸發器U4A和U4B，它具有回差、溫度補償作用。所述施密特觸發器U4A和U4B除用作抗幹擾外還用來作輸出接口和整形。此外，為進一步剔除附加在脈衝波形上的高頻信號，特在U4A、U4B之間加一RC(電阻R6、電容C2)低通濾波器。由圖6可知，所述模擬信號調理電路7包括依次電連接的瞬態電壓吸收電路、電壓-電流切換開關S1、電流接收器U5、隔離運算放大電路、有源低通濾波器，其中，所述瞬態電壓吸收電路由電阻R7、瞬態電壓抑制器D1組成，所述隔離運算放大電路由隔離運算放大器U6、電容C5～C8組成，所述有源低通濾波器由運算放大器U7、電阻R8和電容C10、電阻R9和電容C9組成，模擬信號調理電路的輸出端經接口15、線纜5接至數據採集卡2。本分析儀的模擬信號調理電路主要完成信號的轉換，即4～20mA的電流信號到0～5V電壓信號的線性轉換、模擬電壓信號的線形隔離、低通濾波等功能。本分析儀設置成可以同時接收至少八路模擬信號，現以其中一路為例加以說明。現場需測試的模擬信號採用單端輸入的形式經帶屏蔽的BNC插座輸入，首先經過由R7、D1組成的瞬態電壓吸收電路，此吸收電路設計的保護點電壓為±12V，保護功率最大可達600W，然後信號輸至電流-電壓切換開關S1。本分析儀測試的模擬信號分為兩類。一類是0～±10V的電壓信號，另一類是4～20mA的電流信號。所述切換開關S1根據輸入的信號類型分別切換至相應類型如果輸入4～20mA的電流信號，切換開關S1將其送至電流接收器U5，將其線性轉換成0～5V的電壓信號後輸送至隔離運算放大電路，然後再進行低通濾波；如果是電壓信號經過所述切換開關S1直接輸至線性隔離運算放大後再進行低通濾波。電流接收器U5是一個RCV420型精密電流環接收器，它能將4～20mA電流信號線性轉換為0～5V電壓信號。由於數據採集系統所檢測的設備可能會有高壓瞬變現象，足以損壞筆記本電腦4和數據採集卡2和3，因此必須將傳感器信號同電腦4隔離開來，使系統安全得到保證。此外，必須要保證插入式數據採集卡的讀數不致受到地電位或共態電壓差異的影響。數據採集卡每次輸入採集信號時，都需要以「地」為基準，如果在兩「地」之間存在電位差，就可能導致地環路的產生，從而造成所採集的信號再現不準確。如果這一電位差太大，則可能危及到測試系統的安全。利用隔離的信號調理電路就可以消除地環路，保證準確的採集信號。所以加入了模擬電壓的線性隔離電路，由圖6示出，隔離運算放大器U6是採用新穎的調製/解調技術所設計的低成本ISO124型精密電容隔離放大器，因為輸入部分和輸出部分的電路完全對稱，因此使輸出端能高精度復現輸入信號。這種電路與光隔離放大器、變壓器耦合隔離放大器的不同之處在於通過隔離電容傳輸的不是模擬信號，而是通過滯回調製/解調技術產生的500kHz數字調製信號，隔離元件的特性不會影響信號的完整性，且具有較好的高頻暫態性能。在隔離運算放大器U6之後必須加入由OPA4277型運算放大器U7和二階RC網絡組成的有源低通濾波器，用於濾除高頻信號的噪聲幹擾。由圖7示出的數位訊號調理電路可以得知，所述數位訊號調理電路9包括依次電連接的隔離電路、整形電路，所述隔離電路由電阻R10、光電耦合器U8組成，所述整形電路包括正反饋分壓電路、電壓比較器U9，其中，所述正反饋分壓電路由可調電位器W2、電阻R12和R13組成，所述數位訊號調理電路9的輸出端經接口14、線纜6接至數據採集卡3。在現場中還有許多數位訊號的輸出，這些數位訊號即所謂的開關量輸入，如控制器件的輸出電平信號，這些信號與編碼器的輸出信號相比，其頻率要低許多，基本在1kHz以下。從圖7可以看出，所述數位訊號調理電路9在結構上與編碼器調理電路10相比，除了少了一個接口電路外，其他電路連接相同。光電耦合器U8選用TLP521型光電耦合器，電壓比較器U9的型號為LM339。數據採集卡2、3實現將輸入的模擬信號進行A/D轉換、將數位訊號進行計數的功能。本分析儀設置了數據採集卡2、3，其中，數據採集卡2用於編碼器信號與模擬信號的數據採集，選用美國NI公司生產的DAQCard-6062E型數據採集卡。它最高採樣率可達500kHz/S，用戶可以選擇16路單端通道或8路差分通道的模擬輸入，2路12位模擬輸出通道，8根數字I/O線和2個24位計數器/定時器，具有模擬和數字觸發功能。另外，用於數位訊號採集選用的數據採集卡3型號為DAQCard-6533，是一個32位的高速數字採集卡。為防止數據採集卡2、3被線纜拉出，需用NI專用板卡連接固定器將其固定。本分析儀的信號調理器1採用大容量鋰電池供電。當電量指示燈12亮度不足或不亮時，需要進行充電。充電時須先將信號調理器1上的電源開關11置於「開」的狀態，再將充電器連接到位於信號調理器1側面的充電器接口16上。儘量減少鋰電池的頻繁充放電，推薦用完再充滿的原則，以達到最佳存儲效果且延長電池的使用壽命。
權利要求1.一種信號分析儀，由信號調理器和筆記本電腦兩部分組成，用線纜將此兩部分電連接，其特徵在於在筆記本電腦(4)上設置有數據採集卡(2)、(3)，所述數據採集卡(2)、(3)分別經線纜(5)、(6)與信號調理器(1)上的接口(14)、(15)相連；在線測試信號送入模擬信號調理電路(7)、數位訊號調理電路(9)、編碼器信號調理電路(10)，分別經線纜(5)、(6)輸入到數據採集卡(2)、(3)中，將模擬信號進行模/數轉換、將數位訊號進行計數後輸至筆記本電腦(4)中。
2.根據權利要求1所述的信號分析儀，其特徵在於所述模擬信號調理電路(7)、數位訊號調理電路(9)分別設置成至少八路信號輸入，且1～8路輸入通道之間相互隔離；所述編碼器信號調理電路(10)，有A、B、Z三相信號輸入；上述輸入的信號經調理後分別經線纜(5)、(6)送至筆記本電腦(4)中。
3.根據權利要求1或2所述的信號分析儀，其特徵在於所述信號調理器(1)面板上設置有模擬信號調理電路(7)的輸入通道、至少有八路、即7-1～7-8路、電壓-電流轉換開關(8)、至少有八路、即8-1～8-8路、數位訊號調理電路(9)的輸入通道、至少有八路，即9-1～9-8路、編碼器信號調理電路(10)的輸入通道有A、B、Z三相、即(10-A)、(10-B)、(10-Z)相、電源開關(11)、電量指示燈(12)、線纜接口(14)和(15)，所述信號調理器(1)採用電池供電，所述電池固接在信號調理器(1)內，充電器接口(16)位於信號調理器(1)的側面，熔斷器(13)固接在信號調理器(1)中。
4.根據權利要求1或2所述的信號分析儀，其特徵在於所述編碼器信號調理電路(10)由隔離電路、整形電路、鑑相電路組成，所述隔離電路由電阻R1、高速光電耦合器U2組成，所述整形電路包括正反饋分壓電路、電壓比較器U3、施密特觸發器U4A和U4B、低通濾波器，其輸出端接至接口(15)，其中，所述正反饋分壓電路由可調電位器W1、電阻R3和R4組成，在施密特觸發器U4A和U4B之間連接著由電阻R6、電容C2組成的低通濾波器，所述鑑相電路由D觸發器U1構成，鑑相電路的輸入信號為經過隔離、整形電路的A相和B相信號，其輸出端U/D接至接口(15)，編碼器信號調理電路(10)的輸出端經接口(15)、線纜(5)接至數據採集卡(2)。
5.根據權利要求1或2所述的信號分析儀，其特徵在於所述模擬信號調理電路(7)包括依次電連接的瞬態電壓吸收電路、電壓-電流切換開關S1、電流接收器U5、隔離運算放大電路、有源低通濾波器，其中，所述瞬態電壓吸收電路由電阻R7、瞬態電壓抑制器D1組成，所述隔離運算放大電路由隔離運算放大器U6、電容C5～C8組成，所述有源低通濾波器由運算放大器U7、電阻R8和電容C10、電阻R9和電容C9組成，所述模擬信號調理電路的輸出端經接口(15)、線纜(5)接至數據採集卡(2)。
6.根據權利要求1或2所述的信號分析儀，其特徵在於所述數位訊號調理電路(9)包括依次電連接的隔離電路、整形電路，所述隔離電路由電阻R10、光電耦合器U8組成，所述整形電路包括正反饋分壓電路、電壓比較器U9，其中，所述正反饋分壓電路由可調電位器W2、電阻R12和R13組成，所述數位訊號調理電路(9)的輸出端經接口(14)、線纜(6)接至數據採集卡(3)。
專利摘要一種信號分析儀，由信號調理器和筆記本電腦組成，用線纜將此兩部分電連接，筆記本電腦上設置有數據採集卡，所述數據採集卡分別經線纜連接到信號調理器上的接口；在線測試信號送入模擬信號調理電路、數位訊號調理電路、編碼器信號調理電路，分別經數據採集卡輸至筆記本電腦中。本實用新型利用虛擬儀器技術，使用LabVIEW的數據採集編程程序，將編碼器在線測試、動態信號分析、多通道數據記錄和復現、高速模擬數據存儲和復現、高速數字數據存儲和復現五種功能集於一身，體積和價格大幅降低，測試、攜帶簡便可靠。廣泛用於實時測量、信號採集、分析與處理等領域。
文檔編號G06F11/22GK2845017SQ20052007491
公開日2006年12月6日 申請日期2005年8月23日 優先權日2005年8月23日
發明者許樂飛, 邵永逸 申請人:常州潞城傳感器有限公司