一種寬帶數據採集系統前端模擬信號調理裝置製造方法
2023-05-09 03:57:56
一種寬帶數據採集系統前端模擬信號調理裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種寬帶數據採集系統前端模擬信號的處理裝置，包括：直流/交流信號選擇電路、信號衰減與補償電路、電壓跟隨電路、程控放大電路、電平搬移電路以及控制器；直流/交流信號選擇電路的輸出端與信號衰減與補償電路連接；信號衰減與補償電路的輸出端與電壓跟隨電路連接；電壓跟隨電路的輸出端與程控放大電路連接；程控放大電路的輸出端與電平搬移電路連接；電平搬移電路將本寬帶數據採集系統前端模擬信號的處理裝置處理後的前端模擬信號輸出至與其連接的多通道AD轉換器進行採樣處理。控制器的輸出端通過輸出控制信號控制各個模塊的運行。本實用新型可以處理頻率為直流到100Mhz、幅度為0到200V的模擬信號的調理。
【專利說明】一種寬帶數據採集系統前端模擬信號調理裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及電力【技術領域】，尤其涉及一種寬帶數據採集系統前端模擬信號調
理裝置。
【背景技術】
[0002]對於光纖傳感【技術領域】，比較重要的兩種技術是光源技術與光信號採集技術。在光信號採集技術中，需要採集的光信號主要分為兩種:光幹涉信號與光散射信號，其中光幹涉信號經過光電轉換後，轉換出的電信號頻率較低，採用低速電路去處理即可；光散射信號經過光電轉換後，轉換出的電信號頻率高，需要高速電路去處理。
[0003]由於現在模數(AD)採樣的技術已經非常成熟，對於不同頻率的信號特徵，可以選用不同的AD轉換器去處理。
[0004]但是現有技術的AD採樣技術的難點在於對AD採樣前端模擬信號的處理，也就是整個數據採集系統的前端模擬信號的處理，這直接決定了後級AD採樣的數據的精確度。
[0005]現有技術中沒有能對AD採樣前端模擬信號進行高精度處理的技術。
實用新型內容
[0006]本實用新型要解決的技術問題在於，提供一種寬帶數據採集系統前端模擬信號調理技術，尤其是一種可以處理頻率為直流到lOOMhz、幅度為O到200V的模擬信號的調理技術。
[0007]為解決上述技術問題，本實用新型所採用的方案是:
[0008]一種寬帶數據採集系統前端模擬信號的處理裝置，包括:直流/交流信號選擇電路、信號衰減與補償電路、電壓跟隨電路、程控放大電路、電平搬移電路以及控制器；
[0009]所述直流/交流信號選擇電路的輸出端與所述信號衰減與補償電路連接；所述信號衰減與補償電路的輸出端與所述電壓跟隨電路連接；所述電壓跟隨電路的輸出端與所述程控放大電路連接；所述程控放大電路的輸出端與所述電平搬移電路連接；
[0010]所述電平搬移電路將本寬帶數據採集系統前端模擬信號的處理裝置處理後的前端模擬信號輸出至與其連接的多通道AD轉換器進行採樣處理。
[0011]所述控制器的輸出端與所述直流/交流信號選擇電路、信號衰減與補償電路、電壓跟隨電路、程控放大電路、電平搬移電路連接，通過輸出控制信號控制其運行。
[0012]其中，所述直流/交流信號選擇電路由電容Cl與繼電器REl組成；繼電器REl具有1-4號引腳，其中I號引腳為控制端，該I號引腳通過一個電阻R13與所述控制器的IO口相連接，連接點為CH1_A⑶C。
[0013]其中，所述信號衰減與補償電路由並聯的固定電容C2和可調電容C2*，以及並聯的固定電容C3和可調電容C3*，以及電阻Rl、R2、R3、R4、和繼電器TQ2-5V組成，所述繼電器TQ2-5V的具有1-10號引腳，其中10號引腳為控制端，通過一 PNP型三極體Ql與所述控制器相連接，連接點為CH1_ATT。[0014]其中，所述電壓跟隨電路採用高精度、高速、高輸入阻抗的軌對軌運算放大器U5AD8065 ；
[0015]所述程控放大電路採用指程控放大器AD603 ；
[0016]所述電平搬移電路由運算放大器U7與連接它的阻容器件組成。
[0017]與現有技術相比，本實用新型的寬帶數據採集系統前端模擬信號調理裝置具有以下有益效果:
[0018]本實用新型提供的寬帶數據採集系統前端模擬信號調理裝置，可以處理頻率為直流到lOOMhz、幅度為O到200V的前端模擬信號，為對前端模擬信號進行採樣提供了保證，大幅度提高了對前端模擬信號進行採樣的精度和準確性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0020]圖1是本實用新型的寬帶數據採集系統前端模擬信號的調理裝置實施例一的結構示意圖。
[0021]圖2是本實用新型的寬帶數據採集系統前端模擬信號的調理裝置實施例二的結構示意圖。
[0022]圖3是本實用新型的寬帶數據採集系統前端模擬信號的調理裝置進行信號調理的方法實施例的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0023]為了解決以上現有技術中存在的無法對前端模擬信號進行處理難題，本實用新型提出了一種寬帶數據採集系統前端模擬信號的調理裝置及方法，可以同時應用於幹涉信號與散射信號的處理，還可以拓寬到其他信號採集【技術領域】相關模擬信號的處理。可以處理的模擬信號的頻率從直流到lOOMhz、幅度為-200V到200V。
[0024]如圖1所示，本實用新型提供的一種寬帶數據採集系統前端模擬信號的處理裝置，該裝置用於對前端模擬信號進行調理後，輸入至於其連接的多通道AD轉換器進行AD採樣處理，其具體包括:
[0025]直流/交流信號選擇電路10、信號衰減與補償電路11、電壓跟隨電路12、程控放大電路13、電平搬移電路14以及控制器15 ；
[0026]所述直流/交流信號選擇電路10的輸出端與所述信號衰減與補償電路11連接；所述信號衰減與補償電路11的輸出端與所述電壓跟隨電路12連接；所述電壓跟隨電路12的輸出端與所述程控放大電路13連接；所述程控放大電路13的輸出端與所述電平搬移電路14連接；
[0027]所述電平搬移電路14將本寬帶數據採集系統前端模擬信號的處理裝置處理後的前端模擬信號輸出至與其連接的多通道AD轉換器2進行採樣處理。
[0028]所述控制器15的輸出端與所述直流/交流信號選擇電路10、信號衰減與補償電路11、電壓跟隨電路12、程控放大電路13、電平搬移電路14連接，通過輸出控制信號控制其運行。
[0029]具體實現中，如圖2所示:
[0030]所述直流/交流信號選擇電路由電容Cl與繼電器REl組成；繼電器REl具有1_4號引腳，其中I號引腳為控制端，該I號引腳通過一個電阻R13與所述控制器(圖未示)的IO 口相連接，連接點為CH1_A⑶C。
[0031]而所述信號衰減與補償電路由並聯的固定電容C2和可調電容C2*，以及並聯的固定電容C3和可調電容C3*，以及電阻Rl、R2、R3、R4、和繼電器TQ2-5V組成，所述繼電器TQ2-5V的具有1-10號引腳，其中10號引腳為控制端，通過一 PNP型三極體Ql與所述控制器(圖未示)相連接，連接點為CH1_ATT。
[0032]其中，所述電壓跟隨電路採用高精度、高速、高輸入阻抗的軌對軌運算放大器U5AD8065 ;所述程控放大電路採用指程控放大器AD603 ;所述電平搬移電路由運算放大器U7與連接它的阻容器件組成。
[0033]本實用新型提供一種寬帶數據採集系統前端模擬信號調理裝置進行信號調理的方法如圖3所示，其具體步驟包括:
[0034]步驟100，接收前端模擬信號；
[0035]步驟101，所述直流/交流信號選擇電路在所述控制器的控制下對所述前端模擬信號進行耦合處理；
[0036]具體實現中，所述直流/交流信號選擇電路在所述控制器的控制下對所述前端模擬信號進行耦合處理的步驟，包括:
[0037]所述控制器發送一電平信號控制所述直流/交流信號選擇電路的繼電器REl的開合；
[0038]所述繼電器REl閉合時，所述直流/交流信號選擇電路處於直流耦合方式並採用直流耦合方式對所述前端模擬信號進行耦合處理；
[0039]所述繼電器REl打開時，所述直流/交流信號選擇電路處於交流耦合方式並採用交流耦合方式對所述前端模擬信號進行耦合處理。
[0040]步驟102，經所述直流/交流信號選擇電路耦合的前端模擬信號進入所述信號衰減與補償電路進行信號衰減處理和補償處理，得到高內阻的衰減信號以滿足所述電壓跟隨電路對於輸入電壓的要求；
[0041 ] 具體實現中，該步驟包括:
[0042]當將所述信號衰減與補償電路的衰減倍數默認設置為衰減2倍；
[0043]所述進入信號衰減與補償電路的前端模擬信號為N，當該前端模擬信號N為峰峰值小於IOV的信號時，默認其衰減2倍，衰減處理後的前端模擬信號為N* (R2+R3+R4) /(R1+R2+R3+R4) =1/2*N ;當該前端模擬信號N為峰峰值在10疒400V之間的信號時，默認其衰減50倍，衰減處理後的前端模擬信號為N*R4/ R1+R2+R3+R4=1/50*N。
[0044]步驟103，所述高內阻的衰減信號輸入至所述電壓跟隨電路，該電壓跟隨電路對輸入的高內阻的衰減信號進行阻抗變換，輸出小內阻的前端模擬信號至所述程控放大電路；
[0045]步驟104，所述程控放大電路對輸入其中的前端模擬信號進行放大處理後得到一雙極性信號；[0046]具體實現中，該步驟包括:
[0047]通過一雙路12位DA轉換器產生一電壓信號；
[0048]將該電壓信號輸入至在所述程控放大電路的輸入端，以控制該程控放大電路以與該電壓信號相應的放大倍數對所述前端模擬信號進行放大處理得到一雙極性信號。
[0049]步驟105，所述電平搬移電路將所述雙極性信號轉換成單極性信號後輸出至與所述寬帶數據採集系統前端模擬信號處理連接的多通道AD轉換器進行採樣處理。
[0050]具體實現中，該步驟包括:
[0051]通過所述雙路12位DA轉換器產生另一電壓信號；
[0052]將該電壓信號輸入至在所述電平搬移電路的輸入端，以控制該電平搬移電路將所述雙極性信號轉換成單極性信號。
[0053]以下將結合圖2詳細說明本實用新型提供的寬帶數據採集系統前端模擬信號調理裝置進行信號調理的方法實現過程。
[0054]首先，前端模擬信號通過BNC接頭連接到寬帶數據採集系統前端模擬信號調理裝置中，控制器(具體可為FPGA或者ARM處理器)通過連接端CH1_A⑶C發送一電平信號來控制繼電器REl的開合。當繼電器REl閉合時，則選了直流耦合方式；當繼電器REl打開時，則選擇了交流耦合方式。
[0055]隨後，經耦合處理的前端模擬信號進入信號衰減與補償電路，進入的前端模擬信號默認衰減2倍，記信號為N，則經過衰減與補償網絡的信號為N* (R2+R3+R4) /(R1+R2+R3+R4) =1/2*N。
[0056]當峰峰值小於IOV的信號進入的時候，按照默認的衰減2倍；當峰峰值在10疒400V之間的信號進來時則衰減約50倍，N*R4/ R1+R2+R3+R4=1/50*N。這樣經過衰減處理的前端模擬信號則可滿足下一級電壓跟隨電路對於輸入電壓的要求(具體幅值為-5V到+5V)。
[0057]同時由於信號的衰減作用使得高速輸入的前端模擬信號，如方波信號的邊沿變緩，所以信號衰減與補償電路採用補償的辦法將R1、R2、R3做並聯電容處理，同時為了達到最優化的效果，電容採用固定容值電容與可調電容並聯的方式，如圖中的C2與C2*、C3與C3*，這樣方便調整信號的邊沿，直至讓方波信號邊沿變的陡峭為止。
[0058]這樣，高速的前端模擬信號通過衰減與補償網絡後，將前端模擬信號的損耗降到了最低。經過衰減與補償網絡的前端模擬信號進入電壓跟隨電路。該電壓跟隨電路由電壓跟隨器AD8065組成。電壓跟隨器AD8065為一種高精度、高速、高輸入阻抗的軌對軌運算放大器，對輸入的高內阻的衰減信號進行阻抗變換，經其I號引腳輸出的信號內阻很小，然後進入到程控放大電路。
[0059]程控放大電路的主要核心器件為AD603，在其連接端CH1_VAMP輸入一電壓信號，可以控制輸入信號的放大倍數，其中電壓信號是通過一個雙路12位DA轉換器TLV5618產生，可以對電壓信號進行精確、細微步進的控制，從而精確控制AD603對輸入信號的放大倍數。具體實現中，放大倍數根據實際需要進行設定。
[0060]DA轉換器TLV5618通過SPI接口與控制器連接，控制器內部將需要控制的電壓做成一查找表的形式輸出給AD轉換器用以設定AD輸出電壓。
[0061]需要說明的是，經過程控放大的信號是一雙極性信號，因為大部分的AD轉換器需要單極性信號，因此需要疊加一個直流電平信號用以轉換成單極性信號，將雙極性信號轉換成單極性信號的功能由電平搬移電路完成。
[0062]在電平搬移電路的連接端CH1_VP0S輸入一電壓信號，可以實現雙極性信號與單極性信號的轉換。這一電壓信號同樣由雙路DA轉換器TLV5618實現，實現原理同控制程控放大器的方法。
[0063]經過電平搬移電路將雙極性信號轉換為單極性信號之後，對前端模擬信號調理完畢。調理完畢的信號通過AD_CH1端輸出，供給多通道AD採樣電路(圖中未有標出)進行採樣處理。
[0064]與現有技術相比，本實用新型的寬帶數據採集系統前端模擬信號調理裝置及方法具有以下有益效果:
[0065]本實用新型提供的寬帶數據採集系統前端模擬信號調理裝置及方法，可以處理頻率為直流到lOOMhz、幅度為O到200V的前端模擬信號，為對前端模擬信號進行採樣提供了保證，大幅度提高了對前端模擬信號進行採樣的精度和準確性。
[0066]以上內容是結合具體的優選實施方式對本實用新型所作的進一步詳細說明，不能認定本實用新型的具體實施只局限於這些說明。對於本實用新型所屬【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬於本實用新型的保護範圍。
【權利要求】
1.一種寬帶數據採集系統前端模擬信號的處理裝置，其特徵在於，包括:直流/交流信號選擇電路、信號衰減與補償電路、電壓跟隨電路、程控放大電路、電平搬移電路以及控制器； 所述直流/交流信號選擇電路的輸出端與所述信號衰減與補償電路連接；所述信號衰減與補償電路的輸出端與所述電壓跟隨電路連接；所述電壓跟隨電路的輸出端與所述程控放大電路連接；所述程控放大電路的輸出端與所述電平搬移電路連接； 所述電平搬移電路將本寬帶數據採集系統前端模擬信號的處理裝置處理後的前端模擬信號輸出至與其連接的多通道AD轉換器進行採樣處理； 所述控制器的輸出端與所述直流/交流信號選擇電路、信號衰減與補償電路、電壓跟隨電路、程控放大電路、電平搬移電路連接，通過輸出控制信號控制其運行。
2.如權利要求1所述的寬帶數據採集系統前端模擬信號的處理裝置，其特徵在於，所述直流/交流信號選擇電路由電容Cl與繼電器REl組成；繼電器REl具有1-4號引腳，其中I號引腳為控制端，該I號引腳通過一個電阻R13與所述控制器的IO 口相連接，連接點為 CH1_ACDC。
3.如權利要求1所述的寬帶數據採集系統前端模擬信號的處理裝置，其特徵在於，所述信號衰減與補償電路由並聯的固定電容C2和可調電容C2*，以及並聯的固定電容C3和可調電容C3*，以及電阻Rl、R2、R3、R4、和繼電器TQ2-5V組成，所述繼電器TQ2-5V的具有1-10號引腳，其中10號引腳為控制端，通過一 PNP型三極體Ql與所述控制器相連接，連接點為 CH1_ATT。
4.如權利要求1所述的寬帶數據採集系統前端模擬信號的處理裝置，其特徵在於，所述電壓跟隨電路採用高精度、高速、高輸入阻抗的軌對軌運算放大器U5 AD8065 ； 所述程控放大電路採用指程控放大器AD603 ； 所述電平搬移電路由運算放大器U7與連接它的阻容器件組成。
【文檔編號】H03M1/54GK203747800SQ201420088420
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年2月28日 優先權日:2014年2月28日
【發明者】田傑, 王同志, 餘鵬, 姚森敬, 譚王堅, 巨林 申請人:深圳供電局有限公司, 上海華魏光纖傳感技術有限公司