專利名稱：基于pxi總線的電荷放大裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電荷放大裝置，尤其涉及一種用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測或振動控制系統(tǒng)中壓電傳感器的信號調(diào)理、放大裝置，通過該電荷放大裝置可組建基于PXI系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)振動控制系統(tǒng)。
技術(shù)背景
無論是測試系統(tǒng)還是控制系統(tǒng)，通過測量獲取傳感器上的信號，并對信號進行正確處理是系統(tǒng)工作良好的前提。對于早期的測量系統(tǒng)，儀器大都是由不同的廠商各自獨立推出，并且由操作者通過面板控制所需功能。各個儀器之間松散耦合且經(jīng)常不匹配。隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，GPIB、VXI、PCI等接口總線技術(shù)相繼被提了出來，使得計算機成為了測控的核心，該核心技術(shù)所取得的進步從根本上改變了傳統(tǒng)的分布式、面板操控的測量方式，使得測控技術(shù)向著高度自動化和集成化發(fā)展。尤其是PXI技術(shù)標準的提出，它的開放式構(gòu)架、靈活性和個人計算機技術(shù)的成本優(yōu)勢為測控行業(yè)帶來了一場翻天覆地的改革。時至今日，PXI已經(jīng)成為當今測控的標準平臺，并得到了廣泛接受。
PXI將PCI電氣總線的特征與CompactPCI穩(wěn)固的、模塊化歐卡封裝相結(jié)合，在此基礎(chǔ)上還增加了專門的同步總線和關(guān)鍵軟件特性。該系統(tǒng)有三個基本組件構(gòu)成——機箱、系統(tǒng)控制器和外設(shè)模塊。其中機箱為系統(tǒng)提供穩(wěn)固的模塊化封裝；PXI系統(tǒng)控制器可以選擇臺式機、工作站、服務器或者便攜式的遠程控制器和高性能嵌入式控制器；外設(shè)模塊就是基于PXI總線技術(shù)的各種功能性板卡，本發(fā)明提出的多通道電荷放大板卡就屬于外設(shè)模塊。 由于PXI硬件是基于標準PC的技術(shù)(PCI總線以及標準CPU和外設(shè)等)，所以對基于Windows 的PXI系統(tǒng)的開發(fā)和操作與標準的基于Windows的PC并沒用什么不同。此外，由于PXI背板使用業(yè)界標準的PCI/PCI Express總線，所以在絕大多數(shù)情況下，編寫與PXI設(shè)備通信的軟件和PCI設(shè)備的對應部分完全相同，在基于PC系統(tǒng)與基于PXI系統(tǒng)間移植軟件時，現(xiàn)有的應用軟件、范例代碼和編程技術(shù)都不必重新編寫。
壓電式傳感器是一種有源的雙向機電傳感器，它的工作原理是基于壓電材料的壓電效應，具有使用頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、工作可靠等優(yōu)點，因此在壓力沖擊和振動等動態(tài)參數(shù)測試中，是首選的傳感器。但是壓電式傳感器對被測量的變化是通過壓電元件產(chǎn)生電荷量的大小來反映的，一般來說其直接輸出的電信號很微弱，加上其本身具有很大的內(nèi)阻，因而輸出的能量相當微小，若直接使用數(shù)據(jù)采集卡將其產(chǎn)生的模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，大多數(shù)情況下都行不通，所以通常要將信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器上，進行一系列的信號調(diào)理、放大，然后輸出到數(shù)采卡的輸入端，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再進行后續(xù)地處理。一般來說，前置放大器有電壓放大和電荷放大兩種形式，由于電荷放大不受傳感元件后續(xù)連接電纜分布電容變化或自身電容變化而影響靈敏度，所以比電壓放大更受到青睞。而在本質(zhì)上，一個PXI系統(tǒng)中所有的儀器都共享一個電源、機箱和控制器，所以將結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)或振動控制系統(tǒng)中的所有儀器都集成到PXI系統(tǒng)中，不僅提高了可靠性、集成度，還方便了應用程序的開發(fā)。本發(fā)明中的多通道電荷放大板卡正是基于這個要求被提了出來。
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于PXI總線的電荷放大裝置，該裝置可作為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測或控制系統(tǒng)中壓電傳感器的前置信號調(diào)理、放大電路，從而使這種系統(tǒng)小型化， 以至于可以集成在PXI機箱內(nèi)部，并且可以根據(jù)需要進行擴展而成為多通道電荷放大裝置。
技術(shù)方案為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明的基于PXI總線的多通道電荷放大裝置包括至少一個電荷放大模塊、至少一個模擬濾波模塊和至少一個信號反相電路，外界輸入的信號依次經(jīng)過電荷放大模塊、模擬濾波模塊和信號反相電路處理后輸出；鎖存器分別通過第一、第二模擬開關(guān)控制電荷放大模塊和模擬濾波模塊；外界與PXI總線通訊的總線接口芯片通過數(shù)據(jù)總線和地址總線與鎖存器通訊。
所述的電荷放大模塊中，外界輸入的信號輸入其中的AD745運算放大器的反相輸入端，AD745運算放大器的正向輸入端通過第一模擬開關(guān)與鎖存器連接；AD745運算放大器的反相輸入端和輸出端之間并聯(lián)連接至少一個電阻和至少一個電容；AD745運算放大器的輸出端與模擬濾波模塊連接。本發(fā)明的技術(shù)方案中，電荷放大模塊主要包含一個高增益、高輸入阻抗型的集成運算放大器和多組例如三組參數(shù)已知的反饋電容、電阻，通過第一模擬開關(guān)切換不同組的電容、電阻，從而改變電荷放大電路的靈敏度，即相當于增益，電容和電阻連調(diào)的目的是確保反饋電路的時間常數(shù)不變。
上述的電荷放大模塊、模擬濾波模塊和信號反向電路共同組成一個信號調(diào)理模塊。
模擬濾波模塊亦可稱為模擬帶通濾波器電路，其上下限截止頻率通過第二模擬開關(guān)控制不同參數(shù)的電阻分別接入電路來實現(xiàn)，其中濾波器的通帶增益大于1，可以將前置電路出來的電壓信號進行適量放大。
本發(fā)明的技術(shù)方案中，總線接口芯片、鎖存器、第一、第二模擬開關(guān)共同組成程序控制模塊，程序控制模塊主要用來控制電荷放大模塊電路的靈敏度以及模擬濾波器的上下截止頻率等，主要通過第一、第二模擬開關(guān)來實現(xiàn)。但是考慮到驅(qū)動第一、第二模擬開關(guān)的電平信號和PXI總線的電平信號不匹配，所以需要專門的總線接口芯片來將PXI總線中的 32位PCI總線轉(zhuǎn)換為本裝置內(nèi)部采用TTL電平的本地總線。由于本裝置與所處的系統(tǒng)中的控制器之間不需要大量的數(shù)據(jù)傳輸，可以選擇低成本專門的PCI總線接口芯片，接口芯片的驅(qū)動程序可直接調(diào)用芯片廠商提供的DLL文件，進而設(shè)計自己的控制程序并產(chǎn)生特定的控制信號來驅(qū)動模擬開關(guān)。當需要采用本裝置實現(xiàn)多通道電荷放大功能時，需要采用數(shù)量較多的模擬開關(guān)，由于此時模擬開關(guān)的數(shù)量比較多，沒有足夠多的數(shù)據(jù)線分別進行控制，于是在板卡中增加了鎖存器使數(shù)據(jù)線具有了分時復用功能。具體使用時，操作者通過應用程序用戶界面輸入相應命令來設(shè)置電路中的電荷放大靈敏度、濾波器的上下限截止頻率等，使其產(chǎn)生適合后續(xù)數(shù)據(jù)采集卡采集的電壓信號。
本發(fā)明的技術(shù)方案中，根據(jù)需要擴展電荷放大模塊、模擬濾波模塊、信號反向電路的個數(shù)，即可實現(xiàn)多通道的電荷放大器，例如擴展至四通道、八通道等。
當基于PXI技術(shù)的測控系統(tǒng)中，需要用到與電荷放大器相關(guān)的信號調(diào)理電路時， 本電荷放大裝置即可被采用。在實際工作時，操作者首先根據(jù)測控系統(tǒng)的實際情況在應用程序用戶界面上選擇電荷放大模塊的增益以及模擬濾波模塊的參數(shù)，應用程序根據(jù)上述參數(shù)反推出模擬開關(guān)的工作狀態(tài)，進而通過本地總線進行控制。一旦控制命令發(fā)出后，在整個測控過程中，相關(guān)參數(shù)原則上不再改變。由于板卡事先已經(jīng)經(jīng)過標定，此時壓電傳感器的信號放大倍數(shù)固定，數(shù)據(jù)采集卡采集信號后，可以通過上位機應用程序反推出實際信號的特征。
因為所采用的元器件參數(shù)會有一定誤差，最終會影響到放大倍數(shù)的精確性，所以在模擬濾波模塊后加上了放大增益可微調(diào)的反相電路，電路中保留了若干個精密的可調(diào)電阻，每一個可調(diào)電阻對應電荷放大模塊電路中的反饋電容，當選擇了某個放大倍數(shù)時，相應的可調(diào)電阻也被接入到反相電路中，該電阻的阻值在傳感器標定時，人為進行調(diào)節(jié)。
為了消除電路以及測控系統(tǒng)中的高頻噪聲，或者測量沖擊載荷時因為傳感器阻尼因素過低而產(chǎn)生的固有振蕩，本裝置中采用低通濾波器，同時起到抗混疊濾波的作用。為了減少電路中直流漂移的影響，同時某些結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中，低頻分量也不需要的，所以在電路中可以設(shè)計高通濾波器。綜合考慮，在本裝置的電路中設(shè)計了帶通濾波器。但是有些信號，例如沖擊載荷、方波信號等，需要有較寬的通帶頻率才能保證信號在還原時不會有失真，因此下限頻率的值設(shè)計得均比較低，上限頻率的值可供選擇的范圍應比較廣。
由于模擬開關(guān)或多或少都有導通電阻、注入電荷、漏電流等影響，開關(guān)切換頻率又不快，因此選擇用電平觸發(fā)控制的繼電器開關(guān)應該是最優(yōu)的，但是繼電器開關(guān)體積較大，且大都只集成一路輸入輸出，而板卡要基于PXI標準設(shè)計，印刷板有著嚴格的尺寸要求，選擇繼電器開關(guān)的話，元器件布局的設(shè)計會相當困難。綜合考慮，選擇了體積較小的模擬開關(guān)芯片。但在具體型號上選擇導通電阻低，低電容、低電荷注入的型號。
為了最大程度地抑制電路噪聲以及外界干擾，本裝置的電路焊接完成后應徹底清洗，必要時用低溫等離子火焰將器件表面可能殘留的污漬清理掉，同時可采用專門的屏蔽盒將相關(guān)模擬電路屏蔽進去。
有益效果本發(fā)明的基于PXI總線的電荷放裝置，其設(shè)計專門針對基于PXI平臺的測控系統(tǒng)，為后續(xù)基于PXI技術(shù)的數(shù)據(jù)采集卡提供合適的電壓信號，提高了 PXI技術(shù)標準平臺下系統(tǒng)的集成度、可靠性，提高了測控系統(tǒng)的集成度和操作的簡潔程度，便于基于PXI平臺的測控系統(tǒng)實現(xiàn)不斷移動過程中的便攜式測控，同時與整個系統(tǒng)采用相同的程序開發(fā)軟件，大大方便了應用程序的設(shè)計和開發(fā)，利用程序進行控制還取代了通用型電荷放大器需要手動在面板上進行調(diào)節(jié)的不足，進一步提高了系統(tǒng)的自動化程度。
說明書附1是本發(fā)明一個實施例的原理圖； 圖2是本發(fā)明的一個實施例的信號調(diào)理模塊示意圖； 圖3是本發(fā)明的一個實施例的硬件設(shè)置示意圖。
具體實施方式
如

圖1所示，本實施例的基于PXI總線的電荷放大裝置電荷放大模塊、模擬濾波模塊和信號反相電路，外界輸入的信號依次經(jīng)過電荷放大模塊、模擬濾波模塊和信號反相電路處理后輸出；鎖存器分別通過第一、第二模擬開關(guān)控制電荷放大模塊和模擬濾波模塊； 外界與PXI總線通訊的總線接口芯片通過數(shù)據(jù)總線和地址總線與鎖存器通訊。本實施例的基于PXI總線的電荷放大裝置集成為一板卡，由于程控時應用程序控制的是PXI總線上的相關(guān)電平信號，但該電平信號無法直接驅(qū)動模擬開關(guān)，所以板卡中加入了專門的總線接口芯片，由于該板卡是信號調(diào)理電路，和系統(tǒng)控制器之間不會有大量的數(shù)據(jù)交換，所以這里選擇使用低成本的PCI總線接口芯片，如某公司出產(chǎn)的CH365芯片。該芯片是連接PCI總線的通用接口芯片，支持I/O端口映射、存儲器映射、擴展ROM以及中斷，適用于高速實時的I/O 控制卡、通訊接口卡、數(shù)據(jù)采集卡等。它能將32位PCI總線轉(zhuǎn)換為主動并行接口，包括8位數(shù)據(jù)線和16位地址線。圖1中虛線部分是某一個通道的原理圖，本實施例的電荷放大裝置有四路這樣的通道，各個通道共用CH365芯片提供的8位數(shù)據(jù)線，而地址線直接連接各個鎖存器上的鎖存使能端口，在這里鎖存器選擇常見的74LS373集成芯片，其鎖存使能端口為第11個引腳即Enable端，板卡工作時先通過設(shè)置地址線上的電平高低來決定鎖存器的工作狀態(tài)，如果鎖存使能端為高電平，則鎖存器的8位輸出電平對應著總線接口芯片8位的數(shù)據(jù)線電平，一旦使能端為低電平，則無論數(shù)據(jù)線上電平如何改變，鎖存器的輸出均不變，此時設(shè)置其他通道的參數(shù)時，使能端為低電平的鎖存器對應通道上的相關(guān)參數(shù)不再改變。整個板卡使用了 PXI機箱提供的+12V和+5V電源，由于信號調(diào)理電路中模擬開關(guān)和集成運放芯片要求使用士 15V的雙極性電源，所以在板卡上增加了+12V轉(zhuǎn)士 15V的DC-DC轉(zhuǎn)換模塊。
圖2所示是電荷放大板卡中信號調(diào)理模塊的具體原理圖，它包括電荷信號的放大、濾波、以及信號反向三部分，該原理圖同時還指明了本實施例中各芯片具體型號的選擇。電荷放大模塊中集成運算放大器選用了一款低噪聲的BiFET運放AD745，為美國ADI公司的產(chǎn)品，具有極低的輸入電壓噪聲，較大的帶寬和壓擺率以及極高的阻抗。由于FET輸入型運放，其內(nèi)部偏置電路的電流噪聲會通過柵-源電容耦合到運放輸入端，進而增大輸入電壓噪聲，因此與信號源阻抗匹配顯得尤為重要，做得好就能消除這些噪聲，所以在實際電路中，AD745的正輸入端應增加一個聚酯纖維型旁路電容和電阻。反饋網(wǎng)絡中的反饋電容CV值越小，傳感器的靈敏度越高，但電纜電容變化的影響也相應增大，降低了傳感器精度，也影響了其低頻特性，因此這里將靈敏度設(shè)置成可調(diào)形式，一方面相當于增益可調(diào)，另一方面也可以結(jié)合連接電纜的形式設(shè)置合適的靈敏度，再在后續(xù)電路中設(shè)置增益。在本板卡設(shè)計時，主要考慮的是較短的連接電纜，因此具體設(shè)置靈敏度時主要參考AD745出來的電壓信號，即出來的電壓信號變化范圍在芯片供電電壓的三分之二左右，所以在這里設(shè)置靈敏度，相當于改變增益。
模擬濾波模塊包括一個高通濾波器和一個低通濾波器。對于高通濾波器，設(shè)計要求不是很高，主要就是減少電路中直流漂移的影響，因此在電路中串聯(lián)電容即可，如圖2中的它和電阻晷共同決定了濾波器下限頻率，改變電「且鳥的值就可以改變下限頻率的值，電路中馬和馬共同決定了高通濾波器的通帶增益。不管是濾波器還是反相放大器，電路中的運放均選擇普通的運放芯片LF347，原因是該芯片內(nèi)部集成四個運算放大器，因此一個芯片就可以滿足一個通道的要求，減少了芯片數(shù)量以及印刷電路板布局、布線難度。同時該芯片的功能也達到了電路要求，不影響板卡整體性能。對于低通濾波器，設(shè)計要求比低通濾波器要高，主要是因為電路以及傳感器中的高頻噪聲比較復雜且大，同時壓電傳感器的有用信號本身就比較小，對電路信噪比要求極高，及時將高頻信號濾除可以有效地防止信號被噪聲淹沒，同時對后續(xù)的AD采樣有一個抗混疊濾波的作用，保證數(shù)采卡采集的信號可以真實地還原出傳感器感應到的信號。這里低通濾波器的設(shè)計參考了薩倫·基濾波電路，設(shè)計了巴特沃思二階低通濾波器，使其通帶范圍內(nèi)沒有波紋，由于濾波器品質(zhì)因子設(shè)計成0.707不變，且通帶增益為1，電容q、q的值也被固定，所以其截止頻率由鳥和為共同決定。
由于信號調(diào)理模塊中，電荷放大部分的輸出電壓信號與原始信號相反，濾波器部分并沒有改變相位，為了使最終的輸出信號和傳感器原始信號相同，在后續(xù)電路中還增加了反相器。同時圖中電阻尾的值可以改變，但變化范圍比較小，可以使該部分增益在-ι附近變化，適當?shù)姆糯蠡蚩s小信號。這是由于電路中各個元器件參數(shù)值不是很精確，并且模擬開關(guān)還有一定的導通電阻，測試后一旦感覺整個傳感器電路的誤差較大(嚴重時大于5%)，此時可以調(diào)節(jié)馬的值進行適當?shù)男ＵＴ趯嶋H電路中，并列著多個可調(diào)電阻，每一個可調(diào)電阻對應一級靈敏度，這就確保了每一級靈敏度都可以獨立校正，而不是互相受到影響。
由于CH365芯片的8位數(shù)據(jù)線可以共用，通道的選擇與設(shè)置理論上僅由一根地址線進行控制。CH365芯片上留有16根地址線，但低8位地址線以及第9、10位地址線通過調(diào)用廠家提供的接口函數(shù)進行控制比較復雜，因此本實施例的板卡其實只用了芯片的高三位地址線，通過3-8譯碼器將其擴展成8路輸出，而板卡實際只使用了 4路輸出用于控制4個通道。因此本板卡可以很容易擴展至8通道，而不需要增加總線接口芯片和電源轉(zhuǎn)換模塊等。實際設(shè)計時，在印刷電路板固定位置留有一排16個管腳的排針，其中8個管腳接數(shù)據(jù)線，4個管腳接3-8譯碼器的另外4路輸出，其余4個管腳中任意3個用于接士 15V的電源和地線，擴展板中的四路通道僅需要這17個管腳的信號或電源即可工作。同時在電路板特定位置還預留了Φ 3mm的通孔，用于固定擴展板卡和屏蔽盒，具體位置如圖3所示。
權(quán)利要求
1.一種基于PXI總線的電荷放大裝置，其特征在于，包括至少一個電荷放大模塊、至少一個模擬濾波模塊和至少一個信號反相電路，外界輸入的信號依次經(jīng)過電荷放大模塊、模擬濾波模塊和信號反相電路處理后輸出；鎖存器分別通過第一、第二模擬開關(guān)控制電荷放大模塊和模擬濾波模塊；外界與PXI總線通訊的總線接口芯片通過數(shù)據(jù)總線和地址總線與鎖存器通訊。
2.如權(quán)利要求1所述的基于PXI總線的電荷放大裝置，其特征在于，所述的電荷放大模塊中，外界輸入的信號輸入其中的AD745運算放大器的反相輸入端，AD745運算放大器的正向輸入端通過第一模擬開關(guān)與鎖存器連接；AD745運算放大器的反相輸入端和輸出端之間并聯(lián)連接至少一個電阻(Rf)和至少一個電容(Cf) ；AD745運算放大器的輸出端與模擬濾波模塊連接。
3.如權(quán)利要求1所述的基于PXI總線的電荷放大裝置，其特征在于，所述的鎖存器通過第一模擬開關(guān)對電荷放大模塊進行靈敏度設(shè)置。
4.如權(quán)利要求1所述的基于PXI總線的電荷放大裝置，其特征在于，所述的鎖存器通過第二模擬開關(guān)對模擬濾波模塊輸出截止頻率進行設(shè)置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于PXI總線的電荷放大裝置，其特征在于，包括至少一個電荷放大模塊、至少一個模擬濾波模塊和至少一個信號反相電路，外界輸入的信號依次經(jīng)過電荷放大模塊、模擬濾波模塊和信號反相電路處理后輸出；鎖存器分別通過第一、第二模擬開關(guān)控制電荷放大模塊和模擬濾波模塊；外界與PXI總線通訊的總線接口芯片通過數(shù)據(jù)總線和地址總線與鎖存器通訊。該裝置用于壓電式傳感器的信號調(diào)理，為后續(xù)基于PXI總線的數(shù)據(jù)采集卡提供合適的電壓信號，方便集成并基于PXI平臺的測控系統(tǒng)，并利用程序進行控制，提高了測控系統(tǒng)的集成度和操作的簡潔程度，便于便攜式測控。
文檔編號H03F3/70GK102522959SQ20111039971
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月6日
發(fā)明者吳義鵬, 季宏麗, 裘進浩, 閻志坤 申請人:南京浩之德智能科技有限公司