专利名称：一种适合于网络分析的浮置式测量系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电子测量仪器领域，具体涉及网络分析仪和频率特性分析仪器。
背景技术：
本实用新型所述的一种适合于网络分析的浮置式测量系统，广泛应用在频率特性分析仪以及网络分析仪等电子测量仪器的科研、生产和教学领域，用于测试电子线路、低压电气网络、自动控制系统、传感器和电子元器件的频率特性及多种网络参数，克服了现有一些产品被测试网络接入时考虑接入电位问题的弊端。是一种既能测试输入输出具有公共接地参考电位的被测网络又能测量浮置式双口输入输出网络频率特性的电子式测量仪器。本实用新型所述的网络分析仪器浮置的输入输出电路，不需要特别考虑输入信号电平和被测对象的接地电位，能够在短时间内高精度测量动态变化着的频率响应特性，操作简单。
实用新型内容本实用新型以图1所示测量系统所特有的结构的形式，公开了一种适合于网络分析的浮置式测量系统。图1所述的一种适合于网络分析的浮置式测量系统包括MCU主控单元模块(101)、激励信号源模块(102)、信号检测与转换控制模块(110)、总线隔离器 0(114)、总线隔离器1(115)、模拟信号隔离器(106)和被测网络(105)模块。MCU主控模块通过总线隔离器0、总线隔离器1分别于激励信号源模块、信号检测与转换控制模块连接； 激励信号源模块的输出与被测网络的输入相连接；被测网络的输出与信号检测与转换控制模块的输入相连接；模拟信号隔离器的输入与激励信号源模块的输出相连接，模拟信号隔离器的输出与信号检测与转换主控模块的输入相连接。所述的MCU(微控制器)主控单元模块(101)包括微处理器系统、程序存储单元、 键盘输入单元、打印单元和显示单元，还可以包括多种通信接口单元等。MCU主控模块、激励信号源模块、信号检测与转换控制模块被总线隔离器0、总线隔离器1和模拟信号隔离器分割成具有不同参考电位的浮置式模块；被测网络的输入输出回路可以具有独立的参考电位；被测网络的输入输出也可以具有相同的参考电位。被测网络的输入信号经模拟信号隔离器之后，连同被测网络的输出信号一起作为信号检测与转换控制模块的输入；被测网络的激励信号和响应信号应该被两个相同的A/D转换器以高于被测网络带宽2倍以上的采样率同步采样。所述的激励信号源模块(10 可以产生被测网络产生所需的多种激励信号，例如正弦波、正弦扫频信号或其它调频、调幅、调相信号等。所述的被测网络(10 可以是各种电子式有源或无源网络，其输入与输出可以具有公共接电位，也可以是任何输入输出浮置式的双口网络。所述的模拟信号隔离器(106)可以是光介质的电气隔离器，亦可以是磁介质的电气隔离器，是用来隔离被测网络(105)的输入激励Xl(104)和输出响应信号X2(107)以及Xl经变换产生的信号X3(108)，但并不影响被测网络的输入输出具有公共参考电位的应用场合。所述的信号检测与转换控制模块(110)可以包括模拟信号检测电路、衰减和放大电路等，也包括将模拟信号转换成数字信号的器件(A/D转换器或ADC)及其与之相关的器件；对于多路模拟输入信号，可能还需要考虑两路信号的同步采样而设置的同步采集电路。所述的总线隔离器0(114)、总线隔离器1(115)用来将MCU主控模块(101)和系统供电电源隔离起来。使激励信号源模块(102)、信号检测与转换控制模块(110)与MCU主控模块(101)具有不同的参考电位，即分别是参考电位互相浮置式的独立参考电位模块。所述的MCU主控模块(101)通过总线隔离器0(114)与激励信号源模块(102)相连接，向激励信号源模块(10 发送控制参数、启停命令等控制信号。所述的MCU主控模块(101)通过总线隔离器1 (115)与信号检测与转换控制模块 (110)相连接，用来读取由信号检测与转换控制模块(110)获取的采样数据，由MCU主控模块(101)进行运算处理。所述的激励信号源模块(102)的输出与被测网络(105)的输入端相连接，为被测网络提供参考电位为GNDl (10 的激励信号Xl (104)；激励信号源模块(10 的输出又与模拟信号隔离器(106)的输入连接；模拟信号隔离器(106)的输出信号X3(108)是输入信号Xl经过模拟信号隔离器(106)变换之后、且与Xl具有不同参考电位的模拟信号。所述的被测网络(105)的输出端与信号检测与转换控制模块(110)的输入端相连接。被测网络(105)的输出信号X2 (107)与模拟信号隔离器(106)的输出信号X3 (108) — 起作为信号检测与转换控制模块(110)的输入，它们具有相同的公共参考电位GND2 (109)。所述的MCU主控模块(101)中所有信号均为相对于参考电位GNDO (113)的信号； 所述的激励信号源模块(102)中的所有信号以及输出响应信号Xl都是相对于参考电位 GNDl (103)的信号；所述的信号检测与转换控制模块(110)中的信号以及X3信号均为相对于参考电位GND2 (109)的信号；所述的GNDO、GNDl和GND2是具有相互浮置且独立的模块的参考电位，不连接在一起。由于这种系统电路结构的特点，特别适合于具有输入输出回路浮置式的被测网络频率特性及网络参数的测量，并且也适合于输入输出回路具有公共参考电位的保持网络的测量，使用时不必考虑被测网络的接地电位问题，避免操作失误造成被测网络或器件的损坏，并极大地方便了操作，有益于提高产品的竞争力。
图1是本实用新型所述的一种适合于网络分析的浮置式测量系统的结构框图。图中101是MCU主控模块；102是激励信号源模块；110是信号检测与转换控制模块105是被测网络；114是总线隔离器0 ；115是总线隔离器1 ；106是模拟信号隔离模块104是被测网络激励信号Xl ；107是被测网络的输出响应信号X2 ； 108是模拟信号隔离器的输出信号 X3 ； 113是MCU主控模块的参考电位GNDO ；103是激励信号产生与输出调理模块的参考电位 GNDl ； 109是被测网络的输出、模拟隔离器输出X3和信号检测与转换控制模块输入的参考电位GND2 ；图2是本实用新型所述的实施实例，即频率响应分析仪从各模块在电气上独立的角度划分的原理框图。图2中与图1框图一致的模块采用了相同的图形标号，便于表述。图 2中的202框是将图1中的102框与图1中的模拟信号隔离器合(106)的输入级合在一起的框；图2中的210框是图1中的110框加入了模拟信号隔离器(106)的输出级合在一起形成的；211是图1中激励信号源模块(102)中的一个波形控制单元；209是信号检测与转换控制模块中(110)中的一个功能单元，命名为数据采集控制单元。图2中，206是图1中所述的模拟信号隔离器(106)的一部分，是采用隔离放大器实现的输入级的标号。图3是图2中的202框中的波形控制单元Qll)使用CPLD(复杂可编程器件)的实现；图2中210框中的数据采集控制单元Q09)由FPGA(现场可编程门阵列)的实现，以及与总线隔离器1的具体关系说明框图。图中212是同步采样单元。图4是实施实例所述的频率特性分析仪从仪器功能实现的角度上划分的原理框图。图4中403是波形生成单元、DAC单元和低通滤波器的总和，称为波形生成模块；404框是输出调理模块。211、403和404框图是将图1中102框按功能分解后的框图；408框是加入了模拟信号隔离器(106)形成的信号检测单元。图4中的信号检测单元408又分两个信号检测子单元，即406子单元和407子单元。图5是为一种适合于网络分析的浮置式测量系统的供电的电源结构框图。图5中 500是变压器T ;501是图1中MCU主控模块(101)供电的变压器次级的整流、滤波和稳压I 模块；502是图1中激励信号源模块(102)的供电的变压器次级的整流、滤波和稳压II模块503是为图1中输入调理与转换控制模块(110)供电的变压器次级的整流、滤波和稳压 III模块，它们的输出电压参考电位是相互浮置的。
具体实施方式
本实用新型结合附图2、附图3、附图4来说明频率特性分析仪作为所述的一种适合于网络分析的浮置式测量系统的实现方案，但不作为对本实用新型的限定。本实用新型实施实例描述了一种频率特性分析仪的设计方案、连接关系及其功能的实现。图1中MCU主控模块(101)框图所含的具体实际单元要依具体的设计要求和技术指标而定。图2给出了一般的MCU主控模块所含的程序存储单元、显示单元、打印和键盘输入单元，是现代电子测量仪器广泛采用的电路结构。图1中MCU的选择更为宽泛，可以是个人计算机中所使用的CPU加存储器加外设接口模式，也可以使用流行的ARM嵌入式处理器或DSP数字信号处理器，甚至在功能和速度上要求不高的情况下可以使用各类单片机完成。图1中MCU主控模块(101)与总线隔离器1(115)的连接可以采用SPI串行同步总线，也可以采用IEEE 1394总线，还可以采用UART串行异步总线，以及采用I2S总线。总线确定后，再选择总线隔离芯片，例如美国ADI公司生产的ADUM1301三通道数字隔离器芯片。图2是实施实例所述的频率特性分析仪从浮置式参考电位独立的模块的角度划分的原理框图。图3中说明了总线隔离器1(115)的另一端和信号检测与采集控制模块(110)中的数据采集控制单元(209)相连接。数据采集控制单元(209)是采用FPGA (现场可编程门阵列)芯片实现的，FPGA可以选美国Altera公司生产的产品EP3C25QM0，也可以选美国 Xilinx公司生产的，对于本例无本质区别。所述的FPGA中嵌入的数据采集控制单元(209)，它与图4中的信号检测单元 (408)相连接。FPGA中还设计了总线隔离器0(114)的接口。时钟1接入FPGA的时钟输入引脚。总线隔离器0的另一端与图2中所述的激励信号源模块O02)中的波形控制单元 (211)相连接。图3示出了波形控制单元011)由CPLD(复杂可编程器件)芯片实现的结构，CPLD芯片选择范围广，例如，选美国Altera公司生产的产品EPM570。时钟0接入CPLD 的时钟引脚。MCU主控模块(101)通过总线隔离器1(115)与FPGA相连接，通过FPGA再与总线隔离器0(114)向激励信号产生与输出调理模块(10 发出控制参数和控制命令，以启动激励信号源工作，实现了 MCU主控模块(101)和信号检测与转换控制模块(110)的电气隔离及通信；又实现了 MCU主控模块(101)与激励信号源模块(110)的电气隔离与通信。所述的以GNDl为参考电位的模块包括时钟0以及波形控制单元011)、波形生成模块(40 和输出调理模块004)。所述的以GND2为参考电位的模块包括时钟1以及数据采集控制单元009)、 ADC_1和ADC_2以及同步采样单元(21 、输入缓冲I单元和隔离放大器的输出级；还包括增益调节单元、输入缓冲III单元、放大单元II、衰减控制II单元、输入缓冲II单元。隔离放大器可选ADI公司的芯片，也可选其它公司的隔离放大器；输入缓冲II可选美国 MAX公司的MAX4201芯片等，同样也可选其它公司的产品。图3示出了以波形控制单元011)和数据采集控制单元O09)实现的结构框图。 时钟0接入CPLD，CPLD中实现的波形控制单元(211)的输入与总线隔离器0的一侧相连接； 波形控制单元011)的输出通过总线BUSO与波形生成模块(404)的输入相连接，波形控制单元(211)输出控制参数和控制命令使波形生成单元按一定的工作模式运行；在波形生成模块G03)中，波形生成单元的输出与DAC的数字量输入端相连接，将波形生成单元输出的波形数据转换成阶梯正弦波，再经低通滤波器成为光滑的正弦电流波形；波形生成单元、 DAC单元和低通滤波器单元合起来称为波形生成模块G03)，可选择成品DDS芯片实现，例如ADI公司生产的型号为AD99M的DDS芯片，AD9954内部时钟可工作在IMHz 400MHz， 采用DDS(直接数字频率合成)结构工作，内部具有32位的频率控制字；也可以采用FPGA 由硬件描述语言实现DDS生成的正弦波模块。所述的波形生成模块G03)的输出与输出调理模块G04)的输入相连接；输出调理模块(404)包括I/U转换单元、幅度控制单元、放大单元和衰减单元。所述的输出调理模块(404)用来将波形生成模块(40 输出的电流信号转换成电压信号，再由波形控制单元oil)的总线BUSl输出控制信号，完成幅度控制、放大和衰减功能，以调节输出扫频正弦激励信号Xl (104)的强度，从而实现了被测网络(105)需要的正弦波激励源。所述的信号检测模块(408)划分成两个信号检测子模块(406、407)。信号检测子模块(406)按着从输入到输出依次连接的次序包括采用隔离放大器单元实现的模拟信号隔离器单元(106)、输入缓冲I单元和ADC_1 (模数转换器)单元，用来将激励信号Xl转换成数字信号；信号检测子模块(407)按着从输入到输出依次连接的次序包括输入缓冲II单元、衰减控制II单元、放大单元II、输入缓冲III单元和ADC_2单元(模数转换单元)， 用来完成将被测网络的响应信号X2(107)转换成数字信号的实现。所述的ADC_1和ADC_2应采用高速模数转换器，其分辨率与技术指标有关，例如12 位、14位或16位。有多种选择，例如选择美国LiriearTechnology公司的型号为LTC2207 的A/D转换器，它是16位、80MSPS的高速高分辨率的A/D转换器，它能采样低于40MHz带宽的激励信号源。当前高速ADC的输入多为LVDS (低压差分)输入模式，选择ADC驱动器作为输入缓冲器I和输入缓冲器III的实现，它将单端模拟信号转换成双端输出的LVDS (低压差分) 信号，为ADC_1和ADC_2提供无缝连接的LVDS接口信号。例如选择型号为美国ADI公司的 AD8131或AD8138等ADC驱动芯片。所述的衰减控制I单元和放大单元II单元由数据采集控制模块(209)通过总线 BUS2发出的控制信号，以满足ADC_2输入量程需要。所述的403框中的同步采样单元(21 将时钟信号一分为二，分别接到两个子通道的ADC芯片的时钟输入端来控制采样的同步。同步采样单元(212)可以选择时钟分配器芯片实现，例如选择美国MAX公司生产的型号为MAX9150时钟分配芯片。以上所述的具体实施方式
，应理解为仅为本实用新型的实现方式之一，并不作为限定本实用新型的保护范围，凡涉及本实用新型实质的实施实例均在本实用新型的保护之内，不限于所选器件的具体生产公司、具体型号。凡在本实用新型实质原则之内，所做的任何改动、等同替换、变相改进等，都应视为包含在本实用新型的保护范围之中。
权利要求1.一种适合于网络分析的浮置式测量系统包括MCU主控模块、总线隔离器0、总线隔离器1、激励信号源模块、信号检测与转换控制模块、模拟信号隔离器模块和被测网络；其特征在于MCU主控模块通过总线隔离器0、总线隔离器1分别与激励信号源模块、信号检测与转换控制模块连接；激励信号源模块的输出与被测网络的输入相连接；被测网络的输出与信号检测与转换控制模块的输入相连接；模拟信号隔离器的输入与激励信号源模块的输出相连接，模拟信号隔离器的输出与信号检测与转换主控模块的输入相连接。
2.根据权利要求1所述的一种适合于网络分析的浮置式测量系统的特征在于MCU主控模块、激励信号源模块、信号检测与转换控制模块被总线隔离器0、总线隔离器1和模拟信号隔离器分割成具有不同参考电位的浮置式模块。
3.根据权利要求1所述的一种适合于网络分析的浮置式测量系统的特征在于被测网络的输入输出回路可以具有独立的参考电位；被测网络的输入输出也可以具有相同的参考电位。
4.根据权利要求1所述的一种适合于网络分析的浮置式测量系统的特征还在于被测网络的输入信号经模拟信号隔离器之后，连同被测网络的输出信号一起作为信号检测与转换控制模块的输入。
5.根据权利要求1所述的一种适合于网络分析的浮置式测量系统的特征还在于被测网络的激励信号和响应信号应该被两个相同的A/D转换器以高于被测网络带宽2倍以上的采样率同步采样。
专利摘要本实用新型公开了一种适合于网络分析的浮置式测量系统，包括MCU主控模块、总线隔离器0、总线隔离器1、激励信号源模块、信号检测与转换控制模块、模拟信号隔离器和被测网络。MCU主控模块、激励信号源模块、信号检测与转换控制模块由总线隔离器0、总线隔离器1和模拟信号隔离器隔离，成为浮置式的独立参考电位模块。被测网络的输入输出可以具有公共参考电位，也可以是浮置式的输入输出回路。被测网络的输入信号经模拟信号隔离器之后，连同被测网络的输出信号一起作为信号检测与转换控制模块的输入，要求使用两个高速模数转换器进行同步采样。这种电路结构特别适合于网络分析仪或频率特性分析仪等具有浮置式输入输出回路的被测网络的特性测量。
文档编号G01R31/00GK202083746SQ201120053329
公开日2011年12月21日 申请日期2011年3月3日 优先权日2011年3月3日
发明者赵孔新 申请人:赵孔新