一种可变幅值正弦信号源及传感器的制作方法

1.本发明涉及传感器技术领域，更具体地说，涉及一种可变幅值正弦信号源及传感器。


背景技术：

2.对于大部分电学传感器，包括电涡流传感器、电容传感器和lvdt，通常需要一个高精度的、用于测量信号调制的正弦信号源。而为了进一步提高传感器的精度，往往需要涉及到传感器的校准、温度补偿等功能的设计，这就需要一种精密可变幅值的正弦信号源。
3.目前常见的正弦信号的产生方法包括直接数字合成(dds)和谐振电路法。谐振电路法可以产生单一频率和固定幅值的正弦信号，但它的频率和幅值的稳定性都一般；dds可以产生频率范围宽、具有一定幅值调节能力的正弦信号，但它的幅值精度较差，因为内部数模转换器(da)很难同时兼顾高速和高精度的两种特征，且幅值的可变分辨率不高，难以满足精密传感器的应用需求。
4.经过检索，中国专利申请201410257425.0，公开日2014-08-27，公开了一种相敏轨道测试用信号源，包括键盘、单片机模块、第一滤波电路、第一功率放大电路、第二滤波电路、第二功率放大电路、稳压电源电路、运算放大电路、真有效值电路、显示驱动电路和八位led数码管显示电路；运用单片机技术和模拟电子技术相结合，通过单片机程序控制就可以产生两个信号频率完全相同、频率漂移很小、相位差可变的方波信号；再通过两个电路参数完全相同的带通滤波器，对方波中的高次谐波进行滤波，从而获得所需正弦波，然后再通过功率放大级，放大到我们所需要的电压功率。但是其强调的是产生两路正弦波，输出幅值精度较低，无法用于精密传感器应用。


技术实现要素：

5.1.要解决的技术问题
6.针对现有技术中存在的现有传感器精密信号源不易调节，可调信号源不够精密的问题，本发明提供了一种可变幅值正弦信号源及传感器，整体结构简单，不需要复杂电路，仅仅通过单片机的一路pwm信号，结合adc和dac来获得相应的可变正弦信号，成本低，精度高。
7.2.技术方案
8.本发明的目的通过以下技术方案实现。
9.一种可变幅值正弦信号源，包括单片机，单片机pwm输出端与反相器输入端连接，反相器由精密dac供电，反相器输出端连接高阶滤波器，高阶滤波器输出正弦信号。
10.更进一步的，还包括乘法器，高阶滤波器输出和反相器输出作为乘法器输入，乘法器信号通过滤波后进行模数转换后进入单片机。
11.更进一步的，还包括整流电路，高阶滤波器输出正弦信号通过整流电路进行整流后，进行模数转换后进入单片机。
12.更进一步的，所述的单片机通过串行外设接口与模数转换器通信，通过模数转换器采集滤波后的直流电压，得到正弦的幅值信息。
13.更进一步的，单片机通过串行外设接口与数模转换器通信，通过数模转换器供电反相器。
14.更进一步的，所述的高阶滤波器可通过若干个低阶滤波器串联组成或直接为高阶滤波器。采用串联的低阶滤波器不少于4个。采用串联的低阶滤波器可以大大降低设计难度，成本低。
15.更进一步的，单片机内置脉宽调制模块产生一个单一频率的时钟信号，脉宽调制输出信号为ttl电平，反相器与ttl电平兼容。
16.一种传感器，包括上述可变幅值正弦信号源电路。所述的传感器为电涡流传感器、电容传感器或位移传感器，以及其他精密传感器。
17.3.有益效果
18.相比于现有技术，本发明的优点在于：
19.本方案的结构简单，可产生幅值可变的精密正弦波，正弦波的频率由单片机控制，幅值由精密dac控制。单片机输出的pwm波幅值并不稳定，但通过精密电压供电的反向器后可将幅值控制在一个很精确的水平。对输出正弦波幅值进行检测后进行反馈，可以对输出幅值的变化进行补偿，使其精确稳定在设定值。本方案仅仅通过单片机的一路pwm信号，结合adc和dac来获得相应的可变正弦信号，单片机、adc和dac也可以和其他电路考虑复用，整体应用成本低，结构简单。
附图说明
20.图1为本发明的实施例1电路结构示意图；
21.图2为本发明的实施例2电路结构示意图。
具体实施方式
22.下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
23.实施例1
24.针对现有技术的缺陷，本发明设计了一种精密可变幅值的正弦信号源。包括pwm输出方波信号、dac(数字模拟转换器)配合反相器进行整形、滤波器滤波、正弦信号幅值测量、adc(模拟数字转换器)采集和反馈控制。
25.由于本发明中需要使用单片机作为数字控制器，因此直接使用单片机上的pwm模块产生方波信号是方便的，pwm模块产生的方波信号可以是固定频率的，这样得到的正弦信号也就是固定频率的，方波信号的频率也可以在小范围内进行调整，可以得到最佳频率的正弦信号。由于pwm模块产生的方波信号的幅值稳定性一般，因此使用反相器对该方波信号进行整形，dac的输出作为反相器的供电电源，反相器输出的方波信号的幅值大小和稳定性都由dac决定，可以方便的调整方波信号的幅值大小，同时稳定性也得到提高，噪声也会相应降低。反相器输出的方波信号需要经过阶数较高的低通滤波器进行高次谐波的滤除，这样才能得到比较理想的正弦信号，为了得到低谐波失真的正弦信号，低通滤波器的阶数通常要达到4阶甚至更高，比较可靠是高阶滤波器的设计方法是采用多个低阶滤波器进行串
联，可以大大降低设计难度。当然也可以选择直接使用单个的高阶滤波器。高阶滤波器出来的正弦信号的幅值可以通过相敏检波或整流滤波进行处理，adc采集经过相敏检波或整流滤波后的电平信号并经由单片机去控制dac的输出，从而形成正弦信号的幅值控制环路，得到可变幅值的精密正弦信号。
26.图1是该信号源的工作原理图。首先由单片机自带的脉宽调制(pwm)模块产生一个单一频率的时钟信号，pwm输出信号通常为晶体管逻辑(ttl)电平；pwm输出信号接入输入兼容ttl电平的反相器，反相器的供电由dac提供，反相器输出方波信号的幅值即为dac输出电压，由于反向器需要的电流很小，dac输出可直接对其供电；反相器的输出信号一路经过滤波器1进行高次谐波的滤除，滤波器1输出较为干净的正弦信号，该正弦信号即为该信号源输出用于传感器激励，同时将该信号接入乘法器的一个输入端，将反相器的输出信号接入乘法器的另一输入端；乘法器的输出经过滤波器2后得到与正弦信号幅值对应的直流电压vo，通过模数转换器(adc)采集直流电压vo，得到正弦的幅值信息。具体的滤波器2只要能满足将正弦信号幅值滤波为对应的直流电压vo即可，在此不多赘述。
27.单片机(mcu)作为电路控制的核心器件，可以在一定范围内控制pwm输出方波的频率，输出最佳频率的正弦信号；mcu通过串行外设接口(spi)与adc通信获取adc的采集电压值，同时通过spi控制dac的输出电压值，形成反馈，从而得到幅值可变的精密正弦信号源。
28.本方案的结构简单，不需要复杂电路，仅仅通过单片机的一路pwm信号，结合adc和dac来获得相应的可变正弦信号，单片机，adc和dac也可以和其他电路考虑复用，整体应用成本低，结构简单。
29.实施例2
30.实施例2与实施例1基本相同，不同之处在于，如图2所示，可以不使用乘法器，使用整流电路连接在高阶滤波器，即滤波器1的输出，高阶滤波器输出正弦信号通过整流电路进行整流后，通过滤波器2，进行模数转换后进入单片机，得到与正弦信号幅值对应的直流电压vo，通过模数转换器(adc)采集直流电压vo，得到正弦的幅值信息。
31.实施例3
32.通过上述的信号源，可以设计对应的传感器传感器，包括上述可变幅值正弦信号源电路。所述的传感器为电涡流传感器、电容传感器或位移传感器，以及其他精密传感器，只要是能使用上述可变幅值正弦信号源电路的传感器都可以。
33.以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。