基于pxi总线的电荷放大装置的制作方法

专利名称：基于pxi总线的电荷放大装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电荷放大装置，尤其涉及一种用于结构健康监测或振动控制系统中压电传感器的信号调理、放大装置，通过该电荷放大装置可组建基于PXI系统的结构健康监测系统或结构振动控制系统。
背景技术：
无论是测试系统还是控制系统，通过测量获取传感器上的信号，并对信号进行正确处理是系统工作良好的前提。对于早期的测量系统，仪器大都是由不同的厂商各自独立推出，并且由操作者通过面板控制所需功能。各个仪器之间松散耦合且经常不匹配。随着计算机技术的迅猛发展，GPIB、VXI、PCI等接口总线技术相继被提了出来，使得计算机成为了测控的核心，该核心技术所取得的进步从根本上改变了传统的分布式、面板操控的测量方式，使得测控技术向着高度自动化和集成化发展。尤其是PXI技术标准的提出，它的开放式构架、灵活性和个人计算机技术的成本优势为测控行业带来了一场翻天覆地的改革。时至今日，PXI已经成为当今测控的标准平台，并得到了广泛接受。PXI将PCI电气总线的特征与CompactPCI稳固的、模块化欧卡封装相结合，在此基础上还增加了专门的同步总线和关键软件特性。该系统有三个基本组件构成——机箱、系统控制器和外设模块。其中机箱为系统提供稳固的模块化封装；PXI系统控制器可以选择台式机、工作站、服务器或者便携式的远程控制器和高性能嵌入式控制器；外设模块就是基于PXI总线技术的各种功能性板卡，本发明提出的多通道电荷放大板卡就属于外设模块。 由于PXI硬件是基于标准PC的技术(PCI总线以及标准CPU和外设等)，所以对基于Windows 的PXI系统的开发和操作与标准的基于Windows的PC并没用什么不同。此外，由于PXI背板使用业界标准的PCI/PCI Express总线，所以在绝大多数情况下，编写与PXI设备通信的软件和PCI设备的对应部分完全相同，在基于PC系统与基于PXI系统间移植软件时，现有的应用软件、范例代码和编程技术都不必重新编写。压电式传感器是一种有源的双向机电传感器，它的工作原理是基于压电材料的压电效应，具有使用频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、质量轻、工作可靠等优点，因此在压力冲击和振动等动态参数测试中，是首选的传感器。但是压电式传感器对被测量的变化是通过压电元件产生电荷量的大小来反映的，一般来说其直接输出的电信号很微弱，加上其本身具有很大的内阻，因而输出的能量相当微小，若直接使用数据采集卡将其产生的模拟电信号转换成数字信号，大多数情况下都行不通，所以通常要将信号先输入到高输入阻抗的前置放大器上，进行一系列的信号调理、放大，然后输出到数采卡的输入端，转换成数字信号再进行后续地处理。一般来说，前置放大器有电压放大和电荷放大两种形式，由于电荷放大不受传感元件后续连接电缆分布电容变化或自身电容变化而影响灵敏度，所以比电压放大更受到青睐。而在本质上，一个PXI系统中所有的仪器都共享一个电源、机箱和控制器，所以将结构健康监测系统或振动控制系统中的所有仪器都集成到PXI系统中，不仅提高了可靠性、集成度，还方便了应用程序的开发。本发明中的多通道电荷放大板卡正是基于这个要求被提了出来。
发明内容技术问题本发明要解决的技术问题是提供一种基于PXI总线的电荷放大装置，该装置可作为结构健康监测或控制系统中压电传感器的前置信号调理、放大电路，从而使这种系统小型化，以至于可以集成在PXI机箱内部，并且可以根据需要进行扩展而成为多通道电荷放大装置。技术方案为了解决上述的技术问题，本发明的基于PXI总线的多通道电荷放大装置包括至少一个电荷放大模块、至少一个模拟滤波模块和至少一个信号反相电路，外界输入的信号依次经过电荷放大模块、模拟滤波模块和信号反相电路处理后输出；锁存器分别通过第一、 第二模拟开关控制电荷放大模块和模拟滤波模块；外界与PXI总线通讯的总线接口芯片通过数据总线和地址总线与锁存器通讯。所述的电荷放大模块中，外界输入的信号输入其中的AD745运算放大器的反相输入端，AD745运算放大器的正向输入端通过第一模拟开关与锁存器连接；AD745运算放大器的反相输入端和输出端之间并联连接至少一个电阻和至少一个电容；AD745运算放大器的输出端与模拟滤波模块连接。本发明的技术方案中，电荷放大模块主要包含一个高增益、高输入阻抗型的集成运算放大器和多组例如三组参数已知的反馈电容、电阻，通过第一模拟开关切换不同组的电容、电阻，从而改变电荷放大电路的灵敏度，即相当于增益，电容和电阻连调的目的是确保反馈电路的时间常数不变。上述的电荷放大模块、模拟滤波模块和信号反向电路共同组成一个信号调理模块。模拟滤波模块亦可称为模拟带通滤波器电路，其上下限截止频率通过第二模拟开关控制不同参数的电阻分别接入电路来实现，其中滤波器的通带增益大于1，可以将前置电路出来的电压信号进行适量放大。本发明的技术方案中，总线接口芯片、锁存器、第一、第二模拟开关共同组成程序控制模块，程序控制模块主要用来控制电荷放大模块电路的灵敏度以及模拟滤波器的上下截止频率等，主要通过第一、第二模拟开关来实现。但是考虑到驱动第一、第二模拟开关的电平信号和PXI总线的电平信号不匹配，所以需要专门的总线接口芯片来将PXI总线中的 32位PCI总线转换为本装置内部采用TTL电平的本地总线。由于本装置与所处的系统中的控制器之间不需要大量的数据传输，可以选择低成本专门的PCI总线接口芯片，接口芯片的驱动程序可直接调用芯片厂商提供的DLL文件，进而设计自己的控制程序并产生特定的控制信号来驱动模拟开关。当需要采用本装置实现多通道电荷放大功能时，需要采用数量较多的模拟开关，由于此时模拟开关的数量比较多，没有足够多的数据线分别进行控制，于是在板卡中增加了锁存器使数据线具有了分时复用功能。具体使用时，操作者通过应用程序用户界面输入相应命令来设置电路中的电荷放大灵敏度、滤波器的上下限截止频率等， 使其产生适合后续数据采集卡采集的电压信号。本发明的技术方案中，根据需要扩展电荷放大模块、模拟滤波模块、信号反向电路的个数，即可实现多通道的电荷放大器，例如扩展至四通道、八通道等。当基于PXI技术的测控系统中，需要用到与电荷放大器相关的信号调理电路时， 本电荷放大装置即可被采用。在实际工作时，操作者首先根据测控系统的实际情况在应用程序用户界面上选择电荷放大模块的增益以及模拟滤波模块的参数，应用程序根据上述参数反推出模拟开关的工作状态，进而通过本地总线进行控制。一旦控制命令发出后，在整个测控过程中，相关参数原则上不再改变。由于板卡事先已经经过标定，此时压电传感器的信号放大倍数固定，数据采集卡采集信号后，可以通过上位机应用程序反推出实际信号的特征。因为所采用的元器件参数会有一定误差，最终会影响到放大倍数的精确性，所以在模拟滤波模块后加上了放大增益可微调的反相电路，电路中保留了若干个精密的可调电阻，每一个可调电阻对应电荷放大模块电路中的反馈电容，当选择了某个放大倍数时，相应的可调电阻也被接入到反相电路中，该电阻的阻值在传感器标定时，人为进行调节。为了消除电路以及测控系统中的高频噪声，或者测量冲击载荷时因为传感器阻尼因素过低而产生的固有振荡，本装置中采用低通滤波器，同时起到抗混叠滤波的作用。为了减少电路中直流漂移的影响，同时某些结构健康监测系统中，低频分量也不需要的，所以在电路中可以设计高通滤波器。综合考虑，在本装置的电路中设计了带通滤波器。但是有些信号，例如冲击载荷、方波信号等，需要有较宽的通带频率才能保证信号在还原时不会有失真，因此下限频率的值设计得均比较低，上限频率的值可供选择的范围应比较广。由于模拟开关或多或少都有导通电阻、注入电荷、漏电流等影响，开关切换频率又不快，因此选择用电平触发控制的继电器开关应该是最优的，但是继电器开关体积较大，且大都只集成一路输入输出，而板卡要基于PXI标准设计，印刷板有着严格的尺寸要求，选择继电器开关的话，元器件布局的设计会相当困难。综合考虑，选择了体积较小的模拟开关芯片。但在具体型号上选择导通电阻低，低电容、低电荷注入的型号。为了最大程度地抑制电路噪声以及外界干扰，本装置的电路焊接完成后应彻底清洗，必要时用低温等离子火焰将器件表面可能残留的污渍清理掉，同时可采用专门的屏蔽盒将相关模拟电路屏蔽进去。有益效果本发明的基于PXI总线的电荷放装置，其设计专门针对基于PXI平台的测控系统， 为后续基于PXI技术的数据采集卡提供合适的电压信号，提高了 PXI技术标准平台下系统的集成度、可靠性，提高了测控系统的集成度和操作的简洁程度，便于基于PXI平台的测控系统实现不断移动过程中的便携式测控，同时与整个系统采用相同的程序开发软件，大大方便了应用程序的设计和开发，利用程序进行控制还取代了通用型电荷放大器需要手动在面板上进行调节的不足，进一步提高了系统的自动化程度。说明书附图

图1是本发明一个实施例的原理图；图2是本发明的一个实施例的信号调理模块示意图；图3是本发明的一个实施例的硬件设置示意图。
具体实施方式
CN 如图1所示，本实施例的基于PXI总线的电荷放大装置电荷放大模块、模拟滤波模块和信号反相电路，外界输入的信号依次经过电荷放大模块、模拟滤波模块和信号反相电路处理后输出；锁存器分别通过第一、第二模拟开关控制电荷放大模块和模拟滤波模块； 外界与PXI总线通讯的总线接口芯片通过数据总线和地址总线与锁存器通讯。本实施例的基于PXI总线的电荷放大装置集成为一板卡，由于程控时应用程序控制的是PXI总线上的相关电平信号，但该电平信号无法直接驱动模拟开关，所以板卡中加入了专门的总线接口芯片，由于该板卡是信号调理电路，和系统控制器之间不会有大量的数据交换，所以这里选择使用低成本的PCI总线接口芯片，如某公司出产的CH365芯片。该芯片是连接PCI总线的通用接口芯片，支持I/O端口映射、存储器映射、扩展ROM以及中断，适用于高速实时的I/O 控制卡、通讯接口卡、数据采集卡等。它能将32位PCI总线转换为主动并行接口，包括8位数据线和16位地址线。图1中虚线部分是某一个通道的原理图，本实施例的电荷放大装置有四路这样的通道，各个通道共用CH365芯片提供的8位数据线，而地址线直接连接各个锁存器上的锁存使能端口，在这里锁存器选择常见的74LS373集成芯片，其锁存使能端口为第11个引脚即Enable端，板卡工作时先通过设置地址线上的电平高低来决定锁存器的工作状态，如果锁存使能端为高电平，则锁存器的8位输出电平对应着总线接口芯片8位的数据线电平，一旦使能端为低电平，则无论数据线上电平如何改变，锁存器的输出均不变，此时设置其他通道的参数时，使能端为低电平的锁存器对应通道上的相关参数不再改变。整个板卡使用了 PXI机箱提供的+12V和+5V电源，由于信号调理电路中模拟开关和集成运放芯片要求使用士 15V的双极性电源，所以在板卡上增加了+12V转士 15V的DC-DC转换模块。图2所示是电荷放大板卡中信号调理模块的具体原理图，它包括电荷信号的放大、滤波、以及信号反向三部分，该原理图同时还指明了本实施例中各芯片具体型号的选择。电荷放大模块中集成运算放大器选用了一款低噪声的BiFET运放AD745，为美国ADI公司的产品，具有极低的输入电压噪声，较大的带宽和压摆率以及极高的阻抗。由于FET输入型运放，其内部偏置电路的电流噪声会通过栅-源电容耦合到运放输入端，进而增大输入电压噪声，因此与信号源阻抗匹配显得尤为重要，做得好就能消除这些噪声，所以在实际电路中，AD745的正输入端应增加一个聚酯纤维型旁路电容和电阻。反馈网络中的反馈电容
Cjp值越小，传感器的灵敏度越高，但电缆电容变化的影响也相应增大，降低了传感器精度，
也影响了其低频特性，因此这里将灵敏度设置成可调形式，一方面相当于增益可调，另一方面也可以结合连接电缆的形式设置合适的灵敏度，再在后续电路中设置增益。在本板卡设计时，主要考虑的是较短的连接电缆，因此具体设置灵敏度时主要参考AD745出来的电压信号，即出来的电压信号变化范围在芯片供电电压的三分之二左右，所以在这里设置灵敏度，相当于改变增益。模拟滤波模块包括一个高通滤波器和一个低通滤波器。对于高通滤波器，设计要求不是很高，主要就是减少电路中直流漂移的影响，因此在电路中串联电容即可，如图2中
的它和电阻鳥共同决定了滤波器下限频率，改变电阻^的值就可以改变下限频率的
值，电路中馬和戽共同决定了高通滤波器的通带增益。不管是滤波器还是反相放大器，电
路中的运放均选择普通的运放芯片LF347，原因是该芯片内部集成四个运算放大器，因此一个芯片就可以满足一个通道的要求，减少了芯片数量以及印刷电路板布局、布线难度。同
6时该芯片的功能也达到了电路要求，不影响板卡整体性能。对于低通滤波器，设计要求比低通滤波器要高，主要是因为电路以及传感器中的高频噪声比较复杂且大，同时压电传感器的有用信号本身就比较小，对电路信噪比要求极高，及时将高频信号滤除可以有效地防止信号被噪声淹没，同时对后续的AD采样有一个抗混叠滤波的作用，保证数采卡采集的信号可以真实地还原出传感器感应到的信号。这里低通滤波器的设计参考了萨伦·基滤波电路，设计了巴特沃思二阶低通滤波器，使其通带范围内没有波纹，由于滤波器品质因子设计成0.707不变，且通带增益为1，电容C^qt的值也被固定，所以其截止频率由馬和禺共同决定。由于信号调理模块中，电荷放大部分的输出电压信号与原始信号相反，滤波器部分并没有改变相位，为了使最终的输出信号和传感器原始信号相同，在后续电路中还增加了反相器。同时图中电阻馬的值可以改变，但变化范围比较小，可以使该部分增益在-ι附
近变化，适当的放大或缩小信号。这是由于电路中各个元器件参数值不是很精确，并且模拟开关还有一定的导通电阻，测试后一旦感觉整个传感器电路的误差较大(严重时大于5%)，
此时可以调节馬的值进行适当的校正。在实际电路中，并列着多个可调电阻，每一个可调
电阻对应一级灵敏度，这就确保了每一级灵敏度都可以独立校正，而不是互相受到影响。由于CH365芯片的8位数据线可以共用，通道的选择与设置理论上仅由一根地址线进行控制。CH365芯片上留有16根地址线，但低8位地址线以及第9、10位地址线通过调用厂家提供的接口函数进行控制比较复杂，因此本实施例的板卡其实只用了芯片的高三位地址线，通过3-8译码器将其扩展成8路输出，而板卡实际只使用了 4路输出用于控制4个通道。因此本板卡可以很容易扩展至8通道，而不需要增加总线接口芯片和电源转换模块等。实际设计时，在印刷电路板固定位置留有一排16个管脚的排针，其中8个管脚接数据线，4个管脚接3-8译码器的另外4路输出，其余4个管脚中任意3个用于接士 15V的电源和地线，扩展板中的四路通道仅需要这17个管脚的信号或电源即可工作。同时在电路板特定位置还预留了Φ 3mm的通孔，用于固定扩展板卡和屏蔽盒，具体位置如图3所示。
权利要求1.一种基于PXI总线的电荷放大装置，其特征在于，包括至少一个电荷放大模块、至少一个模拟滤波模块和至少一个信号反相电路，外界输入的信号依次经过电荷放大模块、模拟滤波模块和信号反相电路处理后输出；锁存器分别通过第一、第二模拟开关控制电荷放大模块和模拟滤波模块；外界与PXI总线通讯的总线接口芯片通过数据总线和地址总线与锁存器通讯。
2.如权利要求1所述的基于PXI总线的电荷放大装置，其特征在于，所述的电荷放大模块中，外界输入的信号输入其中的AD745运算放大器的反相输入端，AD745运算放大器的正向输入端通过第一模拟开关与锁存器连接；AD745运算放大器的反相输入端和输出端之间并联连接至少一个电阻(Rf)和至少一个电容(Cf) ；AD745运算放大器的输出端与模拟滤波模块连接。
3.如权利要求1所述的基于PXI总线的电荷放大装置，其特征在于，所述的锁存器通过第一模拟开关对电荷放大模块进行灵敏度设置。
4.如权利要求1所述的基于PXI总线的电荷放大装置，其特征在于，所述的锁存器通过第二模拟开关对模拟滤波模块输出截止频率进行设置。
专利摘要本实用新型公开了一种基于PXI总线的电荷放大装置，其特征在于，包括至少一个电荷放大模块、至少一个模拟滤波模块和至少一个信号反相电路，外界输入的信号依次经过电荷放大模块、模拟滤波模块和信号反相电路处理后输出；锁存器分别通过第一、第二模拟开关控制电荷放大模块和模拟滤波模块；外界与PXI总线通讯的总线接口芯片通过数据总线和地址总线与锁存器通讯。该装置用于压电式传感器的信号调理，为后续基于PXI总线的数据采集卡提供合适的电压信号，方便集成进基于PXI平台的测控系统，并利用程序进行控制，提高了测控系统的集成度和操作的简洁程度，便于便携式测控。
文档编号H03F3/70GK202340204SQ201120500050
公开日2012年7月18日 申请日期2011年12月6日 优先权日2011年12月6日
发明者吴义鹏, 季宏丽, 裘进浩, 阎志坤 申请人:南京浩之德智能科技有限公司