专利名称：信号分析仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种信号分析仪，具体地说是一种利用虚拟仪器技术、使用LabVIEW的数据采集编程程序的信号分析仪。
背景技术：
被誉为“测控技术的革命”和“21世纪的技术”之虚拟仪器技术成功地应用在航空、航天和工业控制等领域。其主要特点是用软件代替硬件制成各种具有测量和控制功能的仪器或设备，它的硬件部分只有一个数据采集卡，实现被测信号由模拟量到数字量的转换，利用工业计算机以及虚拟仪器技术，完成数据处理、计算、分析、显示、存储和输出。常用的在线监测仪器或装置，大多采用硬件原理研制而成，虽然是智能化仪器，通常也只能实现动态信号分析或编码器在线测试某种单一的功能。如何将编码器在线测试、动态信号分析、多通道数据记录和复现、高速模拟数据存储和复现、高速数字数据存储和复现这五种功能集于一体，亦即用一台仪器取代五台仪器，往往是实际生产在线监测系统中所遇到的技术难题。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种利用虚拟仪器技术和笔记本电脑，集模/数转换处理、存储、波形显示和信号复现功能于一体、测试、携带简便的信号分析仪。
为解决上述技术问题，本实用新型由信号调理器和笔记本电脑两部分组成，用线缆将此两部分电连接，笔记本电脑上设置有数据采集卡，所述数据采集卡分别经线缆与信号调理器上的接口相连；在线测试信号送入模拟信号调理电路、数字信号调理电路、编码器信号调理电路，分别经线缆输入到数据采集卡中，将模拟信号进行模/数转换、将数字信号进行计数后输至笔记本电脑中；经笔记本电脑的运作，完成编码器在线测试、动态信号分析、多通道数据记录和复现、高速模拟数据存储和复现、高速数字数据存储和复现。
作为本实用新型的一种改进，所述模拟信号调理电路、数字信号调理电路分别设置成至少八路信号输入，且1～8路输入通道之间相互隔离；所述编码器信号调理电路，有A、B、Z三相信号输入；上述输入的信号经调理后分别经线缆送至笔记本电脑中。
作为本实用新型的另一种改进，所述信号调理器面板上设置有模拟信号调理电路的输入通道、至少有八路、电压-电流转换开关、至少有八路、数字信号调理电路的输入通道、至少有八路、编码器信号调理电路的输入通道、有A、B、Z三相、电源开关、电量指示灯、线缆接口，所述信号调理器采用电池供电，所述电池固接在信号调理器内，充电器接口位于信号调理器的侧面，熔断器固接在信号调理器中。所述编码器信号调理电路由隔离电路、整形电路、鉴相电路组成，所述隔离电路由电阻R1、高速光电耦合器U2组成，所述整形电路包括正反馈分压电路、电压比较器U3、施密特触发器U4A和U4B、低通滤波器，其输出端接至信号调理器上的接口，其中，所述正反馈分压电路由可调电位器W1、电阻R3和R4组成，在施密特触发器U4A和U4B之间连接着由电阻R6、电容C2组成的低通滤波器，所述鉴相电路由D触发器U1构成，鉴相电路的输入信号为经过隔离、整形电路的A相和B相信号，其输出端U/D接至信号调理器上的接口，编码器信号调理电路的输出端经接口、线缆接至数据采集卡。
本实用新型是一种利用虚拟仪器技术、使用LabVIEW的数据采集编程程序的信号分析仪。它将编码器在线测试、动态信号分析、多通道教据记录和复现、高速模拟数据存储和复现、高速数字数据存储和复现五种功能集于一身，也就是说，使用一台仪器就相当于拥有了五台仪器，体积和价格相对大幅下降。一般工业信号的分析处理均采用工业控制计算机，价格高且通用性较差，本实用新型采用笔记本电脑，便于携带、价格相对于工控计算机也低了许多。本实用新型测试、携带可靠简便，同时，还能将测试数据存于笔记本电脑、并能在电脑中及时编辑测试文件；还可将数据、文档通过网络直接传到需要的测试中心，以便及时进行数据分析处理。
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
作进一步的详细说明。
图1示出了本实用新型的信号分析仪的系统工作框图。
图2为图1所示分析仪的一种结构示意图。
图3为图1所示分析仪的一种电路框图。
图4为图1所示分析仪的一种编码器鉴相电路原理图。
图5为图1所示分析仪的一种整形电路原理图。
图6为图1所示分析仪的一种模拟信号调理电路原理图。
图7为图1所示分析仪的一种数字信号调理电路原理图。
图8示出了本实用新型的信号分析仪一种软件流程图。
具体实施方式
本实用新型的信号分析仪即编码器在线测试、数据采集的系统工作框图由图1示出。从图1～图3中可知，本信号分析仪由信号调理器和笔记本电脑两部分组成，用线缆将此两部分电连接，笔记本电脑4上设置有数据采集卡2、3，所述数据采集卡2、3分别经线缆5、6与信号调理器1上的接口14、15相连；在线测试信号送入模拟信号调理电路7、数字信号调理电路9、编码器信号调理电路10，经调理后分别经线缆5、6输入到数据采集卡2、3中，将模拟信号进行模/数转换、将数字信号进行计数后输至笔记本电脑4中，经笔记本电脑4的运作，完成编码器在线测试、动态信号分析、多通道数据记录和复现、高速模拟数据存储和复现、高速数字数据存储和复现五种功能。所述模拟信号调理电路7、数字信号调理电路9分别设置成至少八路信号输入，且1～8路输入通道之间相互隔离，编码器信号调理电路10有A、B、Z三相信号输入，即10-A、10-B和10-Z相，上述输入的信号经调理后分别经线缆5、6送至笔记本电脑4中。所述信号调理器1面板上设置有模拟信号调理电路7的输入通道、至少有八路，即7-1～7-8路、电压-电流转换开关8、至少有八路、即8-1～8-8路、数字信号调理电路9的输入通道、至少有八路，即9-1～9-8路、编码器信号调理电路10的输入通道有A、B、Z三相、即10-A、10-B、10-Z相、电源开关11、电量指示灯12、线缆接口14和15，所述信号调理器1采用电池供电，所述电池固接在信号调理器1内，充电器接口16位于信号调理器1的侧面，熔断器13固接在信号调理器1中。由图2、图3和图8示出，本实用新型的分析仪通过软件来实现所述的五种功能，各功能面板都是软件实现的虚拟面板。本分析仪开发所使用的软件是美国NI公司开发的面向仪器与测试过程的图形化开发平台LabVIEW，使用的编程语言是基于图形化编程的G语言。图4和图5示出了编码器信号调理电路10由隔离电路整形电路、鉴相电路组成，整形电路的输出接至接口15；鉴相电路的输入信号为编码器信号经过隔离、整形电路的A相和B相信号，其输出端U/D也接至接口15。隔离电路包括电阻R1、高速光电耦合器U2；编码器的输出信号送至高速光电耦合器U2，由于6N137型高速光电耦合器U2是电流驱动器件，可以构成电流环传输，这种低阻抗电路对噪声不敏感，抗干扰能力较强。且光电耦合器U2还可对系统起到安全保护作用，它切断现场与接收端系统之间的地线回路，使二者能用独立的电源供电，消除二地间电位差带来的影响和危害，并可防止现场一侧在运行和检修时由于故障和错误造成的强电混入，使系统免遭致命的伤害。整形电路包括正反馈分压电路、电压比较器U3、施密特触发器U4A和U4B、低通滤波器，所述正反馈分压电路由可调电位器W1、电阻R3和R4组成，在施密特触发器U4A和U4B之间连接着由电阻R6、电容C2组成的低通滤波器。编码器选用增量式光电旋转编码器较为合理。编码器有A、B、Z相输出信号，Z相信号是一个代表零位的脉冲信号，用于调零和对位。采用74HC74型D触发器U1进行鉴相来判断编码器的正反转，A相与B相脉冲相位相差90°，两相相比为高电平表示编码器正转，反之，为低电平则表示编码器反转。为了保证输出波形的可靠性，在设计时采用了具有施密特电路特性的LM339型电压比较器U3。考虑到如果输入信号中有噪声而进行电平比较时，输出会出现“跳跃”，因此，用可调电位器W1、电阻R3和R4组成正反馈分压电路，以产生一定的滞后电压，使其稳定工作。这样利用电压比较器U3就消除了由于高速光电耦合器U2内部噪声电压带来的干扰。在电压比较器U3之后，加入了74HC14型施密特触发器U4A和U4B，它具有回差、温度补偿作用。所述施密特触发器U4A和U4B除用作抗干扰外还用来作输出接口和整形。此外，为进一步剔除附加在脉冲波形上的高频信号，特在U4A、U4B之间加一RC(电阻R6、电容C2)低通滤波器。由图6可知，所述模拟信号调理电路7包括依次电连接的瞬态电压吸收电路、电压-电流切换开关S1、电流接收器U5、隔离运算放大电路、有源低通滤波器，其中，所述瞬态电压吸收电路由电阻R7、瞬态电压抑制器D1组成，所述隔离运算放大电路由隔离运算放大器U6、电容C5～C8组成，所述有源低通滤波器由运算放大器U7、电阻R8和电容C10、电阻R9和电容C9组成，模拟信号调理电路的输出端经接口15、线缆5接至数据采集卡2。本分析仪的模拟信号调理电路主要完成信号的转换，即4～20mA的电流信号到0～5V电压信号的线性转换、模拟电压信号的线形隔离、低通滤波等功能。本分析仪设置成可以同时接收至少八路模拟信号，现以其中一路为例加以说明。现场需测试的模拟信号采用单端输入的形式经带屏蔽的BNC插座输入，首先经过由R7、D1组成的瞬态电压吸收电路，此吸收电路设计的保护点电压为±12V，保护功率最大可达600W，然后信号输至电流-电压切换开关S1。本分析仪测试的模拟信号分为两类。一类是0～±10V的电压信号，另一类是4～20mA的电流信号。所述切换开关S1根据输入的信号类型分别切换至相应类型如果输入4～20mA的电流信号，切换开关S1将其送至电流接收器U5，将其线性转换成0～5V的电压信号后输送至隔离运算放大电路，然后再进行低通滤波；如果是电压信号经过所述切换开关S1直接输至线性隔离运算放大后再进行低通滤波。电流接收器U5是一个RCV420型精密电流环接收器，它能将4～20mA电流信号线性转换为0～5V电压信号。由于数据采集系统所检测的设备可能会有高压瞬变现象，足以损坏笔记本电脑4和数据采集卡2和3，因此必须将传感器信号同电脑4隔离开来，使系统安全得到保证。此外，必须要保证插入式数据采集卡的读数不致受到地电位或共态电压差异的影响。数据采集卡每次输入采集信号时，都需要以“地”为基准，如果在两“地”之间存在电位差，就可能导致地环路的产生，从而造成所采集的信号再现不准确。如果这一电位差太大，则可能危及到测试系统的安全。利用隔离的信号调理电路就可以消除地环路，保证准确的采集信号。所以加入了模拟电压的线性隔离电路，由图6示出，隔离运算放大器U6是采用新颖的调制/解调技术所设计的低成本ISO124型精密电容隔离放大器，因为输入部分和输出部分的电路完全对称，因此使输出端能高精度复现输入信号。这种电路与光隔离放大器、变压器耦合隔离放大器的不同之处在于通过隔离电容传输的不是模拟信号，而是通过滞回调制/解调技术产生的500kHz数字调制信号，隔离元件的特性不会影响信号的完整性，且具有较好的高频暂态性能。在隔离运算放大器U6之后必须加入由OPA4277型运算放大器U7和二阶RC网络组成的有源低通滤波器，用于滤除高频信号的噪声干扰。由图7示出的数字信号调理电路可以得知，所述数字信号调理电路9包括依次电连接的隔离电路、整形电路，所述隔离电路由电阻R10、光电耦合器U8组成，所述整形电路包括正反馈分压电路、电压比较器U9，其中，所述正反馈分压电路由可调电位器W2、电阻R12和R13组成，所述数字信号调理电路9的输出端经接口14、线缆6接至数据采集卡3。在现场中还有许多数字信号的输出，这些数字信号即所谓的开关量输入，如控制器件的输出电平信号，这些信号与编码器的输出信号相比，其频率要低许多，基本在1kHz以下。从图7可以看出，所述数字信号调理电路9在结构上与编码器调理电路10相比，除了少了一个接口电路外，其他电路连接相同。光电耦合器U8选用TLP521型光电耦合器，电压比较器U9的型号为LM339。数据采集卡2、3实现将输入的模拟信号进行A/D转换、将数字信号进行计数的功能。本分析仪设置了数据采集卡2、3，其中，数据采集卡2用于编码器信号与模拟信号的数据采集，选用美国NI公司生产的DAQCard-6062E型数据采集卡。它最高采样率可达500kHz/S，用户可以选择16路单端通道或8路差分通道的模拟输入，2路12位模拟输出通道，8根数字I/O线和2个24位计数器/定时器，具有模拟和数字触发功能。另外，用于数字信号采集选用的数据采集卡3型号为DAQCard-6533，是一个32位的高速数字采集卡。为防止数据采集卡2、3被线缆拉出，需用NI专用板卡连接固定器将其固定。本分析仪的信号调理器1采用大容量锂电池供电。当电量指示灯12亮度不足或不亮时，需要进行充电。充电时须先将信号调理器1上的电源开关11置于“开”的状态，再将充电器连接到位于信号调理器1侧面的充电器接口16上。尽量减少锂电池的频繁充放电，推荐用完再充满的原则，以达到最佳存储效果且延长电池的使用寿命。
权利要求1.一种信号分析仪，由信号调理器和笔记本电脑两部分组成，用线缆将此两部分电连接，其特征在于在笔记本电脑(4)上设置有数据采集卡(2)、(3)，所述数据采集卡(2)、(3)分别经线缆(5)、(6)与信号调理器(1)上的接口(14)、(15)相连；在线测试信号送入模拟信号调理电路(7)、数字信号调理电路(9)、编码器信号调理电路(10)，分别经线缆(5)、(6)输入到数据采集卡(2)、(3)中，将模拟信号进行模/数转换、将数字信号进行计数后输至笔记本电脑(4)中。
2.根据权利要求1所述的信号分析仪，其特征在于所述模拟信号调理电路(7)、数字信号调理电路(9)分别设置成至少八路信号输入，且1～8路输入通道之间相互隔离；所述编码器信号调理电路(10)，有A、B、Z三相信号输入；上述输入的信号经调理后分别经线缆(5)、(6)送至笔记本电脑(4)中。
3.根据权利要求1或2所述的信号分析仪，其特征在于所述信号调理器(1)面板上设置有模拟信号调理电路(7)的输入通道、至少有八路、即7-1～7-8路、电压-电流转换开关(8)、至少有八路、即8-1～8-8路、数字信号调理电路(9)的输入通道、至少有八路，即9-1～9-8路、编码器信号调理电路(10)的输入通道有A、B、Z三相、即(10-A)、(10-B)、(10-Z)相、电源开关(11)、电量指示灯(12)、线缆接口(14)和(15)，所述信号调理器(1)采用电池供电，所述电池固接在信号调理器(1)内，充电器接口(16)位于信号调理器(1)的侧面，熔断器(13)固接在信号调理器(1)中。
4.根据权利要求1或2所述的信号分析仪，其特征在于所述编码器信号调理电路(10)由隔离电路、整形电路、鉴相电路组成，所述隔离电路由电阻R1、高速光电耦合器U2组成，所述整形电路包括正反馈分压电路、电压比较器U3、施密特触发器U4A和U4B、低通滤波器，其输出端接至接口(15)，其中，所述正反馈分压电路由可调电位器W1、电阻R3和R4组成，在施密特触发器U4A和U4B之间连接着由电阻R6、电容C2组成的低通滤波器，所述鉴相电路由D触发器U1构成，鉴相电路的输入信号为经过隔离、整形电路的A相和B相信号，其输出端U/D接至接口(15)，编码器信号调理电路(10)的输出端经接口(15)、线缆(5)接至数据采集卡(2)。
5.根据权利要求1或2所述的信号分析仪，其特征在于所述模拟信号调理电路(7)包括依次电连接的瞬态电压吸收电路、电压-电流切换开关S1、电流接收器U5、隔离运算放大电路、有源低通滤波器，其中，所述瞬态电压吸收电路由电阻R7、瞬态电压抑制器D1组成，所述隔离运算放大电路由隔离运算放大器U6、电容C5～C8组成，所述有源低通滤波器由运算放大器U7、电阻R8和电容C10、电阻R9和电容C9组成，所述模拟信号调理电路的输出端经接口(15)、线缆(5)接至数据采集卡(2)。
6.根据权利要求1或2所述的信号分析仪，其特征在于所述数字信号调理电路(9)包括依次电连接的隔离电路、整形电路，所述隔离电路由电阻R10、光电耦合器U8组成，所述整形电路包括正反馈分压电路、电压比较器U9，其中，所述正反馈分压电路由可调电位器W2、电阻R12和R13组成，所述数字信号调理电路(9)的输出端经接口(14)、线缆(6)接至数据采集卡(3)。
专利摘要一种信号分析仪，由信号调理器和笔记本电脑组成，用线缆将此两部分电连接，笔记本电脑上设置有数据采集卡，所述数据采集卡分别经线缆连接到信号调理器上的接口；在线测试信号送入模拟信号调理电路、数字信号调理电路、编码器信号调理电路，分别经数据采集卡输至笔记本电脑中。本实用新型利用虚拟仪器技术，使用LabVIEW的数据采集编程程序，将编码器在线测试、动态信号分析、多通道数据记录和复现、高速模拟数据存储和复现、高速数字数据存储和复现五种功能集于一身，体积和价格大幅降低，测试、携带简便可靠。广泛用于实时测量、信号采集、分析与处理等领域。
文档编号G06F11/22GK2845017SQ20052007491
公开日2006年12月6日 申请日期2005年8月23日 优先权日2005年8月23日
发明者许乐飞, 邵永逸 申请人:常州潞城传感器有限公司