專利名稱：信號分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種信號分析儀，具體地說是一種利用虛擬儀器技術(shù)、使用LabVIEW的數(shù)據(jù)采集編程程序的信號分析儀。
背景技術(shù)：
被譽為“測控技術(shù)的革命”和“21世紀(jì)的技術(shù)”之虛擬儀器技術(shù)成功地應(yīng)用在航空、航天和工業(yè)控制等領(lǐng)域。其主要特點是用軟件代替硬件制成各種具有測量和控制功能的儀器或設(shè)備，它的硬件部分只有一個數(shù)據(jù)采集卡，實現(xiàn)被測信號由模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，利用工業(yè)計算機以及虛擬儀器技術(shù)，完成數(shù)據(jù)處理、計算、分析、顯示、存儲和輸出。常用的在線監(jiān)測儀器或裝置，大多采用硬件原理研制而成，雖然是智能化儀器，通常也只能實現(xiàn)動態(tài)信號分析或編碼器在線測試某種單一的功能。如何將編碼器在線測試、動態(tài)信號分析、多通道數(shù)據(jù)記錄和復(fù)現(xiàn)、高速模擬數(shù)據(jù)存儲和復(fù)現(xiàn)、高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲和復(fù)現(xiàn)這五種功能集于一體，亦即用一臺儀器取代五臺儀器，往往是實際生產(chǎn)在線監(jiān)測系統(tǒng)中所遇到的技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種利用虛擬儀器技術(shù)和筆記本電腦，集模/數(shù)轉(zhuǎn)換處理、存儲、波形顯示和信號復(fù)現(xiàn)功能于一體、測試、攜帶簡便的信號分析儀。
為解決上述技術(shù)問題，本實用新型由信號調(diào)理器和筆記本電腦兩部分組成，用線纜將此兩部分電連接，筆記本電腦上設(shè)置有數(shù)據(jù)采集卡，所述數(shù)據(jù)采集卡分別經(jīng)線纜與信號調(diào)理器上的接口相連；在線測試信號送入模擬信號調(diào)理電路、數(shù)字信號調(diào)理電路、編碼器信號調(diào)理電路，分別經(jīng)線纜輸入到數(shù)據(jù)采集卡中，將模擬信號進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換、將數(shù)字信號進(jìn)行計數(shù)后輸至筆記本電腦中；經(jīng)筆記本電腦的運作，完成編碼器在線測試、動態(tài)信號分析、多通道數(shù)據(jù)記錄和復(fù)現(xiàn)、高速模擬數(shù)據(jù)存儲和復(fù)現(xiàn)、高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲和復(fù)現(xiàn)。
作為本實用新型的一種改進(jìn)，所述模擬信號調(diào)理電路、數(shù)字信號調(diào)理電路分別設(shè)置成至少八路信號輸入，且1～8路輸入通道之間相互隔離；所述編碼器信號調(diào)理電路，有A、B、Z三相信號輸入；上述輸入的信號經(jīng)調(diào)理后分別經(jīng)線纜送至筆記本電腦中。
作為本實用新型的另一種改進(jìn)，所述信號調(diào)理器面板上設(shè)置有模擬信號調(diào)理電路的輸入通道、至少有八路、電壓-電流轉(zhuǎn)換開關(guān)、至少有八路、數(shù)字信號調(diào)理電路的輸入通道、至少有八路、編碼器信號調(diào)理電路的輸入通道、有A、B、Z三相、電源開關(guān)、電量指示燈、線纜接口，所述信號調(diào)理器采用電池供電，所述電池固接在信號調(diào)理器內(nèi)，充電器接口位于信號調(diào)理器的側(cè)面，熔斷器固接在信號調(diào)理器中。所述編碼器信號調(diào)理電路由隔離電路、整形電路、鑒相電路組成，所述隔離電路由電阻R1、高速光電耦合器U2組成，所述整形電路包括正反饋分壓電路、電壓比較器U3、施密特觸發(fā)器U4A和U4B、低通濾波器，其輸出端接至信號調(diào)理器上的接口，其中，所述正反饋分壓電路由可調(diào)電位器W1、電阻R3和R4組成，在施密特觸發(fā)器U4A和U4B之間連接著由電阻R6、電容C2組成的低通濾波器，所述鑒相電路由D觸發(fā)器U1構(gòu)成，鑒相電路的輸入信號為經(jīng)過隔離、整形電路的A相和B相信號，其輸出端U/D接至信號調(diào)理器上的接口，編碼器信號調(diào)理電路的輸出端經(jīng)接口、線纜接至數(shù)據(jù)采集卡。
本實用新型是一種利用虛擬儀器技術(shù)、使用LabVIEW的數(shù)據(jù)采集編程程序的信號分析儀。它將編碼器在線測試、動態(tài)信號分析、多通道教據(jù)記錄和復(fù)現(xiàn)、高速模擬數(shù)據(jù)存儲和復(fù)現(xiàn)、高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲和復(fù)現(xiàn)五種功能集于一身，也就是說，使用一臺儀器就相當(dāng)于擁有了五臺儀器，體積和價格相對大幅下降。一般工業(yè)信號的分析處理均采用工業(yè)控制計算機，價格高且通用性較差，本實用新型采用筆記本電腦，便于攜帶、價格相對于工控計算機也低了許多。本實用新型測試、攜帶可靠簡便，同時，還能將測試數(shù)據(jù)存于筆記本電腦、并能在電腦中及時編輯測試文件；還可將數(shù)據(jù)、文檔通過網(wǎng)絡(luò)直接傳到需要的測試中心，以便及時進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。
以下結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方式
作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。


圖1示出了本實用新型的信號分析儀的系統(tǒng)工作框圖。
圖2為圖1所示分析儀的一種結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為圖1所示分析儀的一種電路框圖。
圖4為圖1所示分析儀的一種編碼器鑒相電路原理圖。
圖5為圖1所示分析儀的一種整形電路原理圖。
圖6為圖1所示分析儀的一種模擬信號調(diào)理電路原理圖。
圖7為圖1所示分析儀的一種數(shù)字信號調(diào)理電路原理圖。
圖8示出了本實用新型的信號分析儀一種軟件流程圖。
具體實施方式
本實用新型的信號分析儀即編碼器在線測試、數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)工作框圖由圖1示出。從圖1～圖3中可知，本信號分析儀由信號調(diào)理器和筆記本電腦兩部分組成，用線纜將此兩部分電連接，筆記本電腦4上設(shè)置有數(shù)據(jù)采集卡2、3，所述數(shù)據(jù)采集卡2、3分別經(jīng)線纜5、6與信號調(diào)理器1上的接口14、15相連；在線測試信號送入模擬信號調(diào)理電路7、數(shù)字信號調(diào)理電路9、編碼器信號調(diào)理電路10，經(jīng)調(diào)理后分別經(jīng)線纜5、6輸入到數(shù)據(jù)采集卡2、3中，將模擬信號進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換、將數(shù)字信號進(jìn)行計數(shù)后輸至筆記本電腦4中，經(jīng)筆記本電腦4的運作，完成編碼器在線測試、動態(tài)信號分析、多通道數(shù)據(jù)記錄和復(fù)現(xiàn)、高速模擬數(shù)據(jù)存儲和復(fù)現(xiàn)、高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲和復(fù)現(xiàn)五種功能。所述模擬信號調(diào)理電路7、數(shù)字信號調(diào)理電路9分別設(shè)置成至少八路信號輸入，且1～8路輸入通道之間相互隔離，編碼器信號調(diào)理電路10有A、B、Z三相信號輸入，即10-A、10-B和10-Z相，上述輸入的信號經(jīng)調(diào)理后分別經(jīng)線纜5、6送至筆記本電腦4中。所述信號調(diào)理器1面板上設(shè)置有模擬信號調(diào)理電路7的輸入通道、至少有八路，即7-1～7-8路、電壓-電流轉(zhuǎn)換開關(guān)8、至少有八路、即8-1～8-8路、數(shù)字信號調(diào)理電路9的輸入通道、至少有八路，即9-1～9-8路、編碼器信號調(diào)理電路10的輸入通道有A、B、Z三相、即10-A、10-B、10-Z相、電源開關(guān)11、電量指示燈12、線纜接口14和15，所述信號調(diào)理器1采用電池供電，所述電池固接在信號調(diào)理器1內(nèi)，充電器接口16位于信號調(diào)理器1的側(cè)面，熔斷器13固接在信號調(diào)理器1中。由圖2、圖3和圖8示出，本實用新型的分析儀通過軟件來實現(xiàn)所述的五種功能，各功能面板都是軟件實現(xiàn)的虛擬面板。本分析儀開發(fā)所使用的軟件是美國NI公司開發(fā)的面向儀器與測試過程的圖形化開發(fā)平臺LabVIEW，使用的編程語言是基于圖形化編程的G語言。圖4和圖5示出了編碼器信號調(diào)理電路10由隔離電路整形電路、鑒相電路組成，整形電路的輸出接至接口15；鑒相電路的輸入信號為編碼器信號經(jīng)過隔離、整形電路的A相和B相信號，其輸出端U/D也接至接口15。隔離電路包括電阻R1、高速光電耦合器U2；編碼器的輸出信號送至高速光電耦合器U2，由于6N137型高速光電耦合器U2是電流驅(qū)動器件，可以構(gòu)成電流環(huán)傳輸，這種低阻抗電路對噪聲不敏感，抗干擾能力較強。且光電耦合器U2還可對系統(tǒng)起到安全保護(hù)作用，它切斷現(xiàn)場與接收端系統(tǒng)之間的地線回路，使二者能用獨立的電源供電，消除二地間電位差帶來的影響和危害，并可防止現(xiàn)場一側(cè)在運行和檢修時由于故障和錯誤造成的強電混入，使系統(tǒng)免遭致命的傷害。整形電路包括正反饋分壓電路、電壓比較器U3、施密特觸發(fā)器U4A和U4B、低通濾波器，所述正反饋分壓電路由可調(diào)電位器W1、電阻R3和R4組成，在施密特觸發(fā)器U4A和U4B之間連接著由電阻R6、電容C2組成的低通濾波器。編碼器選用增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器較為合理。編碼器有A、B、Z相輸出信號，Z相信號是一個代表零位的脈沖信號，用于調(diào)零和對位。采用74HC74型D觸發(fā)器U1進(jìn)行鑒相來判斷編碼器的正反轉(zhuǎn)，A相與B相脈沖相位相差90°，兩相相比為高電平表示編碼器正轉(zhuǎn)，反之，為低電平則表示編碼器反轉(zhuǎn)。為了保證輸出波形的可靠性，在設(shè)計時采用了具有施密特電路特性的LM339型電壓比較器U3?？紤]到如果輸入信號中有噪聲而進(jìn)行電平比較時，輸出會出現(xiàn)“跳躍”，因此，用可調(diào)電位器W1、電阻R3和R4組成正反饋分壓電路，以產(chǎn)生一定的滯后電壓，使其穩(wěn)定工作。這樣利用電壓比較器U3就消除了由于高速光電耦合器U2內(nèi)部噪聲電壓帶來的干擾。在電壓比較器U3之后，加入了74HC14型施密特觸發(fā)器U4A和U4B，它具有回差、溫度補償作用。所述施密特觸發(fā)器U4A和U4B除用作抗干擾外還用來作輸出接口和整形。此外，為進(jìn)一步剔除附加在脈沖波形上的高頻信號，特在U4A、U4B之間加一RC(電阻R6、電容C2)低通濾波器。由圖6可知，所述模擬信號調(diào)理電路7包括依次電連接的瞬態(tài)電壓吸收電路、電壓-電流切換開關(guān)S1、電流接收器U5、隔離運算放大電路、有源低通濾波器，其中，所述瞬態(tài)電壓吸收電路由電阻R7、瞬態(tài)電壓抑制器D1組成，所述隔離運算放大電路由隔離運算放大器U6、電容C5～C8組成，所述有源低通濾波器由運算放大器U7、電阻R8和電容C10、電阻R9和電容C9組成，模擬信號調(diào)理電路的輸出端經(jīng)接口15、線纜5接至數(shù)據(jù)采集卡2。本分析儀的模擬信號調(diào)理電路主要完成信號的轉(zhuǎn)換，即4～20mA的電流信號到0～5V電壓信號的線性轉(zhuǎn)換、模擬電壓信號的線形隔離、低通濾波等功能。本分析儀設(shè)置成可以同時接收至少八路模擬信號，現(xiàn)以其中一路為例加以說明。現(xiàn)場需測試的模擬信號采用單端輸入的形式經(jīng)帶屏蔽的BNC插座輸入，首先經(jīng)過由R7、D1組成的瞬態(tài)電壓吸收電路，此吸收電路設(shè)計的保護(hù)點電壓為±12V，保護(hù)功率最大可達(dá)600W，然后信號輸至電流-電壓切換開關(guān)S1。本分析儀測試的模擬信號分為兩類。一類是0～±10V的電壓信號，另一類是4～20mA的電流信號。所述切換開關(guān)S1根據(jù)輸入的信號類型分別切換至相應(yīng)類型如果輸入4～20mA的電流信號，切換開關(guān)S1將其送至電流接收器U5，將其線性轉(zhuǎn)換成0～5V的電壓信號后輸送至隔離運算放大電路，然后再進(jìn)行低通濾波；如果是電壓信號經(jīng)過所述切換開關(guān)S1直接輸至線性隔離運算放大后再進(jìn)行低通濾波。電流接收器U5是一個RCV420型精密電流環(huán)接收器，它能將4～20mA電流信號線性轉(zhuǎn)換為0～5V電壓信號。由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所檢測的設(shè)備可能會有高壓瞬變現(xiàn)象，足以損壞筆記本電腦4和數(shù)據(jù)采集卡2和3，因此必須將傳感器信號同電腦4隔離開來，使系統(tǒng)安全得到保證。此外，必須要保證插入式數(shù)據(jù)采集卡的讀數(shù)不致受到地電位或共態(tài)電壓差異的影響。數(shù)據(jù)采集卡每次輸入采集信號時，都需要以“地”為基準(zhǔn)，如果在兩“地”之間存在電位差，就可能導(dǎo)致地環(huán)路的產(chǎn)生，從而造成所采集的信號再現(xiàn)不準(zhǔn)確。如果這一電位差太大，則可能危及到測試系統(tǒng)的安全。利用隔離的信號調(diào)理電路就可以消除地環(huán)路，保證準(zhǔn)確的采集信號。所以加入了模擬電壓的線性隔離電路，由圖6示出，隔離運算放大器U6是采用新穎的調(diào)制/解調(diào)技術(shù)所設(shè)計的低成本ISO124型精密電容隔離放大器，因為輸入部分和輸出部分的電路完全對稱，因此使輸出端能高精度復(fù)現(xiàn)輸入信號。這種電路與光隔離放大器、變壓器耦合隔離放大器的不同之處在于通過隔離電容傳輸?shù)牟皇悄M信號，而是通過滯回調(diào)制/解調(diào)技術(shù)產(chǎn)生的500kHz數(shù)字調(diào)制信號，隔離元件的特性不會影響信號的完整性，且具有較好的高頻暫態(tài)性能。在隔離運算放大器U6之后必須加入由OPA4277型運算放大器U7和二階RC網(wǎng)絡(luò)組成的有源低通濾波器，用于濾除高頻信號的噪聲干擾。由圖7示出的數(shù)字信號調(diào)理電路可以得知，所述數(shù)字信號調(diào)理電路9包括依次電連接的隔離電路、整形電路，所述隔離電路由電阻R10、光電耦合器U8組成，所述整形電路包括正反饋分壓電路、電壓比較器U9，其中，所述正反饋分壓電路由可調(diào)電位器W2、電阻R12和R13組成，所述數(shù)字信號調(diào)理電路9的輸出端經(jīng)接口14、線纜6接至數(shù)據(jù)采集卡3。在現(xiàn)場中還有許多數(shù)字信號的輸出，這些數(shù)字信號即所謂的開關(guān)量輸入，如控制器件的輸出電平信號，這些信號與編碼器的輸出信號相比，其頻率要低許多，基本在1kHz以下。從圖7可以看出，所述數(shù)字信號調(diào)理電路9在結(jié)構(gòu)上與編碼器調(diào)理電路10相比，除了少了一個接口電路外，其他電路連接相同。光電耦合器U8選用TLP521型光電耦合器，電壓比較器U9的型號為LM339。數(shù)據(jù)采集卡2、3實現(xiàn)將輸入的模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、將數(shù)字信號進(jìn)行計數(shù)的功能。本分析儀設(shè)置了數(shù)據(jù)采集卡2、3，其中，數(shù)據(jù)采集卡2用于編碼器信號與模擬信號的數(shù)據(jù)采集，選用美國NI公司生產(chǎn)的DAQCard-6062E型數(shù)據(jù)采集卡。它最高采樣率可達(dá)500kHz/S，用戶可以選擇16路單端通道或8路差分通道的模擬輸入，2路12位模擬輸出通道，8根數(shù)字I/O線和2個24位計數(shù)器/定時器，具有模擬和數(shù)字觸發(fā)功能。另外，用于數(shù)字信號采集選用的數(shù)據(jù)采集卡3型號為DAQCard-6533，是一個32位的高速數(shù)字采集卡。為防止數(shù)據(jù)采集卡2、3被線纜拉出，需用NI專用板卡連接固定器將其固定。本分析儀的信號調(diào)理器1采用大容量鋰電池供電。當(dāng)電量指示燈12亮度不足或不亮?xí)r，需要進(jìn)行充電。充電時須先將信號調(diào)理器1上的電源開關(guān)11置于“開”的狀態(tài)，再將充電器連接到位于信號調(diào)理器1側(cè)面的充電器接口16上。盡量減少鋰電池的頻繁充放電，推薦用完再充滿的原則，以達(dá)到最佳存儲效果且延長電池的使用壽命。
權(quán)利要求1.一種信號分析儀，由信號調(diào)理器和筆記本電腦兩部分組成，用線纜將此兩部分電連接，其特征在于在筆記本電腦(4)上設(shè)置有數(shù)據(jù)采集卡(2)、(3)，所述數(shù)據(jù)采集卡(2)、(3)分別經(jīng)線纜(5)、(6)與信號調(diào)理器(1)上的接口(14)、(15)相連；在線測試信號送入模擬信號調(diào)理電路(7)、數(shù)字信號調(diào)理電路(9)、編碼器信號調(diào)理電路(10)，分別經(jīng)線纜(5)、(6)輸入到數(shù)據(jù)采集卡(2)、(3)中，將模擬信號進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換、將數(shù)字信號進(jìn)行計數(shù)后輸至筆記本電腦(4)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的信號分析儀，其特征在于所述模擬信號調(diào)理電路(7)、數(shù)字信號調(diào)理電路(9)分別設(shè)置成至少八路信號輸入，且1～8路輸入通道之間相互隔離；所述編碼器信號調(diào)理電路(10)，有A、B、Z三相信號輸入；上述輸入的信號經(jīng)調(diào)理后分別經(jīng)線纜(5)、(6)送至筆記本電腦(4)中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的信號分析儀，其特征在于所述信號調(diào)理器(1)面板上設(shè)置有模擬信號調(diào)理電路(7)的輸入通道、至少有八路、即7-1～7-8路、電壓-電流轉(zhuǎn)換開關(guān)(8)、至少有八路、即8-1～8-8路、數(shù)字信號調(diào)理電路(9)的輸入通道、至少有八路，即9-1～9-8路、編碼器信號調(diào)理電路(10)的輸入通道有A、B、Z三相、即(10-A)、(10-B)、(10-Z)相、電源開關(guān)(11)、電量指示燈(12)、線纜接口(14)和(15)，所述信號調(diào)理器(1)采用電池供電，所述電池固接在信號調(diào)理器(1)內(nèi)，充電器接口(16)位于信號調(diào)理器(1)的側(cè)面，熔斷器(13)固接在信號調(diào)理器(1)中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的信號分析儀，其特征在于所述編碼器信號調(diào)理電路(10)由隔離電路、整形電路、鑒相電路組成，所述隔離電路由電阻R1、高速光電耦合器U2組成，所述整形電路包括正反饋分壓電路、電壓比較器U3、施密特觸發(fā)器U4A和U4B、低通濾波器，其輸出端接至接口(15)，其中，所述正反饋分壓電路由可調(diào)電位器W1、電阻R3和R4組成，在施密特觸發(fā)器U4A和U4B之間連接著由電阻R6、電容C2組成的低通濾波器，所述鑒相電路由D觸發(fā)器U1構(gòu)成，鑒相電路的輸入信號為經(jīng)過隔離、整形電路的A相和B相信號，其輸出端U/D接至接口(15)，編碼器信號調(diào)理電路(10)的輸出端經(jīng)接口(15)、線纜(5)接至數(shù)據(jù)采集卡(2)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的信號分析儀，其特征在于所述模擬信號調(diào)理電路(7)包括依次電連接的瞬態(tài)電壓吸收電路、電壓-電流切換開關(guān)S1、電流接收器U5、隔離運算放大電路、有源低通濾波器，其中，所述瞬態(tài)電壓吸收電路由電阻R7、瞬態(tài)電壓抑制器D1組成，所述隔離運算放大電路由隔離運算放大器U6、電容C5～C8組成，所述有源低通濾波器由運算放大器U7、電阻R8和電容C10、電阻R9和電容C9組成，所述模擬信號調(diào)理電路的輸出端經(jīng)接口(15)、線纜(5)接至數(shù)據(jù)采集卡(2)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的信號分析儀，其特征在于所述數(shù)字信號調(diào)理電路(9)包括依次電連接的隔離電路、整形電路，所述隔離電路由電阻R10、光電耦合器U8組成，所述整形電路包括正反饋分壓電路、電壓比較器U9，其中，所述正反饋分壓電路由可調(diào)電位器W2、電阻R12和R13組成，所述數(shù)字信號調(diào)理電路(9)的輸出端經(jīng)接口(14)、線纜(6)接至數(shù)據(jù)采集卡(3)。
專利摘要一種信號分析儀，由信號調(diào)理器和筆記本電腦組成，用線纜將此兩部分電連接，筆記本電腦上設(shè)置有數(shù)據(jù)采集卡，所述數(shù)據(jù)采集卡分別經(jīng)線纜連接到信號調(diào)理器上的接口；在線測試信號送入模擬信號調(diào)理電路、數(shù)字信號調(diào)理電路、編碼器信號調(diào)理電路，分別經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸至筆記本電腦中。本實用新型利用虛擬儀器技術(shù)，使用LabVIEW的數(shù)據(jù)采集編程程序，將編碼器在線測試、動態(tài)信號分析、多通道數(shù)據(jù)記錄和復(fù)現(xiàn)、高速模擬數(shù)據(jù)存儲和復(fù)現(xiàn)、高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲和復(fù)現(xiàn)五種功能集于一身，體積和價格大幅降低，測試、攜帶簡便可靠。廣泛用于實時測量、信號采集、分析與處理等領(lǐng)域。
文檔編號G06F11/22GK2845017SQ20052007491
公開日2006年12月6日 申請日期2005年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月23日
發(fā)明者許樂飛, 邵永逸 申請人:常州潞城傳感器有限公司