基于PXI总线的电荷放大装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种基于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。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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，本专利技术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。本专利技术中的多通道电荷放大板卡正是基于这个要求被提了出来。
技术实现思路
技术问题本专利技术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，本专利技术的基于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。本专利技术的技术方案中，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。本专利技术的技术方案中，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。本专利技术的技术方案中，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，同时某些结构健康本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：裘进浩，吴义鹏，季宏丽，阎志坤，
申请(专利权)人：南京浩之德智能科技有限公司，
类型：实用新型
国别省市：