專利名稱：一種振動信號微分電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種振動信號微分電路，具體地說，是涉及一種將振動位移信號轉化成速度信號，或者將振動速度信號轉化成加速度信號的微分電路。
背景技術：
位移、速度和加速度是表征結構振動的三個基本物理量。在結構振動試驗中，由于信號測試的便捷性，加速度應用最為廣泛，目前多數振動試驗標準均采用加速度來定義相關的試驗條件和規范。加速度信號一般采用接觸式的測量方法，在結構上固定安裝加速度傳感器來直接獲取振動信號。在某些無法或不允許將傳感器直接固定在結構上的場合，如旋轉軸、輕小結構件等，則需要采用非接觸式的測量方法，如使用電渦流位移傳感器、激光測振儀等非接觸式傳感器測試振動位移信號或速度信號。為了使非接觸測試的位移信號或速度信號應用于加速 度定義的振動試驗，必須將位移信號或者速度信號在時域中進行微分運算轉換成加速度信號。實現信號時域微分運算的關鍵是設計模擬微分電路。模擬微分電路可分為無源和有源兩種形式。最簡單的無源微分電路由電容器C和電阻R串聯組成，稱為RC微分電路。有源微分電路由運算放大器、輸入電容和反饋電阻組成。由于振動信號具有頻帶寬、動態范圍大等特點，受實際電容和電阻元器件性能以及參數的影響，RC微分電路不適用于寬頻帶振動信號的微分變換，對振動信號進行微分變換需使用以運算放大器為核心的有源微分電路。有源微分電路對振動信號進行微分變換時存在如下兩個主要技術問題:(1)微分電路的輸出電壓與輸入電壓的時間導數成比例關系，但在相位上與理論的微分運算結果相差180度,使微分后的信號失去物理意義；(2)微分電路輸出電壓與輸入信號的電壓和頻率成正比，高頻段時運算放大器容易出現輸出飽和現象，電路失去微分運算功能，導致輸出信號失真。本發明在理想有源微分電路的基礎上，針對上述存在的技術問題設計外圍輔助電路，以滿足實際工程應用中對振動信號進行微分運算的需求。
發明內容
本發明提供一種振動信號微分電路，第一發明目的是解決上述背景技術中振動信號經過有源微分電路微分運算后相位相差180度的問題，第二發明目的是通過監測有源微分電路的輸出電壓保證微分電路在高頻段時不因運算放大器飽和導致微分信號失真。本發明為實現上述第一發明目的所采取的技術方案是:一種振動信號微分電路，包括設備電源裝置、微分運算模塊和反相變換模塊，設備電源裝置為微分運算模塊和反相變換模塊提供所需的正負電壓，微分運算模塊的輸出端連接反相變換模塊的輸入端。振動信號經過微分運算模塊進行微分運算，輸入到反相變換模塊進行反相變換，反相變換模塊輸出端輸出的信后作為微分后的信號輸出。為了實現上述第二發明目的，所述振動信號微分電路還包括電壓監測模塊，電壓監測模塊的輸入端連接微分運算模塊的輸出端。
所述設備電源裝置由直流電源和雙電源供電電路組成，所述雙電源供電電路由運算放大器、分壓電阻和濾波電容組成，將直流電源提供的單極性直流電壓轉換成對稱的正負電壓。所述微分運算模塊由集成運算放大器、微分電容和反饋電阻組成，微分電容一端連接輸入的振動信號，一端連接集成運算放大器的反相輸入端，集成運算放大器輸出電壓經反饋電阻送回反相端形成負反饋，集成運算放大器同相端經過平衡電阻接地。所述反相變換模塊由集成運算放大器、輸入電阻和反饋電阻組成，輸入電阻一端連接微分運算模塊的輸出端，另一端連接集成運算放大器的反相輸入端，集成運算放大器輸出電壓經反饋電阻送回反相端形成負反饋，集成運算放大器同相端經過平衡電阻接地。所述電壓監測模塊由電壓比較器、分壓電阻和發光二極管組成，兩只分壓電阻串聯形成分壓電路，將設備電源裝置中提供的正極電壓進行分壓，得到合適的參考電壓輸入電壓比較器的反相端，電壓比較器的同相端接微分運算模塊的輸出端，輸出端通過限流電阻與發光二極管相連。當微分運算模塊的輸出電壓高于參考電壓時，發光二極管被點亮，表示微分電路將臨近飽和狀態。所述電源裝置中的直流電源可以為線性穩壓直流電源適配器。在實際使用中，所述微分運算模塊、反相變換模塊和電壓監測模塊可以多組聯合，對多路振動信號進行同步微分運算，形成多通道的振動信號微分電路。為了使用更加方便,可以將上述振動信號微分電路放置在一機殼內，機殼由金屬材質制成，機殼面板上安裝信號輸入接口、信號輸出接口、反映微分電路工作狀態的指示接口、設備電源接口、電源開關和電源指示燈，機殼與電路地線相連，起到屏蔽作用；信號輸入接口與微分運算模塊中微分電容一端相連，信號輸出接口與反相運算模塊中運算放大器的輸出端相連，反映微分電路工作狀態的指示接口等同于上述電壓監測模塊中的發光二極管，設備電源接口的一 端與內置的雙電源供電電路相連，另一端連接外置的直流電源，電源開關等同于上述電源裝置中的電源開關，電源指示燈等同于上述電源裝置中的發光二極管。本發明所述振動信號微分電路中的微分運算模塊對振動信號進行微分運算，微分后的信號經過反相變換模塊進行反相運算，解決了振動信號經過有源微分電路微分運算后相位相差180度的問題，同時，當微分運算模塊的輸出電壓高于設定值時，電壓監測模塊中的發光二極管點亮，表示微分電路將臨近飽和狀態，提醒實驗人員采取相應措施以確保設備正常工作。本發明采用普通電器元件即可實現，具有成本低廉、結構緊湊、空間小和使用方便的特點。
圖1是本發明所述振動信號微分電路實施實例的結構組成框圖。圖2為圖1所示設備電源裝置的內置雙電源供電電路圖。圖3為圖1所示微分運算模塊、反相變換模塊和電壓監測模塊的電路圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例，對本發明作進一步詳細說明。
圖1是本發明所述振動信號微分電路實施實例的結構組成框圖，包含:機殼1、設備電源裝置2、微分運算模塊3、反相變換模塊4和電壓監測模塊5。設備電源裝置2、微分運算模塊3、反相變換模塊4和電壓監測模塊5均容納于機殼I內。圖1所示的機殼I由鋁合金材質制成，機殼面板上安裝信號輸入接口、信號輸出接口、反映微分電路工作狀態的指示接口、設備電源接口、電源開關和電源指示燈。信號輸入輸出接口采用通用的BNC插座，反映微分電路工作狀態的指示接口采用電壓監測模塊5中的紅色發光二極管。設備電源接口采用3.5_直流電源插座，與設備電源裝置2中的外置線性穩壓直流電源適配器相匹配，電源開關和電源指示燈與設備電源裝置2中的內置雙電源供電電路相連接，電源指示燈采用綠色發光二極管。機殼I與電路中的地線相連，起到屏蔽作用。 圖1所示設備電源裝置2，包括外置的線性穩壓直流電源適配器和圖2所示的內置雙電源供電電路。雙電源供電電路利用運算放大器電壓跟隨原理將線性穩壓直流電源適配器提供的單極性直流電壓轉換成對稱的正負電壓，為電路中的雙電源集成運算放大器提供工作電源。圖2中VDC直流電壓由外置線性穩壓直流電源適配器通過機殼面板上的3.5mm直流電源插座提供，VDC直流電壓接機殼面板上的電源開關Kp和電源指示燈綠色發光二極管D1，通過限流電阻Rl形成回路，Kp合上時Dl發亮，說明線性穩壓直流電源適配器供電正常。兩個阻值相同的電阻R2和R3串聯，另外兩端分別接電源開關Kp和直流電壓VDC負極。電解電容Cl正極接R2和R3連接點，并與集成運算放大器Al同相輸入端相連，電解電容Cl負極接直流電壓VDC負極。集成運算放大器Al反相輸入端與輸出端相連，正電源輸入端與電源開關Kp相連，負電源輸入端與直流電壓VDC負極相連。兩個容值相同的電解電容C2和C3串聯，C2正極端與集成運算放大器Al正電源輸入端相連，C3負極端與集成運算放大器Al負電源輸入端相連，C2和 C3連接點與集成運算放大器Al的輸出端相連并接地。此時C2正極端和C3負極端的電壓相對于零電位地線分別為+Vc和-Vc，為圖1所示微分運算模塊3、反相變換模塊4和電壓監測模塊5的電路中雙電源運算放大器提供工作電源。圖3為圖1所示微分運算模塊3、反相變換模塊4和電壓監測模塊5的電路圖。微分運算模塊3是一有源微分電路，由集成運算放大器A2、微分電容C4和反饋電阻R4組成。C4為陶瓷電容，一端接機殼I的信號輸入接口，一端接集成運算放大器A2的反相輸入端。集成運算放大器A2輸出電壓經反饋電阻R4送回反相端形成負反饋，同時作為輸入信號提供給反相變換模塊4和電壓監測模塊5。集成運算放大器A2的同相輸入端經過平衡電阻R5接地。反相變換模塊4是一有源反相比例運算電路，由集成運算放大器A3、輸入電阻R6和反饋電阻R7組成。輸入電阻R6 —端接微分運算電路3中集成運算放大器A2的輸出端，另一端接集成運算放大器A3的反相輸入端。集成運算放大器A3輸出電壓經反饋電阻R7送回反相端形成負反饋，并作為微分后的信號接至機殼I中的信號輸出接口，集成運算放大器A3的同相輸入端經過平衡電阻R8接地。電壓監測模塊5是一電壓比較電路，由電壓比較器A4、分壓電阻R9、R10以及紅色發光二極管D2組成。分壓電阻R9和RlO串聯形成分壓電路，將圖2雙電源供電電路中提供的正極電壓+Vc進行分壓，得到合適的參考電壓Vref與電壓比較器A4的反相端相連。電壓比較器A4的同相端接微分運算電路3中集成運算放大器A2的輸出端。電壓比較器A4輸出端通過限流電阻Rll與紅色發光二極管D2相連。當同相端電壓超過參考電壓Vref時，電壓比較器A4輸出高電位使紅色發光二極管D2點亮，表示微分電路將臨近飽和狀態，提醒實驗人員采取相應措施以確保設備正常工作。本發明具體應用途徑很多，以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以作出若干改進，這些改進也應視為本發明的 保護范圍。
權利要求
1.一種振動信號微分電路，其特征是:包括設備電源裝置(2)、微分運算模塊(3)和反相變換模塊(4)，設備電源裝置(2)為微分運算模塊(3)和反相變換模塊(4)提供所需的正負電壓，微分運算模塊(3)的輸出端連接反相變換模塊(4)的輸入端。
2.根據權利要求1所述振動信號微分電路，其特征是:還包括電壓監測模塊(5)，電壓監測模塊(5)的輸入端連接微分運算模塊(3)的輸出端。
3.根據權利要求1或2所述振動信號微分電路，其特征是:所述設備電源裝置(2)由直流電源和雙電源供電電路組成，所述雙電源供電電路由運算放大器、分壓電阻和濾波電容組成，將直流電源提供的單極性直流電壓轉換成對稱的正負電壓。
4.根據權利要求1或2所述振動信號微分電路，其特征是:所述微分運算模塊(3)由集成運算放大器、微分電容和反饋電阻組成，微分電容一端連接輸入信號，一端連接集成運算放大器的反相輸入端，集成運算放大器輸出電壓經反饋電阻送回反相端形成負反饋，集成運算放大器同相端經過平衡電阻接地。
5.根據權利要求1或2所述振動信號微分電路，其特征是:所述反相變換模塊(4)由集成運算放大器、輸入電阻和反饋電阻組成，輸入電阻一端連接微分運算模塊(3)的輸出端，另一端連接集成運算放大器的反相輸入端，集成運算放大器輸出電壓經反饋電阻送回反相端形成負反饋，集成運算放大器同相端經過平衡電阻接地。
6.根據權利要求2所述振動信號微分電路，其特征是:所述電壓監測模塊(5)由電壓比較器、分壓電阻和發光二極管組成，兩只分壓電阻串聯形成分壓電路，將設備電源裝置(2)中提供的正極電壓進行分壓，得到合適的參考電壓輸入電壓比較器的反相端，電壓比較器的同相端接微分運算模塊(3)的輸出端，輸出端通過限流電阻與發光二極管相連。
7.根據權利要求2所述振動信號微分電路，其特征是:所述微分運算模塊(3)、反相變換模塊(4)和電壓監測模塊(5)多組聯合，對多路振動信號進行同步微分運算，形成多通道的振動信號微分電路。
8.根據權 利要求3所述振動信號微分電路，其特征是:所述直流電源為線性穩壓直流電源適配器。
全文摘要
本發明公開了一種振動信號微分電路，包含設備電源裝置、微分運算模塊、反相變換模塊和電壓監測模塊，振動信號經過微分運算模塊進行微分運算后，輸入反相變換模塊進行反相運算，作為微分后的信號輸出，微分運算模塊的輸出電壓與設定電壓值進行比較，當高于設定電壓值時電壓監測模塊中的發光二極管點亮，表示微分電路將臨近飽和狀態，提醒實驗人員采取相應措施以確保設備正常工作。本發明解決了振動信號微分運算后相位相差180度的問題，同時通過對微分運算模塊輸出電壓進行監測，保證微分電路正常工作，具有成本低廉、結構緊湊、空間小和使用方便的特點。
文檔編號G01R19/165GK103245366SQ201310146680
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月25日 優先權日2013年4月25日
發明者賀旭東, 陳懷海, 張步云 申請人:南京航空航天大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
