專利名稱：高低速瞬態波形采集分析儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種瞬態波形分析儀，特別涉及一種將高速／低速模擬／數字(A／D)轉換器和存儲器做在一塊線路板上，直接插入pc機的I／O擴展槽中，可即刻進行瞬態波形采集及數據處理的分析儀。
瞬態波形采集分析在石油、地質、水利、建筑、核能等領域中有廣泛的應用。一種傳統的波形采集分析儀的框圖如
圖1所示，傳感器探測到各種物理信號，如速度、壓力、加速度等，變為電信號(電壓或電流信號)。該電信號經放大器放大后被模擬磁帶機所記錄。然后送到模擬／數字(A／D)轉換器轉換為信號的數字量，再將獲取的數據送到計算機去處理。圖2是另一種傳統的瞬態波形分析儀，傳感器探測到各種物理信號并轉變為電信號，該電信號經放大器放大后送到數字存儲示波器，對波形數據進行數字化、存儲或顯示，示波器有接口可與計算機連接。
圖1所示的瞬態波形分析儀的缺點是數據的獲取和數據的處理是分開進行的，不適于在作業現場進行實時分析；況且，模擬磁帶記錄器對高速瞬態信號的頻率響應不夠，且只有信號記錄功能，沒有數據處理功能。
圖2所示的波形分析儀的缺點是需要價格昂貴和體積較大的數字存儲示波器，示波器僅具有波形數據的暫時存儲和顯示能力，不具備數據處理能力。
本實用新型的目的是提供一種波形采集分析儀，其中把高速／低速A／D轉換器和存儲器做在一塊稱為數據采集板的線路板上插到pc計算機上，使波形數據的采集和處理能在計算機的管理之下并行進行，可進行現場瞬態波形的采集、記錄及數據的分析。
本發明的另一目的是提供一種波形分析儀，具有高速／低速的至少四通道，廣泛適用于不同領域的高低速瞬態波形的采集和數據處理。
本實用新型的波形采集分析儀包括用于探測物理量的至少一個傳感器，一用于放大來自傳感器信號的放大器，一塊對放大的電信號進行數據采集的數據采集板，和一臺pc計算機，其特征在于所述數據采集板包括高速通道和低速通道，所述高速通道包括一輸入電路，用于輸入來自所述放大器的信號，一高速A／D轉換器，連接到所述輸入電路，用于把高速模擬信號轉換為數字信號，一存儲器裝置，連接于所述A／D轉換器，用于存儲所測數字信號，以及一并行輸入輸出口，連接于所述存儲器裝置，用于實現數據采集板與計算機的連接。所述低速通道包括一個模擬開關，用于接收低速輸入信號，一個電平轉換電路，連接于模擬開關，一個低速A／D轉換器，連接于電平轉移電路，用于把信號變為數字信號，直接送到計算機進行處理。本實用新型的所述兩高速通道電路從信號輸入到A／D轉換到存儲器完全隔離，對兩個采樣通道采用了完全相同的兩套電路，每通道采樣速率為1MHZ，所用A／D轉換器的芯片為TDC1001，低速通道的A／D轉換器的芯片為ADC0804，本實用新型的數據采集板還包括內觸發裝置、外觸發裝置、觸發閾值和觸發提前量的數字控制裝置，所述的數據采集板直接插入pc機的I／O擴展槽，通過計算機的控制實現信號的采集。高速通道的高達1MHZ的采樣率可保證快速信號的數據采集，其每通道4K字節存儲量保證瞬態信號的記錄。而慢變化信號可由低速通道進行采集，低速通道采樣頻率分四檔10、100、200、1000HZ，由計算機控制選擇。可同時記錄四個通道的高低速信號并送到計算機處理，而且通過pc機的控制功能，使數據的采集與處理并行進行，且使波形的移動、壓縮、計算峰值和頻率及波形繪制變為可能。
本實用新型的優點是數據采集功能板直接插入到pc機上，使整個波形分析儀的硬件結構簡單，并可充分利用計算機的功能；由于波形采集和數據處理可并行進行，提高了工作效率；結合計算機的軟件技術，使本波形分析儀的操作簡單，使用方便，波形分析更精確有效。應用范圍廣，適用于各領域高低速瞬態動荷載信號的捕獲及處理。特別是對爆破時爆源近區瞬態高頻爆炸應力波及遠區低頻振動波的采集、記錄、分析。
下面，結合附圖詳細描述本實用新型的目的之實現圖1是一種現有技術波形分析儀的框圖。
圖2是另一種現有技術波形分析儀的框圖。
圖3是本實用新型波形分析儀的框圖。
圖4是本實用新型的數據采集板的信號流程圖。
圖5是本實用新型數據采集板的框圖。
圖6－11是本實用新型數據采集板的線路圖。
圖3是實用新型的瞬態波形采集分析儀的原理圖。其中1是傳感器，傳感器的作用是用于探測各種物理信號，如位移、速度、加速度、壓力、應變等，并把它們變為電信號(電壓、電流)，從傳感器出來的電信號被送到放大器2進行放大，常用的放大器有電壓放大器、電荷放大器、超動態應變儀、信號調節器等，從放大器出來的放大信號被送到帶有數據采集板的微型計算機進行處理。在本發明的方案中，傳感器、放大器和微型計算機都是可從市場買到。對于本專業的普通技術人員來講，它們之間的連接也都是可以不需要創造性勞動完成的。
圖4是本發明的數據采集板的信號流程圖，來自放大器的輸入信號Ui如果是高速信號，則進入高速通道，如果是低速信號，則進入低速通道；下面我們分別描述，來自放大器的高速輸入Ui(H)信號進入輸入電路，使Ui(H)信號轉換為適合于A／D轉換的信號，并送到A／D轉換器進行模／數轉換，模擬信號轉換成數字量后送到RAM暫存，這是因為一些主頻較低的pc機，對于1MHZ的采樣頻率不可能利用軟件編程的辦法，將每次的轉換結果隨時送到計算機的內存。因此，在接口電路中設置了一RAM數據暫存器來保存采樣瞬態波形得到的全部數據，然后將采樣數據讀入計算機內存。
來自放大器的低速輸入信號通過模擬開關進入A／D轉換器進行模數轉換，轉換結果用軟件編程的辦法隨時送入計算機內存進行處理。低速通道是完全獨立于高速通道的。
為了使本實用新型的瞬態波形采集分析儀能更好地工作，還可以增加內觸發、外觸發、觸發閾值和觸發提前量的數字控制電路。
圖5是實用新型數字采集板的框圖。該采集板可同時測量四路信號，如高速信號Ui(H1)和Ui(H2)，低速信號Ui(L1)和Ui(L2)。為了盡量避免各路信號間的相互干擾，對高速采樣通道從輸入電路到A／D轉換到存儲器，采用了完全相同的兩套電路。圖5中還示出觸發電路、觸發提前量電路和觸發閾值電路。圖6－11是圖5數據采集板的線路圖。下面結合圖5－圖11，詳述本實用新型的高速A／D數據采集的主要工作過程。
首先，由計算機的軟件程序置位I／O擴展槽中的信號線，經譯碼電路選通并行輸入輸出口8255，將并行輸入輸出口的PA、PB、PC口初始化。PA、PB口置為輸入方式，下PC口(PC3－PC0)置為輸出方式，用來選擇高速或低速采樣、內觸發或外觸發工作方式，采樣或送數狀態，并將地址計數單元清另。上PC口設為輸入方式，用來檢測Ui信號是否超閾及采樣是否完畢。
高速采樣電路的工作過程A.在寫狀態下外觸發工作方式，觸發信號由現場提供，此時PC0(外／內)＝1，PC1(采樣／送數)＝0，PC2(高／低)＝1。當外觸發脈沖來后，啟動標志觸發器U28(1)的Q端置1，打開時鐘門。20MHZ的高頻時鐘信號經U14被送至兩路A／D采樣通道，開始采樣。同時，20MHZ信號經U14被送至兩路A／D采樣通道，開始采樣。同時，20MHZ信號經U16、U1720分頻后，以1MHZ的頻率同時送到A／D(U4和U6)的起動端sc和地址計數器(U19、U20、U21)的ck端，使地址計數器開始計數。電路以1微秒／每次的速率將每次的采樣結果順序存入RAM(U8、U9、U10、U11)相應的地址單元中。完成4k字節的采樣后，地址計數器產生一進位脈沖，通過U22與門將啟動標志觸發器U28再置另。關閉時鐘門，采樣停止。
內觸發工作方式，此時，PC0(外／內)＝0，PC1(采集／送數)＝0，PC2(高／低)＝1。首先由程序將閾值控制字打入閾值鎖存器U38、U39，將提前量控制字送入提前量鎖存器U36、U37。觸發提前量可以是0－4096中的任意數值。再用程序給368端口一負脈沖，同樣使啟動標志觸發器U28置1，電路開始從內觸發輸入端采樣。與外觸發工作方式不同的是如果Ui沒有超過給定的閾值，則這種采樣過程會以4096為一循環無限地繼續下去，而地址計數器的進位脈沖不會使這種采樣過程停止。同時，計算機用查詢方式檢測Ui是否超過給定的閾值Uy，一旦｜Ui｜＞｜Uy｜，則計算機會從369端口打入一負脈沖，從而使原已在U36，U37中存好的觸發提前量送入提前量計數器U32、U33、U34，并從此數開始進行與地址計數器同步的加法計數。一旦該計數器計滿4k數值，則進位脈沖會通過U22另一與門，使啟動標志觸發器U28復位，采樣停止。此時存儲器中存入的采樣結果從停止采樣時的地址處往前推算，由4096減去預置提前量的單元中存入的數據是｜Ui｜>｜Uy｜以后測到的結果，而其余的存儲單元中存入的是Ui超過閾值之前的數據，從而實現了內觸發時觸發提前量的要求。
B.在讀狀態下此時，PC1(采樣／送數)＝1。由程序選通并行輸入輸出口8255的PA口、PB口，從上、下兩路的RAM單元中將數據交替讀入內存。寫操作時，地址計數脈沖與采樣脈沖同步，兩通道單獨順序地將數據寫入相應的存儲器。讀操作時，地址計數脈沖由I／O擴展槽的IOR信號產生(執行一次IN指令時，IOR線上出現一負脈沖)，IOR兩次有效低電平引起地址脈沖的一次改變。
經過以上過程，可以獲得兩路8位4K單元的高速采樣數字量。采樣結束后，根據計算機指令，將8K位數據送入pc機內進行處理。
低速信號的采樣過程低速信號的采樣只適于外觸發方式。當外觸發信號來后，由并行輸入輸出口8255－PC4端輸入標志，通過程序設置選擇Ui(L1)或Ui(L2)輸入。輸入信號經電平轉移送入U42 ADC0804變換成數字信號送入計算機進行存儲及處理。
其采樣頻率及每通道信號的存儲容量均可由軟件進行設置。
權利要求1.瞬態波形采集分析儀，包括用于探測物理量的至少一個傳感器，一個用于放大來自傳感器信號的放大器，一塊對放大的電信號進行數據采集的數據采集板，和一臺PC計算機，其特征在于所述數據采集板包括高速通道和低速通道；所述高速通道包括輸入電路，用于輸入來自所述放大器的高速信號；高速(2.5MHZ)A/D轉換器，連接于所述輸入電路，用于把高速模擬信號轉換為數字信號；每個通道4K的存儲器RAM裝置，連接于所述A/D轉換器，用于存儲所述數字信號；以及并行輸入輸出口，連接于所述存儲器裝置，用于實現與計算機的連接；所述低速通道包括一模擬開關，用于接收低速輸入信號；一電平轉移電路，連接于模擬開關；一低速A/D轉換器，連接于電平轉移電路，用于直接輸出采集的數字數據給計算機。
2.根據權利要求1的瞬態波形采集分析儀，其特征在于，所述高速通道的所述A／D轉換器的芯片為TDC1001。
3.根據權利要求1的瞬態波形采集分析儀，其特征在于，所述低速通道的所述A／D轉換器的芯片為ADC0804。
4.根據權利要求1的瞬態波形采集分析儀，其特征在于，所述數據采集板還包括內觸發裝置、外觸發裝置、觸發閾值和觸發提前量的數字控制裝置。
專利摘要一種瞬態波形采集分析儀，包括用于探測物理量的至少一個傳感器，一個用于放大來自傳感器信號的放大器，一塊對放大的電信號進行數據采集的數據采集板和一臺PC計算機，所述數據采集板插在計算機的I/O擴展槽中，體積小并具有高速通道和低速通道，可對高頻瞬態波形信號和低速瞬態波形信號進行采集及實時分析。
文檔編號G01R29/00GK2148335SQ93200039
公開日1993年12月1日 申請日期1993年1月7日 優先權日1993年1月7日
發明者孫翠蘭, 蔡建新, 王悅敏 申請人:孫翠蘭
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