CN202975142U - 一种基于模数转换器的测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于模数转换器的测量系统，用于测量电压幅值、电源纹波及信号频率。该系统包括人机交互模块、主控制器、信号处理模块、远处数据中心、电源模块。人机交互模块进行测试参数设置；主控制器将信号处理模块调整为相应的工作模式；信号处理模块将待测信号数字量后送入主控制器；主控制器按照预设的数据处理方法得到测试数据，对测试数据进行分析后送入人机交互模块以数值、图表等方式显示出测试结果；测试参数及测试结果均存储于远程数据中心，作为质量分析、售后追踪的历史数据。应用本实用新型的一种基于模数转换器的测量系统，不仅效率高、操作简便，对操作工人依赖性不强，易于实现与自动化生产、检测设备的整合。

Description

一种基于模数转换器的测量系统

技术领域

本实用新型属于自动化测试技术领域，更具体地涉及一种基于模数转换器的测量系统，可以用于测量电压幅值、电源纹波以及信号频率。

背景技术

随着工业生产及测试的智能化、全自动化的发展，自动化生产、检测越来越重要。现有的、成熟的办法大多为使用示波器或通用测试设备进行电压幅值、电源纹波、信号频率的测量，而这些方法在测量时必须由操作人工进行模式切换和复杂的参数设置等工作，这不仅要求操作人员有较高的专业素质，保证参数设置的合理性、测试结果数据的准确读取和正确的计算比对，而且费时、成本高、准确率低、工作量大。即便如此，依旧会引入一定的人为因素引起的误差。最为关键的是，示波器或通用测试设备成本较高且很难融合到现有的工业自动化生产线，难以实现自动化检测。同时，从技术角度来看，通用测试设备虽然通用性较强，但它的二次开发或者专用性较弱，在一些特定应用情况下会由于无法判断或者误判，会对生产的产品带来严重缺陷。

实用新型内容

针对现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种基于模数转换器的测量系统，该系统可以实现电压幅值、电源纹波和信号频率的测量，同时克服了对通用测试设备和人工测量的依赖，实现了自动化生产、检测。

本实用新型提供了一种基于模数转换器的测量系统，包括：对测试参数进行设置的人机交互模块，将待测信号进行数值化处理后输出数字信号的信号处理模块，以及接收所述人机交互模块的参数设置，根据设置的参数控制信号处理模块的工作模式，对所述数字信号进行数学运算后并将测试结果输出至所述人机交互模块及远程数据中心的主控制器。

更进一步地，所述信号处理模块包括：在主控制器的控制下对输入的待测信号的耦合方式进行切换的模式切换模块，与所述模式切换模块连接，对待测信号的幅度进行衰减或放大处理的电平匹配模块，以及与所述电平匹配模块连接，将电平匹配模块输出的信号转换为数字量并输出至所述主控制器的模数转换器。

更进一步地，所述电平匹配模块对待测信号的幅度进行衰减或放大的倍率是根据所述人机交互模块预设的量程来确定。

更进一步地，所述模式切换模块包括用于实现交流耦合或直流耦合的耦合控制电路。

更进一步地，所述电平匹配模块包括依次连接的一级增益电路、程控增益及电平平移电路和二级增益电路；一级增益电路用于对待测信号的幅度进行2倍衰减或10倍衰减处理；程控增益及电平平移电路用于实现差分转单端、放大及电平平移；二级增益电路用于对待测信号的幅度进行5倍放大或10倍衰减处理。

更进一步地，所述主控制器为CPU、MCU或FPGA。

更进一步地，所述人机交互模块为键盘和液晶屏。

本实用新型中人机交互模块进行测试参数设置；主控制器将信号处理模块调整为相应的工作模式；信号处理模块将待测信号数字量后送入主控制器；主控制器按照预设的数据处理方法得到测试数据，对测试数据进行分析后送入人机交互模块以数值、图表等方式显示出测试结果；测试参数及测试结果均存储于远程数据中心，作为质量分析、售后追踪的历史数据。应用本实用新型的一种基于模数转换器的测量系统，不仅效率高、操作简便，对操作工人依赖性不强，易于实现与自动化生产、检测设备的整合。

附图说明

图1是本实用新型提供的基于模数转换器的测量系统的模块结构原理框图；

图2是本实用新型提供的基于模数转换器的测量系统中模式切换模块的具体电路图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型采用模数转换器实现电压幅值、电源纹波、信号频率的测量，继承了现有技术的主要优点，同时有效克服了对通用测试设备和人工测量的依赖，实现了自动化生产、检测。图1示出了本实用新型提供的基于模数转换器的测量系统的模块结构原理，为了便于说明，仅示出了与本实用新型相关的部分，详述如下：

基于模数转换器的测量系统包括人机交互模块1、主控制器2和信号处理模块5，人机交互模块1对测试参数进行设置，信号处理模块5将待测信号进行数值化处理后输出数字信号，主控制器2接收人机交互模块1的参数设置，根据设置的参数控制信号处理模块5的工作模式，对数字信号进行数学运算后并将测试结果输出至人机交互模块1。

本实用新型提供的基于模数转换器的测量系统可以用于测量电压幅值、电源纹波及信号频率。该测量系统包括人机交互模块1、主控制器2和信号处理模块5，工作时还需要外部的电源模块4和远程数据中心3的配合。人机交互模块1进行测试参数设置；主控制器2将信号处理模块5的功能调整为相应的工作模式；信号处理模块5将待测信号数值化后送入主控制器2；主控制器2按照预设的数据处理方法得到测试数据，对测试数据进行分析后送入人机交互模块1以数值、图表等方式显示出测试结果；测试参数及测试结果均存储于远程数据中心，作为质量分析、售后追踪的历史数据。应用本实用新型不仅效率高、操作简便，对操作工人依赖性不强，易于实现与自动化生产、检测设备的整合。

在本实用新型中，主控制器2接收人机交互模块的参数设置、硬件工作模式控制、对待测信号模数转换后的数字信号进行数学运算（滤波、均方根、傅立叶变换）、将待测数据传送至远程数据中心、将测试结果在人机交互模块上显示。主控制器2可以为CPU、MCU或FPGA等。

在本实用新型中，人机交互模块1用于实现待测信号的类型选择、参数范围选择，测试结果数据的显示。人机交互模块1可以为键盘、液晶屏或其它方式的输入、输出设备。

在本实用新型中，信号处理模块5包括：模式切换模块51、电平匹配模块52和模数转换器53，在主控制器2的控制下工作模式切换模块51对输入的待测信号的交流耦合、直流耦合进行切换，电平匹配模块52与模式切换模块51连接，对待测信号的幅度进行衰减或放大处理，模数转换器53与电平匹配模块52连接，将电平匹配模块52输出的信号转换为数字信号并输出至主控制器2。

其中，模式切换模块51用于输入信号的耦合方式控制；即交流(AC)耦合、直流(DC)耦合。例如：使用交流(AC)差分耦合方式，可以从高共模信号上取出差摸信号。根据实际需要，可以在此处增加隔离模块，实现隔离测量更好的增强了待测信号的类型和输入范围。

电平匹配模块52用于输入信号的幅度衰减或放大，倍率是根据人机交互模块预设的量程来确定。比如：待测信号为0~25V，模数转换的输入范围为0~5V，则电平匹配设定为衰减5倍；待测信号为0~500mV，模数转换的输入范围为0~5V，则电平匹配设定为放大10倍。

模数转换器53可以选用特定功能的模数转换器芯片，将输入的模拟信号转换为数字信号，送入主控制进行处理。例如：若主控制器自带模数转换器且精度满足设计需求，则此部分可以去掉；若选用独立的模数转换器芯片，可以参考ADI公司的AD9237芯片。

本实用新型提供的基于模数转换器的测量系统的工作原理如下：根据输入信号类型、参数范围等在人机交互模块1上进行参数设置（选择测量项目、参数范围量程。如：电压幅值、纹波或频率）。主控制器2接收到参数设置后，将信号处理模块5的功能调整为相应的工作模式（根据待测信号类型进行模式切换、根据量程调整增益）适合当前测量；待测信号经过信号处理模块5处理后（增益调整、模数转换），输入的模拟信号被转换为数字信号，被送入主控制器2；主控制器2接收数字信号后，按照设定的倍率将信号还原为实际值（幅值、周期等），且安照实际需要进行一些数字信号处理（滤波、均方根计算、傅立叶变换等）得到测试结果数据；再将测试结果数据的需求传送至人机交互模块，以数值或图表等方式进行显示；同时，将测试参数设置及结果数据通过特定总线（以太网、USB等）传送至远程数据中心的数据库中，作为产品质量分析及质量追踪的历史数据。

在本实用新型中，模式切换模块51的具体电路如图2所示，模式切换模块51包括：耦合控制电路通过MODE_CTRL控制。

耦合控制电路具体包括：光继电器U3/U4，电容C3/C5。待测信号从P1端口输入测试系统中。MODE_CTRL为0时U3/U4断开IN+/IN-分别由C3/C5送至后续电路，即交流(AC)耦合；MODE_CTRL为1时U3/U4闭合IN+/IN-分别由U3/U4的3/4脚送至后续电路，即直流(DC)耦合。

在本实用新型中，电平匹配模块52的具体电路如图2所示，电平匹配模块52包括：耦合控制电路通过MODE_CTRL控制；一级增益电路通过AMP_CTRL1控制、程控增益及电平平移电路通过AMP_CTRL2/AMP_CTRL3控制、二级增益电路通过AMP_CTRL4控制。增益电路级数、增益倍率可根据需要进行增删。

一级增益电路具体包括：光继电器U1/U6，电阻R5/R9/R1/R2/R10/R11，电容C2/C7。AMP_CTRL1为0时U1/U6断开S_IN1+/S_IN1-分别被R5/R1及R9/R10电路衰减2倍；AMP_CTRL1为1时U1/U6闭合S_IN1+/S_IN1-分别被R5/R1||R2及R9/R10||R11电路衰减10倍。电容C2/C7在电路中起滤波作用。

程控增益及平移电路具体包括：程控仪表放大器U4，电阻R8/R6，电容C4/C6，二极管TVS1/TVS2/TVS3。TVS1/TVS2/TVS3及R8/C4主要对U4输入端口进行保护；U4将S_IN2+/S_IN2-进行差分转单端及放大，AMP_CTRL2/AMP_CTRL3为00时放大1倍，AMP_CTRL2/AMP_CTRL3为01时放大2倍，AMP_CTRL2/AMP_CTRL3为时10放大5倍，AMP_CTRL2/AMP_CTRL3为11时放大10倍；U4的Vref将S_IN3平移为以Vref为参考的单端信号；R6/C6对S_IN3进行硬件滤波。

二级增益电路具体包括：光继电器U2，运放U5A，电阻R3/R7/R4，电容C1。AMP_CTRL4为0时U2断开R3断开，S_IN4被U5A及电阻R7/R4衰减10倍；MODE_CTRL为1，AMP_CTRL4为1时U2闭合R3接入电路，S_IN4被U5A及电阻R7||R3/R4放大5倍。

综上所述，本实用新型提供的基于模数转换器的测量系统与现有技术相比，具有如下优点：易于实现与自动化检测、生产等设备的整合；无需复杂的参数设置，操作简便；人为误差基本没有，准确率高；节省时间，效率高；设备成本低，降低自动化生产投入。

为了更进一步的说明本实用新型提供的基于模数转换器的测量系统，现以测量3.3V/12MHz晶振的频率为例并结合图1和图2详述如下：

测试人员通过人机交互模块进行测量项目设置。项目：无源晶振频率测量，参数范围：幅值_0~5V、频率_10MHz~20MHz。预设测量结果数据的判据：3.3V/±0.3V，12.000MHz/±50Hz主控制器进行硬件电路工作模式控制，详细如下：设置20M带宽限制（去除纹波中高频干扰）。直流(DC)耦合（得到更大的输入频率范围）。倍率调整（×1倍，3.3V幅值无需放大及衰减）输入信号经过信号处理模块后，送入到模数转换芯片的输入。主控制器以100M的采样率采集10ms的输入信号，统计其中信号幅值从0.99V左右（3.3V×0.3）变换至2.31V左右（3.3V×0.7）的次数，即是待测信号的频率。统计每次电压幅值从2.31V左右上升至最大值，即是每次信号频率对应周期以内的最大幅值（数据处理方法也可以是其它方式）。此最大值即是输入信号所每个频率周期的电压幅值。若需要更精确的测试结果，可以通过多次测量取平均值的方式得到。测量结果处理。将测量结果以数值的方式传送至人机交互模块进行显示。按照预设的预设测量结果数据的判据，对测量得到的幅值、频率分别进行判断，即可得出本次测量的测试结果。例如，合格/不合格。将测试方案与测试结果传送至远程数据中心对应的数据库中，作为产品质量分析及质量追踪的历史数据。

在本实用新型中，电压测量和纹波测量的方法与上述方法类似，在此不予以赘述。

本实用新型提供的基于模数转换器的测量系统不仅准确率高、效率高、成本低，而且操作简便，特别是它对通用测试设备和人工测量的依赖性不强，易于实现与自动化生产、检测设备的整合。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于模数转换器的测量系统，其特征在于，包括：

对测试参数进行设置的人机交互模块，

将待测信号进行数值化处理后输出数字信号的信号处理模块，以及

接收所述人机交互模块的参数设置，根据设置的参数控制信号处理模块的工作模式，对所述数字信号进行数学运算后并将测试结果输出至所述人机交互模块及远程数据中心的主控制器。

2.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述信号处理模块包括：

在主控制器的控制下对输入的待测信号的耦合方式进行切换的模式切换模块，

与所述模式切换模块连接，对待测信号的幅度进行衰减或放大处理的电平匹配模块，以及

与所述电平匹配模块连接，将电平匹配模块输出的信号转换为数字量并输出至所述主控制器的模数转换器。

3.如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述电平匹配模块对待测信号的幅度进行衰减或放大的倍率是根据所述人机交互模块预设的量程来确定。

4.如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述模式切换模块包括用于实现交流耦合或直流耦合的耦合控制电路。

5.如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述电平匹配模块包括依次连接的一级增益电路、程控增益及电平平移电路和二级增益电路；

一级增益电路用于对待测信号的幅度进行2倍衰减或10倍衰减处理；

程控增益及电平平移电路用于实现差分转单端、放大及电平平移；

二级增益电路用于对待测信号的幅度进行5倍放大或10倍衰减处理。

6.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述主控制器为CPU、MCU或FPGA。

7.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述人机交互模块为键盘和液晶屏。

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