CN100442657C - 基于计算机系统总线的程控增益电荷放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于计算机系统总线的程控增益电荷放大器，分为两个模块电路：一是信号放大模块电路，二是总线通讯模块电路；信号放大模块电路包括程控电荷放大级、程控放大兼高通有源滤波级、低通有源滤波级和程控反相放大极；总线通讯模块电路包括总线通用接口级、译码级、输出输入级和模拟开关级。本发明可以很方便的和其它基于计算机系统总线的仪器集成在一个统一的计算机系统中构成一台集成度高的仪器设备；可在同一个系统总线上组成信号放大器阵列，而且可以通过统一的软件对其进行管理；其程控功能使其可以和其它计算机程序集成在一起构成一个自动测试的软件系统，可以促进压电材料在大型工程结构上的广泛应用。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种电荷放大器，尤其涉及一种基于计算机总线系统的程控增益电荷放大器。
二、背景技术
压电材料既能作为传感元件，又能作为激励元件，并且能够组成复合材料，具有宽广的应用前景。因此由压电材料制成的压电式传感器应用前景广阔，而且现在已经大量应用于实际工程当中。
压电式传感器是一个能产生电荷的高阻抗发电元件，它产生的电荷量小，因此，压电式传感器上的电荷量很容易通过测量电路的输入电阻释放掉。只有当输入阻抗很高时，才有可能把变化的电荷量测出来。压电式传感器的输出一般有电压和电荷两种形式，相应的有电压放大器和电荷放大器两种形式的高输入阻抗仪器与之配套。
对于电压放大器来说，压电式传感器的信号频率越高，测量误差越小，所以它存在下限频率范围。也正是这个原因，在压电式传感器后继放大电路中，更多的是使用电荷放大器。现有的电荷放大器多为独立的仪表仪器，具有独立电源模块，电源由外接稳压电源设备或者工业220V交流电提供。这种独立仪器体积大，其增益需手动调节。还有一些电荷放大器被做成一个嵌入式系统，由单片机程序调节增益，它们同样具有独立电源模块，电源也是由外接稳压电源设备或者工业220V交流电提供。这两种形式的电荷放大器作为独立仪器不便于集成到其它设备中，使得在大量使用压电式传感器进行工程测试时仪器结构庞大，复杂，而且仪器管理不方便。这就要求有一种电荷放大器，可以用来放大压电式传感器的信号，而且这种电荷放大器要体积小，它们的电源不再需要另外再使用稳压电源设备来提供，也没有自己的电源模块；增益可以通过程序调整；在使用多个这样的电荷放大器时可有由统一的软件对它们进行统一的管理。本发明正是在这种背景下孕育而生的。
三、发明内容
1、技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种可以集成在其它设备中、简化使用压电传感器的有关设备结构的、可与计算机总线相连并通讯的程控增益电荷放大器。
2、技术方案：为了解决上述的技术问题，本发明的基于计算机系统总线的程控增益电荷放大器分为两个模块电路：一是信号放大模块电路，二是总线通讯模块电路；在信号放大模块电路中，外界压电式传感器的电荷信号经过程控电荷放大级以后被转换成电压信号，再经过程控放大级将其放大，为了滤除被放大信号的高频和低频干扰，设计一个高通有源滤波器和低通有源滤波器组成带通滤波器，因此信号放大模块电路一共分四级，以每一片运算放大器芯片为一级：第一级是程控电荷放大级，第二级是程控放大兼高通有源滤波级，第三级是低通有源滤波级，第四极是程控反相放大极。外界压电式传感器的信号依次经程控电荷放大级、程控放大兼高通有源滤波级、低通有源滤波级和程控反相放大级进行处理，在程控电荷放大级中，第一运算放大器芯片的输入端与输出端之间通过电阻相连，电阻与由第一模拟开关和反馈电容组串联组成的支路并联，所述的第一模拟开关和反馈电容组串联组成的支路中，第一模拟开关中开关的数量与反馈电容组中反馈电容的数量相同，并且第一模拟开关中的各开关分别与反馈电容组中的一个反馈电容串联连接；在程控反相放大级中，第四运算放大器芯片的输入端与输出端并联有由第二模拟开关和电阻组串联组成的支路，所述的由第二模拟开关和电阻组串联组成的支路中，第二模拟开关中开关的数量与电阻组中电阻的数量相同，并且第二模拟开关中的各开关分别与电阻组中的一个电阻串联连接；第一模拟开关和第二模拟开关中开关的数量可以根据实际需要选取。该模块电路第一级和第四级是通过控制模拟开关来调节电路的电容、电阻参数实现程控，第二级是直接输入数字控制信号实现程控。
总线通讯模块电路一共可分为4级：第一级是总线通用接口级；第二级是译码级；第三级是输出输入级；第四级是模拟开关级。当需要对信号放大部分增益进行程控时，运行增益调节程序，然后该程序经历如下过程实现增益调节：程序指令被计算机微处理器编译链接并且执行以后由微处理器产生一个程控信号集，这个信号集里包含了所有和增益调节有关的信息包括程控信号、地址信号、使能信号；程控信号集通过计算机系统总线在总线通讯模块电路的第一级总线通用接口级送总线通用接口芯片进行处理；总线通用接口芯片向第二级译码级发出写使能指令(这时读使能关闭)，同时发出程控信号和地址信号；根据地址信号使能对应地址的译码器；被使能的译码器向第三级输出输入级的输出锁存器发出输出使能指令；输出锁存器使能后读取控制信号并将程控信号一部分锁存输出到模拟开关；模拟开关根据程控信号打开和关闭相应开关；一部分直接输入到信号放大部模块电路的可程控放大器芯片。
当需要对当前信号放大部模块电路的增益状态进行监控时，运行读取增益状态程序，然后程序经历如下过程实现增益状态读取：程序指令被计算机微处理器编译链接并且执行以后由微处理器产生一个读取信号集，这个信号集里包含了所有和读取增益状态有关的信息包括(地址信号，使能信号，待确定的增益状态信号)。读取信号集通过计算机系统总线在总线通讯模块电路的第一级总线通用接口级送总线通用接口芯片进行处理；总线通用接口芯片向第二级译码级发出读使能指令(这时写使能关闭)，同时发出地址信号；根据地址信号使能对应地址的译码器；被使能的译码器向第三级输出输入级的输入缓存器发出输入使能指令；输入缓存器使能后读取增益状态信号包括模拟开关开闭状态、信号放大模块电路中的可程控芯片的程控信号，并缓存输入到总线通用接口芯片；增益状态信号确定后通过总线通用接口芯片与总线通信并进入微处理器，然后返回读取增益状态程序。对当前信号放大部分的增益状态进行监控是为了监视基于计算机系统总线的程控增益放大器是否按要求完成增益调节工作。
在实际工作时，如果信号频率满足电压放大器下限频率要求可以使用电压放大器放大信号，只需把输入从电压输入端引入；如果不满足，则要将信号从电荷输入端引入。在程控电荷放大极，可以通过程序控制模拟开关调节反馈电容来改变程控电荷放大级的灵敏度。程控电荷放大级的输出信号输入到第二级——程控放大兼高通有源滤波级。程控信号是一个两位的0、1数字信号，由它们控制程控运算放大器芯片实现放大倍数的调节。这一级除了实现程控放大的功能外，还是实现高通有源滤波的功能，是一个标准的差分高频放大器。通过程控放大兼高通有源滤波级的信号进入低通有源滤波极，是一个标准的低通有源滤波器结构。这一级和上一级一起组成了有源带通滤波器。最后信号进入程控反相放大级将信号相位反相并放大信号，这样出来的最终放大信号与输入信号同相。因为信号先后经历了反相，同相，同相，反相放大，所以最后相位没有改变。在这一级中，可以在通过程序控制模拟开关调节反相放大的比例。
程控反相放大级输入输出端分别接一组稳压二级管起到输入输出保护作用。
第一和第二模拟开关起到连接信号放大模块电路和总线通讯模块电路的作用。总线通讯模块电路有两路程控信号A0，A1直接输入信号放大模块电路的可程控放大芯片。
3、有益效果：本发明的优点是：(1)本发明的基于计算机系统总线的程控增益电荷放大器体积小，可以很方便的和其它基于计算机系统总线的仪器集成在一个统一的计算机系统中构成一台集成度高的仪器设备；(2)当使用多个压电式传感器进行工程测试时，多个基于计算机系统总线的程控增益电荷放大器可在同一个系统总线上组成信号放大器阵列，而且可以通过统一的软件对其进行管理；(3)其程控功能使其可以和其它计算机程序集成在一起构成一个自动测试的软件系统；因此可以促进压电材料在大型工程结构上的广泛应用。
四、附图说明
图1是信号放大模块电路结构原理图；
图2是总线通讯模块电路结构原理图；
图3信号放大模块电路与总线通讯模块电路逻辑关系图；
图4增益调节程序和增益状态监控程序执行流程图；
图5基于计算机系统总线的程控增益放大器具体实施方式流程图。
五、具体实施方式
本实施例的基于计算机系统总线的程控增益电荷放大器，包括信号放大模块电路和总线通讯模块电路，其中，如图1所示，信号放大模块电路分为四级，以每一片运算放大器芯片为一级(Amp1～Amp4)：第一级是程控电荷放大级，第二级是程控放大兼高通有源滤波级，第三级是低通有源滤波级，第四极是程控反相放大极。外界压电式传感器的信号依次经程控电荷放大级、程控放大兼高通有源滤波级、低通有源滤波级和程控反相放大级进行处理，在程控电荷放大级中，第一运算放大器芯片Amp1的输入端与输出端并联有电阻Rf和由第一模拟开关和反馈电容串联组成的支路，第一模拟开关有四个开关，四个开关分别与四个有不同参数的反馈电容cf1～cf4串联；在程控反相放大级中，第四运算放大器芯片Amp4的输入端与输出端并联有由第二模拟开关和电阻串联组成的支路，第二模拟开关有四个开关，分别与四个具有不同参数的电阻相串联；在程控电荷放大极，可以通过程序控制模拟开关调节4种不同的反馈电容(cf1～cf4)，改变程控电荷放大级的灵敏度。程控电荷放大级的输出信号输入到第二级——程控放大兼高通有源滤波级。程控信号是一个两位的0、1数字信号，从第二可程控放大器芯片Amp2A0、A1输入，11、10、01、00分别对应8、4、2、1倍放大倍数，这个程控信号输入该级的可程控放大器芯片实现放大倍数的调节；在程控反相级，可以通过程序控制模拟开关调节4档反相放大的比例，即可程序选择1，2，4，8倍放大倍数。所以该基于总线系统的程控增益电荷放大器有4档灵敏度可调，16档放大倍数可调，这样一共是64档增益可调。
总线通讯模块电路分为4级：第一级是总线通用接口级；第二级是译码级；第三级是输出输入级；第四级是模拟开关级。总线通讯模块电路原理图如图2所示。
基于计算机系统总线的程控增益放大器由增益调节程序和增益状态监控程序，两个程序的流程图如图3所示。
当需要对信号放大部分增益进行程控时，运行增益调节程序，然后该程序经历如下过程实现增益调节：程序指令被计算机微处理器编译链接并且执行以后由微处理器产生一个程控信号集，这个信号集里包含了所有和增益调节有关的信息包括程控信号、地址信号、使能信号；程控信号集通过计算机系统总线在总线通讯模块电路的第一级总线通用接口级送总线通用接口芯片进行处理；总线通用接口芯片向第二级译码级发出写使能指令(这时读使能关闭)，同时发出程控信号和地址信号；根据地址信号使能对应地址的译码器；被使能的译码器向第三级输出输入级的输出锁存器发出输出使能指令；输出锁存器使能后读取控制信号并将程控信号一部分锁存输出到模拟开关；模拟开关根据程控信号打开和关闭相应开关；一部分直接输入到信号放大部模块电路的可程控放大器芯片Amp2。
当需要对当前信号放大部模块电路的增益状态进行监控时，运行读取增益状态程序，然后程序经历如下过程实现增益状态读取：程序指令被计算机微处理器编译链接并且执行以后由微处理器产生一个读取信号集，这个信号集里包含了所有和读取增益状态有关的信息包括(地址信号，使能信号，待确定的增益状态信号)。读取信号集通过计算机系统总线在总线通讯模块电路的第一级总线通用接口级送总线通用接口芯片进行处理；总线通用接口芯片向第二级译码级发出读使能指令(这时写使能关闭)，同时发出地址信号；根据地址信号使能对应地址的译码器；被使能的译码器向第三级输出输入级的输入缓存器发出输入使能指令；输入缓存器使能后读取增益状态信号包括模拟开关开闭状态、信号放大模块电路中的可程控芯片的程控信号，并缓存输入到总线通用接口芯片；增益状态信号确定后通过总线通用接口芯片与总线通信并进入微处理器，然后返回读取增益状态程序。对当前信号放大部分的增益状态进行监控是为了监视基于计算机系统总线的程控增益放大器是否按要求完成增益调节工作。
本实施例可以分为两种工作情况：(1)基于计算机系统总线的程控增益放大器的增益调节程序和增益状态监控程序是以图形用户界面实施的；(2)基于计算机系统总线的程控增益放大器的增益调节程序和增益状态监控程序作为一段代码嵌入其它应用程序。这两种实施情况的基本流程如图5所示。
工作情况(1)：
①编写增益调节程序和增益状态监控程序图形用户界面，这个图形用户界面可以用Visual C，Visual C++实现。
②运行增益调节程序调节信号放大模块电路的增益。
③运行增益状态监控程序监视基于计算机系统总线的程控增益放大器增益调节情况。
工作情况(2)
①将增益调节程序和增益状态监控程序写成待嵌入的应用程序的软件环境支持的代码，嵌入应用程序中。凡是支持Visual C，Visual C++的应用程序都可将这两个程序嵌入其中。
②运行增益调节程序调节信号放大模块电路的增益。
③运行增益状态监控程序监视基于计算机系统总线的程控增益放大器增益调节情况。
Claims (3)
1、一种基于计算机系统总线的程控增益电荷放大器，其特征在于，包括信号放大模块电路和总线通讯模块电路，其中，信号放大模块电路中，外界压电式传感器的信号依次经程控电荷放大级、程控放大兼高通有源滤波级、低通有源滤波级和程控反相放大级进行处理，在程控电荷放大级中，第一运算放大器芯片(Amp1)的输入端与输出端之间通过电阻(Rf)相连，电阻(Rf)与由第一模拟开关和反馈电容组串联组成的支路并联，所述的第一模拟开关和反馈电容组串联组成的支路中，第一模拟开关中开关的数量与反馈电容组中反馈电容的数量相同，并且第一模拟开关中的各开关分别与反馈电容组中的一个反馈电容串联连接；在程控反相放大级中，第四运算放大器芯片(Amp4)的输入端与输出端并联有由第二模拟开关和电阻组串联组成的支路，所述的由第二模拟开关和电阻组串联组成的支路中，第二模拟开关中开关的数量与电阻组中电阻的数量相同，并且第二模拟开关中的各开关分别与电阻组中的一个电阻串联连接；总线通讯模块电路中，外界计算机微处理器产生的由程控信号、地址信号、使能信号组成的程控信号集经总线通用接口级进行处理后，向译码级发出使能信号和地址信号，译码级向输出输入级的输出锁存器发出输出使能指令信号后，输出锁存器向第一模拟开关和第二模拟开关锁存输出一部分程控信号，第一模拟开关和第二模拟开关根据程控信号打开和关闭相应开关，另一部分程控信号输入信号放大模块电路中程控放大兼高通有源滤波级的第二可程控放大器芯片(Amp2)。
2、如权利要求1所述的基于计算机系统总线的程控增益电荷放大器，其特征在于，译码级向输出输入级的输入缓存器发出输入使能指令，输入缓存器读取由模拟开关开闭状态、信号放大模块电路中的可程控芯片的程控信号组成的增益状态信号后缓存输入到总线通用接口级，增益状态信号确定后通过总线通用接口级与总线通信并进入微处理器。
3、如权利要求1所述的基于计算机系统总线的程控增益电荷放大器，其特征在于，信号放大模块电路的程控反相放大级输入输出端分别接有一组稳压二级管。
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