CN103245366A

CN103245366A - 一种振动信号微分电路

Info

Publication number: CN103245366A
Application number: CN2013101466803A
Authority: CN
Inventors: 贺旭东; 陈怀海; 张步云
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2013-04-25
Publication date: 2013-08-14

Abstract

本发明公开了一种振动信号微分电路，包含设备电源装置、微分运算模块、反相变换模块和电压监测模块，振动信号经过微分运算模块进行微分运算后，输入反相变换模块进行反相运算，作为微分后的信号输出，微分运算模块的输出电压与设定电压值进行比较，当高于设定电压值时电压监测模块中的发光二极管点亮，表示微分电路将临近饱和状态，提醒实验人员采取相应措施以确保设备正常工作。本发明解决了振动信号微分运算后相位相差180度的问题，同时通过对微分运算模块输出电压进行监测，保证微分电路正常工作，具有成本低廉、结构紧凑、空间小和使用方便的特点。

Description

一种振动信号微分电路

技术领域

本发明涉及一种振动信号微分电路，具体地说，是涉及一种将振动位移信号转化成速度信号，或者将振动速度信号转化成加速度信号的微分电路。

背景技术

位移、速度和加速度是表征结构振动的三个基本物理量。在结构振动试验中，由于信号测试的便捷性，加速度应用最为广泛，目前多数振动试验标准均采用加速度来定义相关的试验条件和规范。加速度信号一般采用接触式的测量方法，在结构上固定安装加速度传感器来直接获取振动信号。在某些无法或不允许将传感器直接固定在结构上的场合，如旋转轴、轻小结构件等，则需要采用非接触式的测量方法，如使用电涡流位移传感器、激光测振仪等非接触式传感器测试振动位移信号或速度信号。为了使非接触测试的位移信号或速度信号应用于加速度定义的振动试验，必须将位移信号或者速度信号在时域中进行微分运算转换成加速度信号。

实现信号时域微分运算的关键是设计模拟微分电路。模拟微分电路可分为无源和有源两种形式。最简单的无源微分电路由电容器C和电阻R串联组成，称为RC微分电路。有源微分电路由运算放大器、输入电容和反馈电阻组成。由于振动信号具有频带宽、动态范围大等特点,受实际电容和电阻元器件性能以及参数的影响，RC微分电路不适用于宽频带振动信号的微分变换，对振动信号进行微分变换需使用以运算放大器为核心的有源微分电路。有源微分电路对振动信号进行微分变换时存在如下两个主要技术问题：（1）微分电路的输出电压与输入电压的时间导数成比例关系，但在相位上与理论的微分运算结果相差180度，使微分后的信号失去物理意义；（2）微分电路输出电压与输入信号的电压和频率成正比，高频段时运算放大器容易出现输出饱和现象，电路失去微分运算功能，导致输出信号失真。本发明在理想有源微分电路的基础上，针对上述存在的技术问题设计外围辅助电路，以满足实际工程应用中对振动信号进行微分运算的需求。

发明内容

本发明提供一种振动信号微分电路，第一发明目的是解决上述背景技术中振动信号经过有源微分电路微分运算后相位相差180度的问题，第二发明目的是通过监测有源微分电路的输出电压保证微分电路在高频段时不因运算放大器饱和导致微分信号失真。

本发明为实现上述第一发明目的所采取的技术方案是：一种振动信号微分电路，包括设备电源装置、微分运算模块和反相变换模块，设备电源装置为微分运算模块和反相变换模块提供所需的正负电压，微分运算模块的输出端连接反相变换模块的输入端。振动信号经过微分运算模块进行微分运算，输入到反相变换模块进行反相变换，反相变换模块输出端输出的信后作为微分后的信号输出。

为了实现上述第二发明目的，所述振动信号微分电路还包括电压监测模块，电压监测模块的输入端连接微分运算模块的输出端。

所述设备电源装置由直流电源和双电源供电电路组成，所述双电源供电电路由运算放大器、分压电阻和滤波电容组成，将直流电源提供的单极性直流电压转换成对称的正负电压。

所述微分运算模块由集成运算放大器、微分电容和反馈电阻组成，微分电容一端连接输入的振动信号，一端连接集成运算放大器的反相输入端，集成运算放大器输出电压经反馈电阻送回反相端形成负反馈，集成运算放大器同相端经过平衡电阻接地。

所述反相变换模块由集成运算放大器、输入电阻和反馈电阻组成，输入电阻一端连接微分运算模块的输出端，另一端连接集成运算放大器的反相输入端，集成运算放大器输出电压经反馈电阻送回反相端形成负反馈，集成运算放大器同相端经过平衡电阻接地。

所述电压监测模块由电压比较器、分压电阻和发光二极管组成，两只分压电阻串联形成分压电路，将设备电源装置中提供的正极电压进行分压，得到合适的参考电压输入电压比较器的反相端，电压比较器的同相端接微分运算模块的输出端，输出端通过限流电阻与发光二极管相连。当微分运算模块的输出电压高于参考电压时，发光二极管被点亮，表示微分电路将临近饱和状态。

所述电源装置中的直流电源可以为线性稳压直流电源适配器。

在实际使用中，所述微分运算模块、反相变换模块和电压监测模块可以多组联合，对多路振动信号进行同步微分运算，形成多通道的振动信号微分电路。

为了使用更加方便，可以将上述振动信号微分电路放置在一机壳内，机壳由金属材质制成，机壳面板上安装信号输入接口、信号输出接口、反映微分电路工作状态的指示接口、设备电源接口、电源开关和电源指示灯，机壳与电路地线相连，起到屏蔽作用；信号输入接口与微分运算模块中微分电容一端相连，信号输出接口与反相运算模块中运算放大器的输出端相连，反映微分电路工作状态的指示接口等同于上述电压监测模块中的发光二极管，设备电源接口的一端与内置的双电源供电电路相连，另一端连接外置的直流电源，电源开关等同于上述电源装置中的电源开关，电源指示灯等同于上述电源装置中的发光二极管。

本发明所述振动信号微分电路中的微分运算模块对振动信号进行微分运算，微分后的信号经过反相变换模块进行反相运算，解决了振动信号经过有源微分电路微分运算后相位相差180度的问题，同时，当微分运算模块的输出电压高于设定值时，电压监测模块中的发光二极管点亮，表示微分电路将临近饱和状态，提醒实验人员采取相应措施以确保设备正常工作。本发明采用普通电器元件即可实现，具有成本低廉、结构紧凑、空间小和使用方便的特点。

附图说明

图1是本发明所述振动信号微分电路实施实例的结构组成框图。

图2为图1所示设备电源装置的内置双电源供电电路图。

图3为图1所示微分运算模块、反相变换模块和电压监测模块的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明所述振动信号微分电路实施实例的结构组成框图，包含：机壳1、设备电源装置2、微分运算模块3、反相变换模块4和电压监测模块5。设备电源装置2、微分运算模块3、反相变换模块4和电压监测模块5均容纳于机壳1内。

图1所示的机壳1由铝合金材质制成，机壳面板上安装信号输入接口、信号输出接口、反映微分电路工作状态的指示接口、设备电源接口、电源开关和电源指示灯。信号输入输出接口采用通用的BNC插座，反映微分电路工作状态的指示接口采用电压监测模块5中的红色发光二极管。设备电源接口采用3.5mm直流电源插座，与设备电源装置2中的外置线性稳压直流电源适配器相匹配，电源开关和电源指示灯与设备电源装置2中的内置双电源供电电路相连接，电源指示灯采用绿色发光二极管。机壳1与电路中的地线相连，起到屏蔽作用。

图1所示设备电源装置2，包括外置的线性稳压直流电源适配器和图2所示的内置双电源供电电路。双电源供电电路利用运算放大器电压跟随原理将线性稳压直流电源适配器提供的单极性直流电压转换成对称的正负电压，为电路中的双电源集成运算放大器提供工作电源。图2中VDC直流电压由外置线性稳压直流电源适配器通过机壳面板上的3.5mm直流电源插座提供，VDC直流电压接机壳面板上的电源开关Kp和电源指示灯绿色发光二极管D1，通过限流电阻R1形成回路，Kp合上时D1发亮，说明线性稳压直流电源适配器供电正常。两个阻值相同的电阻R2和R3串联，另外两端分别接电源开关Kp和直流电压VDC负极。电解电容C1正极接R2和R3连接点，并与集成运算放大器A1同相输入端相连，电解电容C1负极接直流电压VDC负极。集成运算放大器A1反相输入端与输出端相连，正电源输入端与电源开关Kp相连，负电源输入端与直流电压VDC负极相连。两个容值相同的电解电容C2和C3串联，C2正极端与集成运算放大器A1正电源输入端相连，C3负极端与集成运算放大器A1负电源输入端相连，C2和C3连接点与集成运算放大器A1的输出端相连并接地。此时C2正极端和C3负极端的电压相对于零电位地线分别为+Vc和-Vc，为图1所示微分运算模块3、反相变换模块4和电压监测模块5的电路中双电源运算放大器提供工作电源。

图3为图1所示微分运算模块3、反相变换模块4和电压监测模块5的电路图。

微分运算模块3是一有源微分电路，由集成运算放大器A2、微分电容C4和反馈电阻R4组成。C4为陶瓷电容，一端接机壳1的信号输入接口，一端接集成运算放大器A2的反相输入端。集成运算放大器A2输出电压经反馈电阻R4送回反相端形成负反馈，同时作为输入信号提供给反相变换模块4和电压监测模块5。集成运算放大器A2的同相输入端经过平衡电阻R5接地。

反相变换模块4是一有源反相比例运算电路，由集成运算放大器A3、输入电阻R6和反馈电阻R7组成。输入电阻R6一端接微分运算电路3中集成运算放大器A2的输出端，另一端接集成运算放大器A3的反相输入端。集成运算放大器A3输出电压经反馈电阻R7送回反相端形成负反馈，并作为微分后的信号接至机壳1中的信号输出接口，集成运算放大器A3的同相输入端经过平衡电阻R8接地。

电压监测模块5是一电压比较电路，由电压比较器A4、分压电阻R9、R10以及红色发光二极管D2组成。分压电阻R9和R10串联形成分压电路，将图2双电源供电电路中提供的正极电压+Vc进行分压，得到合适的参考电压Vref与电压比较器A4的反相端相连。电压比较器A4的同相端接微分运算电路3中集成运算放大器A2的输出端。电压比较器A4输出端通过限流电阻R11与红色发光二极管D2相连。当同相端电压超过参考电压Vref时，电压比较器A4输出高电位使红色发光二极管D2点亮，表示微分电路将临近饱和状态，提醒实验人员采取相应措施以确保设备正常工作。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种振动信号微分电路，其特征是：包括设备电源装置（2）、微分运算模块（3）和反相变换模块（4），设备电源装置（2）为微分运算模块（3）和反相变换模块（4）提供所需的正负电压，微分运算模块（3）的输出端连接反相变换模块（4）的输入端。

2.根据权利要求1所述振动信号微分电路，其特征是：还包括电压监测模块（5），电压监测模块（5）的输入端连接微分运算模块（3）的输出端。

3.根据权利要求1或2所述振动信号微分电路，其特征是：所述设备电源装置（2）由直流电源和双电源供电电路组成，所述双电源供电电路由运算放大器、分压电阻和滤波电容组成，将直流电源提供的单极性直流电压转换成对称的正负电压。

4.根据权利要求1或2所述振动信号微分电路，其特征是：所述微分运算模块（3）由集成运算放大器、微分电容和反馈电阻组成，微分电容一端连接输入信号，一端连接集成运算放大器的反相输入端，集成运算放大器输出电压经反馈电阻送回反相端形成负反馈，集成运算放大器同相端经过平衡电阻接地。

5.根据权利要求1或2所述振动信号微分电路，其特征是：所述反相变换模块（4）由集成运算放大器、输入电阻和反馈电阻组成，输入电阻一端连接微分运算模块（3）的输出端，另一端连接集成运算放大器的反相输入端，集成运算放大器输出电压经反馈电阻送回反相端形成负反馈，集成运算放大器同相端经过平衡电阻接地。

6.根据权利要求2所述振动信号微分电路，其特征是：所述电压监测模块（5）由电压比较器、分压电阻和发光二极管组成，两只分压电阻串联形成分压电路，将设备电源装置（2）中提供的正极电压进行分压，得到合适的参考电压输入电压比较器的反相端，电压比较器的同相端接微分运算模块（3）的输出端，输出端通过限流电阻与发光二极管相连。

7.根据权利要求2所述振动信号微分电路，其特征是：所述微分运算模块（3）、反相变换模块（4）和电压监测模块（5）多组联合，对多路振动信号进行同步微分运算，形成多通道的振动信号微分电路。

8.根据权利要求3所述振动信号微分电路，其特征是：所述直流电源为线性稳压直流电源适配器。