CN104374989A - 一种多通道信号调理板 - Google Patents

Abstract

一种多通道信号调理板，至少包括I/V信号转换器件、差分运算放大器、增益调节电路、线性隔离模块、低通滤波电路、电源转换模块、电压输出控制电路、电流输出控制电路；所述I/V信号转换器件与差分运算放大器连接；所述差分运算放大器与线性隔离模块直接设置有增益调节电路；所述线性隔离模块、低通滤波电路与电压输出控制电路、电流输出控制电路连接；所述线性隔离模块与低通滤波电路连接后还与电源转换模块连接；本发明采用印制电路板集成设计，每块板卡集成了8个相互独立及隔离的调理单元。每个独立调理通道均继承了多数信号调理模块的功能，具有信号调理功能齐全、输入输出隔离、转换精度高及高阻抗差分输入等较多优点。

Description

一种多通道信号调理板

技术领域

    本发明涉及测量、测试应用技术领域，尤其是一种多通道信号调理板。

背景技术

    自动化测试系统一般要涉及电压、电流的测试测量技术，此类被测量通常需要经过滤波、隔离、线性处理、放大或衰减等调理后才能适合数据采集卡、测量仪表的测试测量。目前测试测量领域主要采用信号调理端子板及信号调理模块等货架产品完成此类被测信号的调理，但分别存在如下不足：

    1）信号调理端子板一般设计成多通道的通用型调理电路，用户需二次焊接合适的电阻、电容来完成信号调理，仅具有信号衰减功能且常为堆叠安装方式，还无法实现被测量及测试设备的隔离；

    2）信号调理模块的调理性能较好，通常采用标准DIN导轨安装及螺钉接线端子接线方式，使用较普遍，但单通道的价格贵、体积大，且输入输出通道常见为1Ch、2Ch及4Ch，而8Ch需采用多个模块组合方式，此类隔离调理模块常用于环境恶劣及通道要求少的场合，对需求较多通道测试时，采用此类调理模块则占用体积较大，成本高；

    3）上述两种调理卡的安装形式均无法满足工业控制计算机箱(如常见的4U插卡式机箱)，需要配置专用转接控制盒，导致信号调理与数据采集功能无法集成在同一机箱内。

发明内容

现有技术不能满足人们的需要，为弥补现有技术不足，本发明旨在提供一种多通道信号调理板。

    为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种多通道信号调理板，至少包括I/V信号转换器件、差分运算放大器、增益调节电路、线性隔离模块、低通滤波电路、电源转换模块、电压输出控制电路、电流输出控制电路；所述I/V信号转换器件与差分运算放大器连接；所述差分运算放大器与线性隔离模块直接设置有增益调节电路；所述线性隔离模块、低通滤波电路与电压输出控制电路、电流输出控制电路连接；所述线性隔离模块与低通滤波电路连接后还与电源转换模块连接。

    作为本发明的进一步技术方案：它采用印制电路板集成设计，集成了8个相互独立的调理单元，其外形尺寸为300mm(L)X132mm(W)，板卡长度小于4U工控机可安装的最大尺寸板卡(如CPU板) ；所述调理板卡具有两种安装固定方式，通过采用PCI及PCLD两种工业板的安装架构，可实现工业控制计算机PCI槽安装及控制盒螺柱层叠安装两种方式，其中底部仿PCI卡槽及固定耳片用于满足4U高工业控制机箱安装需求，周围四个Φ4mm的安装孔用于在控制盒螺柱层叠安装；具有两种输入输出接线方式，确保满足不同安装方式下的内外部接线需求，其中JDB1(DB25孔)及JDB2(DB9孔)两个印制电路板插座主要用于对外的输入、输出信号接线，JDIN10及JDIN20两个插排则主要用于对内的输入、输出信号接线；

调理板卡不直接从PCI插槽取电，每通道均设计了DC/DC隔离电源，可实现输入信号、输出信号及电源三端相互隔离及通道间隔离，隔离电压不小于1000Vdc，在确保测试精度的前提下还可避免被测件与测试设备互不损害；

调理板卡设计有组合式增益调节机构，可实现对电压信号从0.05～1000倍按1、2、5步进的增益设置，既满足大电压信号的衰减采集，又能够实现微小信号的放大调理后远距离传输需求；

    与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用印制电路板集成设计，每块板卡集成了8个相互独立及隔离的调理单元。每个独立调理通道均继承了多数信号调理模块的功能，具有信号调理功能齐全、输入输出隔离、转换精度高及高阻抗差分输入等较多优点，其单通道研制成本及占用系统空间居于信号调理端子板及信号调理模块之间，但调理性能接近于信号调理模块。采用工业控制PCI及PCLD两种常见工业板卡的安装架构方式，且具有双输入输出接口形式，可确保调理板卡的安装、使用方式灵活，满足不同测试场合的信号调理需求。

附图说明

图1为本发明的多通道信号调理板单通道原理图；

其中：1、I/V信号转换器件，2、差分运算放大器，3、增益调节电路，4、线性隔离模块，5、低通滤波电路，6/7、电源转换模块，8、电压输出控制电路，9、电流输出控制电路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例中，一种多通道信号调理板，至少包括I/V信号转换器件1、差分运算放大器2、增益调节电路3、线性隔离模块4、低通滤波电路5、电源转换模块6/7、电压输出控制电路8、电流输出控制电路9；所述I/V信号转换器件1与差分运算放大器2连接；所述差分运算放大器2与线性隔离模块4直接设置有增益调节电路3；所述线性隔离模块4、低通滤波电路5与电压输出控制电路8、电流输出控制电路9连接；所述线性隔离模块4与低通滤波电路5连接后还与电源转换模块6/7连接。

作为本发明的进一步技术方案：它采用印制电路板集成设计，集成了8个相互独立的调理单元，其外形尺寸为300mm(L)X132mm(W)，板卡长度小于4U工控机可安装的最大尺寸板卡(如CPU板) ；

所述调理板卡具有两种安装固定方式，通过采用PCI及PCLD两种工业板的安装架构，可实现工业控制计算机PCI槽安装及控制盒螺柱层叠安装两种方式，其中底部仿PCI卡槽及固定耳片用于满足4U高工业控制机箱安装需求，周围四个Φ4mm的安装孔用于在控制盒螺柱层叠安装；具有两种输入输出接线方式，确保满足不同安装方式下的内外部接线需求，其中JDB1(DB25孔)及JDB2(DB9孔)两个印制电路板插座主要用于对外的输入、输出信号接线，JDIN10及JDIN20两个插排则主要用于对内的输入、输出信号接线；

调理板卡不直接从PCI插槽取电，每通道均设计了DC/DC隔离电源，可实现输入信号、输出信号及电源三端相互隔离及通道间隔离，隔离电压不小于1000Vdc，在确保测试精度的前提下还可避免被测件与测试设备互不损害；

调理板卡设计有组合式增益调节机构，可实现对电压信号从0.05～1000倍按1、2、5步进的增益设置，既满足大电压信号的衰减采集，又能够实现微小信号的放大调理后远距离传输需求。

本发明的各个部件功能原理为：

1）I/V信号转换器件，主要用于将电流信号转换成差分运算放大器能够接收的电压信号；

2)差分运算放大器，一般为低功耗高精度通用型仪表放大器，具有差分输入及高抗共模抑制比等特点；

3)增益调节电路，包括电阻及切换开关，用于为差分运算放大器提供增益调节功能；

4)线性隔离模块，主要用于将输入信号与输出信号进行隔离，需具有隔离转换速率及隔离电压高的特点；

5)低通滤波电路，主要由电容及电阻器件组成，可根据需要配置合适的低通滤波值；

6)电源转换模块，一般为DC/DC电源模块，具有输入、输出及供电隔离的功能；

7)电压输出控制电路，主要由双运算放大器、电阻及电容等元器件组成；

8)电流输出控制电路，用于输出0～20mA电流信号。

本发明在实施时：设计时按各功能部件的需求选取相应的元器件，并通过印制电路板集成8Ch相互独立及隔离的调理单元、两种输入及输出连接插座，具体实施如下：

1)选取249Ω精密电阻(0.1%)接入差分运算放大器的输入端，即可构建I/V信号转换器件；

2)差分运算放大器为本调理板的重要部件之一，完成对输入信号进行差分输入及线性放大，可选取INA118型低功耗高精度通用型仪表放大器，需配置相应外围电路，主要由电容及电阻形成，其特点是：差分输入，抗共模抑制比高，输入保护±40V，输入电源：±1.35～±18V，适用于宽输入范围，适用于桥路、热电偶及传感器等放大；

3)增益调节电路主要由精密电阻及微型拨码开关组成，根据输入输出信号控制需求，此次设计有SW1、SW2、SW3、SW4及SW5共5个拨码开关，分别为：SW1为输出量程切换开关，SW2为输入量程切换开关，SW3、SW4、SW5用于超过10V的电压信号输入切换开关；

4)线性隔离模块为本调理板的重要部件之一，需要两组隔离供电输入，完成对输入、输出信号的安全隔离，可选取ISO122JP型16DIP封装集成电路，其特点为：转换速率2V/μs，-3dB带宽：50KHz，电压输入偏移20mV，供电电流5mA，±4.5V～18V；

5)低通滤波电路主要由电容及电阻器件组成；

6)电源转换模块主要用于调理板的内部有源器件的供电转换，其中电源转换模块6主要用于输入电路的有源器件(如运算放大器及隔离器输入端)的供电，电源转换模块7主要用于输出电路的有源器件(如运算放大器及隔离器输出端)的供电，此次两个电源模块均选取PUD-2415-AS1型，完成24V/±15V的 DC/DC转换；

7)电压输出控制电路：用于输出0～±10V的直流电压信号；

8)电流输出控制电路：用于控制输出0～±20mA电流信号。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种多通道信号调理板，至少包括I/V信号转换器件（1）、差分运算放大器（2）、增益调节电路（3）、线性隔离模块（4）、低通滤波电路（5）、电源转换模块（6/7）、电压输出控制电路（8）、电流输出控制电路（9）；其特征在于：所述I/V信号转换器件（1）与差分运算放大器（2）连接；所述差分运算放大器（2）与线性隔离模块（4）直接设置有增益调节电路（3）；所述线性隔离模块（4）、低通滤波电路（5）与电压输出控制电路（8）、电流输出控制电路（9）连接；所述线性隔离模块（4）与低通滤波电路（5）连接后还与电源转换模块（6/7）连接。

2.根据权利要求1所述的一种多通道信号调理板，其特征在于：它采用印制电路板集成设计，集成了8个相互独立的调理单元，其外形尺寸为300mm(L)X132mm(W)，板卡长度小于4U工控机可安装的最大尺寸板卡；所述调理板卡具有两种安装固定方式，通过采用PCI及PCLD两种工业板的安装架构，可实现工业控制计算机PCI槽安装及控制盒螺柱层叠安装两种方式，其中底部仿PCI卡槽及端头固定耳片用于满足4U高工业控制机箱安装需求，周围四个Φ4mm的安装孔用于在控制盒螺柱层叠安装；具有两种输入输出接线方式，确保满足不同安装方式下的内外部接线需求，其中JDB1(DB25孔)及JDB2(DB9孔)两个印制电路板插座主要用于对外的输入、输出信号接线，JDIN10及JDIN20两个插排则主要用于对内的输入、输出信号接线；

调理板卡不直接从PCI插槽取电，每通道均设计了DC/DC隔离电源，可实现输入信号、输出信号及电源三端相互隔离及通道间隔离，隔离电压不小于1000Vdc，在确保测试精度的前提下还可避免被测件与测试设备互不损害；

调理板卡设计有组合式增益调节机构，可实现对电压信号从0.05～1000倍按1、2、5步进的增益设置，既满足大电压信号的衰减采集，又能够实现微小信号的放大调理后远距离传输需求。