CN105572655A - 一种微弱水声信号模拟及测试装置 - Google Patents

一种微弱水声信号模拟及测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种微弱水声信号模拟及测试装置，包括工业计算机、连接线缆、适配器、多路程控电源，所述的工业计算机包括有计算机主板、和与计算机主板相连的多路同步输出PCI总线DA板卡和多路同步采样的PCI总线AD板卡；所述的适配器与被测电路板相连，适配器内部安装有多阶信号滤波电路板和多级信号衰减电路板，该多阶信号滤波电路板内为多阶模拟信号滤波电路，该多级信号衰减电路板内为有源及无源衰减电路；所述的连接线缆包括DB9串口连接线缆、DB37连接线缆和BNC连接线缆；本发明具有硬件成本低、系统结构紧凑、测试系统操作界面简洁直观、操作简便、测试自动化程度高、测量参数结果自动生成保存报表的特点。

Description

一种微弱水声信号模拟及测试装置
技术领域
本发明属于水声技术领域，尤其涉及一种微弱水声信号模拟及测试装置。
背景技术
本微弱水声信号模拟及测试装置是一种应用于声纳换能器输出微弱信号模拟及自动测量微弱信号调理放大电路板幅频特性曲线和被测电路通道间相位差等参数的装置，在水声领域有着广泛的应用范围和突出的实用价值。
通用的测试装置需要多路直流稳压电源，微幅级信号源及数字示波器等多种设备，目前高性能的微幅级信号源及数字示波器等设备主要依赖于丹麦和美国等国家进口，价格十分昂贵；并且采用通用装置测试电路的幅频特性的过程较为繁琐，以测量100点幅频特性曲线为例，需要逐个频点的设置信号源频率并逐点记录示波器所示电路输出信号的幅值，完成全部100个频点的测量是个相当耗时和单调的操作过程并且人工读取测量值也会引入额外的测量误差，在完成测试和数据记录后还需要进一步处理测量数据绘制幅频特性曲线并计算电路的通频带宽及中心频点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种实现模拟产生水声换能器输出的微伏级小信号；自动采集被测电路板输出信号并完成电路幅频特性、通频带宽、中心频率等参数测量；产生相位可调的同步信号并自动完成通道间相位差参数测量的微弱水声信号模拟及测试装置。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，包括运行平台为windows系统的工业计算机、连接线缆、适配器、多路程控电源，所述的工业计算机包括有计算机主板、和与计算机主板相连的多路同步输出PCI总线DA板卡和多路同步采样的PCI总线AD板卡；所述的适配器与被测电路板相连，适配器内部安装有多阶信号滤波电路板和多级信号衰减电路板，该多阶信号滤波电路板内为多阶模拟信号滤波电路，该多级信号衰减电路板内为有源及无源衰减电路；所述的连接线缆包括DB9串口连接线缆、DB37连接线缆和BNC连接线缆。
作为优选，所述的多路程控电源通过DB9串口连接线缆连接，由工业计算机控制程控电源的输出电压；多路程控电源与适配器间通过带有航空插头的供电线连接，为被测电路板提供工作电源。
作为优选，所述的多路同步输出PCI总线DA板卡连接于工业计算机的计算机主板PCI插槽上，由工业计算机控制DA板卡的工作；DA板卡与适配器间通过BNC连接线缆连接，DA板卡产生的信号通过BNC连接线缆输入适配器内安装的多阶信号滤波电路板和多级信号衰减电路板，信号经过多阶模拟信号滤波电路、有源及无源衰减电路产生微伏级小信号，该微伏级小信号输入被测电路板，以模拟水听器输出的微弱信号。
作为优选，所述的多路同步采样的PCI总线AD板卡连接于工业计算机的计算机主板PCI插槽上，由工业计算机控制AD板卡的工作；AD板卡与适配器通过DB37连接线缆连接，被测电路板输出的信号通过DB37连接线缆连接输入AD板卡，AD板卡对输入信号进行采集并传递给工业计算机进行数字信号处理。
本发明的有益效果为：1)、本发明成本较之传统测试装置成本大幅降低，其硬件成本仅为传统测试装置的1/10；并且可以方便的通过图形用户界面设置测量参数，可自动进行输入信号扫频和输出信号采集并通过数字信号处理计算绘制出被测电路幅频特性曲线、通频带宽和中心频率；并且能够产生两路相差可调的同步信号并同步采样两路输出信号，自动测量电路通道间输出信号的相位差；通过图形用户界面设置和读取程控电源参数可测量出被测电路的工作电流和实际功耗；而且能方便快速的生成和保存包含所有测量参数和图表的试验数据报表；2)、本发明组成结构紧凑、成本低、界面简洁直观操作简便、测量过程自动化程度高、测量结果稳定可靠；克服了由微伏级信号源和数字示波器组成的通用电路参数测试装置成本高昂、测试操作过程耗时长并且人工测量操作过程繁琐且容易产生人为操作失误和读数误差、试验数据需要经过后期处理才能确定被测电路性能是否合格等弊端；3)、本发明实现了电路幅频特性和通道间相位差等参数测量过程的高度自动化，实现了测试结果的信息化数字化存储，大幅减少了硬件成本、缩短了测量时间；本发明亦可广泛应用于水声领域外其他需要产生微伏级模拟小信号的应用以及各种模拟滤波电路的幅频特性参数的自动测量，拓展了本装置的应用领域。
附图说明
图1是本发明的装置功能模块组成示意图。
图2是本发明的测试装置运行界面示意图。
图3是本发明的测试装置生成报表示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：如附图1所示，本发明采用工业计算机结合PIC扩展板卡结合信号滤波和衰减适配电路的组合方式，替代了采用微伏级信号源加数字示波器的通用测试装置；其包括运行平台为windows系统的工业计算机、连接线缆、适配器、多路程控电源，所述的工业计算机包括有计算机主板、和与计算机主板相连的多路同步输出PCI总线DA板卡和多路同步采样的PCI总线AD板卡；所述的适配器与被测电路板相连，适配器内部安装有多阶信号滤波电路板和多级信号衰减电路板，该多阶信号滤波电路板内为多阶模拟信号滤波电路，该多级信号衰减电路板内为有源及无源衰减电路；所述的连接线缆包括DB9串口连接线缆、DB37连接线缆和BNC连接线缆；该装置采用NI公司的labview可视化编程软件编写操作界面、数据运算处理和流程控制程序，测试装置软件运行平台为windows系统的工业级计算机。
所述的多路程控电源为三路输出程控直流稳压电源，通过DB9串口连接线缆连接，由工业计算机控制程控电源的输出电压；多路程控电源与适配器间通过带有航空插头的供电线连接，为被测电路板提供工作电源。
所述的多路同步输出PCI总线DA板卡为2路同步输出点率1MHz的PCI总线DA板卡，连接于工业计算机的计算机主板PCI插槽上，由工业计算机控制DA板卡的工作；DA板卡与适配器间通过BNC连接线缆连接，DA板卡产生的信号通过BNC连接线缆输入适配器内安装的多阶信号滤波电路板和多级信号衰减电路板，信号经过多阶模拟信号滤波电路、有源及无源衰减电路产生微伏级小信号，该微伏级小信号输入被测电路板，以模拟水听器输出的微弱信号。
所述的多路同步采样的PCI总线AD板卡为2路同步采样率1MS/s的PCI总线AD板卡，连接于工业计算机的计算机主板PCI插槽上，由工业计算机控制AD板卡的工作；AD板卡与适配器通过DB37连接线缆连接，被测电路板输出的信号通过DB37连接线缆连接输入AD板卡，AD板卡对输入信号进行采集并传递给工业计算机进行数字信号处理。
本发明的工作方式及流程按下列步骤进行：
步骤1、测试装置连接及初始化
首先用连接电缆连接PCI板卡与适配器，再将DB9串口线连接工业计算机与程控电源；
工业计算机和程控电源加电；
启动工业计算机，双击labview图标运行测试装置软件；
点击软件界面“系统加电”按钮，配置程控三路稳压电源输出被测电路所需的特定电压；
步骤2、幅频特性参数曲线测量
设置“扫频步长”输入框的数值，并设置扫频的上下限频率范围；
点击“幅频特性测量”按钮开始测量；
观察左侧进度条显示实时的测量进度，进度条涨满表示测量完成；
测量完成后软件依据测量数据自动绘制幅频特性曲线，并依据曲线计算出被测电路的通频带带宽的下限频率和上限频率以及带内中心频率；
步骤3、被测电路通道间相位差测量
设置“同步输入相差”输入框的数值，两路同步输入通道的相位差范围为0度到360度；
设置“信号频率”输入框的数值；
点击“同步相差测量”按钮开始测量；
5秒后测量完成，“输出相差”显示框自动显示被测电路两路输出信号的相位差。
步骤4、测量被测电路工作电流和功耗
点击“电流测量”按钮；
1秒后测量完成，“电流值”显示框显示程控电源输出的电流值；
“电路功率”显示框显示被测电路消耗的实际功率；
步骤5、测量报表生成
点击“生成报表”按钮；
软件自动提取已经测量完成的中心频率和通频带宽等参数，生成幅频特性曲线图，并在指定目录下生成HTLM格式的报表。
本发明的实施方式为：
1、微伏级小信号产生：
运行labview语言编写的测试装置程序操作界面(如图2所示)，输入扫频起始频率和扫频步长并设定产生小信号的幅值。开始测量后程序根据扫频起始频率和步长确定DA板卡所输出正弦阶梯信号的频率，并根据输出信号频率计算出1Mhz点率的多周期波形数据写入DA板卡的高速RAM作为输出信号的数据源。DA板卡采用12位的高速数模转换器，数值分辨率为0到4095对应±5V的输出电压，写入RAM的波形数据范围应为0到4095的整形数据。每个频点DA板卡输出一段时间的周期正弦波，DA板卡输出波形为阶梯波不能满足应用的要求，需要对该信号进行一定的处理。首先将阶梯信号输入二阶有源低通滤波器(特性曲线如图2所示)，滤波器的增益为1，经过该二阶滤波器后的信号由阶梯波转换成了等幅度的纯正正弦波。信号峰峰值幅度为±5V再经过运放衰减电路衰减1000倍，衰减后的信号幅值±5mV，毫伏级信号进入跟随器稳定幅度增强驱动能力后再通过纯电阻衰减电路将信号衰减到8uV。
2、幅频特性曲线测量：
按指定频率带宽和步长进行扫频产生微伏级的小信号，小信号通过适配器连接并输入被测电路板，经被测电路滤波放大后输出同频率正弦波。该信号通过适配器和连接线缆输入AD采集板卡，AD卡以1MHz的采样率对输入模拟量信号进行采集转换，再将采集到的量化信号进行数字信号处理，得到指定频点被测电路板输出的正弦信号峰峰值并将数据保存。完成频带内所有频点扫频和对应频点输出信号幅值保存后，自动根据实测数据计算出被测电路的通频带宽和中心频率，并自动绘制幅频特性曲线。
3、通道间相位差测量：
测试装置界面分别设置输入“信号频率”、“信号幅值”和通道间“相位差”。程序根据输入的频率参数计算出第一个DA通道的1Mhz点率的多周期波形数据，再根据相位差参数计算出第二个DA通道的1Mhz点率的多周期波形数据，将两个通道的数据数据分别写入DA板卡对应通道的高速RAM作为输出信号的数据源。测量开始DA板卡的两路通道同步输出指定相差的阶梯波形，两路信号经过滤波衰减电路后产生微伏级的同步相差小信号输入被测电路板。两路小信号经过被测电路放大后输出到AD采集板卡，AD卡以1MHz的采样率对两路输入模拟量信号进行同步采集转换，再将采集到的量化信号进行数字信号处理，得到被测电路板输出的两路正弦同步信号的相位差。
4、被测电路功耗测量：
根据被测电路工作电压在测试装置界面设置好三路程控直流稳压电源输出的电压值，装置加电后可通过测试装置界面读取程控电源输出的电流值，并根据程控电源输出的电压和电流自动计算出被测电路所消耗的功率。
5、测量报表生成：
测试装置软件具有报表生成功能，能抓取用户输入的配置参数、软件输出的测量结果及幅频特性曲线图表等图文信息，自动生成HTLM格式的超文本报表(如图3所示)并保存到指定目录下。
本发明实现了模拟产生水声换能器输出的的微伏级小信号；自动扫频输出微伏级信号、自动完成电路幅频特性曲线的测量计算出通频带宽和中心频率；自动输出两路相差可调的同步微伏级信号、自动完成两路被测通道的相位差测量；自动测量被测电路的工作电流和功耗；自动生成保存包含测量参数结果和图表曲线的HTLM格式的报表。本发明所述的微弱水声信号模拟及测试装置具有硬件成本低、系统结构紧凑、测试系统操作界面简洁直观、操作简便、测试自动化程度高、测量参数结果自动生成保存报表等特点。本发明可应用于多种频率水声换能器输出微弱信号的模拟，具有自动测量水声换能器后端信号滤波放大电路的幅频特性曲线的功能可以帮助分析判断电路能否满足设计要求和诊断电路异常的问题所在，还具有测量不同水声通道间相位差的功能可以帮助验证通道间的相位一致性是否满足设计要求。该测试装置集成了微弱信号产生、信号采集和数字信号处理等功能，实现了测量过程的自动化，在水声领域具有突出的实用价值和广泛的应用前景。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种微弱水声信号模拟及测试装置，包括运行平台为windows系统的工业计算机、连接线缆、适配器、多路程控电源，其特征在于：所述的工业计算机包括有计算机主板、和与计算机主板相连的多路同步输出PCI总线DA板卡和多路同步采样的PCI总线AD板卡；所述的适配器与被测电路板相连，适配器内部安装有多阶信号滤波电路板和多级信号衰减电路板，该多阶信号滤波电路板内为多阶模拟信号滤波电路，该多级信号衰减电路板内为有源及无源衰减电路；所述的连接线缆包括DB9串口连接线缆、DB37连接线缆和BNC连接线缆。
2.根据权利要求1所述的微弱水声信号模拟及测试装置，其特征在于：所述的多路程控电源通过DB9串口连接线缆连接，由工业计算机控制程控电源的输出电压；多路程控电源与适配器间通过带有航空插头的供电线连接，为被测电路板提供工作电源。
3.根据权利要求1所述的微弱水声信号模拟及测试装置，其特征在于：所述的多路同步输出PCI总线DA板卡连接于工业计算机的计算机主板PCI插槽上，由工业计算机控制DA板卡的工作；DA板卡与适配器间通过BNC连接线缆连接，DA板卡产生的信号通过BNC连接线缆输入适配器内安装的多阶信号滤波电路板和多级信号衰减电路板，信号经过多阶模拟信号滤波电路、有源及无源衰减电路产生微伏级小信号，该微伏级小信号输入被测电路板，以模拟水听器输出的微弱信号。
4.根据权利要求1所述的微弱水声信号模拟及测试装置，其特征在于：所述的多路同步采样的PCI总线AD板卡连接于工业计算机的计算机主板PCI插槽上，由工业计算机控制AD板卡的工作；AD板卡与适配器通过DB37连接线缆连接，被测电路板输出的信号通过DB37连接线缆连接输入AD板卡，AD板卡对输入信号进行采集并传递给工业计算机进行数字信号处理。
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