CN109917746A - 一种用于小角x射线散射实验的信号分配仪及其分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于小角X射线散射实验的信号分配仪及其分配方法。该分配仪包括第一电平转换器模块、第二电平转换器模块、可编程逻辑控制器、第一电压跟随器模块、第二电压跟随器模块和扇出电路，第一电压跟随器模块输出端与第一电平转换器模块VCCY端连接，第一电平转换器VCCA端、EN端分别与第二电平转换器VCCA端、EN端连接，第二电平转换器VCCY端与可编程逻辑控制器的识别电平转换输入端连接，可编程逻辑控制器的识别电平输出端与第三电平转换器VCCY端连接，第三电平转换器VCCA端、EN端分别与第四电平转换器VCCA端、EN端连接，第四电平转换器模块VCCY端与第二电压跟随器模块输出端连接。本发明提供的用于小角X射线散射实验的信号分配仪，提高该分配仪通用性。

Description

一种用于小角X射线散射实验的信号分配仪及其分配方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，特别是涉及一种用于小角X射线散射实验的信号分配仪及其分配方法。

背景技术

小角X射线散射(SAXS，Small-Angle X-ray Scattering)是在纳米尺度上研究物质几何结构的一种物理手段，广泛应用于纳米材料、多孔材料、生物大分子、高聚物等材料的研究。相对于其他纳米材料测试方法，如气体吸附法、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和原子力显微镜等，SAXS更具有制样简单，液体和固体类样品、开孔和封闭孔均可测试等优点。小角X射线散射仪器主要由光源、样品池和探测器组成，其中在X射线散射仪和探测器部分需要用到本发明所设计的信号分配器。由于该实验站设计和建设并不是一个通用的、标准的设计，而是一个完全的量身定做的非标设计。同样，本发明所描述的信号分配仪也具有非标和特殊性，在市场上很难购得合适产品，必需自行设计。

现在技术可以实现标准信号的选择与分配。对于非标准信号，不能完成对输入信号的选择与扇出功能，尤其在小角X射线散射中的特殊应用中，需要设计能够对非标准信号进行选择扇出的逻辑电路，本发明正是针对这个需求而做出的设计。

发明内容

本发明提供一种用于小角X射线散射实验的信号分配仪及其分配方法，能够实现对输入信号为任意1.2V-5V的非标准信号进行选择和扇出的功能，提高了该分配仪的通用性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种用于小角X射线散射实验的信号分配仪，包括第一电平转换器模块、第二电平转换器模块、可编程逻辑控制器、第一电压跟随器模块、第二电压跟随器模块和扇出电路，所述第一电平转换器模块包括第一电平转换器和第二电平转换器，所述第二电平转换器模块包括第三电平转换器和第四电平转换器，所述第一电压跟随器模块的输出端与所述第一电平转换器模块的VCCY端相连接，所述第一电平转换器的VCCA端、EN端分别与所述第二电平转换器的VCCA端、EN端相连接，所述第二电平转换器的VCCY端与所述可编程逻辑控制器的识别电平转换输入端相连接，所述可编程逻辑控制器的识别电平输出端与所述第三电平转换器的VCCY端相连接，所述第三电平转换器的VCCA端、EN端分别与所述第四电平转换器的VCCA端、EN端相连接，所述第四电平转换器的VCCY端与所述第二电压跟随器模块的输出端相连接，所述第一电平转换器的信号输入端与信号发生器的输出端相连接，所述第一电平转换器的信号输出端与所述第二电平转换器的信号输入端相连接，所述第二电平转换器的信号输出端与所述可编程逻辑控制器的信号输入端端相连接，所述可编程逻辑控制器的信号输出端与所述第三电平转换器的信号输入端相连接，所述第三电平转换器的信号输出端与所述第四电平转换器的信号输入端相连接，所述第四电平转换器的信号输出端与所述扇出电路的输入端相连接，所述可编程逻辑控制器通过并行总线或串行总线分别对所述第一电压跟随器模块中的第一数控电位器R1的电阻、第二电压跟随器模块中的第二数控电位器R2的电阻进行设置，从而实现任意非标准电平信号输入第一电平转换器和将电平信号按照小角X射线散射系统的需求从第四电平转换器输出。

可选的，所述第一电压跟随器模块包括第一电压跟随器、第一电容C1、第一数控电位器R1和第三电阻R3，所述第一电压跟随器的第一输入端分别与所述第一数控电位器R1的RH端、第三电阻R3的一端、第一电容器C1的一端相连接，所述第三电阻R3的另一端和第一电容器C1的另一端与大地相连接，所述第一电压跟随器的电源端、第一数控电位器R1的RW端、第一数控电位器的RL端与5.5V电源相连接，所述第一电压跟随器的输出端分别与所述第一电压跟随器的第二输入端和所述第一电平转换器的VCCY端相连接；所述第二电压跟随器模块包括第二电压跟随器、第二电容C2、第二数控电位器R2和第四电阻R4，所述第二电压跟随器的第一输入端分别与第二数控电位器R2的RH端、第四电阻R4的一端、第二电容器C2的一端相连接，所述第四电阻R4的另一端和第二电容器C2的另一端与大地相连接，所述第二电压跟随器的电源端、第二数控电位器R2的RL端、第二数控电位器R2的RW端与5.5V电源相连接，所述第二电压跟随器的输出端分别与所述第二电压跟随器的第二输入端和所述第四电平转换器的VCCY端相连接。

可选的，所述第一电平转换器的VCCA端、EN端和所述第二电平转换器的VCCA端、EN端均与1.2V电源相连接，所述第三电平转换器的VCCA端、EN端和所述第四电平转换器的VCCA端、EN端均与1.2V电源相连接，所述第二电平转换器的VCCY端和可编程逻辑控制器的识别电平输入端均与3.3V电源相连接，所述第三电平转换器的VCCY端和可编程逻辑控制器的识别电平输出端均与3.3V电源相连接。

可选的，所述可编程逻辑控制器的IO1管脚与所述第一数控电位器R1的CS管脚相连接，所述可编程逻辑控制器的IO2管脚与所述第一数控电位器R1的INC管脚相连接，所述可编程逻辑控制器的IO3管脚与所述第一数控电位器R1的U/D管脚相连接；所述可编程逻辑控制器的IO4管脚与所述第二数控电位器R2的CS管脚相连接，所述可编程逻辑控制器的IO5管脚与所述第二数控电位器R2的INC管脚相连接，所述可编程逻辑控制器的IO6管脚与所述第二数控电位器R2的U/D管脚相连接。

可选的，所述分配仪还包括LED1灯、LED2灯、LED3灯、LED4灯、LED5灯、LED6灯、LED7灯、LED8灯、LED9灯和LED10灯，所述LED1灯的正极通过第五电阻R5连接至所述可编程逻辑控制器的IO7管脚，所述LED2灯的正极通过第六电阻R6连接至所述可编程逻辑控制器的IO8管脚，所述LED3灯的正极通过第七电阻R7连接至所述可编程逻辑控制器的IO9管脚，所述LED4灯的正极通过第八电阻R8连接至所述可编程逻辑控制器的IO10管脚，所述LED5灯的正极通过第九电阻R9连接至所述可编程逻辑控制器的IO11管脚，所述LED6灯的正极通过第十电阻R10连接至所述可编程逻辑控制器的IO12管脚，所述LED7灯的正极通过第十一电阻R11连接至所述可编程逻辑控制器的IO13管脚，所述LED8灯的正极通过第十二电阻R12连接至所述可编程逻辑控制器的IO14管脚，所述LED9灯的正极通过第十三电阻R13连接至所述可编程逻辑控制器的IO15管脚，所述LED10灯的正极通过第十四电阻R14连接至所述可编程逻辑控制器的IO16管脚，所述LED1灯、LED2灯、LED3灯、LED4灯、LED5灯、LED6灯、LED7灯、LED8灯、LED9灯和LED10灯的负极并联后均与大地相连接。

可选的，所述第一数控电位器和第二数控电位器采用的型号均为X9319。

可选的，所述可编程逻辑控制器为FPGA控制器或CPLD控制器。

可选的，所述第一电平转换器、第二电平转换器、第三电平转换器和第四电平转换器采用的型号为ADG3308。

可选的，所述分配仪还包括晶振电路，所述晶振电路与所述可编程逻辑控制器电性连接。

一种用于小角X射线散射实验的信号分配仪的分配方法，包含以下步骤：

步骤1：第一电平转换器包括多路信号输入端，信号发生器发出的任意1.2-5V的非标准信号输入到第一电平转换器的信号输入端，同时可编程逻辑控制器调节第一数控电位器的阻值，并通过第一电压跟随器使得第一电平转换器的VCCY端的电压与第一电平转换器的信号输入端的信号电平相匹配，非标准信号经过第一电平转换器、第二电平转换器转换后，变成可被可编程逻辑控制器识别的3.3V电平信号；

步骤2：可编程逻辑控制器根据需求选择第二电平转换器输出信号的对应某路电平信号，此时可编程逻辑控制器控制对应的LED灯点亮，方便人们查看电平转换信号是否正常工作，在可编程逻辑控制器中，通过晶振电路产生的时钟信号进行采样，并将原信号进行展宽、变窄或可调节延迟，并保持相应输出信号波形与输入信号波形在电平完全相同情况下，信号宽度与原信号保持相同或根据需要将原信号作展宽/变窄处理，并将采样后的信号输出到可编程逻辑控制器的信号输出端；

步骤3：可编程逻辑控制器的信号输出端通过第三电平转换器、第四电平转换器输出到扇出电路，通过可编程逻辑控制器调节第二数控电位器的阻值，并通过第二电压跟随器使得四电平转换器的信号输出端的信号为设备所需的任意电平信号。

该技术与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明提供的一种用于小角X射线散射实验的信号分配仪及其分配方法，第一电平转换器包括多路信号输入端，信号发生器发出的任意1.2-5V的非标准信号输入到第一电平转换器的信号输入端，同时可编程逻辑控制器调节第一数控电位器的阻值，并通过第一电压跟随器使得第一电平转换器的VCCY端的电压与第一电平转换器的信号输入端的信号电平相匹配，非标准信号经过第一电平转换器、第二电平转换器转换后，变成可被可编程逻辑控制器识别的3.3V电平信号；可编程逻辑控制器根据需求选择第二电平转换器输出信号的对应某路电平信号，此时可编程逻辑控制器控制对应的LED灯点亮，方便人们查看电平转换信号是否正常工作，在可编程逻辑控制器中，通过晶振电路产生的时钟信号进行采样，并将原信号进行展宽、变窄或可调节延迟，并保持相应输出信号波形能够满足小角X射线散射系统需求，并将采样后的信号输出到可编程逻辑控制器的信号输出端；可编程逻辑控制器的信号输出端通过第三电平转换器、第四电平转换器输出到扇出电路，计算机通过可编程逻辑控制器调节第二数控电位器的阻值，并通过第二电压跟随器使得四电平转换器的信号输出端的信号为设备所需的任意电平信号。本发明具有信号宽度能够调整、信号可延迟可调，即使在输入信号经远距离传输后，其波形依然会很规则，利于控制相应设备。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例计算机控制任意非标准1.2V-5V电平信号分配仪的工作原理示意图；

图2为本发明实施例输出标准电平信号的信号分配仪的工作原理示意图；

图3为本发明实施例非计算机控制任意非标准1.2V-5V电平信号分配仪的工作原理示意图；

图4为本发明实施例可编程逻辑控制器对信号处理后的波形和时序示意图；

图5为本发明实施例输出标准电平信号的扇出电路结构示意图；

图6为本发明实施例输入信号直接整形扇出原理示意；

图7为本发明实施例信号整形示意图；

图8为本发明实施例可调脉冲宽度和延迟工作示意图。

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他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种用于小角X射线散射实验的信号分配仪及其分配方法，能够实现对输入信号为任意1.2V-5V的非标准信号进行选择和扇出的功能，提高了该分配仪的通用性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例计算机控制任意非标准1.2V-5V电平信号分配仪的工作原理示意图，如图1所示，一种用于小角X射线散射实验的信号分配仪，包括第一电平转换器模块、第二电平转换器模块、可编程逻辑控制器、第一电压跟随器模块、第二电压跟随器模块和扇出电路6，所述第一电平转换器模块包括第一电平转换器1和第二电平转换器2，所述第二电平转换器模块包括第三电平转换器4和第四电平转换器5，所述第一电压跟随器模块的输出端与所述第一电平转换器模块的VCCY端相连接，所述第一电平转换器1的VCCA端、EN端分别与所述第二电平转换器2的VCCA端、EN端相连接，所述第二电平转换器2的VCCY端与所述可编程逻辑控制器3的识别电平转换输入端相连接，所述可编程逻辑控制器3的识别电平输出端与所述第三电平转换器4的VCCY端相连接，所述第三电平转换器4的VCCA端、EN端分别与所述第四电平转换器5的VCCA端、EN端相连接，所述第四电平转换器4的VCCY端与所述第二电压跟随器模块的输出端相连接，所述第一电平转换器1的信号输入端与信号发生器的输出端相连接，所述第一电平转换器1的信号输出端与所述第二电平转换器2的信号输入端相连接，所述第二电平转换器2的信号输出端与所述可编程逻辑控制器3的信号输入端端相连接，所述可编程逻辑控制器3的信号输出端与所述第三电平转换器4的信号输入端相连接，所述第三电平转换器4的信号输出端与所述第四电平转换器5的信号输入端相连接，所述第四电平转换器5的信号输出端与所述扇出电路6的输入端相连接，所述可编程逻辑控制器3通过并行总线或串行总线分别对所述第一电压跟随器模块中的第一数控电位器R1的电阻、第二电压跟随器模块中的第二数控电位器R2的电阻进行设置，从而实现任意非标准电平信号输入第一电平转换器1和将电平信号按照小角X射线散射系统的需求从第四电平转换器5输出。所述第一电压跟随器模块包括第一电压跟随器8、第一电容C1、第一数控电位器R1和第三电阻R3，所述第一电压跟随器8的第一输入端分别与所述第一数控电位器R1的RH端、第三电阻R3的一端、第一电容器C1的一端相连接，所述第三电阻R3的另一端和第一电容器C1的另一端与大地相连接，所述第一电压跟随器8的电源端、第一数控电位器R1的RW端、第一数控电位器的RL端与5.5V电源相连接，所述第一电压跟随器8的输出端分别与所述第一电压跟随器8的第二输入端和所述第一电平转换器1的VCCY端相连接；所述第二电压跟随器模块包括第二电压跟随器9、第二电容C2、第二数控电位器R2和第四电阻R4，所述第二电压跟随器9的第一输入端分别与第二数控电位器R2的RH端、第四电阻R4的一端、第二电容器C2的一端相连接，所述第四电阻R4的另一端和第二电容器C2的另一端与大地相连接，所述第二电压跟随器9的电源端、第二数控电位器R2的RL端、第二数控电位器R2的RW端与5.5V电源相连接，所述第二电压跟随器9的输出端分别与所述第二电压跟随器9的第二输入端和所述第四电平转换器5的VCCY端相连接。所述第一电平转换器1的VCCA端、EN端和所述第二电平转换器2的VCCA端、EN端均与1.2V电源相连接，所述第三电平转换器4的VCCA端、EN端和所述第四电平转换器5的VCCA端、EN端均与1.2V电源相连接，所述第二电平转换器2的VCCY端和可编程逻辑控制器3的识别电平输入端均与3.3V电源相连接，所述第三电平转换器4的VCCY端和可编程逻辑控制器3的识别电平输出端均与3.3V电源相连接。所述可编程逻辑控制器3的IO1管脚与所述第一数控电位器R1的CS管脚相连接，所述可编程逻辑控制器3的IO2管脚与所述第一数控电位器R1的INC管脚相连接，所述可编程逻辑控制器3的IO3管脚与所述第一数控电位器R1的U/D管脚相连接；所述可编程逻辑控制器3的IO4管脚与所述第二数控电位器R2的CS管脚相连接，所述可编程逻辑控制器3的IO5管脚与所述第二数控电位器R2的INC管脚相连接，所述可编程逻辑控制器3的IO6管脚与所述第二数控电位器R2的U/D管脚相连接。所述分配仪还包括LED1灯、LED2灯、LED3灯、LED4灯、LED5灯、LED6灯、LED7灯、LED8灯、LED9灯和LED10灯，所述LED1灯的正极通过第五电阻R5连接至所述可编程逻辑控制器3的IO7管脚，所述LED2灯的正极通过第六电阻R6连接至所述可编程逻辑控制器3的IO8管脚，所述LED3灯的正极通过第七电阻R7连接至所述可编程逻辑控制器3的IO9管脚，所述LED4灯的正极通过第八电阻R8连接至所述可编程逻辑控制器3的IO10管脚，所述LED5灯的正极通过第九电阻R9连接至所述可编程逻辑控制器3的IO11管脚，所述LED6灯的正极通过第十电阻R10连接至所述可编程逻辑控制器3的IO12管脚，所述LED7灯的正极通过第十一电阻R11连接至所述可编程逻辑控制器3的IO13管脚，所述LED8灯的正极通过第十二电阻R12连接至所述可编程逻辑控制器3的IO14管脚，所述LED9灯的正极通过第十三电阻R13连接至所述可编程逻辑控制器3的IO15管脚，所述LED10灯的正极通过第十四电阻R14连接至所述可编程逻辑控制器3的IO16管脚，所述LED1灯、LED2灯、LED3灯、LED4灯、LED5灯、LED6灯、LED7灯、LED8灯、LED9灯和LED10灯的负极并联后均与大地相连接。所述第一数控电位器R1和第二数控电位器R2采用的型号均为X9319，并利用计算机通过可编程逻辑器件控制电阻大小，并进一步控制信号输入/输出电平转换器的工作电压，使其适应输入/输出信号电平。所述可编程逻辑控制器3为FPGA控制器或CPLD控制器。所述第一电平转换器1、第二电平转换器2、第三电平转换器4和第四电平转换器5采用的型号为ADG3308。所述分配仪还包括晶振电路7，所述晶振电路7与所述可编程逻辑控制器3电性连接。可编程逻辑控制器3选择输入信号或输出信号时，可以通过计算机进行选择，所述可编程逻辑控制器3通过UART总线与所述计算机相连接。其中与可编程逻辑器件相连部分电平标准在设计采用统一标准(这里为3.3V)，中间加的一级转换电平为1.2V。中间加一级1.2V转换电平的原因为ADG3308芯片要求VCCY电压高于VCCA。使用可编程逻辑控制器和计算机控制的优点为可调整信号脉冲宽度和延时，示意如图8所示，脉宽和延迟可调整步长为时钟周期的倍数。RH表示为电位器高电位端，RL为电位器低电位端，RW表示为电位器调节输出端。所述可编程逻辑控制器3通过并行总线或串行总线对第一数控电位器R1、第二数控电位器R2的电阻进行设置，从而对信号分配仪的任意非标准输入电平信号和信号分配仪的输出电平信号按小角X射线散射系统的需求进行调节。第一数控电阻R1、第一数控电阻R2中最大可调电阻阻值均为3.9KR，第三电阻R3和第四电阻R4的阻值均为1KR，第一电容C1和第二电容C2的容值均为滤波电容。

一种用于小角X射线散射实验的信号分配仪的分配方法，包含以下步骤：

步骤1：第一电平转换器包括多路信号输入端，信号发生器发出的任意1.2-5V的非标准信号输入到第一电平转换器的信号输入端，同时可编程逻辑控制器调节第一数控电位器的阻值，并通过第一电压跟随器使得第一电平转换器的VCCY端的电压与第一电平转换器的信号输入端的信号电平相匹配，非标准信号经过第一电平转换器、第二电平转换器转换后，变成可被可编程逻辑控制器识别的3.3V电平信号；

步骤2：可编程逻辑控制器根据需求选择第二电平转换器输出信号的对应某路电平信号，此时可编程逻辑控制器控制对应的LED灯点亮，方便人们查看电平转换信号是否正常工作，在可编程逻辑控制器中，通过晶振电路产生的时钟信号进行采样，并将原信号进行展宽、变窄或可调节延迟，并保持相应输出信号波形与输入信号波形在电平完全相同情况下，信号宽度与原信号保持相同或根据需要将原信号作展宽/变窄处理，并将采样后的信号输出到可编程逻辑控制器的信号输出端；

步骤3：可编程逻辑控制器的信号输出端通过第三电平转换器、第四电平转换器输出到扇出电路，通过可编程逻辑控制器调节第二数控电位器的阻值，并通过第二电压跟随器使得四电平转换器的信号输出端的信号为设备所需的任意电平信号。通过调整第二数控电位器调整输出供电电压，在输出电压与输入信号电压不相同时，即可实现一种电平标准转换为其它信号标准。即输入信号可以选为任意一种，但输出电平信号在1V2～5V之间任意可调。

图2为本发明实施例输出标准电平信号的信号分配仪的工作原理示意图，如图2所示，输入信号标准包括FRM信号、INH信号、TRIG信号、CCD信号和Pilates信号，FRM输入信号的高电平(1.83V)无效，即高电平时处于关闭状态；负脉冲(0V)有效，脉冲宽度随设置而改变为1～10s，信号上升沿和下降沿为5～7ns。INH输入信号的高电平(1.83V)无效(关闭状态)，低电平有效，即0V为打开状态。TRIG输入信号与FRM信号基本相同，高电平(1.83V)无效，即高电平时处于关闭状态；负脉冲(0V)有效，脉冲宽度随设置而改变为1～10s，信号上升沿和下降沿为5ns。CCD输入信号的低电平(0V)时处理关闭状态，高电平(5V)时处于打开状态。Pilates输入信号分为两种电平，一种为3V5，另一种为0V；低电平有效，即3V5为关闭状态，0V为打开状态。

输出标准电平信号的信号分配仪的工作原理如下：首先将输入信号转换为可编程逻辑器件(FPGA或CPLD)可以识别的电平信号，本发明中可编程逻辑器件的电平标准为：3.3V，因此首先将输入信号转换成3.3V电平标准送给可编程逻辑器件(FPGA/CPLD)；其次，在可编程逻辑器件中用采样钟采样输入信号，并保持相应输出信号波形与输入信号波形完全相同；再次，对输出的信号进行电平转换，转换为与输入电平标准完全相同的信号，并将它输出给多路选择器。最后，多路选择器根据用户手动选择或计算机选择，把选定待扇出信号扇出到OUT1～OUT8输出端口上。

设计中设计有10个指示灯用来指示电源状态，输入选择状态，工作状态等信息。为方便应用，输入信号的输出选择，既可以通过BTN按钮选择，也可以利用UART接口通过计算机进行选择。为方便应用，输入信号的输出选择，既可以通过BTN按钮选择，也可以利用UART接口通过计算机进行选择。计算机通过UART接口与可编程逻辑控制器进行通信，通过UART接口可以具有三个作用，一是输入选择，计算机通过UART接口可以实现可编程逻辑控制器对输入电平信号的选择；二是脉宽设置，计算机通过UART接口对进入可编程逻辑控制器中的电平信号进行脉宽设置(默认与输入相同，需要时做脉冲宽度设置)，三是延迟设置，计算机通过UART接口对进入可编程逻辑控制器中的信号进行延迟设置(根据需要进行设置，正常情况下，不增加延迟时间)。

设计中根据输出信号精度需要，采用合适工作频率晶振，信号从输入到可编程器件，从可编程器件输出到信号扇出前信号处理波形和时序示意图如4所示。原输入信号(FRM/INH/TRIG)电平为1.8V，转换为可编程器件可以识别的电平3.3V；输入到可编程器件，在可编程器件中，通过晶振产生的时钟进行采样，并将采样后的信号输出到可编程器件的输出端口；可编程器件输出信号的电平为3.3V，再经过电平转换，恢复出原输入信号(FRM/INH/TRIG)，送给扇出器件进行扇出。其中输入/输出电平转换器件采用通用的双向逻辑电平转换器来实现(如ADG3308)，而在输出多路选择器之后，为适应多种电平标准，采用射随器输出。进一步，可以对输入/输出电路进一步优化，从而增加电路的普适性，如图3所示，图3为本发明实施例非计算机控制任意非标准1.2V-5V电平信号分配仪的工作原理示意图，通过调节可调电阻R1，使输入端电平转换器的输入端供电电压VCCY与输入信号电平相匹配(比如，当输入信号电平为1.83V时，可以调整VCCY到1.83V)。通过手动调节可调电阻R2，使输出端电平转换器的输出端供电电压VCCY与输入信号电平相匹配(如1.83V)。非计算机控制跟计算机控制的信号分配仪的区别是对可调电阻的调节转换成手动调节。

图5为本发明实施例扇出电路的内部结构示意图，如图5所示，输入/输出电平转换器件采用通用的双向逻辑电平转换器来实现(如ADG3308)，而在输出多路选择器之后，为适应多种电平标准，采用射随器输出，所述扇出电路包括8路输出，所述扇出电路内部由8路射随器构成，每一路射随器对应一路信号输出。

图6为本发明实施例输入信号直接整形扇出原理示意，如图6所示，这样设计虽然简单，但有两个不便之处，一是信号宽度不可调：该方案信号宽度固定，在有信号宽度需调整情况下，该方案不可用；二是信号延迟不可调：该方案信号延迟固定，在有信号时间延迟要求时，该方案应用不便。在输入信号经远距离传输后，其波形变的不规则，不利于控制相应设备，信号整形示意图如图7所示。上图为整形前信号，下图为整形后信号。

本发明提供的一种用于小角X射线散射实验的信号分配仪及其分配方法，第一电平转换器包括多路信号输入端，信号发生器发出的任意1.2-5V的非标准信号输入到第一电平转换器的信号输入端，同时可编程逻辑控制器调节第一数控电位器的阻值，并通过第一电压跟随器使得第一电平转换器的VCCY端的电压与第一电平转换器的信号输入端的信号电平相匹配，非标准信号经过第一电平转换器、第二电平转换器转换后，变成可被可编程逻辑控制器识别的3.3V电平信号；可编程逻辑控制器根据需求选择第二电平转换器输出信号的对应某路电平信号，此时可编程逻辑控制器控制对应的LED灯点亮，方便人们查看电平转换信号是否正常工作，在可编程逻辑控制器中，通过晶振电路产生的时钟信号进行采样，并将原信号进行展宽、变窄或可调节延迟，并保持相应输出信号波形能够满足小角X射线散射系统需求，并将采样后的信号输出到可编程逻辑控制器的信号输出端；可编程逻辑控制器的信号输出端通过第三电平转换器、第四电平转换器输出到扇出电路，计算机通过可编程逻辑控制器调节第二数控电位器的阻值，并通过第二电压跟随器使得四电平转换器的信号输出端的信号为设备所需的任意电平信号。本发明具有信号宽度能够调整、信号可延迟可调，即使在输入信号经远距离传输后，其波形依然会很规则，利于控制相应设备。本发明提供一种用于小角X射线散射实验的信号分配仪及其分配方法，能够实现对输入信号为任意1.2V-5V的非标准信号进行选择和扇出的功能，提高了该分配仪的通用性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种用于小角X射线散射实验的信号分配仪，其特征在于，包括第一电平转换器模块、第二电平转换器模块、可编程逻辑控制器、第一电压跟随器模块、第二电压跟随器模块和扇出电路，所述第一电平转换器模块包括第一电平转换器和第二电平转换器，所述第二电平转换器模块包括第三电平转换器和第四电平转换器，所述第一电压跟随器模块的输出端与所述第一电平转换器模块的VCCY端相连接，所述第一电平转换器的VCCA端、EN端分别与所述第二电平转换器的VCCA端、EN端相连接，所述第二电平转换器的VCCY端与所述可编程逻辑控制器的识别电平转换输入端相连接，所述可编程逻辑控制器的识别电平输出端与所述第三电平转换器的VCCY端相连接，所述第三电平转换器的VCCA端、EN端分别与所述第四电平转换器的VCCA端、EN端相连接，所述第四电平转换器的VCCY端与所述第二电压跟随器模块的输出端相连接，所述第一电平转换器的信号输入端与信号发生器的输出端相连接，所述第一电平转换器的信号输出端与所述第二电平转换器的信号输入端相连接，所述第二电平转换器的信号输出端与所述可编程逻辑控制器的信号输入端端相连接，所述可编程逻辑控制器的信号输出端与所述第三电平转换器的信号输入端相连接，所述第三电平转换器的信号输出端与所述第四电平转换器的信号输入端相连接，所述第四电平转换器的信号输出端与所述扇出电路的输入端相连接，所述可编程逻辑控制器通过并行总线或串行总线分别对所述第一电压跟随器模块中的第一数控电位器R1的电阻、第二电压跟随器模块中的第二数控电位器R2的电阻进行设置，从而实现任意非标准电平信号输入第一电平转换器和将电平信号按照小角X射线散射系统的需求从第四电平转换器输出。

2.根据权利要求1所述的用于小角X射线散射实验的信号分配仪，其特征在于，所述第一电压跟随器模块包括第一电压跟随器、第一电容C1、第一数控电位器R1和第三电阻R3，所述第一电压跟随器的第一输入端分别与所述第一数控电位器R1的RH端、第三电阻R3的一端、第一电容器C1的一端相连接，所述第三电阻R3的另一端和第一电容器C1的另一端与大地相连接，所述第一电压跟随器的电源端、第一数控电位器R1的RW端、第一数控电位器的RL端与5.5V电源相连接，所述第一电压跟随器的输出端分别与所述第一电压跟随器的第二输入端和所述第一电平转换器的VCCY端相连接；所述第二电压跟随器模块包括第二电压跟随器、第二电容C2、第二数控电位器R2和第四电阻R4，所述第二电压跟随器的第一输入端分别与第二数控电位器R2的RH端、第四电阻R4的一端、第二电容器C2的一端相连接，所述第四电阻R4的另一端和第二电容器C2的另一端与大地相连接，所述第二电压跟随器的电源端、第二数控电位器R2的RL端、第二数控电位器R2的RW端与5.5V电源相连接，所述第二电压跟随器的输出端分别与所述第二电压跟随器的第二输入端和所述第四电平转换器的VCCY端相连接。

3.根据权利要求1所述的用于小角X射线散射实验的信号分配仪，其特征在于，所述第一电平转换器的VCCA端、EN端和所述第二电平转换器的VCCA端、EN端均与1.2V电源相连接，所述第三电平转换器的VCCA端、EN端和所述第四电平转换器的VCCA端、EN端均与1.2V电源相连接，所述第二电平转换器的VCCY端和可编程逻辑控制器的识别电平输入端均与3.3V电源相连接，所述第三电平转换器的VCCY端和可编程逻辑控制器的识别电平输出端均与3.3V电源相连接。

4.根据权利要求1所述的用于小角X射线散射实验的信号分配仪，其特征在于，所述可编程逻辑控制器的IO1管脚与所述第一数控电位器R1的CS管脚相连接，所述可编程逻辑控制器的IO2管脚与所述第一数控电位器R1的INC管脚相连接，所述可编程逻辑控制器的IO3管脚与所述第一数控电位器R1的U/D管脚相连接；所述可编程逻辑控制器的IO4管脚与所述第二数控电位器R2的CS管脚相连接，所述可编程逻辑控制器的IO5管脚与所述第二数控电位器R2的INC管脚相连接，所述可编程逻辑控制器的IO6管脚与所述第二数控电位器R2的U/D管脚相连接。

5.根据权利要求1所述的用于小角X射线散射实验的信号分配仪，其特征在于，所述分配仪还包括LED1灯、LED2灯、LED3灯、LED4灯、LED5灯、LED6灯、LED7灯、LED8灯、LED9灯和LED10灯，所述LED1灯的正极通过第五电阻R5连接至所述可编程逻辑控制器的IO7管脚，所述LED2灯的正极通过第六电阻R6连接至所述可编程逻辑控制器的IO8管脚，所述LED3灯的正极通过第七电阻R7连接至所述可编程逻辑控制器的IO9管脚，所述LED4灯的正极通过第八电阻R8连接至所述可编程逻辑控制器的IO10管脚，所述LED5灯的正极通过第九电阻R9连接至所述可编程逻辑控制器的IO11管脚，所述LED6灯的正极通过第十电阻R10连接至所述可编程逻辑控制器的IO12管脚，所述LED7灯的正极通过第十一电阻R11连接至所述可编程逻辑控制器的IO13管脚，所述LED8灯的正极通过第十二电阻R12连接至所述可编程逻辑控制器的IO14管脚，所述LED9灯的正极通过第十三电阻R13连接至所述可编程逻辑控制器的IO15管脚，所述LED10灯的正极通过第十四电阻R14连接至所述可编程逻辑控制器的IO16管脚，所述LED1灯、LED2灯、LED3灯、LED4灯、LED5灯、LED6灯、LED7灯、LED8灯、LED9灯和LED10灯的负极并联后均与大地相连接。

6.根据权利要求1所述的用于小角X射线散射实验的信号分配仪，其特征在于，所述第一数控电位器和第二数控电位器采用的型号均为X9319。

7.根据权利要求1所述的用于小角X射线散射实验的信号分配仪，其特征在于，所述可编程逻辑控制器为FPGA控制器或CPLD控制器。

8.根据权利要求1所述的用于小角X射线散射实验的信号分配仪及，其特征在于，所述第一电平转换器、第二电平转换器、第三电平转换器和第四电平转换器采用的型号为ADG3308。

9.根据权利要求1所述的用于小角X射线散射实验的信号分配仪，其特征在于，所述分配仪还包括晶振电路，所述晶振电路与所述可编程逻辑控制器电性连接。

10.一种基于权利要求1所述的用于小角X射线散射实验的信号分配仪的分配方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1：第一电平转换器包括多路信号输入端，信号发生器发出的任意1.2-5V的非标准信号输入到第一电平转换器的信号输入端，同时可编程逻辑控制器调节第一数控电位器的阻值，并通过第一电压跟随器使得第一电平转换器的VCCY端的电压与第一电平转换器的信号输入端的信号电平相匹配，非标准信号经过第一电平转换器、第二电平转换器转换后，变成可被可编程逻辑控制器识别的3.3V电平信号；

步骤2：可编程逻辑控制器根据需求选择第二电平转换器输出信号的对应某路电平信号，此时可编程逻辑控制器控制对应的LED灯点亮，方便人们查看电平转换信号是否正常工作，在可编程逻辑控制器中，通过晶振电路产生的时钟信号进行采样，并将原信号进行展宽、变窄或可调节延迟，并保持相应输出信号波形与输入信号波形在电平完全相同情况下，信号宽度与原信号保持相同或根据需要将原信号作展宽/变窄处理，并将采样后的信号输出到可编程逻辑控制器的信号输出端；

步骤3：可编程逻辑控制器的信号输出端通过第三电平转换器、第四电平转换器输出到扇出电路，通过可编程逻辑控制器调节第二数控电位器的阻值，并通过第二电压跟随器使得四电平转换器的信号输出端的信号为设备所需的任意电平信号。