CN110161289A

CN110161289A - 一种新型高速同步正余弦信号激励装置及方法

Info

Publication number: CN110161289A
Application number: CN201910540087.4A
Authority: CN
Inventors: 林小宁; 顾筠; 范骏
Original assignee: Jiangsu Open University of Jiangsu City Vocational College
Current assignee: Jiangsu Open University of Jiangsu City Vocational College
Priority date: 2019-06-21
Filing date: 2019-06-21
Publication date: 2019-08-23

Abstract

一种新型高速同步正余弦信号激励装置及方法，包括工业控制计算机、D/A卡、端子板、功率放大器、阻抗匹配变压器和人机交互界面。本装置可产生高频同步正余弦信号，其幅值与频率可通过人机交互界面适时设置与调整，同步输出多路信号。将D/A卡插入计算机的卡槽，D/A卡的输出端接端子板，端子板的输出端接阻抗匹配变压器的输入端，阻抗匹配变压器的输出端接功率放大器的输入端，功率放大器的输出端为激励装置的输出端。通过计算机上的人机交互界面可以对激励信号进行设置与调整。本发明作为同步信号源可用于电子仪器设备抗干扰、滤波特性、相移特性的测试以及相位、频率畸变、振动的研究等，也可作为普通多通道、多功能信号发生器使用。

Description

一种新型高速同步正余弦信号激励装置及方法

技术领域

本发明属于信号发生器领域，具体涉及一种高速同步正余弦信号激励装置及方法。

背景技术

信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器。按信号波形可分为正弦信号、函数（波形）信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类。信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。目前，在电子生产、物理实验等领域大量使用着输出为单一正弦波的低频信号发生器做为模拟信号的发生装置。现行的仪器设备中，有的设备具有同步功能，但其同步频率较低，如BG-100型同步信号发生器，其可发出的最大同步信号频率为1KHz；有的设备频率较高，但是无法做到同步发送正余弦波，因此本发明具有自己的特点。

本信号发生器用来产生频率为20Hz～20kHz的信号。除具有电压输出外，还可以具有功率输出的功能。所以用途十分广泛，可用于测试或检修各种电子仪器设备中的低频放大器的频率特性、增益、通频带，也可用作高频信号发生器的外调制信号源。另外，在校准电子电压表时，它可提供交流信号电压。高频信号发生器的原理：系统包括主振级、主振输出调节电位器、电压放大器、输出衰减器、功率放大器、阻抗变换器（输出变压器）和指示电压表。

正余弦信号主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等。按频率覆盖范围分为低频信号发生器、高频信号发生器和微波信号发生器；按输出电平可调节范围和稳定度分为简易信号发生器（即信号源）、标准信号发生器（输出功率能准确地衰减到-100分贝毫瓦以下）和功率信号发生器（输出功率达数十毫瓦以上）；按频率改变的方式分为调谐式信号发生器、扫频式信号发生器、程控式信号发生器和频率合成式信号发生器等。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种新型高速同步正余弦信号激励装置及方法。通过人机交互界面，可以适时调整输出信号的参数：幅值与频率，波形参数设置完成后，只需按下运行键，输出信号即可快速达到设定的幅值与频率。电压输出幅值范围为0～5V，频率输出范围为20Hz～20KHz，操作简单方便，性能安全可靠。本发明可广泛用于电子仪器设备抗干扰、滤波特性、相移特性的测试以及相位、频率畸变的研究等，也可作为普通多通道、多功能信号发生器使用。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种新型高速同步正余弦信号激励装置，其特征在于，包括：人机交互界面、工业控制计算机、D/A卡、端子板、阻抗匹配变压器和功率放大器；所述人机交互界面设置在工业控制计算机上，对激励信号进行设置与调整，所述D/A卡插在工业控制计算机的卡槽中，D/A卡的输出端接端子板，所述端子板的输出端接阻抗匹配变压器的输入端，所述阻抗匹配变压器的输出端接功率放大器的输入端，所述功率放大器的输出端为激励信号输出端，输出高频同步正余弦信号，信号的幅值与频率通过人机交互界面实时设置与调整。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，所述高速同步正余弦信号激励装置实现各个通道输出信号的同步。

进一步地，所述高速同步正余弦信号激励装置信号电压输出幅值范围为0～5V，频率输出范围为20Hz～20KHz。

进一步地，所述D/A卡的基本参数如下：4路增强模拟输出，10MHz的波形输出功能，同步输出，12位DAC，PCI总线数据传输；D/A卡的输出量程有0-5V，0-10V，±10V和±5V四种可以选择。

进一步地，所述功率放大器由差动前置放大级，推动级和全对称互补功率输出级组成，功率放大器配接有激振器并设置有可调驱动电流极限保护，预调的电流限制范围在3A－15A之间分档调整，当保护电路被触发时，截断输入信号；输入信号经过一个场效应晶体管门电路进入功率放大器，功率放大器的输出驱动激振器。

此外，本发明还提出了一种采用如上所述的高速同步正余弦信号激励装置的信号激励方法，其特征在于：首先工业控制计算机进行程序初始化，包括配置相应的驱动程序、波形数量的输入和D/A卡的选择；然后开始运行，通过人机交互界面输入所需生成信号的幅值和频率，工业控制计算机确认无误后运行程序；当工业控制计算机检测到人机交互界面输入新的改变参数的指令，则重新配置生成信号的相应参数并输出；若无需要改变参数的指令，则持续对波形数量进行计数，运行至指定次数，程序停止。

本发明的有益效果是：

（1）该装置可以适时调整同步正弦波形和余弦波形的幅值与频率；

（2）该装置不同于其他同步信号发生器，可以同步发送高频正余弦信号；

（3）控制方法采用人机交互界面实现，具有结构简单、运行可靠、成本低廉等特点；

（4）该装置实际误差可以控制在±0.8%以内；

（4）采用模块化的设计方法，这使得系统扩展起来比较方便，系统可移植性高，增加了系统的灵活性和可靠性，具有广泛的适应性；

（5）能够实现波形的准确控制，可以运用到各种需要进行波形输出的场合。

附图说明

图1是可编程高速同步正余弦信号激励装置原理图。

图2是软件控制程序流程图。

图3是人机交互界面示意图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示的高速同步正余弦信号激励装置，其所采用的技术方案是：将D/A卡插入工业控制计算机的卡槽，D/A卡的输出端接端子板，端子板的输出端接阻抗匹配变压器的输入端，阻抗匹配变压器的输出端接功率放大器的输入端，功率放大器的输出端为激励装置的输出端。通过工业控制计算机上的人机交互界面对激励信号适时调整。通过根据规定的信号幅值和频率，经人机交互界面发送给工业控制计算机指令。D/A卡的输出端通过与阻抗匹配变压器和功率放大器相连，该功率放大器的输出即为本装置的输出端。

工业控制计算机采用普通PC机，通过人机交互界面及相应的输入设备可以设定所需的信号幅值及频率。相应的人机交互界面程序流程图，参见图2。首先对程序进行初始化，包括配置相应的驱动程序、波形数量的输入和D/A卡的选择。然后开始运行程序，通过输入所需生成信号的幅值和频率，确认无误后运行程序。当程序检测到输入设备输入新的改变参数的指令，则重新配置生成信号的相应参数并输出。若无需要改变参数的指令，则程序持续对波形数量进行计数，运行至指定次数，程序停止。

D/A数据卡的基本参数如下：4路增强模拟输出，10MHz的波形输出功能，同步输出，12位DAC，PCI总线数据传输。输出量程有0-5V，0-10V，±10V和±5V四种可以选择，由于需求的输出为0-5V，因此选择0-5V的量程。12位DAC使模拟输出误差为5/4096V=1.22mV。10MHz的波形输出功能使输出最大频率为20K的正弦波形和余弦波形时，一个波形周期可以离散500个点，对应的离散误差为sin(2*3.14/500)*5V=1.1mV，总误差为2.32mV。即20KHz时的失真度为2.32mV/5V=0.05%<0.3%（该值为原D/A数据卡提供的参数）。

阻抗匹配是指负载阻抗与激励源的内部阻抗互相适配，以便得到最大功率输出的一种工作状态。在能量传输时，要求负载阻抗要和传输线的特征阻抗相等，此时的传输不会产生反射，这表明所有能量都被负载吸收了。反之则在传输中有能量损失。

功率放大器由差动前置放大级，推动级和全对称互补功率输出级组成，包含功率放大器和与之相配接的激振器，设置有可调驱动电流极限保护，预调的电流限制范围在3A－15A之间分档调整，当保护电路被触发时，截断输入信号。输入信号经过一个场效应晶体管门电路进入功率放大器，功率放大器的输出驱动激振器或其它负载。在高的环境温度或者异常载荷情况下都将导致输出晶体管的温度超过设计限制，结果使晶体管损坏。为了防止这种情况，温度保护电路在温度过高时会阻断放大器的输入信号。每只功率输出晶体管都由一根快速作用的保险丝保护，导致功率发射极—集电极短路的故障会使保险丝熔断，同时晶体管报警灯亮，截断输入信号。功率放大器作为振动试验和振动测量的大功率激振源，可以广泛地应用于航空航天、机械动力、土木建筑和交通路桥、教学实验的振动研究和振动实验。

通过实际试验，测试该装置切实可行。实验误差在±0.8%内，分析其原因，由于使用双通道同步输出正弦信号和余弦信号，因此一个波形周期可以离散250个点，对应的离散误差为sin(2*3.14/250)*5V=2.2mV，总误差为3.42mV。即20KHz时的失真度为3.42mV/5V=0.07%，因此实验精度有所下降，但仍在误差允许范围内。可以认为达到了预期的效果。

相应的人机交互界面设置部分的图片参见图3。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种新型高速同步正余弦信号激励装置，其特征在于，包括：人机交互界面、工业控制计算机、D/A卡、端子板、阻抗匹配变压器和功率放大器；所述人机交互界面设置在工业控制计算机上，对激励信号进行设置与调整，所述D/A卡插在工业控制计算机的卡槽中，D/A卡的输出端接端子板，所述端子板的输出端接阻抗匹配变压器的输入端，所述阻抗匹配变压器的输出端接功率放大器的输入端，所述功率放大器的输出端为激励信号输出端，输出高频同步正余弦信号，信号的幅值与频率通过人机交互界面实时设置与调整。

2.如权利要求1所述的一种新型高速同步正余弦信号激励装置，其特征在于：所述高速同步正余弦信号激励装置实现各个通道输出信号的同步。

3.如权利要求1所述的一种新型高速同步正余弦信号激励装置，其特征在于：所述高速同步正余弦信号激励装置信号电压输出幅值范围为0～5V，频率输出范围为20Hz～20KHz。

4.如权利要求1所述的一种新型高速同步正余弦信号激励装置，其特征在于：所述D/A卡的基本参数如下：4路增强模拟输出，10MHz的波形输出功能，同步输出，12位DAC，PCI总线数据传输；D/A卡的输出量程有0-5V，0-10V，±10V和±5V四种可以选择。

5.如权利要求1所述的一种新型高速同步正余弦信号激励装置，其特征在于：所述功率放大器由差动前置放大级，推动级和全对称互补功率输出级组成，功率放大器配接有激振器并设置有可调驱动电流极限保护，预调的电流限制范围在3A－15A之间分档调整，当保护电路被触发时，截断输入信号；输入信号经过一个场效应晶体管门电路进入功率放大器，功率放大器的输出驱动激振器。

6.一种采用如权利要求1所述的高速同步正余弦信号激励装置的信号激励方法，其特征在于：首先工业控制计算机进行程序初始化，包括配置相应的驱动程序、波形数量的输入和D/A卡的选择；然后开始运行，通过人机交互界面输入所需生成信号的幅值和频率，工业控制计算机确认无误后运行程序；当工业控制计算机检测到人机交互界面输入新的改变参数的指令，则重新配置生成信号的相应参数并输出；若无需要改变参数的指令，则持续对波形数量进行计数，运行至指定次数，程序停止。