CN112290916A - 一种抗电磁干扰的小波模拟信号转化系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种抗电磁干扰的小波模拟信号转化系统，利用减法器原理+反馈调节+滤波整形的优化方式，设计一种全新的转化电路，所述系统包括依次连接的小波模拟信号输入模块、屏蔽层模块、可调差模放大电路、RC滤波网络模块、延迟比较模块、光耦隔离模块、后端处理器；本发明系统的电路适用于不同输出阻抗的小波模拟信号以及电磁干扰环境下的信号转换电路，广泛使用于各类流量传感器及其他小波输出的传感器设备。

Description

一种抗电磁干扰的小波模拟信号转化系统

技术领域

本发明属于模拟信号转换处理技术领域，具体地说，涉及一种抗电磁干扰的小波模拟信号转化系统。

背景技术

目前工业上通用的流量传感器主要分为以下几大类：

1.差压式流量计：主要利用管内流体通过节流装置时，其流量与节流装置前后的压差有一定的关系。

2.容积式流量计：主要利用流体连续通过一定容积之后进行流量累积的原理。属于这类流量计的有椭圆齿轮流量计和腰轮流量计。

3.其它类型流量计：如基于电磁感应原理的电磁流量计等。以电磁流量计为例子，是根据法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的装置。

4.速度式流量计：主要利用管内流体的速度来推动叶轮旋转，叶轮的转速和流体的流速成正比。属于这类流量计的有涡轮式流量计，机载燃油流量传感器即主要采用该种原理。

测量流速方法是将叶轮安装供油管路中，流过管路的燃油便推动叶轮转动，将燃油流速转换为叶轮转速：即单位时间内叶轮转动圈数。如果叶轮在导管中固定不动，流体流过叶片时将受到阻力。则当流体离开叶片时，将产生一个切向速度，可以定性的看出，叶轮将流速转换为叶轮转速，流速越大，叶轮转速越大，单位时间内转动圈数越多。同时，燃油的体积流量和燃油的平均流速成正比，理想情况下叶轮转速和燃油体积流量成正比关系，通过转速测量可求得燃油体积流量。

实际的使用过程中，这种感应式流量传感器输出的信号为小波模拟信号，信号幅度小，传输距离长，很容易受到电磁或功率地噪声干扰，使得后端采集的信号无法获得真实的频率信息，甚至信号完全失真。但仅通过增加流量传感器的磁场强度或者其他方式增大模拟信号的强度，往往效果不佳，同时也会同步放大干扰信号，使得更容易受到干扰。故需要在其流量传感器等小波模拟信号的后端采集电路进行抗电磁兼容方法发明，解决测量精度和可靠性问题。

现有的小波模拟信号转换方法，由于小波模拟信号通常带有不同的输出阻抗，需要后端的采集转换电路有很大的输入阻抗，故通常采用同相放大+滤波+整形的电路设计方法，同相放大器的输入阻抗无穷大，有较大的共模电压，抗电磁、地噪声的能力相对较弱，一般会在后端增加滤波电路，但对于频率特征相同或相近的干扰源或地噪声，该电路就失去信号转换和测量的功能。而在有些复杂工业环境下应用的小波模拟信号转换电路，采用反向放大原理，抗干扰能力较强，但由于其输入阻抗很小，不适用大部分实际的小波模拟信号的接口，即只能应用于较为理想的信号发生源，应用范围较窄。

发明内容

本发明针对现有技术适用不同输出阻抗范围窄，精度低等问题，提出了一种抗电磁干扰的小波模拟信号转化系统，本发明不使用通用的反向放大转换原理，也不采用同相放大+滤波整形的电路设计，而是利用减法器原理+反馈调节+滤波整形的优化方式，发明一种全新的转换电路，包括依次连接的小波模拟信号输入模块、屏蔽层模块、可调差模放大电路、RC滤波网络模块、延迟比较模块、光耦隔离模块、后端处理器；本发明系统的电路适用于不同输出阻抗的小波模拟信号以及电磁干扰环境下的信号转换电路，广泛使用于各类流量传感器及其他小波输出的传感器设备。

本发明的具体实现内容如下：

本发明提出了一种抗电磁干扰的小波模拟信号转化系统，包括依次连接的小波模拟信号输入模块、屏蔽层模块、可调差模放大电路、RC滤波网络模块、延迟比较模块、光耦隔离模块、后端处理器。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述屏蔽层模块包括2根单芯屏蔽线，所述小波模拟信号输入模块通过2根单芯屏蔽线与可调差模放大电路连接。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述可调差模放大电路包括运算放大器U1A、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R12；

所述运算放大器U1A的3号正极输入端连接电阻R1后与屏蔽层模块的正极输入端连接；所述运算放大器U1A的2号负极输入端连接电阻R2后与屏蔽层模块的负极输入端连接；所述运算放大器U1A的1号输出端与RC滤波网络模块连接；所述电阻R3连接在运算放大器U1A的2号负极输入端和1号输出端之间；

所述电阻R12接地后与运算放大器U1A的2号正极输入端连接。

为了更好地实现本发明，进一步地，还包括电阻R13、电阻R14，数字开关S1；

所述电阻13、电阻R14与电阻R3并联，且将数字开关S1与电阻R14、电阻R13的输出端连接，用于控制电阻13、电阻R14与电阻R3之间并联的开启和关闭；

所述数字开关S1的开关控制端与所述后端处理器连接。

为了更好地实现本发明，进一步地，还包括电阻组、数字开关S1；所述电阻组包括多个电阻，电阻组中的多个电阻分别与电阻R3并联，且与数字开关S1连接，由数字开关S1控制电阻组中的多个电阻与电阻R3之间并联的开启和关闭；

所述数字开关S1的开关控制端与所述后端处理器连接。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述RC滤波网络模块包括电阻R4、电容C1、电容C2；

所述电阻R4与电容C2串联，电阻R4的输入端与可调差模放大电路的输出端连接，

电容C2的输出端与延迟比较模块的输入端连接；

所述电容C1接地后连接在电阻R4和电容C2之间。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述延迟比较模块包括运算放大器U1B、电阻R5、电阻R7、电阻R8、电阻R9；

所述电阻R9输入端与电容C2连接，输出端与运算放大器U1B的6号负极输入端连接；所述电阻R8接地后连接在运算放大器U1B的6号负极输入端；

所述电阻R7接地后与运算放大器U1B的5号正极输入端连接；所述电阻R5连接在运算放大器U1B的5号正极输入端与7号输出端之间；

所述运算放大器U1B的7号输入端与所述光耦隔离模块的输入端连接。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述光耦隔离模块包括光电耦合器U2、二极管D1、电阻R6、电阻R10、电阻R11、电容C3；

所述二极管D1的输入端与所述延迟比较模块的输出端连接，二极管D1的输出端连接电阻R6后与光电耦合器U2发光二极管的1号输入端连接；所述光电耦合器U2发光二极管的2号引脚接地；

所述光电耦合器U2光敏二极管的4号输出端连接电阻R11后与后端处理器连接；所述电阻R10连接5V电源后与光电耦合器U2光敏二极管的4号输出端连接；

所述光电耦合器U2光敏二极管的3号输出端接地；

所述电容C3接地后连接在电阻R11的输出端。

本发明与现有技术相比具有以下优点及有益效果：

本发明系统的电路适用于不同输出阻抗的小波模拟信号以及电磁干扰环境下的信号转换电路，广泛使用于各类流量传感器及其他小波输出的传感器设备；通过接口参数的调节，匹配不同频率，不同幅度，不同输出阻抗的小波模拟信号的转换和整型，且通过特殊的差模运放设计手段和外部接线屏蔽处理，用最小的电路代价实现抗电磁干扰和功率地噪声干扰的能力，可广泛应用在流量传感器测量等小波信号测量的后端处理上，且可在复杂电磁环境下正常工作

附图说明

图1为本发明系统模块构成示意图；

图2为本发明一种具体的系统电路示意图；

图3为图2所示系统的可调差模放大电路增加电阻R14、电阻R13示意图；

图4为图2所示系统的延迟比较模块电路示意图；

图5为图2所示系统的光耦隔离模块电路示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

本实施例提出了一种抗电磁干扰的小波模拟信号转化系统，如图1所示，包括依次连接的小波模拟信号输入模块、屏蔽层模块、可调差模放大电路、RC滤波网络模块、延迟比较模块、光耦隔离模块、后端处理器。

工作原理：该小波模拟信号通过可调差模放大电路阻抗匹配和信号放大后，滤除共模地噪声电磁干扰后，通过RC滤波网络滤除超过实际使用频率100倍以上的电磁干扰信号，进入迟滞比较电路整形并进一步滤除高频干扰电磁信号带来的非正常翻转，形成方波信号后通过光偶隔离电路隔离输入地和后级输出地，进一步整形为标准TTL电平输出到下一级处理电路进行频率计数或其他电气特征的监控。

实施例2：

本实施例在上述实施例1的基础上，为了更好地实现本发明，进一步地，如图1、图2、图3、图4、图5所示，所述屏蔽层模块包括2根单芯屏蔽线，所述小波模拟信号输入模块通过2根单芯屏蔽线与可调差模放大电路连接；

所述可调差模放大电路包括运算放大器U1A、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R12；

所述运算放大器U1A的3号正极输入端连接电阻R1后与屏蔽层模块的正极输入端连接；所述运算放大器U1A的2号负极输入端连接电阻R2后与屏蔽层模块的负极输入端连接；所述运算放大器U1A的1号输出端与RC滤波网络模块连接；所述电阻R3连接在运算放大器U1A的2号负极输入端和1号输出端之间；

所述电阻R12接地后与运算放大器U1A的2号正极输入端连接。

所述RC滤波网络模块包括电阻R4、电容C1、电容C2；

所述电阻R4与电容C2串联，电阻R4的输入端与可调差模放大电路的输出端连接，

电容C2的输出端与延迟比较模块的输入端连接；

所述电容C1接地后连接在电阻R4和电容C2之间。

所述延迟比较模块包括运算放大器U1B、电阻R5、电阻R7、电阻R8、电阻R9；

所述电阻R9输入端与电容C2连接，输出端与运算放大器U1B的6号负极输入端连接；所述电阻R8接地后连接在运算放大器U1B的6号负极输入端；

所述电阻R7接地后与运算放大器U1B的5号正极输入端连接；所述电阻R5连接在运算放大器U1B的5号正极输入端与7号输出端之间；

所述运算放大器U1B的7号输入端与所述光耦隔离模块的输入端连接。

所述光耦隔离模块包括光电耦合器U2、二极管D1、电阻R6、电阻R10、电阻R11、电容C3；

所述二极管D1的输入端与所述延迟比较模块的输出端连接，二极管D1的输出端连接电阻R6后与光电耦合器U2发光二极管的1号输入端连接；所述光电耦合器U2发光二极管的2号引脚接地；

所述光电耦合器U2光敏二极管的4号输出端连接电阻R11后与后端处理器连接；所述电阻R10连接5V电源后与光电耦合器U2光敏二极管的4号输出端连接；

所述光电耦合器U2光敏二极管的3号输出端接地；

所述电容C3接地后连接在电阻R11的输出端。

工作原理：以流量传感器小波模拟信号输入为例子，该模拟信号从外部进入，且该模拟信号的输出阻抗在50K-100K欧姆之间，小波信号通过2根单芯屏蔽线接入后端转换电路，其屏蔽线传输距离0m-50m之间可调整，其中屏蔽线在转换电路端远端接地，间接的同转换电路的系统地通过电容和磁珠隔离同等电位相连接；

运算放大器U1A的输入正端串联R1电阻后接流量传感器的输出信号+端，运算放大器U1A的输入负端接流量传感器的输出信号端，该信号为小波模拟信号，输出阻抗设置为50k。运算放大器U1A的负端同R3电阻串接，另一端接入运算放大器U1A的输出脚，形成电压负反馈，同时可调整输入阻抗参数。电阻R12的一端接转换电路的系统地，一端接入U1A运放的正端输入，且同电阻R1公共端相连接，电阻R1、电阻R2、电阻R12和电阻R3及运算放大器U1A组成正端输入差模放大电路，经过电路优化，设置R1＝R2，R12＝R3，可得

其中电压U2-U1为流量传感器小波模拟信号的输出的电压差，这样同时可减少该电路的失调误差。

如图4所示，前端放大后的正弦信号通过R4和C1组成的RC滤波网络滤波，其中RC滤波参数由输入的小波模拟信号频率决定，再通过C2电容进行直流分量隔离，进入迟滞比较模块进行信号整形。迟滞比较模块由U1B运算放大器，R5，R7，R8和R9电阻构成，其中R9串联在U1B的负向输入端，R8一端接负向输入端，一端接地，同R9形成信号分压，防止信号阻塞产生的输入振荡，同时起到限流作用。R7和R5决定了该迟滞比较电路模块的门限电压，U_i＝U_o*R7/(R7+R5)，若前端正弦信号出现因电磁干扰带来的低电压扰动，可通过比较器滤出，同时由于迟滞比较器的反馈机制，若电磁干扰带来的高频毛刺，由于经过迟滞比较，在一个转换周期内将被消除，达到高性能抗电磁干扰的能力。

如图5所示，通过D1快速恢复二极管同R6进行串联，其中D1为防反电动势对前端电路的影响，R6为限流电阻其另外一端接入光电耦合器U2的输入端，当输入电压Umax超过其光偶导通门限，输出端饱和导通，即VCC电源5V串接的R10电阻同后端系统地导通，R11为输出端的匹配限流电阻。当光偶截止非导通，即5V电压通过R10和R11后输出到后端，当光偶导通时，即光偶U2的3脚和4脚近似导通，R10电阻的阻值选择需要考虑U2光偶的传输比，如U2光偶的传输比为1：1，那R6和R10的电阻建议阻值一致，保证其输出的TTL方波电平为标准电平。该光耦隔离模块将转换模块的系统地同接收后端的系统地隔离，进一步隔离因电磁干扰引起的地噪声信号，同时如果接收后端出现供电短路等情况，可以起到隔离保护的作用。

综合图1-图5所示，该发明专利可以通过接口参数的调节，匹配不同频率，不同幅度，不同输出阻抗的小波模拟信号的转换和整型，且通过特殊的差模运放设计手段和外部接线屏蔽处理，用最小的电路代价实现抗电磁干扰和功率地噪声干扰的能力，可广泛应用在流量传感器测量等小波信号测量的后端处理上，且可在复杂电磁环境下正常工作。

本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例在上述实施例1-2任一项的基础上，为了更好地实现本发明，进一步地，还包括电阻R13、电阻R14，数字开关S1；

所述电阻13、电阻R14与电阻R3并联，且将数字开关S1与电阻R14、电阻R13的输出端连接，用于控制电阻13、电阻R14与电阻R3之间并联的开启和关闭；

所述数字开关S1的开关控制端与所述后端处理器连接。

工作原理：针对该信号为非理想信号源，输出阻抗较大，以50k欧姆为例，若按常规设计，其输入阻抗较小，设计输入电流较大，以便同运放的芯片内部偏置电流区别，防止偏置误差。但在非理想信号源无法实现，因为较大的输出电阻会把小波信号电压拉偏很低，导致后端放大功能失效。本发明的做法是，选取内部偏置电流较小的运算放大器，将输入电阻R2调整同输入阻抗同一量级，如10k欧姆，这样即不会使得输入电流同运放的内部偏置电流混淆，也可根据具体的信号输出阻抗调整运放的接口电路参数，实现阻抗匹配，相应的R1和R3电阻的参数也可联动增大，其中R3和R2的比值可调，如图3所示，在具体的实施方案中可将数字开关S1接入U1A的运算放大器反馈电路，通过其输入端的串联电阻R13，R14……，可累加，通过S1开关控制端同后端处理器的反馈联动，实现R3的参数自动可调，达到任意放大输出的目的。

本实施例的其他部分与上述实施例1-2任一项相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种抗电磁干扰的小波模拟信号转化系统，其特征在于，包括依次连接的小波模拟信号输入模块、屏蔽层模块、可调差模放大电路、RC滤波网络模块、延迟比较模块、光耦隔离模块、后端处理器。

2.如权利要求1所述的一种抗电磁干扰的小波模拟信号转化系统，其特征在于，所述屏蔽层模块包括2根单芯屏蔽线，所述小波模拟信号输入模块通过2根单芯屏蔽线与可调差模放大电路连接。

3.如权利要求1所述的一种抗电磁干扰的小波模拟信号转化系统，其特征在于，所述可调差模放大电路包括运算放大器U1A、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R12；

所述运算放大器U1A的3号正极输入端连接电阻R1后与屏蔽层模块的正极输入端连接；所述运算放大器U1A的2号负极输入端连接电阻R2后与屏蔽层模块的负极输入端连接；所述运算放大器U1A的1号输出端与RC滤波网络模块连接；所述电阻R3连接在运算放大器U1A的2号负极输入端和1号输出端之间；

所述电阻R12接地后与运算放大器U1A的2号正极输入端连接。

4.如权利要求3所述的一种抗电磁干扰的小波模拟信号转化系统，其特征在于，还包括电阻组、数字开关S1；所述电阻组包括多个电阻，电阻组中的多个电阻分别与电阻R3并联，且与数字开关S1连接，由数字开关S1控制电阻组中的多个电阻与电阻R3之间并联的开启和关闭；

所述数字开关S1的开关控制端与所述后端处理器连接。

5.如权利要求3所述的一种抗电磁干扰的小波模拟信号转化系统，其特征在于，还包括电阻R13、电阻R14，数字开关S1；

所述电阻13、电阻R14与电阻R3并联，且将数字开关S1与电阻R14、电阻R13的输出端连接，用于控制电阻13、电阻R14与电阻R3之间并联的开启和关闭；

所述数字开关S1的开关控制端与所述后端处理器连接。

6.如权利要求1所述的一种抗电磁干扰的小波模拟信号转化系统，其特征在于，所述RC滤波网络模块包括电阻R4、电容C1、电容C2；

所述电阻R4与电容C2串联，电阻R4的输入端与可调差模放大电路的输出端连接，电容C2的输出端与延迟比较模块的输入端连接；

所述电容C1接地后连接在电阻R4和电容C2之间。

7.如权利要求1所述的一种抗电磁干扰的小波模拟信号转化系统，其特征在于，所述延迟比较模块包括运算放大器U1B、电阻R5、电阻R7、电阻R8、电阻R9；

所述电阻R9输入端与电容C2连接，输出端与运算放大器U1B的6号负极输入端连接；所述电阻R8接地后连接在运算放大器U1B的6号负极输入端；

所述电阻R7接地后与运算放大器U1B的5号正极输入端连接；所述电阻R5连接在运算放大器U1B的5号正极输入端与7号输出端之间；

所述运算放大器U1B的7号输入端与所述光耦隔离模块的输入端连接。

8.如权利要求1所述的一种抗电磁干扰的小波模拟信号转化系统，其特征在于，所述光耦隔离模块包括光电耦合器U2、二极管D1、电阻R6、电阻R10、电阻R11、电容C3；

所述二极管D1的输入端与所述延迟比较模块的输出端连接，二极管D1的输出端连接电阻R6后与光电耦合器U2发光二极管的1号输入端连接；所述光电耦合器U2发光二极管的2号引脚接地；

所述光电耦合器U2光敏二极管的4号输出端连接电阻R11后与后端处理器连接；所述电阻R10连接5V电源后与光电耦合器U2光敏二极管的4号输出端连接；

所述光电耦合器U2光敏二极管的3号输出端接地；

所述电容C3接地后连接在电阻R11的输出端。

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