CN217370972U - 一种信号处理电路及激光加工设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及激光加工技术领域，具体而言，涉及一种信号处理电路及激光加工设备。信号处理电路包括信号采集模块、信号差分模块、信号接收模块和电源模块，信号差分模块用于将模拟信号转换为两路差分数字信号，信号接收模块用于将两路差分数字信号转换为合并数字信号反馈给数控系统。本实用新型通过电源模块给信号采集模块、信号差分模块和信号接收模块供电；信号差分模块将信号采集模块产生的正弦波模拟信号转化为两路差分数字信号，通过两路拆分数字信号可以极大程度地提高信号传输过程的抗干扰能力，两路拆分数字信号由信号接收模块转换为合并数字信号反馈给数控系统，以保障数控系统接收到的准确与稳定的信号，便于后续喷嘴的随动控制。

Description

一种信号处理电路及激光加工设备

技术领域

本实用新型涉及激光加工技术领域，具体而言，涉及一种信号处理电路。

背景技术

随着激光行业的快速发展，人们对于切割头加工效率的追求也越来越高，这就要求随动控制系统要做到既快速又稳定。随动系统的稳定离不开电容传感器信号的稳定，而电容传感器的信号必须经过一条长达20米左右的传感器线才能到达电柜的调高模块，在传感器线的周围还有一些伺服电机的动力线和编码器线等这些会产生强烈电磁干扰的线缆。由于这些线缆距离传感器线非常近，干扰就很容易耦合到传感器线里面去，同时目前的传感器信号又是靠模拟量传输的，本身抗干扰能力就很弱，所以受外界干扰的影响就更大，导致调高模块接收端收到的波形出现严重失真，极大影响了随动的稳定性。

实用新型内容

本实用新型解决的问题是电容传感器在进行长距离的信号传递时易受到干扰而导致的信号失真。

为解决上述问题，本实用新型一方面提供一种信号处理电路，所述信号处理电路包括信号采集模块、信号差分模块、信号接收模块和电源模块，所述信号采集模块用于检测喷嘴与加工工件之间的高度，并产生模拟信号；所述信号差分模块与所述信号采集模块连接，所述信号差分模块用于接收所述模拟信号，并将所述模拟信号转换为两路差分数字信号；所述信号接收模块适于通过线缆与所述信号差分模块连接，所述信号接收模块用于接收所述信号差分模块发送的两路差分数字信号，并将两路差分数字信号转换为合并数字信号反馈给数控系统；所述电源模块分别与所述信号采集模块、所述信号差分模块、所述信号接收模块连接，所述电源模块用于所述信号采集模块、所述信号差分模块、所述信号接收模块的供电。

可选地，所述信号差分模块包括比较器和第一差分芯片，所述比较器的第五引脚与所述信号采集模块连接，所述比较器的第二引脚、第三引脚和第七引脚分别与所述电源模块连接，所述比较器的第四引脚、第六引脚和第八引脚接地；所述第一差分芯片的第三引脚与所述比较器的第一引脚连接，所述第一差分芯片的第一引脚与所述电源模块连接，所述第一差分芯片的第四引脚接地，所述第一差分芯片的第五引脚和第六引脚分别与所述信号接收模块连接。

可选地，所述信号接收模块包括第二差分芯片，所述第二差分芯片的第七引脚与所述第一差分芯片的第六引脚连接，所述第二差分芯片的第八引脚所述第一差分芯片的第五引脚连接，所述第二差分芯片的第二引脚与所述数控系统连接，所述第二差分芯片的第一引脚与所述电源模块连接，所述第二差分芯片的第四引脚接地。

可选地，所述信号差分模块包括还包括第一电阻，所述第一电阻的第一端与所述第一差分芯片的第五引脚连接，所述第一电阻的第二端与所述第一差分芯片的第六引脚连接；所述信号接收模块还包括第二电阻，所述第二电阻的第一端与所述第二差分芯片的第八引脚连接，所述第二电阻的第二端与所述第二差分芯片的第七引脚连接，所述第一电阻的第一端与所述第二电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第二端连接。

可选地，所述信号处理电路还包括稳压模块，所述稳压模块分别与所述信号差分模块和所述信号采集模块连接，所述稳压模块适于通过线缆与所述电源模块连接。

可选地，所述稳压模块包括共模电感，所述共模电感的第一引脚适于通过线缆与所述电源模块连接，所述共模电感的第四引脚分别与所述信号采集模块和所述信号差分模块连接，所述共模电感的第二引脚和第三引脚接地。

可选地，所述稳压模块还包括瞬态电压抑制二极管，所述瞬态电压抑制二极管的一端分别与所述共模电感的第四引脚、所述信号采集模块连接，所述瞬态电压抑制二极管的另一端接地。

可选地，所述稳压模块还包括第一电容、第二电容和滤波电感，所述滤波电感的第一端与所述第一电容的第一端或第二端连接，所述滤波电感的第二端与所述第二电容的第一端或第二端连接，所述第一电容的第一端与所述共模电感的第四引脚、所述信号采集模块连接，所述第一电容的第二端接地，所述第二电容的第一端与所述共模电感的第四引脚、所述信号采集模块连接，所述第二电容的第二端接地。

可选地，所述稳压模块还包括DC-DC模块，所述DC-DC模块的第二引脚与所述共模电感的第四引脚连接，所述DC-DC模块的第四引脚与所述信号采集模块连接。

可选地，还包括信号处理模块，所述信号处理模块与所述信号接收模块连接，所述信号处理模块用于接收所述信号接收模块发送的数字信号，并将所述数字信号转换为高度数值反馈给数控系统。

另一方面，本实用新型还提供一种激光加工设备，包括如上所述的信号处理电路。

相对于现有技术，本实用新型所述的信号处理电路所具有的有益效果是：

通过电源模块给信号采集模块、信号差分模块和信号接收模块供电；信号差分模块将信号采集模块产生的正弦波模拟信号转化为两路差分数字信号，通过两路拆分数字信号可以极大程度地提高信号传输过程的抗干扰能力，两路拆分数字信号由信号接收模块转换为合并数字信号反馈给数控系统，以保障数控系统接收到的准确与稳定的信号，便于后续喷嘴的随动控制。

附图说明

图1为本实用新型的信号处理电路的一实施例结构示意图；

图2为本实用新型的信号差分模块的一实施例电路结构示意图；

图3为本实用新型的信号接收模块的一实施例电路结构示意图；

图4为本实用新型的稳压模块的一实施例电路结构示意图。

具体实施方式

术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施例做详细的说明。

如图1所示，本实用新型的一实施例提供一种信号处理电路，所述信号处理电路包括信号采集模块、信号差分模块、信号接收模块和电源模块，所述信号采集模块用于检测喷嘴与加工工件之间的高度，并产生模拟信号；所述信号差分模块与所述信号采集模块连接，所述信号差分模块用于接收所述模拟信号，并将所述模拟信号转换为两路差分数字信号，并将两路差分数字信号转换为合并数字信号反馈给数控系统；所述信号接收模块适于通过线缆与所述信号差分模块连接，所述信号接收模块用于接收所述信号差分模块发送的数字信号；所述电源模块分别与所述信号采集模块、所述信号差分模块、所述信号接收模块连接，所述电源模块用于所述信号采集模块、所述信号差分模块、所述信号接收模块的供电。

在传统方案中，线缆里面一共有三条线，一条VCC(+5V)，一条GND(参考地)，还有一条信号线(正弦波模拟信号Signal)。且上述三条线外均包裹有屏蔽层，虽然屏蔽层可以起到屏蔽干扰的效果，但是当电磁干扰较强时，屏蔽层无法对电磁干扰进行完全屏蔽，只能屏蔽掉很小一部分。此时线缆内的电源线(包括VCC和GND)以及信号线(正弦波模拟信号Signal)都会受到影响。电源线(包括VCC和GND)不稳定会影响信号采集模块的正常工作，信号线不稳定会导致接收到的正弦波模拟信号Signal的波形严重失真。从而造成后续检测出的频率大小与实际频率相差过大，从而影响到高度的判断以及后续的随动控制。

两路差分数字信号在下文分别为方波数字信号A和方波数字信号B，合并数字信号为输出信号C。相比于传统方案，本方案通过信号差分模块可以将信号采集模块产生的正弦波模拟信号Signal转换为方波数字信号A和方波数字信号B。这样一来，在传感器线里面一共就有四条线，一条VCC(+5V)，一条GND(参考地)，两条信号线(分别用于传输方波数字信号A和方波数字信号B)。并且在VCC(+5V)、GND(参考地)和两条信号线外均可以包裹有屏蔽层，屏蔽层可以屏蔽部分电磁干扰。

差分传输是一种信号传输的技术，区别于传统的一根信号线一根地线的做法，差分传输在两根线上都传输信号，这两个信号的振幅相同，相位相反。在这两根线上的传输的信号就是差分信号。在电路板上，差分走线必须是等长、等宽、紧密靠近、且在同一层面的两根线。信号接收模块可以通过计算方波数字信号A和方波数字信号B之间的电平差，得到输出信号C。

两条信号线采用双绞线的方式传输，双绞线是一种综合布线工程中最常用的传输介质，是由两根具有绝缘保护层的铜导线组成的。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，每一根导线在传输中辐射出来的电波会被另一根线上发出的电波抵消，有效降低信号干扰的程度。

即一旦有共模干扰进入到线缆内，其对两条信号线内的方波数字信号A和方波数字信号造成的干扰是相同的。共模干扰指的是干扰电压在信号线及其回线(一般称为信号地线)上的幅度相同，这里的电压以附近任何一个物体(大地、金属机箱、参考地线板等)为参考电位，干扰电流回路则是在导线与参考物体构成的回路中流动。

由此，电源模块给信号采集模块、信号差分模块和信号接收模块供电；信号差分模块将信号采集模块产生的正弦波模拟信号转化为两路差分数字信号，通过两路拆分数字信号可以极大程度地提高信号传输过程的抗干扰能力，两路拆分数字信号由信号接收模块转换为合并数字信号反馈给数控系统，以保障数控系统接收到的准确与稳定的信号，便于后续喷嘴的随动控制。

如图2所示，所述信号差分模块包括比较器U2和第一差分芯片U3，所述比较器U2的第五引脚与所述信号采集模块连接，所述比较器U2的第二引脚、第三引脚和第七引脚分别与所述电源模块连接，所述比较器U2的第四引脚、第六引脚和第八引脚接地；所述第一差分芯片U3的第三引脚与所述比较器U2的第一引脚连接，所述第一差分芯片U3的第一引脚与所述电源模块连接，所述第一差分芯片U3的第四引脚接地，所述第一差分芯片U3的第五引脚和第六引脚分别与所述信号接收模块连接。

比较器U2的型号可以为AD790，比较器U2的型号可以根据实际需求进行相应的更换。比较器U2可以将正弦波模拟信号Signal转化为方波数字信号Signal’。第一差分芯片U3的型号可以为SN75179，第一差分芯片U3的型号可以根据实际需求进行相应的更换。第一差分芯片U3可以将方波数字信号Signal’转换为方波数字信号A和方波数字信号B，方波数字信号的抗干扰能力强，方波数字信号采用0、1两个逻辑状态表示信号，只要能够恢复0、1两个电平即可保证信号传输准确，相对于正弦波模拟信号来说，幅度干扰能够滤除，所以方波数字信号的保真度较高。

当存在较强的电磁干扰时，通过将方波数字信号Signal’转换为方波数字信号A和方波数字信号B，即使有强电磁干扰存在时，电磁干扰对方波数字信号A和方波数字信号B造成的干扰是相同的。即干扰前与干扰后，方波数字信号A和方波数字信号B之间的电平差保持不变。此时信号接收模块可以接收方波数字信号A和方波数字信号B，根据二者的电平差输出稳定且保真的的方波数字信号C。

如图3所示，所述信号接收模块包括第二差分芯片U4，所述第二差分芯片U4的第七引脚与所述第一差分芯片U3的第六引脚连接，所述第二差分芯片U4的第八引脚所述第一差分芯片U3的第五引脚连接，所述第二差分芯片U4的第二引脚与所述数控系统连接，所述第二差分芯片U4的第一引脚与所述电源模块连接，所述第二差分芯片U4的第四引脚接地。

在一实施例中，当方波数字信号A与方波数字信号B之间的差值为正值时，则输出高电平为5V，当方波数字信号A与方波数字信号B之间的差值为负值时，则输出低电平为0V。由此，输出的方波数字信号C的电平为5V、0V、5V、0V等，从而使得数控系统可以接收到一路稳定的方波数字信号C，数控系统可以根据方波数字信号C对喷嘴与加工工件之间的高度，并将高度发送给数控系统，数控系统可以根据传来的高度对喷嘴进行随动控制。

如图2和图3所示，所述信号差分模块包括还包括第一电阻R1，所述第一电阻R1的第一端与所述第一差分芯片U3的第五引脚连接，所述第一电阻R1的第二端与所述第一差分芯片U3的第六引脚连接；所述信号接收模块还包括第二电阻R2，所述第二电阻R2的第一端与所述第二差分芯片U4的第八引脚连接，所述第二电阻R2的第二端与所述第二差分芯片U4的第七引脚连接，所述第一电阻R1的第一端与所述第二电阻R2的第一端连接，所述第一电阻R1的第二端与所述第二电阻R2的第二端连接。

由此，通过在第一差分芯片U3的发送端安装上第一电阻R1，在第二差分芯片U4的接收端安装上第二电阻R2，以实现阻抗匹配(阻抗匹配主要用于传输线上，以此来达到所有高频的微波信号均能传递至负载点的目的，而且几乎不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益。信号源内阻与所接传输线的特性阻抗大小相等且相位相同，或传输线的特性阻抗与所接负载阻抗的大小相等且相位相同，分别称为传输线的输入端或输出端处于阻抗匹配状态，简称为阻抗匹配)，从而减小回波反射(回波是指通过不同于正常路径的其他途径而到达给定点上的信号。回波产生是由于信号经反射物反射后，被反射物吸收一部分能量，产生了具有衰减延迟的原信号，叠加上原信号形成)。

如图1所示，所述信号处理电路还包括稳压模块，所述稳压模块分别与所述信号差分模块和所述信号采集模块连接，所述稳压模块适于通过线缆与所述电源模块连接。稳压模块用于降低线缆内的电源线(包括VCC和GND)上的干扰，保证了信号采集模块以及信号差分模块的正常工作，避免因供电不稳导致信号异常。

如图4所示，所述稳压模块包括共模电感L1，所述共模电感L1的第一引脚适于通过线缆与所述电源模块连接，所述共模电感L1的第四引脚分别与所述信号采集模块和所述信号差分模块连接，所述共模电感L1的第二引脚和第三引脚接地。

共模电感L1是由两个绕组组成，所以具有四个引脚，共模电感，也叫共模扼流圈，常用于电脑的开关电源中过滤共模的电磁干扰信号。在板卡设计中，共模电感也是起电磁干扰滤波的作用，用于抑制高速信号线产生的电磁波向外辐射发射。共模电感L1上的两个线圈绕在同一铁芯上，匝数和相位都相同(绕制反向)。这样，当电路中的正常电流流经共模电感时，电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消，此时正常信号电流主要受线圈电阻的影响(和少量因漏感造成的阻尼)；当有共模电流流经线圈时，由于共模电流的同向性，会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗，使线圈表现为高阻抗，产生较强的阻尼效果，以此衰减共模电流，达到滤波的目的。

如图4所示，所述稳压模块还包括瞬态电压抑制二极管TVS1，所述瞬态电压抑制二极管TVS1的一端分别与所述共模电感L1的第四引脚、所述信号采集模块连接，所述瞬态电压抑制二极管TVS1的另一端接地。

瞬态电压抑制二极管TVS1是一种二极管形式的高效能保护器件。当瞬态电压二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10的负12次方秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。通过瞬态电压抑制二极管TVS1可以保障电压维持在5V，同时可以吸收浪涌脉冲干扰，保障供电稳定。

如图4所示，所述稳压模块还包括第一电容C1、第二电容C2和滤波电感L2，所述滤波电感L2的第一端与所述第一电容C1的第一端或第二端连接，所述滤波电感L2的第二端与所述第二电容C2的第一端或第二端连接，所述第一电容C1的第一端与所述共模电感L1的第四引脚、所述信号采集模块连接，所述第一电容C1的第二端接地，所述第二电容C2的第一端与所述共模电感L1的第四引脚、所述信号采集模块连接，所述第二电容C2的第二端接地。第一电容C1、第二电容C2和滤波电感L2构成π型LC滤波电路，其优点是输出电压高，滤波效果好。

如图4所示，所述稳压模块还包括DC-DC模块U1，所述DC-DC模块U1的第二引脚与所述共模电感L1的第四引脚连接，所述DC-DC模块U1的第四引脚与所述信号采集模块连接。

DC-DC模块U1是一种在直流电路中将一个电压值的电能变为另一个电压值的电能的装置，其采用微电子技术，把小型表面安装集成电路与微型电子元器件组装成一体而构成，其主要功能为噪声隔离，以保障供电稳定。

如图1所示，所述信号处理电路还包括信号处理模块，所述信号处理模块与所述信号接收模块连接，所述信号处理模块用于接收所述信号接收模块发送的数字信号，并将所述数字信号转换为高度数值反馈给数控系统。

信号处理模块用于比较方波数字信号A和方波数字信号B的差值来判断发送端发送的逻辑状态。信号处理模块可以根据方波数字信号A和方波数字信号B的电平差判断输出信号C的电平高低。所以即使方波数字信号A和方波数字信号B上存在共模干扰，干扰一般会等值、同时的被加载到方波数字信号A和方波数字信号B上，即干扰对信号的逻辑意义不会产生影响。由于它们的干扰是相同的，所以在计算电平差的时候就刚好可以抵消掉，使得最终得到的输出信号C不受干扰的影响。

例如，方波数字信号A和方波数字信号B上未受干扰时，方波数字信号A上的电压为5V，方波数字信号B上的电压为1V，此时方波数字信号A与方波数字信号B上的电平差为5V-1V＝4V；当方波数字信号A与方波数字信号B上受干扰时，由于共模干扰在方波数字信号A与方波数字信号B上的干扰相同，此时方波数字信号A上的电压可能为6V，方波数字信号B上的电压可能为2V，此时方波数字信号A与方波数字信号B上的电平差为6V-2V＝4V。受干扰后和受干扰前，方波数字信号A与方波数字信号B之间的电平差保持一致。由此，通过上述方式可以在很大程度上提高了信号的抗干扰能力。

本实用新型的另一实施例提供一种激光加工设备，包括如上所述的信号处理电路。所述激光加工设备所具有的有益效果与所述信号处理电路相同，在此不再赘述。

虽然本申请披露如上，但本申请的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本申请的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本实用新型的保护范围。

Claims (11)

1.一种信号处理电路，其特征在于，包括：

信号采集模块，所述信号采集模块用于检测喷嘴与加工工件之间的高度，并产生模拟信号；

信号差分模块，所述信号差分模块与所述信号采集模块连接，所述信号差分模块用于接收所述模拟信号，并将所述模拟信号转换为两路差分数字信号；

信号接收模块，所述信号接收模块适于通过线缆与所述信号差分模块连接，所述信号接收模块用于接收所述信号差分模块发送的两路差分数字信号，并将两路差分数字信号转换为合并数字信号反馈给数控系统；

电源模块，所述电源模块分别与所述信号采集模块、所述信号差分模块、所述信号接收模块连接，所述电源模块用于所述信号采集模块、所述信号差分模块、所述信号接收模块的供电。

2.根据权利要求1所述的信号处理电路，其特征在于，所述信号差分模块包括：

比较器，所述比较器的第五引脚与所述信号采集模块连接，所述比较器的第二引脚、第三引脚和第七引脚分别与所述电源模块连接，所述比较器的第四引脚、第六引脚和第八引脚接地；

第一差分芯片，所述第一差分芯片的第三引脚与所述比较器的第一引脚连接，所述第一差分芯片的第一引脚与所述电源模块连接，所述第一差分芯片的第四引脚接地，所述第一差分芯片的第五引脚和第六引脚分别与所述信号接收模块连接。

3.根据权利要求2所述的信号处理电路，其特征在于，所述信号接收模块包括第二差分芯片，所述第二差分芯片的第七引脚与所述第一差分芯片的第六引脚连接，所述第二差分芯片的第八引脚所述第一差分芯片的第五引脚连接，所述第二差分芯片的第二引脚与所述数控系统连接，所述第二差分芯片的第一引脚与所述电源模块连接，所述第二差分芯片的第四引脚接地。

4.根据权利要求3所述的信号处理电路，其特征在于，所述信号差分模块包括还包括第一电阻，所述第一电阻的第一端与所述第一差分芯片的第五引脚连接，所述第一电阻的第二端与所述第一差分芯片的第六引脚连接；所述信号接收模块还包括第二电阻，所述第二电阻的第一端与所述第二差分芯片的第八引脚连接，所述第二电阻的第二端与所述第二差分芯片的第七引脚连接，所述第一电阻的第一端与所述第二电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第二端连接。

5.根据权利要求1所述的信号处理电路，其特征在于，所述信号处理电路还包括稳压模块，所述稳压模块分别与所述信号差分模块和所述信号采集模块连接，所述稳压模块适于通过线缆与所述电源模块连接。

6.根据权利要求5所述的信号处理电路，其特征在于，所述稳压模块包括共模电感，所述共模电感的第一引脚适于通过线缆与所述电源模块连接，所述共模电感的第四引脚分别与所述信号采集模块和所述信号差分模块连接，所述共模电感的第二引脚和第三引脚接地。

7.根据权利要求6所述的信号处理电路，其特征在于，所述稳压模块还包括瞬态电压抑制二极管，所述瞬态电压抑制二极管的一端分别与所述共模电感的第四引脚、所述信号采集模块连接，所述瞬态电压抑制二极管的另一端接地。

8.根据权利要求6所述的信号处理电路，其特征在于，所述稳压模块还包括第一电容、第二电容和滤波电感，所述滤波电感的第一端与所述第一电容的第一端或第二端连接，所述滤波电感的第二端与所述第二电容的第一端或第二端连接，所述第一电容的第一端与所述共模电感的第四引脚、所述信号采集模块连接，所述第一电容的第二端接地，所述第二电容的第一端与所述共模电感的第四引脚、所述信号采集模块连接，所述第二电容的第二端接地。

9.根据权利要求6所述的信号处理电路，其特征在于，所述稳压模块还包括DC-DC模块，所述DC-DC模块的第二引脚与所述共模电感的第四引脚连接，所述DC-DC模块的第四引脚与所述信号采集模块连接。

10.根据权利要求1所述的信号处理电路，其特征在于，还包括信号处理模块，所述信号处理模块与所述信号接收模块连接，所述信号处理模块用于接收所述信号接收模块发送的数字信号，并将所述数字信号转换为高度数值反馈给数控系统。

11.一种激光加工设备，其特征在于，包括如权利要求1-10中任一项所述的信号处理电路。

Images