【正文】 輸出傳感器 美國(guó) PAC 公司 AE 傳感器濾波器上限頻率 50KHz，100KHz，150KHz，200KHz，300KHz濾波器下限頻率 10KHz，20KHz，50KHz，100KHz，200KHz放大器增益1x, 3x, 10x, 30x, 100x, 300x, 1000x, 3000x，系統(tǒng)默認(rèn)是 100x平滑濾波時(shí)間常數(shù) , 1us, 3us, 10us, 30us, 100us包絡(luò)線發(fā)生器時(shí)間常數(shù) 1us, , 10us, 33us, 100us, 330us, 1ms, 輸入方式 簡(jiǎn)單鍵盤，觸摸屏電源 內(nèi)置鋰離子電池供電，帶充電電路通訊方式 USB 通訊和網(wǎng)絡(luò)通訊工作時(shí)間 5～6 小時(shí)其他1）有充電、充滿、欠電、報(bào)警等指示；2）有液晶亮度/對(duì)比度調(diào)節(jié)功能，有背光功能3）有脈沖回波消除功能 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)以 ARM 作為主控制器，F(xiàn)PGA 作為協(xié)控制器的形式構(gòu)建系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。其中主控制器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)、人機(jī)交互和通訊等。為了具有更好的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，采用 linux 系統(tǒng)+QTE 圖形庫(kù)的方式實(shí)現(xiàn)。協(xié)處理器主要負(fù)責(zé)具體的信號(hào)采集、存儲(chǔ)和信號(hào)處理，并且作為主控制器和信號(hào)調(diào)理部分等外電路的連接紐帶，負(fù)責(zé)主控制器控制命令的功能實(shí)現(xiàn)，是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。系統(tǒng)的板級(jí)結(jié)構(gòu)如圖 31 所示。整個(gè)系統(tǒng)主要由信號(hào)調(diào)理板、FPGA 數(shù)據(jù)采集處理板和 ARM 主控板三部分組成。上海交通大學(xué)碩士論文 第三章 超聲局部放電檢測(cè)儀的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)第 21 頁(yè)A R M 主控板A R M 主控核心板F P G A 數(shù)據(jù)采集處理板F P G A 數(shù)據(jù)采集處理板F P G A 數(shù)據(jù)采集處理板G P M C總線電源工頻同步信號(hào)G P M C總線電源工頻同步信號(hào)G P M C總線電源工頻同步信號(hào)信號(hào)調(diào)理板 信號(hào)調(diào)理板 信號(hào)調(diào)理板傳感器 傳感器 傳感器鋰離子電池鍵盤T F T L C DS D 卡接口U S B接口網(wǎng)口S D A S C L局放信號(hào)S D A S C L局放信號(hào)S D A S C L局放信號(hào)圖31 系統(tǒng)板級(jí)結(jié)構(gòu)圖 Boardlevel structure of the system 各部分功能定義 在圖 31 中，信號(hào)調(diào)理板主要接收傳感器端過(guò)來(lái)的局放信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行濾波、放大及包絡(luò)檢波等處理，并將調(diào)理后的信號(hào)輸出給 FPGA 數(shù)據(jù)采集處理板。FPGA 數(shù)據(jù)采集處理板主要完成局放信號(hào)的采樣、處理、存儲(chǔ)，并通過(guò) I2C 接口控制信號(hào)調(diào)理參數(shù)，同時(shí)通過(guò) ARM 主控板的通用存儲(chǔ)器接口（Generalpurpose memory controller, GPMC）接收 ARM 主控板的控制信號(hào)等；ARM 主控板主要完成專家診斷系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)、電源、工頻同步、通道控制及人機(jī)交互等功能。方案中各部分的功能及相互間的交互信息如圖 32 所示。上海交通大學(xué)碩士論文 第三章 超聲局部放電檢測(cè)儀的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)第 22 頁(yè)信號(hào)調(diào)理板F P G A 數(shù)據(jù)采集處理板D D R S D R A M 讀寫控制A R M 主控板F I F O 讀寫控制I 2 C 驅(qū)動(dòng)與應(yīng)用模塊 G P M C 通信模塊數(shù)據(jù)采樣模式控制 數(shù)據(jù)采樣參數(shù)控制觸發(fā)參數(shù)控制 F I R 等 D S P 算法專家診斷系統(tǒng) G U I 圖形界面U S B 讀寫控制 S D 卡讀寫控制電源管理工頻同步控制前置濾波放大電路程控濾波放大電路包絡(luò)檢波電路音頻輸出電路采樣率采樣周期放大器參數(shù)濾波器參數(shù)觸發(fā)參數(shù)采樣模式版本號(hào)采樣數(shù)據(jù)局放信號(hào)放大器參數(shù)濾波器參數(shù)包絡(luò)參數(shù)同步信號(hào)傳感器原始信號(hào)信號(hào)隔離電路工頻信號(hào)產(chǎn)生電路圖32 系統(tǒng)各部分功能定義 本章小結(jié) 本章主要介紹了系統(tǒng)的功能定義，包括系統(tǒng)的應(yīng)用目標(biāo)、功能特點(diǎn)和具體的性能指標(biāo)。并根據(jù)功能定義給出了具體的實(shí)現(xiàn)方案：系統(tǒng)主要由三部分組成，即信號(hào)調(diào)理板、FPGA 數(shù)據(jù)采集處理板和 ARM 主控板，其中信號(hào)調(diào)理板主要完成局放信號(hào)的濾波、放大及包絡(luò)檢波等模擬信號(hào)處理，F(xiàn)PGA 數(shù)據(jù)采集處理板主要負(fù)責(zé)局放信號(hào)的采集、存儲(chǔ)、處理，并且作為 ARM 主控板和信號(hào)調(diào)理板等外電路的連接紐帶，負(fù)責(zé) ARM 主控板的控制命令的功能實(shí)現(xiàn)；而 ARM 主控板主要完成專家診斷系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)、電源、工頻同步、通道控制及人機(jī)交互等功能。上海交通大學(xué)碩士論文 第四章 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)第 23 頁(yè)第四章 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì) 從超聲傳感器上獲得的局放信號(hào)一般數(shù)值很小，且混合有數(shù)值可能高的多的工頻電壓或諧波分量。為了得到高信噪比的局部放電信號(hào)，必須對(duì)傳感器檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，在實(shí)際應(yīng)用中，信號(hào)調(diào)理電路一般由前置放大器和主放大器組成，且兩級(jí)放大器中均有特定頻帶的濾波電路。 前置放大器 前置放大器按章在傳感器附件，可以在第一時(shí)間對(duì)檢測(cè)到的局部放電信號(hào)進(jìn)行初級(jí)放大、濾波、保護(hù)等功能。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的前置放大器根據(jù)使用場(chǎng)合的不同具有兩種不同的實(shí)現(xiàn)形式： 近距離測(cè)量時(shí)，傳感器直接接在檢測(cè)儀面板上，信號(hào)經(jīng)檢測(cè)儀內(nèi)部的前置放大器放大 100 倍。遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)，傳感器經(jīng)外置前置放大器后經(jīng)通過(guò)七芯電纜連接到檢測(cè)儀上，檢測(cè)儀內(nèi)部的（100x）前置放大器旁路。無(wú)論是遠(yuǎn)距離測(cè)量還是近距離測(cè)量，都是要求前置放大器盡可能靠近超聲傳感器，使局放信號(hào)在進(jìn)入主放大器前不至于衰減過(guò)于嚴(yán)重。由于前置放大器是整個(gè)系統(tǒng)的第一級(jí)輸入電路，所以必須設(shè)置必要的保護(hù)裝置，以免輸入信號(hào)過(guò)電壓或瞬態(tài)脈沖對(duì)電路造成損壞，引起元器件燒毀等后果。前置放大器的結(jié)構(gòu)框圖如圖 31 所示，圖中虛線框內(nèi)的部分僅在外置前置放大器中才使用，在檢測(cè)儀內(nèi)部的前置放大器中，濾波部分的輸出直接輸入到主放大器中。 。系統(tǒng)保護(hù)部分放大部分 濾波部分差分轉(zhuǎn)換部分輸出局放信號(hào)圖 31 前置信號(hào)調(diào)理電路結(jié)構(gòu)框圖 Block Diagram of PreSignal Processing Circuit上海交通大學(xué)碩士論文 第四章 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)第 24 頁(yè)前置信號(hào)調(diào)理電路的前級(jí)保護(hù)和放大部分電路結(jié)構(gòu)如圖 32 所示。前置放大器的輸入部分采用了易于插拔的 BNC 接頭，連接超聲傳感器。接 下 來(lái) 的 保 護(hù) 電 路 由 貼 片 保 護(hù) 二 極 管 D1， 瞬 態(tài) 抑 制 二 極 管 D2 以 及 氣 體 放電 管 D3 組 成 。 其 中 D1 用 于 確 保 系 統(tǒng) 輸 入 信 號(hào) 的 電 壓 范 圍 在 安 全 范 圍 內(nèi) ，如 果 設(shè) 定 D1 的 二 極 管 管 壓 降 為 ， 則 經(jīng) D1 限 制 后 的 輸 入 信 號(hào) 電 壓 范 圍為 ~+； 瞬 態(tài) 抑 制 二 極 管 D2 和 氣 體 放 電 管 D3 可 以 抑 制 瞬 態(tài) 的 過(guò)電 壓 脈 沖 ， 在 出 現(xiàn) 高 能 量 的 大 脈 沖 時(shí) ， 能 夠 在極短的內(nèi)由原來(lái)的高阻抗?fàn)顟B(tài)變?yōu)榈妥杩?，并把電壓箝制到特定的水平，從而有效的保護(hù)用戶的設(shè)備和元器件不受損壞。系統(tǒng)前級(jí)放大倍數(shù)定為 100 倍反相放大，放大器芯片采用美國(guó) TI 公司的一款低噪聲運(yùn)算放大器，它具有高增益和高共模抑制比，適用于精密交流放大電路設(shè)計(jì)。由于信號(hào)調(diào)理電路中前級(jí)電路的信號(hào)噪聲會(huì)經(jīng)過(guò)后面的電路逐級(jí)放大，因此就要求將輸入級(jí)噪聲做到最小，該放大器芯片的高精低噪的特點(diǎn)，則正好滿足了設(shè)計(jì)需求。圖 32 前置信號(hào)調(diào)理電路的前級(jí)保護(hù)及放大部分 Protecting and Amplifying Block of the PreSignal Processing Circuit輸入信號(hào)經(jīng)前級(jí)放大后，接下來(lái)需要對(duì)其進(jìn)行濾波處理，濾除電磁干擾信號(hào)和噪聲信號(hào)。前置信號(hào)調(diào)理電路的濾波環(huán)節(jié)采用的方式為高通濾波環(huán)節(jié)與低上海交通大學(xué)碩士論文 第四章 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)第 25 頁(yè)通濾波環(huán)節(jié)串聯(lián)以實(shí)現(xiàn)帶通濾波效果。根據(jù)前文所述，高通及低通濾波環(huán)節(jié)均采用了有源濾波方案，濾波結(jié)構(gòu)選取四階巴特沃茲濾波器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)參數(shù)分別為高通 10kHz，低通 300kHz。高通濾波環(huán)節(jié)與低通濾波環(huán)節(jié)的基本電路結(jié)構(gòu)如圖 33 和圖 34 所示。圖 33 前置信號(hào)調(diào)理電路的高通濾波模塊 Filter Block of the PreSignal Processing Circuit圖 34 前置信號(hào)調(diào)理電路的低通濾波模塊 Lowpass Filter Block of the PreSignal Processing Circuit前置放大器輸出的信號(hào)需要接入后端主放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理。當(dāng)用于遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)為了使信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中受干擾的程度最小，在前置信號(hào)調(diào)理電路和程控信號(hào)調(diào)理電路之間，系統(tǒng)采用七芯電纜線進(jìn)行信號(hào)傳輸。電纜線中，局部放電信號(hào)采用差分傳輸?shù)霓k法。為此，前置放大器末端加入了差分轉(zhuǎn)換電路模塊。差分轉(zhuǎn)換電路采用 AD 公司的差分轉(zhuǎn)換芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)差分轉(zhuǎn)換功能，其基本電路圖如圖 35 所示。上海交通大學(xué)碩士論文 第四章 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)第 26 頁(yè)圖 35 前置信號(hào)調(diào)理電路的差分轉(zhuǎn)換模塊 DifferenceConverting Block of the PreSignal Processing Circuit 主放大器為了滿足不同測(cè)量方式的需要，主放大器采用程控濾波放大模式，使其增益、頻帶均可方便調(diào)節(jié)，以便適用于各種不同頻帶內(nèi)的局放信號(hào)的檢測(cè)。本系統(tǒng)的主放大器采用基于數(shù)字電位器的實(shí)現(xiàn)方式，所選用的數(shù)字電位器為 I2C 接口，簡(jiǎn)化了控制方式及電路布局。 數(shù)字電位器 數(shù)字電位器介紹數(shù)字電位器是一種采用 CMOS 工藝制成的數(shù)字 模擬混合信號(hào)處理集成電路，具有使用靈活、調(diào)節(jié)精度高、無(wú)觸點(diǎn)、低噪聲、不易污損、抗振動(dòng)、抗干擾、體積小、壽命長(zhǎng)等顯著優(yōu)點(diǎn)，可在眾多領(lǐng)域取代傳統(tǒng)的機(jī)械式電位器。目前，數(shù)字電位器正在國(guó)內(nèi)外獲得迅速發(fā)展和推廣應(yīng)用。數(shù)字電位器能設(shè)計(jì)各種可編程模擬器件，由微處理器或單片機(jī)來(lái)控制系統(tǒng)中的模擬功能，被廣泛用于智能儀器、電腦、手機(jī)、家用電器、現(xiàn)代辦公設(shè)備、汽車類電子產(chǎn)品、工業(yè)控上海交通大學(xué)碩士論文 第四章 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)第 27 頁(yè)制、醫(yī)療保健等領(lǐng)域。數(shù)字電位器按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，可分為多種類型。如按照數(shù)字電位器的接口來(lái)分類，可分為八種接口：；； 2C 接口；加/減串行接口；； 總線接口； 總線接口；。其中前七種為串行接口，最后一種為并行接口。按照芯片內(nèi)存儲(chǔ)器類型來(lái)分類，可分為非易失性數(shù)字電位器、易失性數(shù)字電位器和一次性可編程數(shù)字電位器。按照電阻值的變化特性來(lái)分類，可分為直線型電位器、指數(shù)型電位器和對(duì)數(shù)型電位器三種 [26]。 數(shù)字電位器芯片選型一般來(lái)講，對(duì)數(shù)字電位器芯片進(jìn)行選型時(shí)，比較關(guān)心的技術(shù)參數(shù)包括如下：接口類型、電源電壓范圍、抽頭數(shù)、總電阻值、滑動(dòng)觸頭接觸電阻值、帶寬、工作溫度等。結(jié)合本系統(tǒng)硬件資源實(shí)際情況，本文選取了 Intersil 公司生產(chǎn)的某工業(yè)級(jí)數(shù)字電位器芯片，該款芯片將四個(gè)數(shù)字控制電位器（DCP） 、控制邏輯電路和非易失性 EEPROM 存儲(chǔ)器整合于一體。接口類型為 I2C 接口，電源電壓范圍為5V~+5V ，抽頭數(shù)為 256 個(gè)，總電阻值為 10kΩ，滑動(dòng)觸頭接觸電阻典型值為 70Ω，帶寬為 1MHz，工作溫度為40176。 C ~125176。C。各個(gè)技術(shù)參數(shù)完全滿足設(shè)計(jì)需求。該款芯片內(nèi)部的數(shù)字電位器由電阻和 CMOS 開關(guān)組成，用戶可以通過(guò) I2C接口對(duì)電位器滑動(dòng)觸頭的位置進(jìn)行控制。每個(gè)數(shù)字電位器均配置有一個(gè)對(duì)應(yīng)的可變觸頭寄存器（WRi）和一個(gè)非易失性初始值寄存器（IVRi） ，它們都可以由用戶直接讀寫。WRi 寄存器中的內(nèi)容控制對(duì)應(yīng)滑動(dòng)觸頭的位置。每次上電時(shí)芯片首先將數(shù)字電位器的 IVRi 寄存器中的內(nèi)容恢復(fù)到對(duì)應(yīng)的 WRi 寄存器中。另外，該芯片還有 11 個(gè)通用的非易失性寄存器，它們可以被用于存儲(chǔ)多個(gè)觸頭位置或其他有用的信息，以方便實(shí)際應(yīng)用。另外，每個(gè)芯片有三個(gè) I2C 接口地址引腳，通過(guò)設(shè)置 A0,A1,A2 等地址引腳的高電平或低電平值，即可實(shí)現(xiàn)在同一個(gè) I2C 總線上掛靠多個(gè)數(shù)字電位器芯片的目標(biāo)。實(shí)際上，對(duì)于本款數(shù)字電位器芯片，在每一個(gè) I2C 總線上最多可掛八片數(shù)字電位器芯片，總共 32 個(gè)數(shù)字電位器，數(shù)量上完全能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。該芯片的結(jié)構(gòu)圖如圖 36 所示。上海交通大學(xué)碩士論文 第四章 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)第 28 頁(yè)圖 36 數(shù)字電位器芯片結(jié)構(gòu)圖 Diagram of Digitally Controlled Potentiometer Chip 主放大器設(shè)計(jì)方案主放大器的濾波部分采用的電路結(jié)構(gòu)為高通+低通形式，分別對(duì)其濾波截止頻率進(jìn)行控制。按照 GB/T73