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專利名稱：一種振動信號微分電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種振動信號微分電路，具體地說，是涉及一種將振動位移信號轉(zhuǎn)化成速度信號，或者將振動速度信號轉(zhuǎn)化成加速度信號的微分電路。
背景技術(shù)：
位移、速度和加速度是表征結(jié)構(gòu)振動的三個基本物理量。在結(jié)構(gòu)振動試驗(yàn)中，由于信號測試的便捷性，加速度應(yīng)用最為廣泛，目前多數(shù)振動試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)均采用加速度來定義相關(guān)的試驗(yàn)條件和規(guī)范。加速度信號一般采用接觸式的測量方法，在結(jié)構(gòu)上固定安裝加速度傳感器來直接獲取振動信號。在某些無法或不允許將傳感器直接固定在結(jié)構(gòu)上的場合，如旋轉(zhuǎn)軸、輕小結(jié)構(gòu)件等，則需要采用非接觸式的測量方法，如使用電渦流位移傳感器、激光測振儀等非接觸式傳感器測試振動位移信號或速度信號。為了使非接觸測試的位移信號或速度信號應(yīng)用于加速 度定義的振動試驗(yàn)，必須將位移信號或者速度信號在時域中進(jìn)行微分運(yùn)算轉(zhuǎn)換成加速度信號。實(shí)現(xiàn)信號時域微分運(yùn)算的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)模擬微分電路。模擬微分電路可分為無源和有源兩種形式。最簡單的無源微分電路由電容器C和電阻R串聯(lián)組成，稱為RC微分電路。有源微分電路由運(yùn)算放大器、輸入電容和反饋電阻組成。由于振動信號具有頻帶寬、動態(tài)范圍大等特點(diǎn)，受實(shí)際電容和電阻元器件性能以及參數(shù)的影響，RC微分電路不適用于寬頻帶振動信號的微分變換，對振動信號進(jìn)行微分變換需使用以運(yùn)算放大器為核心的有源微分電路。有源微分電路對振動信號進(jìn)行微分變換時存在如下兩個主要技術(shù)問題:(1)微分電路的輸出電壓與輸入電壓的時間導(dǎo)數(shù)成比例關(guān)系，但在相位上與理論的微分運(yùn)算結(jié)果相差180度,使微分后的信號失去物理意義；(2)微分電路輸出電壓與輸入信號的電壓和頻率成正比，高頻段時運(yùn)算放大器容易出現(xiàn)輸出飽和現(xiàn)象，電路失去微分運(yùn)算功能，導(dǎo)致輸出信號失真。本發(fā)明在理想有源微分電路的基礎(chǔ)上，針對上述存在的技術(shù)問題設(shè)計(jì)外圍輔助電路，以滿足實(shí)際工程應(yīng)用中對振動信號進(jìn)行微分運(yùn)算的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種振動信號微分電路，第一發(fā)明目的是解決上述背景技術(shù)中振動信號經(jīng)過有源微分電路微分運(yùn)算后相位相差180度的問題，第二發(fā)明目的是通過監(jiān)測有源微分電路的輸出電壓保證微分電路在高頻段時不因運(yùn)算放大器飽和導(dǎo)致微分信號失真。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述第一發(fā)明目的所采取的技術(shù)方案是:一種振動信號微分電路，包括設(shè)備電源裝置、微分運(yùn)算模塊和反相變換模塊，設(shè)備電源裝置為微分運(yùn)算模塊和反相變換模塊提供所需的正負(fù)電壓，微分運(yùn)算模塊的輸出端連接反相變換模塊的輸入端。振動信號經(jīng)過微分運(yùn)算模塊進(jìn)行微分運(yùn)算，輸入到反相變換模塊進(jìn)行反相變換，反相變換模塊輸出端輸出的信后作為微分后的信號輸出。為了實(shí)現(xiàn)上述第二發(fā)明目的，所述振動信號微分電路還包括電壓監(jiān)測模塊，電壓監(jiān)測模塊的輸入端連接微分運(yùn)算模塊的輸出端。
所述設(shè)備電源裝置由直流電源和雙電源供電電路組成，所述雙電源供電電路由運(yùn)算放大器、分壓電阻和濾波電容組成，將直流電源提供的單極性直流電壓轉(zhuǎn)換成對稱的正負(fù)電壓。所述微分運(yùn)算模塊由集成運(yùn)算放大器、微分電容和反饋電阻組成，微分電容一端連接輸入的振動信號，一端連接集成運(yùn)算放大器的反相輸入端，集成運(yùn)算放大器輸出電壓經(jīng)反饋電阻送回反相端形成負(fù)反饋，集成運(yùn)算放大器同相端經(jīng)過平衡電阻接地。所述反相變換模塊由集成運(yùn)算放大器、輸入電阻和反饋電阻組成，輸入電阻一端連接微分運(yùn)算模塊的輸出端，另一端連接集成運(yùn)算放大器的反相輸入端，集成運(yùn)算放大器輸出電壓經(jīng)反饋電阻送回反相端形成負(fù)反饋，集成運(yùn)算放大器同相端經(jīng)過平衡電阻接地。所述電壓監(jiān)測模塊由電壓比較器、分壓電阻和發(fā)光二極管組成，兩只分壓電阻串聯(lián)形成分壓電路，將設(shè)備電源裝置中提供的正極電壓進(jìn)行分壓，得到合適的參考電壓輸入電壓比較器的反相端，電壓比較器的同相端接微分運(yùn)算模塊的輸出端，輸出端通過限流電阻與發(fā)光二極管相連。當(dāng)微分運(yùn)算模塊的輸出電壓高于參考電壓時，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，表示微分電路將臨近飽和狀態(tài)。所述電源裝置中的直流電源可以為線性穩(wěn)壓直流電源適配器。在實(shí)際使用中，所述微分運(yùn)算模塊、反相變換模塊和電壓監(jiān)測模塊可以多組聯(lián)合，對多路振動信號進(jìn)行同步微分運(yùn)算，形成多通道的振動信號微分電路。為了使用更加方便,可以將上述振動信號微分電路放置在一機(jī)殼內(nèi)，機(jī)殼由金屬材質(zhì)制成，機(jī)殼面板上安裝信號輸入接口、信號輸出接口、反映微分電路工作狀態(tài)的指示接口、設(shè)備電源接口、電源開關(guān)和電源指示燈，機(jī)殼與電路地線相連，起到屏蔽作用；信號輸入接口與微分運(yùn)算模塊中微分電容一端相連，信號輸出接口與反相運(yùn)算模塊中運(yùn)算放大器的輸出端相連，反映微分電路工作狀態(tài)的指示接口等同于上述電壓監(jiān)測模塊中的發(fā)光二極管，設(shè)備電源接口的一 端與內(nèi)置的雙電源供電電路相連，另一端連接外置的直流電源，電源開關(guān)等同于上述電源裝置中的電源開關(guān)，電源指示燈等同于上述電源裝置中的發(fā)光二極管。本發(fā)明所述振動信號微分電路中的微分運(yùn)算模塊對振動信號進(jìn)行微分運(yùn)算，微分后的信號經(jīng)過反相變換模塊進(jìn)行反相運(yùn)算，解決了振動信號經(jīng)過有源微分電路微分運(yùn)算后相位相差180度的問題，同時，當(dāng)微分運(yùn)算模塊的輸出電壓高于設(shè)定值時，電壓監(jiān)測模塊中的發(fā)光二極管點(diǎn)亮，表示微分電路將臨近飽和狀態(tài)，提醒實(shí)驗(yàn)人員采取相應(yīng)措施以確保設(shè)備正常工作。本發(fā)明采用普通電器元件即可實(shí)現(xiàn)，具有成本低廉、結(jié)構(gòu)緊湊、空間小和使用方便的特點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明所述振動信號微分電路實(shí)施實(shí)例的結(jié)構(gòu)組成框圖。圖2為圖1所示設(shè)備電源裝置的內(nèi)置雙電源供電電路圖。圖3為圖1所示微分運(yùn)算模塊、反相變換模塊和電壓監(jiān)測模塊的電路圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
圖1是本發(fā)明所述振動信號微分電路實(shí)施實(shí)例的結(jié)構(gòu)組成框圖，包含:機(jī)殼1、設(shè)備電源裝置2、微分運(yùn)算模塊3、反相變換模塊4和電壓監(jiān)測模塊5。設(shè)備電源裝置2、微分運(yùn)算模塊3、反相變換模塊4和電壓監(jiān)測模塊5均容納于機(jī)殼I內(nèi)。圖1所示的機(jī)殼I由鋁合金材質(zhì)制成，機(jī)殼面板上安裝信號輸入接口、信號輸出接口、反映微分電路工作狀態(tài)的指示接口、設(shè)備電源接口、電源開關(guān)和電源指示燈。信號輸入輸出接口采用通用的BNC插座，反映微分電路工作狀態(tài)的指示接口采用電壓監(jiān)測模塊5中的紅色發(fā)光二極管。設(shè)備電源接口采用3.5_直流電源插座，與設(shè)備電源裝置2中的外置線性穩(wěn)壓直流電源適配器相匹配，電源開關(guān)和電源指示燈與設(shè)備電源裝置2中的內(nèi)置雙電源供電電路相連接，電源指示燈采用綠色發(fā)光二極管。機(jī)殼I與電路中的地線相連，起到屏蔽作用。 圖1所示設(shè)備電源裝置2，包括外置的線性穩(wěn)壓直流電源適配器和圖2所示的內(nèi)置雙電源供電電路。雙電源供電電路利用運(yùn)算放大器電壓跟隨原理將線性穩(wěn)壓直流電源適配器提供的單極性直流電壓轉(zhuǎn)換成對稱的正負(fù)電壓，為電路中的雙電源集成運(yùn)算放大器提供工作電源。圖2中VDC直流電壓由外置線性穩(wěn)壓直流電源適配器通過機(jī)殼面板上的3.5mm直流電源插座提供，VDC直流電壓接機(jī)殼面板上的電源開關(guān)Kp和電源指示燈綠色發(fā)光二極管D1，通過限流電阻Rl形成回路，Kp合上時Dl發(fā)亮，說明線性穩(wěn)壓直流電源適配器供電正常。兩個阻值相同的電阻R2和R3串聯(lián)，另外兩端分別接電源開關(guān)Kp和直流電壓VDC負(fù)極。電解電容Cl正極接R2和R3連接點(diǎn)，并與集成運(yùn)算放大器Al同相輸入端相連，電解電容Cl負(fù)極接直流電壓VDC負(fù)極。集成運(yùn)算放大器Al反相輸入端與輸出端相連，正電源輸入端與電源開關(guān)Kp相連，負(fù)電源輸入端與直流電壓VDC負(fù)極相連。兩個容值相同的電解電容C2和C3串聯(lián)，C2正極端與集成運(yùn)算放大器Al正電源輸入端相連，C3負(fù)極端與集成運(yùn)算放大器Al負(fù)電源輸入端相連，C2和 C3連接點(diǎn)與集成運(yùn)算放大器Al的輸出端相連并接地。此時C2正極端和C3負(fù)極端的電壓相對于零電位地線分別為+Vc和-Vc，為圖1所示微分運(yùn)算模塊3、反相變換模塊4和電壓監(jiān)測模塊5的電路中雙電源運(yùn)算放大器提供工作電源。圖3為圖1所示微分運(yùn)算模塊3、反相變換模塊4和電壓監(jiān)測模塊5的電路圖。微分運(yùn)算模塊3是一有源微分電路，由集成運(yùn)算放大器A2、微分電容C4和反饋電阻R4組成。C4為陶瓷電容，一端接機(jī)殼I的信號輸入接口，一端接集成運(yùn)算放大器A2的反相輸入端。集成運(yùn)算放大器A2輸出電壓經(jīng)反饋電阻R4送回反相端形成負(fù)反饋，同時作為輸入信號提供給反相變換模塊4和電壓監(jiān)測模塊5。集成運(yùn)算放大器A2的同相輸入端經(jīng)過平衡電阻R5接地。反相變換模塊4是一有源反相比例運(yùn)算電路，由集成運(yùn)算放大器A3、輸入電阻R6和反饋電阻R7組成。輸入電阻R6 —端接微分運(yùn)算電路3中集成運(yùn)算放大器A2的輸出端，另一端接集成運(yùn)算放大器A3的反相輸入端。集成運(yùn)算放大器A3輸出電壓經(jīng)反饋電阻R7送回反相端形成負(fù)反饋，并作為微分后的信號接至機(jī)殼I中的信號輸出接口，集成運(yùn)算放大器A3的同相輸入端經(jīng)過平衡電阻R8接地。電壓監(jiān)測模塊5是一電壓比較電路，由電壓比較器A4、分壓電阻R9、R10以及紅色發(fā)光二極管D2組成。分壓電阻R9和RlO串聯(lián)形成分壓電路，將圖2雙電源供電電路中提供的正極電壓+Vc進(jìn)行分壓，得到合適的參考電壓Vref與電壓比較器A4的反相端相連。電壓比較器A4的同相端接微分運(yùn)算電路3中集成運(yùn)算放大器A2的輸出端。電壓比較器A4輸出端通過限流電阻Rll與紅色發(fā)光二極管D2相連。當(dāng)同相端電壓超過參考電壓Vref時，電壓比較器A4輸出高電位使紅色發(fā)光二極管D2點(diǎn)亮，表示微分電路將臨近飽和狀態(tài)，提醒實(shí)驗(yàn)人員采取相應(yīng)措施以確保設(shè)備正常工作。本發(fā)明具體應(yīng)用途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的 保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種振動信號微分電路，其特征是:包括設(shè)備電源裝置(2)、微分運(yùn)算模塊(3)和反相變換模塊(4)，設(shè)備電源裝置(2)為微分運(yùn)算模塊(3)和反相變換模塊(4)提供所需的正負(fù)電壓，微分運(yùn)算模塊(3)的輸出端連接反相變換模塊(4)的輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述振動信號微分電路，其特征是:還包括電壓監(jiān)測模塊(5)，電壓監(jiān)測模塊(5)的輸入端連接微分運(yùn)算模塊(3)的輸出端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述振動信號微分電路，其特征是:所述設(shè)備電源裝置(2)由直流電源和雙電源供電電路組成，所述雙電源供電電路由運(yùn)算放大器、分壓電阻和濾波電容組成，將直流電源提供的單極性直流電壓轉(zhuǎn)換成對稱的正負(fù)電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述振動信號微分電路，其特征是:所述微分運(yùn)算模塊(3)由集成運(yùn)算放大器、微分電容和反饋電阻組成，微分電容一端連接輸入信號，一端連接集成運(yùn)算放大器的反相輸入端，集成運(yùn)算放大器輸出電壓經(jīng)反饋電阻送回反相端形成負(fù)反饋，集成運(yùn)算放大器同相端經(jīng)過平衡電阻接地。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述振動信號微分電路，其特征是:所述反相變換模塊(4)由集成運(yùn)算放大器、輸入電阻和反饋電阻組成，輸入電阻一端連接微分運(yùn)算模塊(3)的輸出端，另一端連接集成運(yùn)算放大器的反相輸入端，集成運(yùn)算放大器輸出電壓經(jīng)反饋電阻送回反相端形成負(fù)反饋，集成運(yùn)算放大器同相端經(jīng)過平衡電阻接地。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述振動信號微分電路，其特征是:所述電壓監(jiān)測模塊(5)由電壓比較器、分壓電阻和發(fā)光二極管組成，兩只分壓電阻串聯(lián)形成分壓電路，將設(shè)備電源裝置(2)中提供的正極電壓進(jìn)行分壓，得到合適的參考電壓輸入電壓比較器的反相端，電壓比較器的同相端接微分運(yùn)算模塊(3)的輸出端，輸出端通過限流電阻與發(fā)光二極管相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述振動信號微分電路，其特征是:所述微分運(yùn)算模塊(3)、反相變換模塊(4)和電壓監(jiān)測模塊(5)多組聯(lián)合，對多路振動信號進(jìn)行同步微分運(yùn)算，形成多通道的振動信號微分電路。
8.根據(jù)權(quán) 利要求3所述振動信號微分電路，其特征是:所述直流電源為線性穩(wěn)壓直流電源適配器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種振動信號微分電路，包含設(shè)備電源裝置、微分運(yùn)算模塊、反相變換模塊和電壓監(jiān)測模塊，振動信號經(jīng)過微分運(yùn)算模塊進(jìn)行微分運(yùn)算后，輸入反相變換模塊進(jìn)行反相運(yùn)算，作為微分后的信號輸出，微分運(yùn)算模塊的輸出電壓與設(shè)定電壓值進(jìn)行比較，當(dāng)高于設(shè)定電壓值時電壓監(jiān)測模塊中的發(fā)光二極管點(diǎn)亮，表示微分電路將臨近飽和狀態(tài)，提醒實(shí)驗(yàn)人員采取相應(yīng)措施以確保設(shè)備正常工作。本發(fā)明解決了振動信號微分運(yùn)算后相位相差180度的問題，同時通過對微分運(yùn)算模塊輸出電壓進(jìn)行監(jiān)測，保證微分電路正常工作，具有成本低廉、結(jié)構(gòu)緊湊、空間小和使用方便的特點(diǎn)。
文檔編號G01R19/165GK103245366SQ201310146680
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月25日
發(fā)明者賀旭東, 陳懷海, 張步云 申請人:南京航空航天大學(xué)