CN105929210A - 一种检测信号生成电路及自检系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种检测信号生成电路及包括所述电路的自检系统，检测信号生成电路的电源模块连接至少两个电压信号生成模块中的至少一个，至少两个电压信号生成模块连接切换模块，时钟信号生成模块、频率生成模块、切换模块连控制器。自检系统包括电源开关(可控)、主电路、处理模块、选择开关(可控)和自检指令输入模块；自检指令输入模块、处理模块和选择开关的控制端依次连，选择开关连检测信号生成电路和主电路的测量电路、还连主电路的信号源和测量电路，处理模块通过控制器连电源开关控制端，电源开关连电源模块和至少一个电压信号生成模块。生成的检测信号幅值稳定，相位一致，频率精确。

Description

一种检测信号生成电路及自检系统

技术领域

本发明涉及检测技术领域，尤其涉及一种检测电路及自检系统。

背景技术

为确保信号设备的功能完整和性能稳定，每次使用前开机自检是必须执行的程序。

目前检测的电磁测量系统主要局限于各类信号发生器，这些信号发生器主要是利用自身产生的信号进行检查，如示波器采用自己产生的5V或者3.3V方波信号进行人工自检。

信号发生器自检主要采用DDFS技术进行自检，其存在着精度不高、相位、频率不稳定等缺点，不能充分利用谐波测试功能，针对一些复杂的电磁环境，特别是高精度电磁信号采集，要求测量系统具有高精度，信号的分辨率在亚微伏级，显然，上述自检方法在性能上已经不能满足功能和性能指标要求。

发明内容

本发明提供一种检测信号生成电路及自检系统，生成的检测信号的幅值稳定，相位一致，频率精确。

第一方面，本发明提供一种检测信号生成电路，包括：电源模块、至少两个电压信号生成模块、切换模块、控制器、时钟信号生成模块和频率生成模块；

所述电源模块连接所述至少两个电压信号生成模块中的至少一个，所述至少两个电压信号生成模块均连接所述切换模块，所述时钟信号生成模块、所述频率生成模块、所述切换模块分别连接所述控制器；

所述电源，用于为所述至少两个电压信号生成模块中的至少一个提供电源；

所述至少两个电压信号生成模块，用于生成至少两个不同的、具有预设幅值的电压信号，并将所述至少两个不同的、预设幅值的电压信号输出；

所述时钟信号生成模块，用于生成预设频率的时钟信号，并将所述时钟信号发送给所述控制器；

所述频率生成模块，用于生成预设频率的频率信号，并将所述频率信号发送给所述控制器；

所述控制器，用于根据所述时钟信号的上升沿或下降沿为起始触发时间，生成以所述频率信号对应的频率的切换控制信号，并将所述切换控制信号发送给所述切换模块；

所述切换模块，用于根据所述切换控制信号，在所述至少两个电压信号生成模块之间切换，并将对应的电压信号输出。

优选的，所述电路还包括：衰减模块；

所述控制器还用于，向所述衰减模块发送所述切换控制信号；

所述衰减模块连接所述切换模块和所述控制器，用于根据所述切换控制信号控制所述衰减模块对所述切换模块输出的电压信号进行衰减后输出。

优选的，所述电路还包括：运放模块；

所述运放模块连接所述衰减模块，用于对所述衰减模块输出的衰减后的电压信号进行运放并输出。

优选的，所述至少两个电压信号生成模块包括：高电平信号生成模块和低电平信号生成模块。

优选的，所述高电平信号生成模块包括：电源模块和参考电压芯片；

所述电源模块连接所述参考电压芯片；

所述电源模块，用于为所述参考电压芯片提供电源；

所述参考电压芯片，用于将所述电源转换成所述预设幅值的电压信号。

优选的，所述时钟信号生成模块和所述频率生成模块集成为一体，采用GPS模块。

优选的，所述切换模块为单刀双掷开关，所述衰减模块为ADG1604模拟开关，所述运放模块为ADA4898-1运算放大器。

第二方面，本发明还提供一种自检系统，包括所述的检测信号生成电路、可控电源开关、主电路、处理模块、可控选择开关和自检指令输入模块；

所述主电路包括主电路信号源和主电路测量电路，所述可控选择开关包括控制端和两个信号端，所述可控电源开关包括控制端和两个电源端；

所述自检指令输入模块、所述处理模块和所述可控选择开关的控制端依次连接，所述可控选择开关的两个电源端分别连接所述检测信号生成电路的输出端和所述主电路测量电路，所述可控选择开关的两个电源端还分别连接所述主电路的主电路信号源和所述主电路测量电路，所述处理模块还连接所述控制器，所述控制器连接所述可控电源开关的控制端，所述可控电源开关的两个电源端分别连接所述电源模块和所述至少两个电压信号生成模块中的至少一个；

所述自检指令输入模块，用于生成自检指令，并将所述自检指令发送给所述处理模块；

所述处理模块，用于根据所述自检指令，向所述可控选择开关发送切换指令，并向所述控制器发送动作指令，以使所述控制器根据所述动作指令向所述可控电源开关发送闭合指令；

所述可控选择开关，用于根据所述切换指令，将所述主电路信号源切换为所述检测信号生成电路；

所述可控电源开关，用于根据所述闭合指令实现所述可控电源开关的两个电源端的连接导通。

由上述技术方案可知，本发明采用具有预设幅值的电压信号生成模块，采用预设频率的频率信号和预设频率的时钟信号控制切换模块在所述至少两个电压信号生成模块之间切换，因此可保证每次生成的检测信号的幅值稳定，相位一致，频率精确。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的检测信号生成电路的原理框图；

图2为本发明另一实施例提供的检测信号生成电路的原理框图；

图3为本发明一实施例提供的自检系统的原理框图；

图4为本发明一种便携式近地表频率域电磁法观测系统的自检系统；

图5为本发明一种自检系统的具体电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1为本发明一实施例提供的检测信号生成电路的原理框图。

如图1所示，本实施例的一种检测信号生成电路，包括：电源模块11、至少两个电压信号生成模块12(图1-4中所示包括第一电压信号生成模块至第N电压信号生成模块)、切换模块13、控制器14、时钟信号生成模块15和频率生成模块16；所述电源模块11连接所述至少两个电压信号生成模块12中的至少一个，所述至少两个电压信号生成模块12均连接所述切换模块13，所述时钟信号生成模块15、所述频率生成模块16、所述切换模块13分别连接所述控制器14；所述电源，用于为所述至少两个电压信号生成模块12中的至少一个提供电源；所述至少两个电压信号生成模块12，用于生成至少两个不同的、具有预设幅值的电压信号，并将所述至少两个不同的、预设幅值的电压信号输出；所述时钟信号生成模块15，用于生成预设频率的时钟信号，并将所述时钟信号发送给所述控制器14；所述频率生成模块16，用于生成预设频率的频率信号，并将所述频率信号发送给所述控制器14；所述控制器14，用于根据所述时钟信号的上升沿或下降沿为起始触发时间，生成以所述频率信号对应的频率的切换控制信号，并将所述切换控制信号发送给所述切换模块13；所述切换模块13，用于根据所述切换控制信号，在所述至少两个电压信号生成模块12之间切换，并将对应的电压信号输出。

本发明采用具有预设幅值的电压信号生成模块12，采用预设频率的频率信号和预设频率的时钟信号控制切换模块13在所述至少两个电压信号生成模块12之间切换，因此可保证每次生成的检测信号的幅值稳定，相位一致，频率精确。

值得说明的是，在采用本发明检测信号生成电路产生自检信号时，自检信号电压峰值范围从几伏到毫伏级，甚至微伏级，精确度较高，频率测量一般在几十Hz到上百kHz，频率跨度大，为获取更宽频率范围的传递函数响应，可以采用谐波测量实现。

图2为本发明另一实施例提供的检测信号生成电路的原理框图。

参照图2，作为一种优选实施例，所述电路还包括：衰减模块17；

所述控制器14还用于，向所述衰减模块17发送所述切换控制信号；

所述衰减模块17连接所述切换模块13和所述控制器14，用于根据所述切换控制信号控制所述衰减模块17对所述切换模块13输出的电压信号进行衰减后输出。

作为一种优选实施例，所述电路还包括：运放模块18；

所述运放模块18连接所述衰减模块17，用于对所述衰减模块17输出的衰减后的电压信号进行运放并输出。

本发明检测信号生成电路可用于生成自检信号，在生成方波自检信号时，所述至少两个电压信号生成模块12包括：高电平信号生成模块和低电平信号生成模块。

作为一种优选实施例，所述高电平信号生成模块包括：电源模块11和参考电压芯片；

所述电源模块11连接所述参考电压芯片；

所述电源模块11，用于为所述参考电压芯片提供电源；

所述参考电压芯片，用于将所述电源转换成所述预设幅值的电压信号。除了参考电压芯片，还可采用其他本领域技术人员可以想到的任何电子器件实现该功能，此处不再赘述。

为了使检测信号频率精准和每次产生的检测信号相位一致，作为一种优选实施例，所述时钟信号生成模块15和所述频率生成模块16集成为一体，采用GPS模块。

所述GPS可产生PPS信号和根据GPS输出波形得到10MHz稳定时钟信号。采用PPS信号的上升沿来对10MHz的时钟信号进行触发分频，可以使得每次产生的检测信号相位一致、频率精确。

在本实施例中，检测信号的频率ω由GPS提供的时钟信号保证，并由时钟信号和控制器14保证检测信号的相位一致性。所述切换模块13为单刀双掷开关，所述衰减模块17为ADG1604模拟开关43，所述运放模块18为ADA4898-1运算放大器。

在实际操作中，高精密电压参考、精密电阻衰减等模块噪声都在允许范围内可以忽略，主要考虑开关噪声和低噪声运放44的噪声，因此选择运放时要注意运放的电压噪声参数要尽量小，单刀双掷开关和选择开关要选择寄生电容小、导通电阻一致性好的芯片，在PCB设计的时候要注意采用减少寄生电容和电感的设计，用于降低高频谐波衰减。

图3为本发明一实施例提供的自检系统的原理框图。

如图3所示，一种自检系统，包括所述的检测信号生成电路、可控电源开关21、主电路、处理模块26、可控选择开关24和自检指令输入模块25；

所述主电路包括主电路信号源22和主电路测量电路23，所述可控选择开关24包括控制端和两个电源端，所述可控电源开关21包括控制端和两个电源端；

所述自检指令输入模块25、所述处理模块26和所述可控选择开关24的控制端依次连接，所述可控选择开关24的两个电源端分别连接所述检测信号生成电路的输出端和所述主电路测量电路23，所述可控选择开关24的两个电源端还分别连接所述主电路的主电路信号源22和所述主电路测量电路23，所述处理模块26还连接所述控制器14，所述控制器14连接所述可控电源开关21的控制端，所述可控电源开关21的两个电源端分别连接所述电源模块11和所述至少两个电压信号生成模块12中的至少一个；

所述自检指令输入模块25，用于生成自检指令，并将所述自检指令发送给所述处理模块26；

可以理解的是，所述自检指令输入模块25可以为第一主电路和第二主电路的启动按钮，也可以为一个单独的按钮。

所述处理模块26，用于根据所述自检指令，向所述可控选择开关24发送切换指令，并向所述控制器14发送动作指令，以使所述控制器14根据所述动作指令向所述可控电源开关21发送闭合指令；

可以理解的是，向所述可控选择开关24发送切换指令和向所述控制器14发送动作指令的顺序一般为先向所述可控选择开关24发送切换指令，再向所述控制器14发送动作指令，从而保证检测信号生成电路此时生成的自检信号是完整的。

所述可控电源开关21，用于根据所述闭合指令实现所述可控电源开关21的两个电源端的连接导通。

本发明所述自检指令输入模块25生成自检指令，并将所述自检指令发送给所述处理模块26，根据所述自检指令，向所述可控选择开关24发送切换指令，并向所述控制器14发送动作指令，所述控制器14根据所述动作指令向所述可控电源开关21发送闭合指令，此时主电路采用所述检测信号生成电路得电，产生自检信号，根据所述自检信号进行自检。本发明由于采用所述检测信号生成电路作为自检信号生成电路生成自检信号，自检信号的幅值稳定，相位一致，频率精确，因此可保证主电路每次自检信号的稳定性，从而保证自检结果的准确。

如图4所示，一种便携式近地表频率域电磁法观测系统的自检系统，包括检测信号生成电路(此时检测信号生成电路相当于自检信号生成电路，用于生成自检信号)、第一空心线圈传感器311、第一可控选择开关312、第一RFI313、第一ADC314、第二可控选择开关322、第二RFI323、第二ADC324和中心处理平台(相当于所述处理模块26)；(图中未示出自检指令输入模块)；

所述第一空心线圈传感器311、第一RFI313、第一ADC314和所述中心处理平台依次连接，所述中心处理平台还分别连接所述检测信号生成电路的第一可控选择开关312的控制端和所述可控电源开关21的控制端；

其中，所述第一空心线圈传感器311、第一RFI313、第一ADC314相当于第一主电路，所述第一空心线圈传感器311相当于第一主电路的信号源，第一RFI313、第一ADC314相当于第一主电路的主电路测量电路23；

所述第二空心线圈传感器321、第二RFI323、第二ADC324和所述中心处理平台依次连接，所述中心处理平台还分别连接所述检测信号生成电路的第二可控选择开关322的控制端；

其中，所述第二空心线圈传感器321、第二RFI323、第二ADC324相当于第二主电路，所述第二空心线圈传感器321相当于第二主电路的信号源，第二RFI323、第二ADC324相当于第二主电路的主电路测量电路23。

本发明的便携式近地表频率域电磁法观测系统的自检系统的工作原理为：

正常状态时，第一可控选择开关312将第一主电路和第二主电路连接导通，即所述第一空心线圈传感器311和所述第二空心线圈传感器321作为第一主电路和第二主电路的信号源；需要自检时，自检指令输入模块25生成自检指令，并将并将所述自检指令发送给所述中心处理平台，中心处理平台根据所述自检指令，向所述第一可控选择开关312和/或第二可控选择开关322发送切换指令，并向所述控制器14发送动作指令，所述控制器14根据所述动作指令向所述可控电源开关21发送闭合指令，所述第一可控选择开关312和/或第二可控选择开关322根据所述切换指令，将所述第一空心线圈传感器311和/或第二空心线圈传感器321切换为所述检测信号生成电路(即采用自检信号作为信号源)，所述可控电源开关21根据所述闭合指令闭合，生成自检信号，开始进行自检。

如图5所示的自检系统主要包括：型号为ADR5040的基准电压芯片41，型号为ADG819的第一单刀双掷开关42、中心处理平台FPGA、型号为ADG1604的模拟开关43、型号为ADA4898-1的低噪声运放44和型号为24ADG819的第二单刀双掷开关45；GPS未在图中示出。

5V电源连接基准电压芯片41的电源输入端，基准电压芯片41的输出连接第一单刀双掷开关42的第一输入端S1，基准电压芯片41的第二输入端S2接地，基准电压芯片41的输出端通过一个分压电阻R2连接模拟开关43的一个输入端和低噪声运放44的输入端，模拟开关43的第三端通过分压电阻R1接地，低噪声运放44的另一输入端通过反馈电阻R3接地，在低噪声运放44的输入端(接地的一端)和输出端之间连接有反馈电阻R4和电容C的并联电路，低噪声运放44的输出连接第二单刀双掷开关45的一个输入端，第二单刀双掷开关45的输出端连接待测量系统。

本发明自检系统的中心处理平台FPGA可输入1-100,000HZ的占空比为50％的方波信号(可通过上述GPS)，使得单刀双掷开关ADG819输出信号频率也为1-100,000HZ的占空比为50％的方波信号，而输出峰值为2.048V(基准电压芯片41ADR5040输出的电压幅值)，通过模拟开关43ADG1604组成的衰减阵列选择合适的衰减系数，信号经过衰减后，送入低噪声运放44ADA4898-1组成的放大缓冲器中，此处通过反馈电阻R3和反馈电阻R4的倍数决定低噪声运放44ADA4898-1的放大倍数，仿真实验中设置的R3悬空，R4＝10Ω，组成一个直接跟随电路。电容C用来做带外滤波，滤除不需要的高频信号，最后信号输入可控选择开关24ADG819中，用来选择是正常测量还是自检。

值得说明的是，本实施例中，低电平信号为地信号，从而简化了低电平电路结构，进而简化了整个检测信号生成电路的结构。

为了保证相位的一致性，采用授时原理，先将GPS产生的10MHz信号准备好，当下一个PPS信号到来时利用该信号的上升沿触发10MHz时钟信号进行分频，同时开启所有的开关信号，开始数据采集，这样每次信号被采集的相位误差将会是PPS的误差和一个10MHz时钟信号抖动误差之和，因此保证了自检信号相位的一致性，也保证了自检信号频率的稳定性。

自检信号产生的传递函数公式如下：

$G_{sh}\left(s\right)=\frac{R_2}{R_1+R_2}\·(1+\frac{R_4}{1+R_{4}sC}\·\frac{1}{R_3})---(3-23)$

式中C、R₁、R₂、R₃和R₄的含义同上述图5，不再赘述，C为滤波电容，R₁、R₂分别为分压电阻，R₃和R₄为运放的反馈电阻。

式(3-23)中电阻参数不会转移电路的相位与频率特性，除去该系统的稳定部分，可以简化为：

$G_{sh1}\left(s\right)=\frac{1}{sx+1}---(3-24)$

简化后的x为R₄C，本发明中取值范围大约在10-6～10-3，可以根据需要输出的频率调整该参数，一般取10-5。进行Bode和Nyquist分析。

本领域普通技术人员可以理解：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种检测信号生成电路，其特征在于，包括：电源模块、至少两个电压信号生成模块、切换模块、控制器、时钟信号生成模块和频率生成模块；

所述电源模块连接所述至少两个电压信号生成模块中的至少一个，所述至少两个电压信号生成模块均连接所述切换模块，所述时钟信号生成模块、所述频率生成模块、所述切换模块分别连接所述控制器；

所述电源，用于为所述至少两个电压信号生成模块中的至少一个提供电源；

所述至少两个电压信号生成模块，用于生成至少两个不同的、具有预设幅值的电压信号，并将所述至少两个不同的、预设幅值的电压信号输出；

所述时钟信号生成模块，用于生成预设频率的时钟信号，并将所述时钟信号发送给所述控制器；

所述频率生成模块，用于生成预设频率的频率信号，并将所述频率信号发送给所述控制器；

所述控制器，用于根据所述时钟信号的上升沿或下降沿为起始触发时间，生成以所述频率信号对应的频率的切换控制信号，并将所述切换控制信号发送给所述切换模块；

所述切换模块，用于根据所述切换控制信号，在所述至少两个电压信号生成模块之间切换，并将对应的电压信号输出。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路还包括：衰减模块；

所述控制器还用于，向所述衰减模块发送所述切换控制信号；

所述衰减模块连接所述切换模块和所述控制器，用于根据所述切换控制信号控制所述衰减模块对所述切换模块输出的电压信号进行衰减后输出。

3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述电路还包括：运放模块；

所述运放模块连接所述衰减模块，用于对所述衰减模块输出的衰减后的电压信号进行运放并输出。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述至少两个电压信号生成模块包括：高电平信号生成模块和低电平信号生成模块。

5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述高电平信号生成模块包括：电源模块和参考电压芯片；

所述电源模块连接所述参考电压芯片；

所述电源模块，用于为所述参考电压芯片提供电源；

所述参考电压芯片，用于将所述电源转换成所述预设幅值的电压信号。

6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述时钟信号生成模块和所述频率生成模块集成为一体，采用GPS模块。

7.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述切换模块为单刀双掷开关，所述衰减模块为ADG1604模拟开关，所述运放模块为ADA4898-1运算放大器。

8.一种自检系统，其特征在于，包括权利要求1-7中任一项所述的检测信号生成电路、可控电源开关、主电路、处理模块、可控选择开关和自检指令输入模块；

所述主电路包括主电路信号源和主电路测量电路，所述可控选择开关包括控制端和两个信号端，所述可控电源开关包括控制端和两个电源端；

所述自检指令输入模块、所述处理模块和所述可控选择开关的控制端依次连接，所述可控选择开关的两个电源端分别连接所述检测信号生成电路的输出端和所述主电路测量电路，所述可控选择开关的两个电源端还分别连接所述主电路的主电路信号源和所述主电路测量电路，所述处理模块还连接所述控制器，所述控制器连接所述可控电源开关的控制端，所述可控电源开关的两个电源端分别连接所述电源模块和所述至少两个电压信号生成模块中的至少一个；

所述自检指令输入模块，用于生成自检指令，并将所述自检指令发送给所述处理模块；

所述处理模块，用于根据所述自检指令，向所述可控选择开关发送切换指令，并向所述控制器发送动作指令，以使所述控制器根据所述动作指令向所述可控电源开关发送闭合指令；

所述可控选择开关，用于根据所述切换指令，将所述主电路信号源切换为所述检测信号生成电路；

所述可控电源开关，用于根据所述闭合指令实现所述可控电源开关的两个电源端的连接导通。