РАЗВЕТВИТЕЛЬ СИГНАЛА ДЛЯ МНОГОКАНАЛЬНОГО АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Область техники
Настоящая полезная модель относится к устройствам для преобразования и передачи информации и может быть использована в модульных системах сбора данных для коммутирования сигналов, поступающих с аналоговых источников сигнала, для их дальнейшей передачи и обработки.
Модульные системы сбора данных представляют собой комплекс средств, предназначенный для работы совместно с персональным или промышленным компьютером и осуществляющий автоматизированный сбор информации о значениях физических параметров в заданных точках объекта исследования с источников сигнала, а также первичную обработку, накопление и передачу данных.
Уровень техники
Из уровня техники известны следующие решения.
Известна компьютерная диагностическая USB-приставка, выполняющая функцию многоканальной системы сбора данных и предназначенная для передачи сигнала от аналогового датчика к компьютеру при осуществлении компьютерной диагностики в системе сбора данных. Вход данной приставки выполнен с возможностью ее поочередного подключения к датчикам с выходным аналоговым сигналом, включающим емкостной датчик, индуктивный датчик и датчик типа щуп-делитель напряжения, а выход - с возможностью подключения к входному порту USB-2.0 персонального компьютера, выполненного предпочтительно в виде переносного компьютера типа ноутбук, и снабженного тестовым программным обеспечением, служащим для выявления неисправностей диагностируемых систем. Указанная приставка обеспечивает функцию разветвления и аналого-цифрового преобразования сигнала, причем последняя осуществляется микросхемой с величиной разрядности не менее 12, а работа приставки в целом контролируется микропроцессором, установленным в линии, соединяющей выход АЦП с ПК и выполненным в виде микросхемы с встроенным в нее интерфейсом USB, выход которого подключен к входному порту USB ПК. В линии между датчиками и АЦП последовательно установлены устройство защиты от перенапряжения и повторитель напряжения, микропроцессор снабжен перепрограммируемым запоминающим устройством. АЦП, микропроцессор с перепрограммируемым запоминающим устройством, стабилизатор напряжения, устройство защиты от перенапряжения и повторитель напряжения смонтированы на общей монтажной плате, размещены в общем корпусе и вместе взятые образуют компьютерную диагностическую USB-приставку. АЦП и микропроцессор подключены через стабилизатор напряжении к выходным клеммам напряжения предпочтительно 5 В, размещенным во входном порте USB персонального компьютера и подключенным к выходу встроенного блока питания указанного компьютера (RU 99075, дата публикации 10.11.2010).
Недостатком известного устройства является то, что конструкция USB-приставки, выполняющая одновременно функцию разветвителя аналогового сигнала и передачи его от аналогового датчика к компьютеру посредством АЦП, уже содержит встроенный АЦП, что приводит к ограничению возможностей пользователя, обусловленных невозможностью замены и использования другого вида АЦП, при его поломке или в связи с предпочтениями пользователя. Кроме того, данное устройство предполагает наличие всего трех каналов, не обеспечивает датчики питанием, и не обеспечивает удобного отключения и подключения датчиков, что продиктовано особенностями использования данного устройства для достаточно узкого класса задач: диагностики двигателей внутреннего сгорания.
Известен измерительный узел устройства бесконтактной внетрубной диагностики подземных трубопроводов, который выполняет функцию обработки и разветвления сигнала и предназначен для подключения к шести датчикам, непрерывно измеряющим компоненты переменного магнитного поля, по которым получают информацию о техническом состоянии трубопроводов. Измерительный узел содержит шесть избирательных усилителей, с которыми соединены датчики, по меньшей мере, шесть ретранслирующих модулей, связанных с одной стороны с АЦП, а с другой стороны через каналы взаимодействия - с принимающими модулями, выходы которых соединены с формирователем выходных сигналов, который в свою очередь, через USB-порт связан с персональным компьютером. Источником питания служит аккумулятор (RU 2504762, дата публикации 20.01.2014).
Недостатки известного измерительного узла заключаются в том, что он является составной частью устройства диагностики, относящегося к системе сбора данных, что приводит к невозможности изменения элементов такого устройства, т.е. к невозможности подключения отдельного узла с функцией разветвился сигнала к устройству и замены его элементов в случае необходимости. Так, например, в этом устройстве все входящие сигналы в обязательном порядке проходят через усилительные каскады, что не всегда необходимо при организации сбора данных. Также в данном составном устройстве отсутствует возможность замены модуля АЦП, поскольку разветвитель, повторитель и модуль АЦП выполнены в одном изделии.
Известно устройство для сбора данных, обработки сигнала и хранения полученных результатов измерений, выполняющее функцию разветвиля сигналов аналоговых датчиков посредством узла, содержащего один или несколько входов для поступления аналоговых сигналов от датчиков, соединенных с блоком обработки, содержащим усилитель аналогового сигнала по току, фильтр, АЦП, а также посредством наличия в составе устройства процессора цифрового сигнала для его обработки, программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), микропроцессорного блока, включающего внутреннюю память с внешней операционной системой реального времени и интерфейс для подключения управляющего компьютера. Устройство содержит встроенный или внешний блок питания, обеспечивающий питание датчиков. Аналоговый сигнал, определяющий, например, уровень шума, вибрации, температуры, давления, поступает на вход устройства сбора данных, содержащего узел с функцией разветвителя сигнала, посредством датчика, а затем усиливается, проходя через усилитель сигнала по току, фильтруется и подается на вход АЦП, где он преобразуется в цифровой сигнал. Цифровой сигнал поступает на вход процессора для его обработки, регистрирования и анализа (KR 20040034316, дата публикации 28.04.2004).
Недостатками такого устройства является то, что узел разветвителя сигнала выполнен встроенным в устройство сбора данных, что не обеспечивает возможности быстрой замены АЦП и элементов устройства сбора данных при возникновении такой необходимости.
Наиболее близким аналогом к заявленному решению является преобразователь аналогового сигнала, содержащий электронные переключатели, соединенные с конденсаторами, которые с одной стороны подключены ко входам, предназначенным для подключения источников аналогового сигнала, а с другой стороны - с соединительным элементом. Соединительный элемент соединен с выходом устройства через операционный усилитель. Такой модуль может работать в режиме мультиплексора-повторителя или повторителя-преобразователя. Причем режимы работы данного устройства могут переключаться управляющим сигналом. (US 4546324, 08.10.1985).
Данное устройство может выполнять ту же функцию разветвления-повторения сигнала, что и заявленное устройство. Недостатком известного устройства является избыточная сложность его конструкции. Также данное устройство не предполагает выведение питания от АЦП на аналоговые датчики, что ограничивает область применения устройства при построении портативных систем сбора данных.
Раскрытие полезной модели
Заявленное техническое решение направлено на использование в мобильных, портативных системах сбора данных, которые могут иметь различную комплектацию в зависимости от поставленных задач при проведении исследований. В связи с этим задачей полезной модели является создания компактного, надежного разветвителя сигнала, позволяющего подключать его к элементам системы сбора данных (измерительным установкам) в любом месте, где они расположены, и обеспечивающего возможность выбора видов источников аналогового сигнала, порядка их подключения, изменения элементов установки, в частности, обеспечение возможности выбора вида АЦП в зависимости от необходимости или от предпочтений конкретного пользователя, а также обеспечивающего удобство при осуществлении ремонта в случае выхода из строя и необходимости быстрой и простой замены элементов устройства.
Техническим результатом заявленной полезной модели является расширение его функциональных возможностей за счет обеспечения возможности подключения разветвителя сигнала к любому виду АЦП с мультиплексором на входе в составе измерительной установки при упрощении конструкции разветвителя сигнала и одновременном повышении его надежности.
Поставленная задача полезной модели решается за счет выполнения разветвителя сигнала для многоканального АЦП, содержащего мультиплексор на входе, представляющий собой корпус, в котором установлены печатная плата повторения сигнала с разъемами для подключения источников аналогового сигнала, выполненная с возможностью обеспечения питания источников аналогового сигнала от АЦП, печатная плата коммутации, подключенная к плате повторения сигнала, причем плата повторения сигнала содержит выходы в количестве, соответствующем количеству упомянутых разъемов и количеству каналов АЦП, а также операционные усилители, работающие врежиме повторителей, подключенные к разъемам и соединенные с выходами, при этом плата коммутации содержит разъем для подключения к АЦП.
Заявленная конструкция устройства обеспечивает разветвление поступающего аналогового сигнала и его повторение в едином модуле при одновременном обеспечении источников аналогового сигнала питанием, что обеспечивает компактность устройства и возможность его использования в качестве съемного модуля в любых системах сбора данных. Система сбора данных, включающая разветвитель заявляемой конструкции, может работать от портативного ПК (например, ноутбука) без необходимости дополнительного питания.
АЦП не входит в конструкцию заявленного устройства, а подключается к нему извне за счет наличия на плате коммутации разъема для АЦП, что обеспечивает возможность соединения устройства с любым видом АЦП, в зависимости от поставленных задач и предпочтений пользователя при одновременном упрощении конструкции.
Источники аналогового сигнала не являются встроенными в конструкцию устройства, а подключаются к нему снаружи за счет наличия на плате повторения сигнала разъемов, что обеспечивает возможность использования любых необходимых источников сигнала (например, датчиков и/или формирователей импульса, например, электростимуляторов, и/или усилителей, соединенных, например, с электродами), в зависимости от поставленных задач и предпочтений пользователя. За счет отсутствия в конструкции разветвителя встроенных источников аналогового сигнала обеспечивается снижение габаритов и упрощение конструкции. Разветвитель выполнен с возможностью питания источников аналогового сигнала от АЦП, за счет чего устройство может работать от портативного ПК без необходимости наличия в конструкции дополнительного источника питания.
За счет наличия на плате повторения сигнала операционных усилителей, подключенных к разъемам платы и соединенных с ее выходами, обеспечивается возможность прохождения аналогового сигнала от источников сигнала к АЦП с мультиплексором на входе с исключением межканального прохождения аналогового сигнала к АЦП, что обеспечивает достоверность полученных измерений. За счет размещения в корпусе платы коммутации, соединенной с платой повторения сигнала, обеспечивается устойчивость разветвителя к механическим воздействиям, что дополнительно повышает надежность конструкции.
За счет выполнения на плате повторения сигнала выходов в количестве, соответствующим количеству ее разъемов и одновременно соответствующим количеству каналов АЦП, обеспечивается разветвление аналоговых сигналов при прохождении их от каждого источника сигнала к АЦП с мультиплексором на входе и возможность оперативной сборки и разборки системы сбора данных при упрощении конструкции разветвителя.
Таким образом, за счет размещения в корпусе разветвителя платы повторения сигнала и платы коммутации, выполненных с возможностью подключения друг к другу, а также за счет наличия разъемов для источников аналогового сигнала в корпусе и на плате повторения сигнала и разъема для подключения к АЦП в корпусе и на плате коммутации, достигается расширение его функциональных возможностей, в частности, обеспечивается возможность подключения к разветвителю любых аналоговых источников сигнала и любого вида АЦП с мультиплексором на входе, быстрого и простого осуществления замены и переподключения источников сигнала и АЦП при упрощении конструкции, благодаря чему достигается упрощение конструкции разветвителя, причем при использовании заявленного разветвителя у пользователя отсутствует необходимость осуществлять пайку деталей к устройству, или использовать ненадежные винтовые клеммы для подключения требуемых источников сигнала или другой модели АЦП. Заявленное устройство обладает надежностью при эксплуатации, поскольку оно устраняет межканальное прохождение сигнала у АЦП, имеющего мультиплексор на входе, отсутствует риск взаимных наводок сигнала от нескольких источников аналогового сигнала, используемых одновременно.
В частном случае реализации полезной модели в качестве источников аналогового сигнала используют датчики (давления и/или силы, и/или угла поворота объекта, и/или электрического потенциала, и/или температуры, и/или скорости потока жидкости) и/или электростимуляторы и/или биоэлектроды.
Печатная плата повторения сигнала может быть установлена в корпусе вертикально ориентированно, что обеспечивает возможность ее компактного расположения в корпусе и выведения разъемов для источников аналогового сигнала на верхнюю панель корпуса. При таком расположении разъемов нагрузка при подсоединении/отсоединении источников аналогового сигнала прикладывается вертикально, что исключает механическое повреждение разъемов - достаточно частую причину выхода из строя подобных устройств.
На плате повторения сигнала могут быть использованы разъемы на три жилы (для аналогового сигнала от источника, питания и общей земли) типа TRS 6,25 мм (гнездо под Jack, например, модель ST-020 стерео), что обеспечивает возможность быстрой и удобной сборки измерительной установки в составе системы сбора данных.
В корпусе устройства может быть установлена дополнительная плата повторения сигнала, соединенная с платой коммутации. В таком случае две печатные платы повторения сигнала могут быть установлены в корпусе вертикально ориентированно друг за другом, что обеспечивает возможность удобной эксплуатации за счет компактного расположения плат в корпусе и выведения разъемов для источников аналогового сигнала на верхнюю панель корпуса.
На плате коммутации может быть использован разъем DB-37M для подключения АЦП модели LCARD Е-154 или другого 8-канального АЦП, или разъем DB-15M для подключения АЦП модели LCARD Е-14140 или другого 4-канального АЦП.
Плата коммутации предпочтительно может быть расположена в корпусе горизонтально ориентированной с выведением разъема для подключения к АЦП на фронтальную панель корпуса, что обеспечивает удобство при эксплуатации устройства совместно с любыми видами АЦП, в том числе промышленными.
Корпус разветвителя сигнала для многоканального АЦП предпочтительно может быть выполнен в виде горизонтально ориентированного параллелепипеда. На верхней панели корпуса в один ряд выполнены отверстия для разъемов платы повторения сигнала, предназначенные для подключения источников аналогового сигнала. На фронтальной панели корпуса выполнено отверстие для разъема АЦП. При таком выполнении корпуса разветвителя сигнала с указанным расположением отверстий для вывода разъемов обеспечивается возможность компактного размещения в нем печатных плат, что приводит к снижению габаритов корпуса и, соответственно, всего устройства разветвителя сигнала в целом. Указанное выполнение корпуса обеспечивает устойчивость устройства к механическим воздействиям, которые могут возникнуть при его эксплуатации, повышает его долговечность.
Описание чертежей
Заявленная полезная модель поясняется чертежами, где изображено следующее:
на фиг. 1 - общий вид конструкции разветвителя в сборе;
на фиг. 2 - печатная плата повторения сигнала и плата коммутации, соединенные друг с другом;
на фиг. 3 - схема расположения разъемов на плате повторения сигнала;
на фиг. 4 - схема расположения разъемов на плате коммутации.
Позициями на чертежах обозначены следующие элементы:
1 - корпус разветвителя;
2 - печатная плата повторения сигнала;
3 - разъемы печатной платы повторения сигнала для подключения источников аналогового сигнала;
4 - печатная плата коммутации;
5 - разъем печатной платы коммутации для подключения к АЦП;
6 - операционные усилители;
7 - выходы печатной платы повторения сигнала;
8 - сопротивления платы коммутации;
9 - разъемы платы коммутации для подключения повторения сигнала;
Разветвитель сигнала для многоканального АЦП, содержащего мультиплексор на входе, состоит из корпуса (1), в котором установлена плата повторения сигнала (2) с разъемами (3), расположенными в ряд на верхней стенке корпуса (1), для подключения источников аналогового сигнала (в качестве которых используют датчики и/или электростимуляторы и/или биоэлектроды), и плата коммутации (4), подключенная к плате повторения сигнала (2), с разъемом (5) на фронтальной панели корпуса (1) для подключения к АЦП (фиг. 1).
Плата повторения сигнала (2) содержит, например, четыре входных разъема (3), количество которых соответствует количеству каналов АЦП, а также операционные усилители (6), подключенные к разъемам (3) и соединенные с выходами (7), а плата коммутации (4) содержит серию сопротивлений (8) и разъем (5) для подключения к АЦП (см. фиг. 2). К фронтальной панели АЦП подключается напрямую или через соединительный провод.
Плата повторения сигнала (2) содержит ряд разъемов (3), расположенных на верхней стенке корпуса (1), и разъемы (7) для подключения платы коммутации через соединительные провода, находящиеся в корпусе (см. фиг. 3).
На плате коммутации (4) закреплен разъем (5) для подключения АЦП и разъемы (9) для подключения платы повторения сигнала через соединительные провода, находящиеся в корпусе (см. фиг. 4).
В частном случае реализации полезной модели в корпусе разветвителя может быть установлено несколько плат повторения сигнала (2), например, две платы (2), разъемы (3) которых расположены в два ряда на верхней стенке корпуса (1) (см. фиг. 1).
Осуществление полезной модели
Разветвитель сигнала для многоканального АЦП, содержащего мультиплексор на входе, изготавливают посредством сборки печатных плат с последующей их установкой в корпусе.
Печатные платы могут быть изготавлены на текстолите с толщиной не менее 1,5 мм с двухсторонним покрытием меди не менее 18 мкм, который фрезеруют и сверлят согласно чертежам, а затем вытравливают на нем дорожки и осуществляют поверхностный монтаж согласно принципиальной схеме (см. фиг. 2). В платах изготавливают металлизированные отверстия для разъемов, которые монтируют в отверстия сквозным монтажом. Для сборки устройства может быть использован пластиковый корпус «Gainta G706» с передней и задней панелью, изготовленными из текстолита по той же технологии, что и печатные платы.
Для коммутации плат могут быть использованы однорядные штыревые разъемы 2,54 мм. Для реализации повторения применяют интегральную микросхему TL074 или ее аналоги. В схеме используют чип-резисторы 1% точности в корпусе 0805 и чип-конденсаторы X7R 10% точности на 50 В (номиналы представлены на фиг. 2).
В частном случае заявленное устройство используют для регистрации биопотенциалов в лаборатории, когда исследователь располагает ограниченным числом приборов, а эксперимент требует различных подходов к сбору данных.
Устройство работает следующим образом.
С биоэлектродов (источников аналогового сигнала) сигнал поступает на многоканальный усилитель, с которого данные поступают на каналы разветвителя (через разъемы для источников аналогового сигнала на плате повторения сигнала), подключенного к 8-миканальному АЦП с определенной частотой оцифровки. При этом имеется также 4-х канальный АЦП с более высокой частотой оцифровки. Для проведения аналогичного эксперимента с более высокой частотой оцифровки, но с меньшим числом каналов, осуществляют подключение разветвителя к другому АЦП, не разбирая установку, и регистрируют с высокой частотой первые 4 канала, затем меняют провода в гнездах разветвителя и регистрируют следующие 4 канала.
Устройство позволяет измерять биопотенциалы, возникающие в результате наведенного электрического стимула и отслеживать сигналы и стимулы одновременно на мониторе ПК. В этом случае в один из каналов коммутации (в разъем для подключения источника аналогового сигнала) вставляют провод из электростимулятора (источник аналогового сигнала), а остальная установка остается в сборе, при этом межканальное прохождение сигнала, поступающего от стимулятора в каналы разветвителя, исключается конструкцией заявленного разветвителя.
На экране электронного самописца можно наблюдать данные с биоэлектродов и сигнал стимулятора одновременно. В случае, если необходимо зарегистрировать силу сокращения мышцы в ответ на стимуляцию и биопотенциал, возникающий в это время в мышце, осуществляют включение датчика силы в одно из гнезд (в разъем для подключения аналогового источника сигнала), и он получает питание от АЦП, отдавая сигнал, усиленный по току в канал АЦП. Таким образом, обеспечивается возможность отслеживания сигналов с электрода (характеризующих биопотенциал мышцы, силу ее сокращения) и наблюдения стимулирующего сигнала на экране электронного самописца.
Были изготовлены опытные образцы заявляемого разветвителя сигнала для многоканального аналого-цифрового преобразователя, содержащего мультиплексор на входе, с количеством каналов от 4 до 8. Разветвители сигнала имели следующие технические характеристики.
Усиление сигнала по току осуществлялось посредством операционного усилителя U1D.
Вход для подключения внешнего источника аналогового сигнала на печатной плате был выполнен соответствующим разъемам Jack 6,25 мм на три жилы для сигнала от источника, питания и заземления. Количество разъемов - от 4 до 8.
Пропускная способность (частоты): 0 (постоянный ток) - 100 кГц.
Обеспечение питанием (при питании от USB 2.0) составляло не более 300 мА суммарно на все каналы. Данный параметр определялся источником питания и типом АЦП. При питании АЦП по USB этот параметр равен 500 мА за вычетом потребления самого АЦП.
Габариты корпуса устройства: 140×110×35 мм. Печатные платы имели габариты: 53×14 мм (плата коммутации) и 134×20 (плата повторения).
Шум: не более 10 мкВ во всей полосе пропускания.
out
in
in
in
ps
Систематическая погрешность повторения сигнала составляла не более 1% для источников с выходным сопротивлением не более 300 Ом (U=U⋅R/(R+R)). Рабочая температура: 0-50°С.
Рабочий диапазон входных напряжений - от -3,5 В до +3,5 В.
Входной ток для рабочего диапазона напряжений - не более 0,12 мА.
Входной сопротивление - 30 кОм.
Совместимость с АЦП. Для восьмиканального варианта обеспечивалась полная совместимость с L-CARD Е154. Через соединительный провод устройство обеспечивало совместимость с любым АЦП, имеющим диапазон допустимых входных напряжений от -5 В до +5 В и входное сопротивление не менее 10 кОм.
Система сбора данных в частном случае состояла из следующих устройств: АЦП Е154 фирмы LCard, 8-ми канальный повторитель повторитель, набор экранированных проводов для передачи сигнала с залуженными концами, генератор калиброванного сигнала с разъемом Jack 6,3 мм для проверки канала, программное обеспечение PowerGraf HL (производства компании DISoft).
Заявленный разветвитель сигнала для многоканального АЦП, содержащего мультиплексор на входе, обеспечивал упрощение коммутации источников аналогового сигнала, мобильность и удобство в процессе проведения исследований посредством получения компактной и удобной в настройке системы сбора данных, работающей, в т.ч. от ноутбука. Кроме того, заявляемое устройство также устраняет межканальное прохождение сигнала у АЦП.