CN104019769A - 一种纬斜信号处理电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种纬斜信号处理电路。包括电流电压转换器及低通滤波器电路、交流放大及高通滤波电路、整形电路和限幅电路；电流电压转换器及低通滤波器电路、交流放大及高通滤波电路、整形电路和限幅电路依次连接。本发明能够实时、精确、快速地测量织物的纬斜信息。

Description

一种纬斜信号处理电路

技术领域

本发明属于光电技术领域中用于织物纬斜检测装置的信号处理电路，具体涉及一种纬斜信号处理电路。 

背景技术

由织机生产出的织物一开始纬线是直的，但是一旦经过烫染和其他特殊处理后，由于处理过程中的热作用以及不可避免的拉力作用，会使织物的纬线发生变形，不再是直的，这样会使织物纺织产品的外观非常难看，而且还会不符合纺织品的相关标准，严重影响纺织品的等级，给纺织企业带来巨大的损失。在这种背景情况下，产生了各种整纬装置用于检测织物纬线的倾斜角度，即纬斜信息。 

目前，比较先进且应用最为广泛的整纬装置是光电整纬装置（详见《基于数字信号处理技术的探纬检测设备研制》，浙江理工大学硕士学位论文，作者张波）。如图2所示，光电整纬装置的核心是纬斜自动检测装置。纬斜自动检测装置一般由光源和检测头两部分组成。检测头一般包含聚焦成像透镜、光电池和纬斜信号处理电路。检测头的设计形式多种多样，比如如图1所示检测头是固定光电池角度型，另外还有旋转探头型等等。但是无论采取什么形式，他们的工作原理都相同，都是使用光源发射平行光，平行光照射织物纬纱经聚焦成像透镜成像到检测头的光电池上，光电池将光信号转换成相应的电信号，电信号再经过纬斜信号处理电路进行处理并检测出织物的纬斜信息，然后将纬斜信息传送给上位机，使之驱动相应矫正装置。例如使用13路具有固定角度的光电池， 

光源发出的平行光将织物的纱线结构成像到检测头上的13路具有固定角度的光电池上，当织物纬纱的像与某路光电池平行时（即织物纬纱像挡住某路光电池时），此光电池输出的电流信号经纬斜信号处理电路处理后转换成的电压信号幅度最大，如图3所示。如果最大幅度的信号来自于图1中的+8°那路光电池，就表示纬纱倾斜角度为+8°；如果最大幅度的信号来自于图1中的-4°那路光电池，就表示纬纱倾斜角度为-4°，依此类推。这样就准确的检测出了织物的纬斜角度。 

目前很多纬斜信号处理电路都或多或少的存在一些问题，主要集中在两个方面：一是电路的结构比较复杂，调试难度大，使用的器件虽然性能可靠，但是价格昂贵，性价比不高，不具有实用性；二是抗干扰能力比较差，由于滤波电路设计不合理同时没有做额外的除噪处理，纬斜信号里面包含很多杂波，可能会引起单片机的误判断，导致*** 工作不稳定甚至运行错误。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种纬斜信号处理电路，能够实时、精确、快速地测量织物的纬斜信息。 

为了解决上述技术问题，本发明提供一种纬斜信号处理电路，包括电流电压转换器及低通滤波器电路、交流放大及高通滤波电路、整形电路和限幅电路；电流电压转换器及低通滤波器电路、交流放大及高通滤波电路、整形电路和限幅电路依次连接。 

本发明与现有技术相比，其显著优点在于，（1）电路的结构简单，功能上本发明电路包括电流-电压转换器、低通滤波器、交流放大电路、高通滤波器、整形电路、限幅电路等多个电路模块，但是本发明电路通过多功能整合设计，用一两个电路模块实现多种功能，例如：电流-电压转换器和低通滤波器两种功能直接通过一个电路模块实现，高通滤波器和交流放大电路两种功能也是使用一个电路模块来实现两种功能，这样不仅使电路结构简单，给电路中的器件选型留出了较大空间，可以进一步通过选择一些常见的性价比较高的器件来降低电路的成本；（2）抗干扰能力强，本发明非常注重噪声的控制，在每一个电路模块中都对电源纹波进行了滤除处理，并且实现了两次高通滤波和两次低通滤波，极大地提高了电路的信噪比，使得本发明在应用场合为粉尘和强电干扰比较大的环境中具有较高抗干扰能力，能够稳定可靠地工作。 

附图说明

图1是现有技术中具有固定角度的13路光电池。 

图2是现有技术中纬斜自动检测装置的检测原理图。 

图3是本发明纬斜信号处理电路的结构框图。 

图4是本发明电流电压转换器及低通滤波器电路图。 

图5是本发明实验中是电流电压转换器及低通滤波器电路输出信号波形。 

图6是本发明交流放大及高通滤波电路图。 

图7是本发明实验中是交流放大及高通滤波电路输出信号波形。 

图8是本发明整形电路图。 

图9是本发明实验中整形电路图输出信号波形。 

图10是本发明限幅电路图。 

图11是本发明实验中0°角光电池未被遮挡时本发明电路输出信号波形。 

图12是本发明实验中0°角光电池被纬纱遮挡后本发明电路输出信号波形。 

具体实施方式

如图3所示，本发明纬斜信号处理电路，包括电流电压转换器及低通滤波器电路、交流放大及高通滤波电路、整形电路和限幅电路。电流电压转换器及低通滤波器电路、交流放大及高通滤波电路、整形电路和限幅电路，依次连接。纬斜信号处理电路输出的电压信号输入到AD转换器，通过单片机程序控制AD转换器对纬斜信号处理电路输出的电压信号做AD转换，单片机对转换后的结果进行分析处理，即可得到纬纱的纬斜角度。各部分电路具体如下： 

一、电流电压转换器及低通滤波器电路 

如图4所示，电流电压转换器及低通滤波器电路包括第一运算放大器LM258和电阻R₁、电容C₁；其中， 

（1）电流电压转换器由第一运算放大器LM258和电阻R₁组成，用于将光电池G1输出的微弱电流信号I转换为电压信号U₁，提供给后续的放大器进行电压放大；电流电压转换器的输出电压U₁为： 

$U_1={\mathrm{IR}}_1$

其中，I为光电池G₁的反向电流。 

（2）低通滤波器由电阻R₁和电容C₁构成，光电池G1输出的微弱的电流信号I由第一运算放大器LM258负输入端2输入，输出端1输出，该低通滤波器的上限截止频率为f_H： 

$f_H=\frac{1}{2\mathrm{\π}{R}_1{C}_1}$

（3）电流电压转换器及低通滤波器电路还包括去耦电容C₂和C₃，去耦电容C₂接在负电源和地线之间，去耦电容C₃接在正电源和地线之间，去耦电容C₂和C₃用于去除电源的纹波。 

（4）电流电压转换器及低通滤波器电路采用正负12V双电源供电。 

二、交流放大及高通滤波电路 

从电流电压转换器输出的电压信号直流分量较大，交流分量很小，需要从中取出 

300HZ-3KHZ频率范围内的交流信号，并且对其进行一定的放大。本发明设计了交流放大及高通滤波电路，该电路具有输入电阻无穷大的特点，同时具有高通滤波器的作用。交流放大电路分为两级放大，两级均采用同相比例放大电路，如图6所示。 

（1）第一级同相比例放大电路由第二运算放大器LM258，电阻R₂、R₃、R₄，电容C₄构成，电流电压转换器及低通滤波器电路输出的电压信号U₁由第二运算放大器 

LM258正输入端3输入，由第二运算放大器LM258输出端1输出。第一级同相比例放大电路的放大倍数为同时，电容C₄和电阻R₄构成第一级同相比例放大电路的高通滤波器，滤除低频信号，电容C₄还起到交流耦合作用，去掉了电压信号中的直流分量。 

（2）第二级同相比例放大电路由第三运算放大器LM258，电阻R₅、R₆、R₇、R₈，电容C₇构成，第二运算放大器LM258输出端1输出的电压信号输入到第三运算放大器正输入端5，由第三运算放大器输出端7输出经过二次放大的电压U₂。第二级同相比例放大电路放大倍数为同时，电容C7和电阻R6构成第二级同相比例放大电路高通滤波器，滤除低频信号。 

第一级同相比例放大电路和第二级同相比例放大电路组成的两级放大电路总的放大倍数A_u为： 

$A_u=(1+\frac{R_3}{R_2})(1+\frac{R_8}{R_5})$

两级放大电路输出电压U₂为： 

$U_2=U_1{A}_u$

同时，电容C₄和电阻R₄以及电容C₇和电阻R₇构成的两个高通滤波器的下限截止频率f_L1和f_L2分别为： 

$f_{L1}=\frac{1}{2\mathrm{\π}{R}_4{C}_4}{f}_{L2}\frac{1}{2\mathrm{\π}{R}_6{C}_7}$

（3）交流放大及高通滤波电路还包括去耦电容C₅和C₆，去耦电容C₆接在正电源和地线之间，去耦电容C₅接在负电源和地线之间，去耦电容C₅和C₆用于去除电源的纹波。 

（4）交流放大及高通滤波电路采用正负12V双电源供电。 

三、整形电路 

由交流放大及高通滤波电路输出的电压信号U₂为幅度比较大的交流模拟信号，为了便于后续的AD转换电路的转换，需要将此电压信号U₂通过整形电路转换为直流脉冲信号。本发明设计了整形电路，如图8所示。 

（1）整形电路包括第四运算放大器LM258，电阻R₉、R₁₀，二极管D₁、D₂。交流放大及高通滤波电路输出的电压信号U₂输入到第四运算放大器LM258负输入端2后，由第四运算放大器LM258输出端1输出。 

整形电路中，利用二极管D₁、D₂的单向导通特性，可以使信号的负半周部分被截断，只保留信号的正半周，从而构成半波整形电路。经过整形电路的处理后，电压信号U₂的负半周被截断，整形电路的输出电压U₃为： 

$U_3\sqrt{{2U}_2}---\left(6\right)$

（2）整形电路还包括去耦电容C₉和C₁₀，去耦电容C₁₀接在正电源和地线之间，去耦电容C₉接在负电源和地线之间，去耦电容C₉和C₁₀用于去除电源的纹波。 

（3）整形电路采用正负12V双电源供电。 

四、限幅电路 

为了提高纬斜信号处理电路对光电池响应的灵敏度，本发明放大电路设计的放大倍数比较高，经过整形电路输出的信号幅度很大。因此在整形电路后面增加了一级限幅电路，如图10所示。此限幅电路为本发明精密纬斜信号处理电路的最后一级，限幅电路的输出信号即为精密纬斜信号处理电路的输出信号。 

（1）限幅电路包括第五运算放大器LM258，二极管D₃，电阻R₁₂和电容C₁₁。 

整形电路的输出电压U₃输入到第五运算放大器正输入端3后，由第五运算放大器输出端1输出经过纬斜信号处理电路处理的最终电压信号U₀。 

（2）限幅电路采用5V电源供电。 

当从整形电路输出的电压U₃高于限幅电路的电源电压时，由于二极管D₃正向导通后电压趋于稳定值，使得输入的电压U₃被限制在5V以内。 

（3）同时，电容C₁₁和电阻R₁₂构成限幅电路中的低通滤波器，可以滤掉电路中的高频噪声。这样可以使得光电池的响应达到最佳效果。 

本法明有益效果可以通过以下实验进一步说明。 

为了验证本发明纬斜信号处理电路的性能，本实验选择如图1所示13路光电池输出信号为处理对象，让输出信号通过本发明纬斜信号处理电路进行处理，并通过示波器观察各电路输出的信号波形。 

当信号通过电流电压转换器及低通滤波器电路后，用示波器观察电流电压转换器输出的信号波形如图5所示，可以看到，电流电压转换器和低通滤波器电路输出信号主要包含的是直流电压信号，幅度较大，而在直流分量上叠加有较小的交流电压分量，并且信号中的噪声比较小。 

当信号通过两级交流放大及高通滤波电路进行信号放大后，通过示波器观察两级交流放大及高通滤波电路输出的信号波形如图7所示，可以看到，从电流电压转换器输出的信号中的有效交流成分得到了放大，电压由原来的几百毫伏放大到几伏大小，且噪声和非有效信号得到进一步滤除，信噪比提高。 

当信号通过整形电路后，通过示波器观察整形电路输出的信号波形如图9所示，可以看到，从两级交流放大及滤波电路输出的交流电压信号的下半周被截断，只保留了信号的正半周，得到了直流脉冲信号。然后通过限幅电路处理。 

13路光电池输出的电流信号经过以上各级电路处理后得到13路电压信号。本实验将13路光电池中的0°角的那路光电池输出信号经过本发明电路处理后的波形通过示波器显示，如图11和12所示，图11表示0°角的那个光电池未被纬纱像挡住时输出的电信号经过本发明纬斜信号处理电路后输出信号波形，可以看到，此时信号电压非常小，只有大约几百毫伏；图12表示0°角的那个光电池被纬纱像挡住时输出的电信号经过本发明纬斜信号处理电路后输出信号波形，可以看到，此时信号电压比较大，大约4伏左右。由此可见，光电池被纱线挡住和未被纱线挡住时电路输出电压差距明显。那么当织物的纱线经光学***所成的像挡住了13路光电池中的某一路时，该路光电池的输出电 信号经过本发明电路后的输出电压远远大于其他未被挡住的12路光电池的输出电信号经过本发明后的输出电压，单片机(或者其他控制器)很容易识别这个压差。 

将13路电压信号依次通过16选一模拟开关后被传送给AD转换器，单片机控制AD转换器对该13路电压信号分时进行AD转换得到13个具体的数值，然后单片机再对这13个数值进行比较，找出最大值。最大值所对应的那路光电池的角度即为纬纱的倾斜角度。 

Claims (9)

1.一种纬斜信号处理电路，其特征在于，包括电流电压转换器及低通滤波器电路、交流放大及高通滤波电路、整形电路和限幅电路；电流电压转换器及低通滤波器电路、交流放大及高通滤波电路、整形电路和限幅电路依次连接。

2.如权利要求1所述的纬斜信号处理电路，其特征在于，电流电压转换器及低通滤波器电路包括第一运算放大器LM258和电阻R₁、电容C₁；其中，第一运算放大器LM258和电阻R₁组成电流电压转换器；电阻R₁和电容C₁组成低通滤波器。

3.如权利要求2所述的纬斜信号处理电路，其特征在于，电流电压转换器及低通滤波器电路还包括去耦电容C₂和C₃，去耦电容C₂接在负电源和地线之间，去耦电容C₃接在正电源和地线之间。

4.如权利要求1所述的纬斜信号处理电路，其特征在于，交流放大及高通滤波电路包括两级同相比例放大电路，第一级同相比例放大电路由第二运算放大器LM258，电阻R₂、R₃、R₄，电容C₄构成，其中，电容C₄和电阻R₄构成第一级同相比例放大电路的高通滤波器；第二级同相比例放大电路由第三运算放大器LM258，电阻R₅、R₆、R₇、R₈，电容C₇构成，其中，电容C₇和电阻R₆构成第二级同相比例放大电路高通滤波器。

5.如权利要求4所述的纬斜信号处理电路，其特征在于，交流放大及高通滤波电路还包括去耦电容C₅和C₆，去耦电容C₆接在正电源和地线之间，去耦电容C₅接在负电源和地线之间。

6.如权利要求1所述的纬斜信号处理电路，其特征在于，整形电路包括第四运算放大器LM258，电阻R₉、R₁₀，二极管D₁、D₂。

7.如权利要求6所述的纬斜信号处理电路，其特征在于，整形电路还包括去耦电容C₉和C₁₀，去耦电容C₁₀接在正电源和地线之间，去耦电容C₉接在负电源和地线之间。

8.如权利要求1所述的纬斜信号处理电路，其特征在于，限幅电路包括第五运算放大器LM258，二极管D₃，电阻R₁₂和电容C₁₁；其中，电容C₁₁和电阻R₁₂构成限幅电路中的低通滤波器。

9.如权利要求1所述的纬斜信号处理电路，其特征在于，电流电压转换器及低通滤波器电路、交流放大及高通滤波电路、整形电路均采用正负12V双电源供电，限幅电路采用5V电源供电。