CN106124866A - 一种周期信号波形测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于测试装置领域，并公开了一种周期信号波形测试装置，其特征在于，其包括信号输入单元、键盘单元、PLC单元、信号采集处理单元、可编程控制器、显示单元，所述可编程控制器根据接收的信号输入通道信息来控制PLC单元，并通过PLC单元将对应的待测试周期信号波输入所述信号采集处理单元中；所述信号采集处理单元包括第一功能电路和第二功能电路。本发明通过采用可编程控制器来控制测试进程，整体测试过程可自动化进行，测试时间短，准确率高。

Description

一种周期信号波形测试装置

技术领域

本发明属于测试装置领域，更具体地，涉及一种周期信号波形测试装置。

背景技术

周期信号波形广泛存在于各种电子产品中，是衡量产品性能的重要指标，因此波形测试在电子产品研发和电子测量中有着异常重要的作用。目前对周期信号波形的测量普遍采用的是人工检测方式，即采用示波器来测试周期信号波形的指标。然而，这种检测方式效率低、而且过度依赖测试仪表的测试准确度和测试人员的测试技能。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种周期信号波形测试装置，其可靠、便捷、自动化程度高。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种周期信号波形测试装置，其特征在于，其包括信号输入单元、键盘单元、PLC单元、信号采集处理单元、可编程控制器、显示单元，其中，

所述信号接入单元用于接入待测试周期信号波；

所述键盘单元用于选择与接入的待测试周期信号波相对应的信号输入通道，并将选择的信号输入通道信息发送给可编程控制器；

所述可编程控制器根据接收的信号输入通道信息来控制PLC单元，并通过PLC单元将对应的待测试周期信号波输入所述信号采集处理单元中；

所述信号采集处理单元包括第一功能电路和第二功能电路，其中，

所述第一功能电路包括第一信号调理电路和波形整形电路，所述第一信号调理电路用于对待测试周期信号波进行调整后再传送给所述波形整形电路进行整形，所述第一信号调整电路包括第一分频电路和第一幅值调整电路，所述第一分频电路用于将待测试周期信号波的频率范围缩小到设定的测试范围内，所述第一幅值调整电路用于将待测试周期信号波的幅值调整到设定的测试范围内，所述波形整形电路用于将待测试周期信号波转变为方波并传送给可编程控制器，以使可编程控制器处理并获得方波信号的频率；

所述第二功能电路包括第二信号调理电路、AD采样保持电路和AD转换电路构成，其中所述第二信号调理电路用于对待测试周期信号波进行调整后再传送给所述AD采样保持电路,其包括第二分频电路和第二幅值调整电路，所述第二分频电路用于将待测试周期信号波的频率范围缩小到合适的测试范围内，所述第二幅值调整电路用于将待测试周期信号波的幅值调整到设定的测试范围，所述AD采样保持电路用于保持采样值在AD转换的时间内不变，以得到合适的采样信号并且保证AD转换的精度，从而消除转换误差，所述AD转换电路用于将模拟信号转换为数字信号并传送给可编程控制器，以使所述可编程控制器处理并获得待测试周期信号波的幅值和/或种类和/或频率和/或峰峰值。

所述输出显示单元由可编程控制器控制，用于将待测试周期信号波的幅值和/或种类和/或频率和/或峰峰值予以显示。

优选地，所述可编程控制器处理获得待测试周期信号波的幅值的具体过程如下：

可编程控制器根据方波的信号频率得到待测试周期信号波的信号周期，可编程控制器以此信号周期的大小来设置AD的采样周期，并进行一个周期的采样，确定N个采样点，这样可以得到这N个采样点的电压值，然后对这N个采样值进行排序，从而得到这N个采样点的最大电压值和最小电压值，则获得待测试周期信号波的幅值，进而通过最大电压值和最小电压值的差值获得待测试周期信号波的峰峰值。

优选地，获取待测试信号波的种类的具体过程如下：

获得待测试周期信号波的幅值后，再对这N个采样点的电压值进行离散数值计算，从而获得波形电压有效值U_eff，其中波形电压有效值 并且U_k为第k次采样的电压值；

然后，再根据傅里叶算法获得周期波形信号的基波有效值为其中，a和b分别为基波分量中正弦波和余弦波的幅值，并且

$a=\frac{1}{N}\[2\underset{k=1}{\overset{N-1}{\Σ}}{x}_k\sin k\frac{2\mathrm{\π}}{N}\]$

$b=\frac{1}{N}\[x_0+2\underset{k=1}{\overset{N-1}{\Σ}}{x}_k\cos k\frac{2\mathrm{\π}}{N}+x_N\]$

式中x_k为第k次的采样值，x₀和x_N分别是k＝0和k＝N时的采样点的电压值；

最后，得到波形系数如果计算得到的波形系数γ≈1，则输入周期信号波形为正弦波；如果计算得到的波形系数γ≈0.637，则输入周期信号波形为方波；如果计算得到的波形系数γ≈0.39，则输入周期信号波形为三角波，这样就能判断输入波形的种类。

优选地，N＝500。

优选地，所述PLC单元为具有多路输入和输出的继电器阵列。

优选地，所述显示单元为液晶屏或TFT彩屏。

优选地，所述可编程控制器为FPGA可编程控制器或MCU可编程控制器。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)、本发明通过采用可编程控制器来控制测试进程，整体测试过程可自动化进行，测试时间短，准确率高；

2)、本发明由于波形输入单元可以接入多个不同幅值和/或不同频率和或不同种类的周期波形信号，并且可以与测试装置实现精确连接，因而其适用面广、整体成本低；

3)、本发明的测试装置结构紧凑，操作简单，并可满足用户的个性化测试需求。

附图说明

图1是按照本发明的伺服驱动板卡测试装置的整体结构示意图；

图2是按照本发明的伺服驱动板卡测试装置的工作原理示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-液晶显示屏 2-信号输入接口(4个通道) 3-通道选择按钮(4个通道) 4-通道全选通按钮 5-通道全取消按钮 6-输入信号公共端(COM)7-电源接口 8-电源开关

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就能相互组合。

参照图1、图2，所述信号输入单元用于将测试周期信号波形接入测试装置，本信号输入单元位于测试装置的前面板上，一共有4路波形输入接口。测量时，一次最多只能接入4路波形信号，只需要将四路波形信号通过接口座引入测试装置即可。

所述键盘单元用于输入通道选择按键信息给可编程控制器，键盘单元上有6个按钮，分别是通道1选择按钮、通道2选择按钮、通道3选择按钮、通道4选择按钮、通道全选按钮、通道选择取消按钮；可编程控制器根据按键信息来控制PLC单元，通过PLC单元来选择哪一路波形输入到测试装置之中。具体的，如果按下通道1选择按钮则第一路波形接入测试装置之中，同理通道2、3、4选择按钮的功能也是如此。如果按下通道全选按钮，则通道1、2、3、4四路通道轮流接通，轮流接通时间周期为10秒钟。如果按下通道选择取消按钮，则通道1、2、3、4四路通道全部断开，没有任何一路波形信号接入测试装置。

所述PLC单元用于输入通道选择，可编程控制器获取键盘单元的按键信息之后，控制PLC单元进行相应的动作。具体的，如果按下通道1选择按钮则PLC单元将第一路波形接入测试装置之中，同理通道2、3、4选择按钮的功能也是如此。如果按下通道全选按钮，则通道1、2、3、4四路通道由PLC单元控制后轮流接通，PLC单元轮流接通时间周期为10秒钟。如果按下通道选择取消按钮，则PLC单元将通道1、2、3、4四路通道全部断开，没有任何一路波形信号接入测试装置。

所述信号采集处理单元由两部分功能电路组成。一部分功能电路由信号调理电路以及波形整形电路构成，其中信号调理电路又包括分频电路和幅值调整电路，幅值调整电路作用是将波形幅值放大或缩小到合适的测试范围，不然波形电压幅值过大会损坏电路；分频电路的作用是将波形频率范围缩小到合适的测试范围，波形频率太大则可编程控制器无法正常测试处理波形；波形整形电路的作用是将输入的如正弦、三角、方波等主流周期信号波形转变为方波信号，可编程控制器处理并计算得到方波信号的频率。具体的可以将方波输出信号接到单片机的中断功能引脚，利用单片机的定时器以中断计数方式测量方波信号的频率，或者将方波输出信号接到FPGA的引脚上，FPGA计算输入引脚上方波两个上升沿的时间差，得到波形的周期，根据周期(整形后的方波周期与输入的周期信号波形的周期相等)计算得到频率，所以此功能电路的作用就是得到周期波形信号的频率大小。另一部分功能电路由信号调理电路、AD采样保持电路、AD转换电路构成；其中信号调理电路包括分频电路和幅值调整电路，幅值调整电路作用是将波形幅值放大或缩小到合适的测试范围，分频电路的作用是将波形频率范围缩小到合适的测试范围；AD采样保持电路的作用是保持采样值在AD转换的时间内不变，快速采样可以得到理想的(能反映原模拟信号特征)的采样信号；保持该采样值不变，可以保证AD转换的精度，消除转换误差；AD转换电路的作用是将模拟信号转换为数字信号，这样可以计算得到波形的幅值大小。通过波形的幅值大小，进过计算可以得到波形的种类，其测试原理如下：可编程控制器根据方波的信号频率得到所测波形的信号周期，可编程控制器以此信号周期的大小来设置AD的采样周期，对输入信号进行一个周期的采样，确定采样点N的个数(本装置采样点个数N设定为500)，这样可以得到N个采样点的电压值，利用算法对这N个采样值进行排序，得到N个采样电压的最大电压值和最小电压值，它们的差值就是波形信号的峰峰值；然后再根据波形电压有效值的定义对一个周期类的N点采样值进行离散数值计算，波形电压有效值U_eff的计算公式如下：

$U_{eff}=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N-1}{\Σ}}{U}_k^2}$

式中U_k为第k次的采样值，N为1个周期的采样点数。波形电压有效值U_eff计算出来之后，再根据傅里叶算法计算周期波形信号的基波有效值。基波分量中正弦波和余弦波的幅值分别为：

$a=\frac{1}{N}\[2\underset{k=1}{\overset{N-1}{\Σ}}{x}_k\sin k\frac{2\mathrm{\π}}{N}\]$

$b=\frac{1}{N}\[x_0+2\underset{k=1}{\overset{N-1}{\Σ}}{x}_k\cos k\frac{2\mathrm{\π}}{N}+x_N\]$

式中x_k为第k次的采样值，N为1个周期的采样点数,x₀和x_k分别是k＝0和k＝N时的采样值。那么基波的有效值计算公式为式中a,b为基波分量中正弦波和余弦波的幅值。基波的有效值计算出来之后，根据波形系数γ的定义，γ为基波有效值与波形电压有效值的比值，即如果计算得到的波形系数γ≈1，则输入周期信号波形为正弦波；如果计算得到的波形系数γ≈0.637，则输入周期信号波形为方波；如果计算得到的波形系数γ≈0.39，则输入周期信号波形为三角波，这样就能判断输入波形的种类。

所述输出显示单元用于将所获得的测试结果予以显示，主要显示波形的种类、频率、峰峰值。

所述可编程控制器用于控制显示单元、PLC单元、信号采集处理单元，以及读取处理键盘单元的按键信息。

作为进一步优选地，所述可编程控制器为基于单片机或FPGA的可编程控制器。

作为进一步优选地，所述信号采集处理单元中的信号调理电路，其分频电路可以自由选择分频电路芯片，较低频率(小于10MHz)可以选择分频芯片74HC393，较高频率(大于10MHz)可以选择分频芯片MB506。本发明选择分频芯片选择74HC393，因此本测试装置只能测试频率小于10MHz的周期波形频率信号。如果所测试频率较高，用户可以根据需要选择MB506，此芯片的最高接入频率高达2.4GHz。

作为进一步优选地，所述可编程控制器按照预设的检测程序来检测波形频率、种类、峰峰值。可编程控制器也可以根据用户的需求，设置个性化的检测程序。例如用户仅仅只需要检测波形的种类，而且所测波形为正弦波，那么只需要在程序中设定，如果计算得到的波形系数γ接近1，那么可以直接显示波形测试PASS，否则显示波形测试FAIL。用户仅仅只需要检测波形的频率，而且所测波形为10KHz，那么只需要在程序中设定，如果计算得到的频率接近10KHz，那么可以直接显示波形测试PASS，否则显示波形测试FAIL。

作为进一步优选地，所述输出显示单元可以是LCD液晶屏或TFT彩屏。

参照如图1，按照本发明优选实施例的测试装置主要包括液晶显示屏1，信号输入接口2(具有4个通道)，通道选择按钮3(具有4个通道)，通道全选通按钮4，通道全取消按钮5，输入信号公共端6(COM)，电源接口7，电源开关8；装置主体呈盒状，其内部安装有电源转换模块以及相关功能测试电路板等元件，并在其正面设置有用于显示测试结果的液晶显示屏1；液晶显示屏1的下方是用于输入待测信号的信号输入接口2(具有4个通道)；用于选择接入信号通道的通道选择按钮3；用于接入待测试信号参考地的输入信号公共端6(COM)；用于将4路待测信号全部选通接入的通道全选通按钮4；用于将4路待测信号全部断开的通道全取消按钮5。测试装置的侧面是电源接口7和电源开关8，用于给测试装置供电。

参照图2，为了便于说明，仅示出了与本发明工作原理相关的部分，结合本发明实施例的工作过程，详述如下：

将供电电压源通过电源线引入电压测试装置的电源接口7上，将带测试的周期波形信号(频率小于10MHz的正弦、三角、方波信号)接入到信号输入接口(4个通道)2上，用户可以根据测试需求选择接入单路或是多路，但一次最多只能接入4路待测信号；将待测试信号的参考地接入到输入信号公共端(COM)6上。信号以及其参考地全部接入完成之后，打开电源开关8，通过按下通道选择按钮(4个通道)3上的按钮选择哪一路信号接入到测试装置中，从左到右的4个按钮依次对应通道1到4；按下对应的按钮，则该对应的通道被选中。如果用户需要将4路信号一次全部接入测试装置中，则可以直接按下通道全选通按钮4；在测试过程中用户如果需要断开所有的信号输入，只需要按下通道全取消按钮5；以上通道的接入控制是可编程控制器根据按钮的选择情况来控制PLC单元的通断来实现的。待测信号接入测试装置之后，信号进入置于测试装置盒内的功能测试电路板上，功能测试电路板上的信号采集处理单元对接入信号进行信号调理、波形整形、AD采样、AD转换等处理，可编程控制器计算得到波形的频率、峰峰值、波形系数，最后通过分析波形系数的大小得到波形的种类；最终的测试结果显示在液晶显示屏1上；本测试装置最终显示的结果由三项分别是频率、种类、峰峰值。

在本发明的周期信号波形测试装置中，所选用的电路已能满足测试需求；但是用户仍可以根据需要改变可编程控制器、信号调理电路、AD采样保持电路以及AD转换电路的种类和型号。本波形测试装置可以实现对多种不同类型、不同频率，不同幅值的周期波形信号的测试，本波形测试装置不局限于单一种类波形的测试，因而是一种高效、操作简单、适用范围广的测试装置。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种周期信号波形测试装置，其特征在于，其包括信号输入单元、键盘单元、PLC单元、信号采集处理单元、可编程控制器、显示单元，其中，

所述信号接入单元用于接入待测试周期信号波；

所述键盘单元用于选择与接入的待测试周期信号波相对应的信号输入通道，并将选择的信号输入通道信息发送给可编程控制器；

所述可编程控制器根据接收的信号输入通道信息来控制PLC单元，并通过PLC单元将对应的待测试周期信号波输入所述信号采集处理单元中；

所述信号采集处理单元包括第一功能电路和第二功能电路，其中，

所述第一功能电路包括第一信号调理电路和波形整形电路，所述第一信号调理电路用于对待测试周期信号波进行调整后再传送给所述波形整形电路进行整形，所述第一信号调整电路包括第一分频电路和第一幅值调整电路，所述第一分频电路用于将待测试周期信号波的频率范围缩小到设定的测试范围内，所述第一幅值调整电路用于将待测试周期信号波的幅值调整到设定的测试范围内，所述波形整形电路用于将待测试周期信号波转变为方波并传送给可编程控制器，以使可编程控制器处理并获得方波信号的频率；

所述第二功能电路包括第二信号调理电路、AD采样保持电路和AD转换电路构成，其中所述第二信号调理电路用于对待测试周期信号波进行调整后再传送给所述AD采样保持电路,其包括第二分频电路和第二幅值调整电路，所述第二分频电路用于将待测试周期信号波的频率范围缩小到合适的测试范围内，所述第二幅值调整电路用于将待测试周期信号波的幅值调整到设定的测试范围，所述AD采样保持电路用于保持采样值在AD转换的时间内不变，以得到合适的采样信号并且保证AD转换的精度，从而消除转换误差，所述AD转换电路用于将模拟信号转换为数字信号并传送给可编程控制器，以使所述可编程控制器处理并获得待测试周期信号波的幅值和/或种类和/或频率和/或峰峰值。

所述输出显示单元由可编程控制器控制，用于将待测试周期信号波的幅值和/或种类和/或频率和/或峰峰值予以显示。

2.根据权利要求1所述的一种周期信号波形测试装置，其特征在于，所述可编程控制器处理获得待测试周期信号波的幅值的具体过程如下：

可编程控制器根据方波的信号频率得到待测试周期信号波的信号周期，可编程控制器以此信号周期的大小来设置AD的采样周期，并进行一个周期的采样，确定N个采样点，这样可以得到这N个采样点的电压值，然后对这N个采样值进行排序，从而得到这N个采样点的最大电压值和最小电压值，则获得待测试周期信号波的幅值，进而通过最大电压值和最小电压值的差值获得待测试周期信号波的峰峰值。

3.根据权利要求2所述的一种周期信号波形测试装置，其特征在于，获取待测试信号波的种类的具体过程如下：

获得待测试周期信号波的幅值后，再对这N个采样点的电压值进行离散数值计算，从而获得波形电压有效值U_eff，其中波形电压有效值 并且U_k为第k次采样的电压值；

然后，再根据傅里叶算法获得周期波形信号的基波有效值为其中，a和b分别为基波分量中正弦波和余弦波的幅值，并且

$a=\frac{1}{N}\[2\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k\sin k\frac{2\mathrm{\π}}{N}\]$

$b=\frac{1}{N}\[x_0+2\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k\cos k\frac{2\mathrm{\π}}{N}+x_N\]$

式中x_k为第k次的采样值，x₀和x_N分别是k＝0和k＝N时的采样点的电压值；

最后，得到波形系数如果计算得到的波形系数γ≈1，则输入周期信号波形为正弦波；如果计算得到的波形系数γ≈0.637，则输入周期信号波形为方波；如果计算得到的波形系数γ≈0.39，则输入周期信号波形为三角波，这样就能判断输入波形的种类。

4.根据权利要求2所述的一种周期信号波形测试装置，其特征在于，N＝500。

5.根据权利要求1所述的一种周期信号波形测试装置，其特征在于，所述PLC单元为具有多路输入和输出的继电器阵列。

6.如权利要求1所述的一种周期信号波形测试装置，其特征在于，所述显示单元为液晶屏或TFT彩屏。

7.如权利要求1所述的一种周期信号波形测试装置，其特征在于，所述可编程控制器为FPGA可编程控制器或MCU可编程控制器。

8.如权利要求1所述的一种周期信号波形测试装置，其特征在于，所述信号接入单元的输入接口有多个，以用于接入各种种类和/或频率和/或幅值的周期信号波形。