本发明公开了一种用于运动部件间的非接触模拟信号传输装置,主要解决现有装置传输模拟信号失真、抗干扰能力差的问题;其包括Sigma-delta调制器(101)、两组耦合电容(102A.102B)、两组积分器(103A.103B)、减法器(104),可控增益放大器(105)、两个比较器(106.107)、RS触发器(108)及解调器(109);Sigma-delta调制器对输入信号f
1.一种运动部件间的非接触模拟信号传输装置,其特征在于包括:Sigma-delta调制器(101)、两组非接触耦合电容(102A、102B)、两组积分器(103A、103B)、减法器(104)、可控增益放大器(105)、两个比较器(106、107)、解调器(109)和RS触发器(108),两个比较器(106、107)包括正向比较器(106)和负向比较器(107);所述Sigma-delta调制器(101),用于对输入的模拟信号f0进行调制,输出两路差分的数据流I₁、I₂,第一路数据流I₁经过第一组非接触耦合电容(102A),输出耦合信号通过第一组积分器(103A)积分运算后输入到减法器(104)的正输入端;第二路数据流I₂经过第二组非接触耦合电容(102B),输出耦合信号通过第二组积分器(103B)积分运算后输入到减法器(104)的负输入端;所述减法器(104),用于完成对两路差分信号的相减运算,输出差值信号给可控增益放大器(105),可控增益放大器(105)对该差值信号进行调整后,同时输入到正向比较器(106)和负向比较器(107);所述正向比较器(106),用于将可控增益放大器(105)输出信号中的正向单脉冲信号与设定的正门限电压U1进行比较,在输入信号由0到1的跳变时刻,输出一个方波脉冲给RS触发器,其中U₁取值不超过减法器(104)输出的差值信号的正向峰值的二分之一;所述负向比较器(107),用于将可控增益放大器(105)输出信号中的负向单脉冲信号与设定的负门限电压U₂进行比较,在输入信号由1到0的跳变时刻,输出一个方波脉冲给RS触发器,其中U₂=-U₁;所述RS触发器(108),用于在上述两个比较器输出的方波脉冲信号的触发下,产生与第一路数据流I₁一致的数据流I₈输入到解调器(109);所述解调器(109),用于将数据流I₈解调成与从Sigma-delta调制器(101)输入的模拟信号f₀一致的模拟信号f₁。
2.根据权利要求1所述的运动部件间的非接触模拟信号传输装置,其特征在于Sigma-delta调制器(101)包括:一个比较器(201)、一个D触发器(202)、一个振荡器(203)、一个减法器(204)和一个积分器(205);比较器(201)的正输入端输入模拟信号f₀,输出端输出采样信号I₀,该采样信号通过D触发器(202)量化为两路差分数据流I₁和I₂,分别输出到两组非接触耦合电容(102A、102B),同时第一路数据流I₁输入到减法器(204)与基准电压U₀=2.5V相减之后,输出的差值信号通过积分器(205)完成D/A转化,输出的模拟信号f₂再反馈到比较器(201)的负输入端,振荡器(203)输出信号输入到D触发器(202)的时钟输入端。
3.根据权利要求1所述的运动部件间的非接触模拟信号传输装置,其特征在于两组非接触耦合电容(102A、102B)均由两个电容极板组成,并安装在外部的两个运动部件A、B上,即第一组非接触耦合电容(102A)由两个电容极板H₁和H₃构成,两个电容极板H₁和H₃分别安装在外部的部件A和部件B上,沿部件左右滑动;第二组非接触耦合电容(102B)由两个电容极板H₂和H₄构成,两个电容极板H₂和H₄分别安装在外部的部件A和部件B上,沿部件左右滑动。
4.根据权利要求1所述的运动部件间的非接触模拟信号传输装置,其特征在于Sigma-delta调制器(101)与两组非接触耦合电容(102A、102B)的连接,和两组非接触耦合电容(102A、102B)与两组积分器(103A、103B)的连接,均采用屏蔽线连接。
5.根据权利要求2所述的运动部件间的非接触模拟信号传输装置,其特征在于Sigma-delta调制器(101)中的减法器(204)由一个运算放大器V₁和四个电阻R₁、R₂、R₃、R₄组成,数据流I₁通过第三电阻R₃输入到运算放大器V₁的正输入端,第四电阻R₄的一端接运算放大器V₁的正输入端,另一端接地,基准电压U₀=2.5V通过第一电阻R₁输入到运算放大器V₁的负输入端,在运算放大器V₁的输出端通过第二电阻R₂反馈到运算放大器V₁的负输入端。
6.根据权利要求5所述的运动部件间的非接触模拟信号传输装置,其特征在于四个电阻R₁、R₂、R₃、R₄满足如下关系式: R 1 R 2 = R 3 R 4 . ]]>技术领域
本发明属于通信技术领域,涉及运动部件间的非接触模拟信号传输的装置,可在运动部件间进行非接触模拟信号传输。
背景技术
部件间的数据传输主要包括能量传输、模拟量传输和数字量传输三类,如果能在部件之间实现这三类信号的非接触传输,部件就可以实现完全非接触工作,避免部件的摩擦损耗,使设备工作更加安全,同时增加设备的工作寿命。关于非接触能量传输问题,中国专利申请《谐振跟踪式非接触供电装置及供电方法》(公开号:101834473A)提出了供电装置及方法,解决了非接触电能传输问题,使得无线电能传输成为可能,在大功率能量传输上取得了突破。现有的用于非接触数字量传输的方式主要以无线射频传输和光传输两种技术手段为主,已取得大量的成果并有商业产品问世。现有的用于非接触结构模拟信号传输的方法主要有两种,一种是通过滑环结构,这种结构并没有实现真正的非接触传输;另一种是通过微处理器及AD完成对模拟信号的量化采样,转化为数字信号传输,后经过DA输出模拟信号,这种装置可以实现模拟信号的非接触传输,但是依然存在以下缺陷:1、使用了微处理器,面对复杂电磁环境时,容易造成死机的问题,致使传输错误或者中断,可靠性差,而且成本高;2、使用DA输出模拟信号,输出波形有阶梯,不是平滑的模拟信号,造成模拟信号的失真。
发明内容
本发明的目的在于针对现有装置的不足,提出一种结构简单、性能稳定、易于实现的运动部件间的非接触模拟信号传输装置,提高模拟信号传输的精度。为实现上述目的,本发明运动部件间的非接触模拟信号传输装置,其特征在于包括:Sigma-delta调制器、两组非接触耦合电容、两组积分器、减法器、可控增益放大器、两个比较器、解调器和RS触发器;所述Sigma-delta调制器,用于对输入的模拟信号f₀进行调制,输出两路差分的数据流I₁、I₂,第一路数据流I₁经过第一组耦合电容,输出耦合信号通过第一组积分器积分运算后输入到减法器的正输入端;第二路数据流I₂经过第二组耦合电容,输出耦合信号通过第二组积分器积分运算后输入到减法器的负输入端;所述减法器,用于完成对两路差分信号的相减运算,输出差值信号给可控增益放大器,可控增益放大器对该差值信号进行调整后,同时输入到正向比较器和负向比较器;所述正向比较器,用于将减法器输出信号中的正向单脉冲信号与设定的正门限电压U₁进行比较,在输入信号由0到1的跳变时刻,输出一个方波脉冲给RS触发器,其中U₁取值不超过减法器输出的差值信号的正向峰值的二分之一;所述负向比较器,用于将减法器输出信号中的负向单脉冲信号与设定的负门限电压U₂进行比较,在输入信号由1到0的跳变时刻,输出一个方波脉冲给RS触发器,其中U₂=-U₁;所述RS触发器,用于在上述两个比较器输出的方波脉冲信号的触发下,产生与第一路数据流I₁一致的数据流I₈输入到解调器;所述解调器,用于将数据流I₈解调成与从Sigma-delta调制器输入的模拟信号f₀一致的模拟信号f₁。上述运动部件间的非接触模拟信号传输装置,其特征在于所述的Sigma-delta调制器包括:一个比较器、一个D触发器、一个振荡器、一个减法器和一个积分器;比较器的正输入端输入模拟信号f₀,输出端输出采样信号I₀,该采样信号通过D触发器量化为两路差分数据流I₁和I₂,分别输出到两组耦合电容,同时第一路数据流I₁输入到减法器与基准电压U₀=2.5V相减之后,输出的差值信号通过积分器完成D/A转化,输出的模拟信号f₂再反馈到比较器的负输入端,振荡器输出信号输入到D触发器的时钟输入端。上述运动部件间的非接触模拟信号传输装置,其特征在于所述的两组非接触耦合电容均由两个电容极板组成,并安装在外部的两个运动部件A、B上,即第一组非接触耦合电容由两个电容极板H₁和H₃构成,两个电容极板H₁和H₃分别安装在外部的部件A和部件B上,沿部件左右滑动;第二组非接触耦合电容由两个电容极板H₂和H₄构成,两个电容极板H₂和H₄分别安装在外部的部件A和部件B上,沿部件左右滑动。上述运动部件间的非接触模拟信号传输装置,其特征在于所述的减法器由一个运算放大器V₁和四个电阻R₁、R₂、R₃、R₄组成,数据流I₁通过第三电阻R₃输入到运算放大器V₁的正输入端,第四电阻R₄一端接运算放大器V₁的正输入端,另一端接地,基准电压U₀=2.5V通过第一电阻R₁输入到运算放大器V₁的负输入端,在运算放大器V₁的输出端通过第二电阻R₂反馈到运算放大器V₁的负输入端,其中四个电阻满足关系式: R 1 R 2 = R 3 R 4 . ]]>本发明与现有的用于非接触数据传输装置相比,具有以下优点:1、本发明由于只使用了比较器、运算放大器、D触发器及少量的电阻电容,电路结构简单,成本低廉;2、本发明由于使用解调器和调制器完成信号转化,因而没有使用微处理器,工作稳定,可应对复杂的电磁环境;3、本发明由于在后级输出用低通滤波器进行解调,故输出模拟信号精度高。下面结合附图对本发明作进一步说明:
附图说明
图1是本发明装置的整体结构图;图2是本发明中的Sigma-delta调制器电路原理图;图3是本发明中的两组非接触耦合电容结构示意图;图4是本发明实施例中两组非接触耦合电容的安装位置示意图。
具体实施方式
参照图1,本发明的运动部件间的非接触模拟信号传输装置,包括Sigma-delta调制器101、两组非接触耦合电容102A和102B、两组积分器103A和103B、减法器104、可控增益放大器105、两个比较器106和107、RS触发器108以及解调器109。该Sigma-delta调制器101用于对输入的模拟信号f₀进行调制,输出两路差分数据流I₁和I₂;该两组非接触耦合电容102A和102B用于对两路差分数据流I₁和I₂的非接触传输,其中第一路数据流I₁通过第一组耦合电容102A后输出第三路数据流I₃,第二路数据流I₂通过第二组耦合电容102B后输出第四路数据流I₄;该两组积分器103A和103B、减法器104和可控增益放大器105共同组成差分电荷放大器,用于提取与放大两路数据流I₃和I₄;该正向比较器106用于将可控增益放大器105输出信号I₅中的正向单脉冲信号与设定的正门限电压U₁进行比较,在输入信号I₅由0到1的跳变时刻,输出一个方波脉冲给RS触发器108,负向比较器107用于将可控增益放大器105输出信号I₅中的负向单脉冲信号与设定的负门限电压U₂进行比较,在输入信号I₅由1到0的跳变时刻,输出一个方波脉冲给RS触发器108;RS触发器108用于在上述两个比较器输出的方波脉冲信号的触发下,产生与第一路数据流I₁一致的数据流I₈输入到解调器109,解调器109用于将数据流I₈解调成与从Sigma-delta调制器101输入的模拟信号f₀一致的模拟信号f₁。在此实施例中,用热电偶测量油井钻头工作时钻头的温度,利用本发明的运动部件间的非接触模拟信号传输装置将测量结果传输到外部显示设备。整个装置分为数据发送部分和数据接收部分,数据发送部分安装在钻头的内部与热电偶测温系统相连,数据接收部分安装在外部基座上,与显示设备相连。安装在钻头内部的热电偶,测量钻头的温度,并将测量的温度数据传输到数据发送部分。数据发送部分包括Sigma-delta调制器101,如图2所示,它是由一个比较器201、一个D触发器202、一个振荡器203、一个减法器204和一个积分器205组成,其中,减法器204由一个运算放大器V₁和四个电阻R₁、R₂、R₃、R₄组成,四个电阻R₁、R₂、R₃、R₄满足如下关系式: R 1 R 2 = R 3 R 4 ; ]]>积分器205由一个电阻R₅和一个电容C₁组成;热电偶测量钻头的温度T,温度数据输入到比较器201的正输入端,比较器输出采样信号T₀输入到D触发器202,振荡器203的输出信号输入到D触发器202的时钟输入端,此处振荡器203的频率取f=500kHz,即D触发器202的输入时钟为500kHz;D触发器202将采样信号T₀量化为两路差分数据流I₁和I₂,其中第一路数据流I₁输出到第一组耦合电容102A,第二路数据流I₂输出到第二组耦合电容102B;同时,第一路数据流I₁通过第三电阻R₃输入到运算放大器V₁的正输入端,第四电阻R₄一端接运算放大器V₁的正输入端,另一端接地;基准电压U₀=2.5V通过第一电阻R₁输入到运算放大器V₁的负输入端,在运算放大器V₁的输出端通过第二电阻R₂反馈到运算放大器V₁的负输入端;运算放大器V₁的输出端通过第五电阻R₅接到电容C₁上,电容C₁另外一端接地;从第五电阻R₅与电容C₁的节点上引出温度信号f₂反馈到运算放大器V₁的负输入端。两组非接触耦合电容102A和102B均由两个电容极板组成,其结构图如图3所示,其中第一组非接触耦合电容102A由两个电容极板H₁和H₃构成,第二组非接触耦合电容102B由两个电容极板H₂和H₄构成,这两个非接触耦合电容的安装位置如图4所示,其中图4(a)是钻头与基座的整体示意图,钻头安装在基座的内部,钻头可绕基座转动;图4(b)是电容极板H₁和电容极板H₂在钻头上的安装位置图,电容极板H₁和电容极板H₂均为环状的导电体,固定在钻头的外表面,电容极板H₁与Sigma-delta调制器101的输出端Q用屏蔽线相连,电容极板H₂与Sigma-delta调制器101的输出端ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="33"/>用屏蔽线相连;图4(c)是电容极板H₃和电容极板H₄在基座上的安装位置图,电容极板H₃和电容极板H₄均为环状的导电体,固定在基座的内表面,电容极板H₃与第一组积分器103A用屏蔽线相连,电容极板H₄与第二组积分器103B用屏蔽线相连。数据接收部分包括两组积分器103A和103B、减法器104、可控增益放大器105、两组比较器106和107、RS触发器108以及解调器109。通过第一组耦合电容102A耦合的第三路差分数据流I₃经过第一组积分器103A后输入到减法器104的正输入端,通过第二组耦合电容102B耦合的第四路差分数据流I₄经过第二组积分器103B后输入到减法器104的负输入端;减法器104输出差分数据流I₅到可控增益放大器105,对差分数据流I₅进行放大,放大后输出两路信号I₆和I₇,其中I₆输入到正向比较器106,与设定的正门限电压U₁=1V进行比较,在I₆由0到1的跳变时刻,输出一个方波脉冲h₁到RS触发器108的输入端R;I₇输入到负向比较器107,与设定的负门限电压U₂=-1V进行比较,在I₇由1到0的跳变时刻,输出一个方波脉冲h₂到RS触发器108的输入端S;RS触发器在所述方波脉冲信号h₁和h₂的触发下,产生与第一路数据流I₁一致的数据流I₈输入到解调器109;解调器109将数据流I₈解调成与从Sigma-delta调制器101输入的模拟信号f₀一致的模拟信号f₁。从解调器109输出的模拟信号f₁即为热电偶测量的温度T,利用本装置的数据发送部分将温度T从钻头内部发送到安装在基座上的数据接收部分,基座数据接收部分与外部显示设备相连接,温度数据输入到显示设备,实现钻头温度的实时监控。以上实施例仅是对本发明的参考说明,并不构成对本发明内容的任何限制,显然在本发明的思想下,可做出不同形式的结构变更,但这些均在本发明的保护之列。