机电一体第5章信号处理.ppt

第五章 信号处理,大多数情况下，从传感器输出的信号不能直接加以利用。最基本的原因是传感器输入信号的幅度不适当，需要引入增益或者衰减使之与系统下一级匹配。在一些复杂环境中，从传感器得到的原始信号中往往含有其他成分，必须去除之后才能获得所需信息。这些不需要的成分是由于传感器输入端存在与被测量同类的随机信号，或者是由于噪声、传感元件本身的物性(如硅材料的热效应)，也可能是由于上述这些因素与别的因素共同作用的结果。,信号处理的原则是把所需信息从传感器输出信号中分离出来，并以适当的形式传送给系统下一级。大量的信号处理工作是用模拟电子技术实现的，而计算机的使用是在信号提取中引入了频域分析技术。 目前日益广泛的做法是在传感器上加上信号处理电路。有的传感器已具备对温度等因素的自动补偿能力，并带有自检功能和局部决策能力，这种新颖的设计是测量技术的重大进展。,51 运算放大器基本电路,5.1.1 理想运算放大器,运算放大器是模拟信号处理系统的基本器件。理想运算放大器如图所示。输入端1是反相输入端，输入端2是同相辅人端，3是输出端。在输入端口内，输入端1和输人端2之间存在的电阻称为输入电阻。,重要性质,理想运算放大器有：输入电阻值无穷大和开环放大倍数无穷大。 因输入电阻值无穷大，所以经输人端1和输人端2的电流无穷小，进而输入端1和输入端2之间没有电压降。因此，对于理想运算放大器，有以下三个关系同时成立。 运算放大器可以加上不同的反馈电路构成各种输入输出关系，实现多种数学运算，因此得到广泛的应用。各种运算式大都基于上述三个关系。,三个关系,1)在输入一侧考虑电压关系时，反相输入端与同相输入端之间是“虚通”的(用虚线表示)。理想运算放大器的两个输入端之间电压总是为零。Vi=0 即V1=V2 2)在输入一侧考虑电流关系时，反相输入端与同相输入端之间是“虚断”的(用叉表示)。进入或流出理想运算放大器两个输入端的电流总是为零。 3)在输出一侧，输出电压V0可以是任何值。Ii=0,理想运算放大器是实际运算放大器的模型。实际的运算放大器具有很高的开环放大倍数(上千倍，但不是任意大) ，输入端口有很大的输入电阻(兆欧以上，但不是无穷大) 。由于运算放大器本身的开环增益非常高，输入电阻非常大，许多场合下可以认为它的输人电流和输入电压都为零，就是所谓理想运算放大器。,运算放大器的输入方式,有单端输入和双端输入两种。,单端输入,在单端输入的情况下，总是一端接输入信号，而另一端接地(或通过电阻接地)，当信号从1端输入时，输出信号与输入信号同相(称同相输入)；而当信号从2端输入时，则输出信号与输入信号反相(称反相输入)。,双端输入,在双端输入(也称为差动输入)的情况下，输入信号V1和V2同时加在同相端1和反相端2上，它的输入是同相输入端电压与反相输人端电压之差 Vi=V1V2,实际应用中，运算放大器很少开环使用，大都要加上某种反馈电路，构成一种输入-输出出运算关系。以下将介绍运算放大器的几种基本应用电路。,5.1.2 反相放大器,图示为反相放大器 存在 因为ia0，Va0，点a是虚地点，而且 i1=-i2 ，所以有 有效输入阻抗为Z1，输出阻抗基本上是零。这种情况下放大器成为理想电压源。如果阻抗Z1和Z2都是纯电阻，那么输出信号对于输入信号的相移为180。,5.1.3 同相放大器,许多传感器输出电流的能力 有限，即带负载能力很差，因此必须配以高阻抗的负载。图a中的同相放大器可以用于此目的。在这种情况下 Vx=Vi ，因为理想放 大器的Va=0，所以 如果在上述运算放大器电路中，令R2为零而R1为无穷大，变成图b所示电路。在此情况下Vo=Vi，而放大倍数为1，即输出电压与输入电压幅值相等且极性相同，因此称之为“电压跟随器”。,5.1.4 差动放大器,差动放大器见图。 输出电压表示成输入电压的函数如下,如果令R3=R1，R4=R2，则,测量放大器,实际使用中，增益受 到输入阻抗(R1)的限 制，为了保证高共模 抑制比，R1的阻值要足够大。具有高输入阻抗的差动放大器称测量放大器。图示给出这类放大器的一种形式，它用了三只运算放大器实现高输入阻抗。 在这个电路中 ia(Via-Vib)/R1=(Voa-Vob)/(R1+2R2) 整理得 Voa-Vob=(R1+2R2)/ (Via-Vib)/ R1 由差动放大器公式 得 Vo= (R4/R3) (1+2R2/R1)/ (Via-Vib),5.1.5 积分器,众所周知，用电阻和电容就可以构成一个简单的积分电路，但随着电容上充电电压的增加，流经电阻的充电电流会随之变化。要实现理想的积分运算，就需要在电容两端电压增加时，使流过它的电流保持不变。见图，若阻抗Z2不是电阻而是电容，则因为 有,5.1.6 微分器,微分运算是积分运算的逆运算，只须将反向输入端的电阻和反馈电容调换位置，就成为微分运算电路，如图示。由图可列出 其中Vo=-ifRf=-i1Rf，故 输出电压与输入电压对时间的一次微分成正比。当Vi为阶跃电压时，Vo为尖脉冲电压，如下图示。此电路工作时稳定性不高，很少应用。,5.1.7 电荷放大器,压电传感器的输出形式是晶 体材料某些表面上电荷的变 化。用电荷放大器可把这些 电荷变化转换成电压信号。用运算放大器组成的电荷放大器典型结构如图。(阻Rf是为了防止反馈电容Cf上积累电荷) 压电晶体传感器可以等效为电压源和电容的串联，如果忽略其内部泄漏电阻，等效电容上的电荷只能经过放大器输入端电阻放电，这就要求这个输入端电阻很大，才能减少电荷泄放引起的误差。电荷放大器正是这样一种高输入阻抗的前置放大器。,当被测物理量的变化引 起压电传感器等效电容 C上电荷的变化为q 时，放大器的输出为 可见对于理想运算放大器来说，这一电路的灵敏度和时间常数不依赖于压电晶体的电容和连接电缆的电容。放大器上限频率为 式中；Rc和Cc为电缆的等效电阻和等效电容，下限频率为 电荷放大器对干扰很敏感，常需要采用各种防外部干扰的措施。,5.1.8 电流电压转换器,很多传感器以电流方式输出的信号，往往需转换成电压信号。图示的电流电压转换器能够实现这种功能，设运算放大器反相输入端的电流为零，有 is+ir=0 V0=-isR,5.1.9 电压电流转换器,有时需要把电压信号转换成电流信号，电压电流转换器可实现这种功能。见图，如果负载置于运算放大器反馈环路中，负载电流为 在这种模式下工作 时，必须精心选择 有足够带负载能力 的运算放大器。,5.1.10 对数放大器,对数放大器的反馈回路里接的是一只二极管或一只三极管，其形式如图。i2和Vo的关系是 Ibe 三极管基射结饱和电流； q 电子电荷(1.6x10-19C)； K 波尔兹曼常数，K取1.38x10-23jK； T绝对温度，K。 Vo与Vi的关系就成为 若在反馈环中使用NPN三极管，对数放大器只能处理正输入信号。要处理负输入信号，须换成PNP三极管。,5.1.11 比较器,图示的工作方式用于两个信号V1和V2的比较。因为放大器增益很高，输入信号之差只需微伏级就能使输出电压极性翻转。应用中有专门设计的比较器集成电路芯片，具有快速响应能力且误差极小，无需再用通用运算放大器。,5.1.12 施密特触发器（一）,如果运算放大器按图a)构成电路，输入输出关系就如图b)所示。翻转点处的输入电压值由下式决定,施密特触发器（二）,如图a)所示，在R2支路中加一个参考电压V，输入输出特性就会平移，如图b)。翻转电压成为,5.2 实用运算放大器,实际使用中，运算放大器会有误差。误差的起因有：输入失调电压和偏置电流的变化；增益随时间发生变化；带宽和转换速率(响应速度)的限制等。上述因素在设计电路和选用运算放大器时就要考虑到。还有一些影响放大器长期稳定性的因素也很重要。使用斩波稳零放大器和自动调零放大器等低漂移、高稳定性的器件能够减少上述影响。但是要保持系统长期稳定可靠地工作，有必要定期检查和重新校准。,5.2.1 放大器误差,1输入失调电压 如果运算放大器内部电路不是理想对称的，那么即使两个输入端连接起来共同接地，输出电压也不为零。负反馈可以减少失调电压，但要消除失调只能采用外部补偿电路。为了确保输出电压为零，必须在两个输入端分别加上微小的电压，这两个电压之差就称为输入失调电压。,2输入偏置电流 输入偏置电流是对于双极型晶体管输入级而言的。输入偏置电流的存在使外部偏置电阻上产生偏置电压，这两个偏置电压又成为输入失调电压。欲减少输入偏置电流的影响，可以在同相输入端接一只偏置电阻，这可使两个偏置电压相等，如图所示。 电阻值由下式决定,3漂移 漂移是所有直流耦合放大器都存在的问题。输出电压漂移主要是一些长期因素所致，譬如元件老化、电源电压变化等。要把输出电压漂移和输入信号缓慢变化引起的输出信号变化区分开是不可能的。温度引起的漂移用V/表示，电源电压变化引起的漂移用VV表示，老化引起漂移用V月或V年表示。,4频率响应 通常的运算放大器频率响应如图，其3dB带宽在10Hz左右，单位增益带宽几千Hz。加负反馈后有效增益A。减小到 式中：A是直流增益，是反馈系数。 此时带宽相应增加到 带宽增益积是常数AB。,5.响应速率 响应速率是指运算放大器能响应的输入信号最大变化率。响应速率的量纲为V/s，平时更常用的是V/s，典型值为0.5V/s数量级。 响应速率与运算放大器全功率带宽有关。全功率带宽的定义是：加在输入端正弦波幅度达到输入电压极限时，该正弦电压能达到的最高频率值。,6. 同相、反相增益差 当放大器以差模方式工作时，同相端增益和反相端增益间的差异会在输出信号中加入误差。用下图说明。同相端增益用A1表示，反相端增益用A2表示: V0=A1V1-A2V2 记Gdm=(A1+A2) Gcm=(A2-A1) 式中：Gdm是差模电压增益， Gcm是我们不需要的共 模增益。 将Gdm、Gcm代入整理得: V0=Gdm(V1-V2)/2+Gcm(V1-V2)/2,很多应用场合中，共模电压与信号电压一样高，甚至更高。共模抑制比定 义为 共模增益Gcm的增大会减少共模抑制比。,5.2.2 斩波稳零放大器,斩波稳零放大器能把输入信号的高频分量和低频分量分开，分别加以放大，最后在输出端再合成一体。 参看图，高频分量经电容耦合至放大器输出级，低频分量和漂移信号则用来对斩波振荡器的输出做幅度调制，得到一个交流信号，其幅度由原信号中的低频分量决定。这个经过调制 的信号作为交流放大器 的输入，经过交流放大 器放大后再解调，尔后 送至输出级的同相端。 在输出级，原信号的高 频分量与低频分量重新 合成一体。,交流放大器的输入输出均采用交流耦合，可用电容或变压器有效地隔开零点漂移的传递，也免除了失调电压的影响。 这样，最终效果是减少了漂移。输出级的输入失衡等于交流放大器的增益，但这个失衡本身并不引入附加的失调电压。 CMOS斩波稳零放大器的出现，相当理想地解决了运算放大器的失调与漂移这两个问题。,5.2.3 自动调零放大器,自动调零放大器是在斩波稳零放大器基础上发展起来的。它是专为从直流10Hz范围的低频段使用目的而开发的。 这种放大器工作时以很高的频率在图a)和图b)所示的两种模式间切换。自动调零输入端提供一个零参考点。,在模式1状态下，放大器1接成一个单位增益放大器给C2充电，充至C2电压等于噪声电平和失调电压。当整个放大器换到模式2时，C2电压实际上与输入信号相串联，这样可抵消噪声和失调成分。与此同时电容C1被充电至放大器2的输入噪声和失调电压。总的效果是放大器漂移降至每年零点几微伏。,5.3 信号隔离,有些场合中传感器对地存在一个电位差，譬如在汽车发动机控制装置中。这类情形下需要在传感器和其余电路之间采取电隔离措施。,5.3.1 隔离放大器,参看图a)的方块图。隔离放大器由输入级、输出级以及前向通道和反馈通道里的耦合变压器组成。输人、输出 级的电源也用变压 器隔离开来。这种 放大器能隔离几千 伏的电压，然而它 的频率响应和增益 比常规放大器的低.,5.3.2 变压器隔离,变压器隔离可用于频率为几十千赫兹的电路。变压器的设计要确保在整个工作频段上有线性响应，且相位移最小。,5.3.3 光隔离器,把发光二极管和光检测器配合使用可以做成光隔离器件。应使器件工作在线性区，还要使输入信号不超出器件特性的极限。,5.4 相敏检波器和锁相环,5.4.1相敏检波器,相敏检波器实际上是一个两位开关，交替地输出未反相输人信号和反相输入信号，如图所示。,如果Vi和Vr都是正弦信号，则 如果把输出信号Vo送到一个截止频率近乎零Hz的低通滤波器，仅当Vi与Vr频率相等时，滤波器才会有输出，且含直流分量。 另，滤波器输出信号的大小取决于输入信号与参考信号的相位关系。当i为0或180时，输出信号最大；当i为90或270时，输出信号等于零。由于这个原因，参考信号的移相能力要能保证输出最大。,5.4.2 锁相环,用相敏检波器和压控振荡器还可以构成如图的锁相环，可用以跟踪某个频率的信号而无需再用任何外部参考量。相敏检波器滤波级的输出信号经放大后作为压控振荡器的控制信号，压控振荡器的输出又给相敏检波器提供了参考信号。,5.5 多路复用,多路复用的目的是为了使若干个数据源能共用一个信号数据通道。 5.5.1 时分复用 5.5.2 频分复用,5.5.1 时分复用,在时分复用制(TDM)下，每个数据源依次与数据通道接通，轮换着传输数据。但TDM有一个很大的问题，数据处理单元只能在不同的时间段里得到各个数据源的数据，无法做信息之间的比较，除非为每一个数据源同时做采样保持操作。由于这个原因，TDM通常用于数据量大而变化相对缓慢的系统，如压力、温度、静应力的测量系统。由于采用离散数据，TDM尤适用于数字信号处理。,5.5.2 频分复用,在频分复用制(FDM)下，每个数据源调制一个副载波频率，然后把这些副载波混合起来调制另一个高频载波，这个高频载波就用于向接收装置发送信息。在接收端，把高频载波解调后，用滤波器分离出各副载波，就能从各副载波中提取出信息。调幅制和调频制都可以采用，这一技术适用于模拟信号处理。,5.6 滤 波 器,滤波器用于阻止某些频率的信号通过。实际上要完全去除不需要的频率分量是不可能的，只能把它们衰减到一定程度。图中给出了几种理想滤波器特性和相应的实际特性。,图 几种滤波器特性,实用中，滤波器设计就是要尽可能地实现所需的理想特性。为了接近理想特性，所用的模拟电路日益复杂，价格日益昂贵，这些因素导致了数字滤波器的发展。数字滤波器能够实现模拟滤波器的全部特性，还能达到模拟技术所不能达到的性能。但是，数字滤波器的频率范围受制于采样速率。对于超出此频率范围的信号，还得用模拟滤波器。 实际应用时，无论采用数字滤波器还是模拟滤波器，都要在性能、复杂程度和成本间寻求平衡。,5.6.1 模拟滤波器,模拟滤波器可以用有源电路或无源电路实现。无源滤波器简单，无需外加电源，但其性能不如有源滤波器。制约无源滤波器性能的主要因素是元件本身并非理想的，譬如导线电阻。 滤波的主要特性指标有：3dB带宽、有效噪声带宽、选择性和响应时间。,3dB带宽,3dB带宽指滤波器通频带内增益水平下降3dB时的带宽，见图。这是最常用的一个指标。,滤波器带宽和波形因数,有效噪声带宽,有效噪声带宽是把实际滤波器性能与一个理想滤波器性能作比较，设一个理想滤波器与一个实际滤波器在各自通带内传送白噪声，并且两个被传送的白噪声信号的幅度和功率都相同，这时该理想滤波器的带宽就是该实际滤波器的有效噪声带宽。,选择性和响应时间,滤波器的选择性用波形因数表示，是滤波器对不同频率分量分辨能力的度量。波形因数定义为60dB,带宽与3dB带宽之比，若动态范围小于60dB，则用40dB带宽与3dB带宽比。滤波器并不是立刻对输出信号电子作出响应。 响应时间即指出信号达到稳定电平值实际所需的时间，是带宽的倒数。,左图给出了几种常用的无源滤波器实现形式，其中每一种滤波器的信号衰减都是很平缓的。要得到陡峭的频率特性，可以把若干个相似级连接起来形成梯形网络，如右图。用这个办法可以构成各种复杂的滤波器。,巴特沃兹滤波器,其幅频特性在0时单调减，又称为最平响应滤波器。,切贝雪夫滤波器,其又称为等起伏滤波器。幅频特性在通频带内是等起伏函数，而在通带外和阻带则为单调减函数。,椭圆函数滤波器,它的幅频特性在通带内和阻带内都是起伏函数。,有源模拟滤波器使用了运算放大器模拟“理想”元件，并且在滤波器输入输出端可以实现正确的阻抗匹配。这使得有源滤波器的性能更接近理想特性，但是也更复杂，同时带来一些新问题，比如漂移。,图示是简单的有源低通和高通滤波器的实现。有源模拟滤波器可实现多种特性，如上述巴特沃兹、切贝雪夫和椭圆函数滤波器。,图 简单的有源滤波器,5.6.2 数字滤波器：采样定理,数字滤波器以一系 列离散采样值的方 式采集数据，如图 所示。 这一系列量化的电平经处理后输出，处理的过程就是滤波的过程。数字滤波器设计的理基础是Z变换。详细z变换讨论不在本课内容范围之内，可查看相关参考书目。,数字滤波器的原理方块图见图，与许多模拟滤波器相比，数字滤波器的频率响应特性近乎理想；无零漂；很容易用于低频信号；无插入损失；能实现线性相频特性；能做成自适应滤波器。,任何数字系统都有 一系列确定的量化 电平值，而模拟系 统则没有这些确定 的电平值。所以， 数字滤波器的精度与所采用的位数有关。位数增加，精度可以提高，有关的硬件价格也上升。设计滤波器就是要在精度、价格之间权衡。,采样定理,数字滤波器还要满足Shannon采样定理。为了完全重现被采样的连续信号，采样频率必须高于原信号中最高频率分量的频率两倍以上，即 fs2fmax,在一些复杂的系统中，如光盘系统，高性能数字滤波器是基本部件，其性能是模拟滤波器所不能及的。随着微电子技术发展，硬件功能不断增强而价格不断下降，数字滤波器的使用将愈来愈普遍，其性能将超过模拟滤波器，并在许多场合取而代之。,5.6.3 预处理滤波器和后整理滤波器,预处理滤波和后整理滤波能改善系统的噪声性能，尤其是抑制高频噪声。参看图a)，输入信号首先通过预处理滤波器，滤波特性如图b)，这种特性能高高频分量的幅度，随后由主系统对信号作处理。主系统级会给信号增加噪声，主系统级输出的信号再通过后整理滤波器。后整理滤波器的特性如图c)。这样就衰减了高频分量和附加噪声。,图 数据的预处理滤波和后整理滤波,57 数字信号的处理和分析,数字信号处理是用微处理器的计算功能分析信号数据。数字技术能做温度补偿、信号线性化、滤波以及快速傅里叶变换这类复变函数分析运算。数字系统的长期稳定牲好，不受漂移等因素的影响。但是比起同样功能的模拟系统来，系统所需的运算时间较长。另外，必须保证数字系统固有的延时不会影响系统的运行稳定性。,5.7.1 数字信号处理,利用处理器的强大功能可以对传感器的输出信号作各种各样的分析和运算，包括数据线性化和温度补偿以及傅里叶分析、自检、自校准等更复杂的操作。还可以把多个信号源的信息送到一个处理器，这样就能了解复杂环境的详情。,线性化,有时候传感器输出与被测参数之间的关系很复杂，不能直接用模拟信号处理技术。对于具有非线性特性的传感器，处理器的计算能力和查表功能使这类传感器的应用日益广泛。,补 偿,有些传感器用的材料是性质较活泼的硅类材料，对温度等诸多环境条件很敏感，这样会使输出信号畸变。可用其他手段分别检测各个外部条件，然后可由微处理器做适当的补偿。,信号的平均,重复信号易受随机噪声的干扰，求信号平均值能从噪声中恢复信号。假设一个信号加入了均值为0，标准差为n的高斯白噪声，对它接连采了N组样，每组，1个样本值，每个样本值都含有信号和噪声。对这N组样本求简单平均值 平均之后噪声仍保持其高斯分布，但标准差已变为 因此ra更接近信号的实际值。,5.7.2 离散傅里叶分析,傅里叶分析是强有力的分析工具，广泛用于提取关于系统行为的信息。用傅里叶正变换式(上)和傅里叶逆变换式(下)可以把信号从时域变换到频域或从频域变换到时域。在频域里可以获得功率谱密度等信息，可以应用相关分析和谱分析工具。,离散傅里叶变换(DFT)用于周期性数字信号分析，这种信号在频域里也是周期性的。DFT运算确定了所谓奈奎斯特频率(Nyquist frequency)，它等于采样频率的一半。奈奎斯特频率以上的各频率分量可能会与以下的各频率分量混淆。这正符