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文档简介

第3章 信号转换与调理,机械工程测试技术,便于信号的传输与处理,信号转换与调理的目的:,第3章 信号转换与调理,1. 传感器输出信号很微弱,无法直接驱动显示记录仪表,需要进行放大。,4. 能量转换型传感器输出的是电信号,但混杂有干扰噪声, 需要进行滤波,提高信噪比。,2. 传感器输出信号不仅微弱,而且变化缓慢(频率低),若用交流放大器放大,需要进行调制解调处理。,3. 能量控制型传感器输出的是电参量,需要转换成电信号才能进行处理(电桥)。,5. 传感器输出信号若送给计算机进行分析与处理时,必须进行A/D转换;为了实现远距离传输,必须进行V/I或V/F转换。,1. 电压-电流转换,作用:减小传输导线阻抗对信号的衰减,(1)负载浮地型V/I转换电路,优点:与负载电阻RL无关,具有恒流特性。 缺点:负载必须悬浮,不能接地,不适用于某些应用场合。,3.1 信号转换与放大,3.1.1 信号转换,第3章 信号转换与调理,(2)负载接地型V/I转换电路,(取 ),3.1.1 信号转换,案例:AD694在啤酒发酵温度控制系统中的应用,LM35温度传感器对发酵罐内温度进行采样,信号放大 后经A/D转换送至微处理器。微处理器根据模糊积分控制算 法的运算结果将控制信号输出至D/A转换器,再放大为0-10V 的电压信号,最后利用AD694进行V/I转换,得到4-20mA的 电流信号,自动调节冷却阀门的开度,使冷却夹套内的冷媒 带走多余的反应热,实现发酵罐温度的控制。,3.1.1 信号转换,利用AD694进行V/I转换的电路:,输入量程选择引脚4悬空,表示输入电压范围为0-10V, 4mA偏置电流选择引脚9接地,表示输出电流范围4-20mA。 由于感性负载电流输出引脚11与地之间跨接0.01F的电容, 二极管VD1和VD2防止负载电压过高或过低时损坏AD694。,3.1.1 信号转换,要求:(1)电流源内阻RS很大,减小输入失调电压影响; (2)ISIb运放的输入偏置电流。,2. 电流-电压转换,简单方法:在输出电路中串接精密电阻,通过测量电阻 两端的电压即可完成转换,但对后续电路会产生负载效应。,(1)反相输入型,3.1.1 信号转换,(2)同相输入型,要求:R4=R2/R3,3.1.1 信号转换,3. 电压-频率转换,当Uo1=0UREF时,输出Uo为高电平,V1截止,积分器对 Ui积分,使Uo1减小。当Uo1UREF时,Uo将跃变为低电平,V1 导通,C1迅速放电,使Uo1增大,如此重复电路产生自激振荡。,3.1.1 信号转换,作用:实现远距离传输(调频),案例:LM331在香烟包装机温度检测中的应用,热电偶输出的电压信号放大后再利用LM331转换为频率 信号,频率信号经远距离传输通过光电隔离送入微处理器, 微处理器对该频率信号进行处理,输出控制信号经功率放大 后驱动可控硅,利用过零触发方式控制加热器电源的通断。,3.1.1 信号转换,利用LM331进行V/F转换的电路:,Rt、Ct、A2、 V1和RS触发器组 成单稳定时器。,R1和C1组成低 通滤波器,减少输 入电压的干扰,提 高转换精度。RS用 于调节充电电流IS。,3.1.1 信号转换,案例:LM331在齿轮转速测量中的应用,4. 频率-电压转换,3.1.1 信号转换,5. 模拟信号-数字信号转换,双积分型:对输入信号的交流干扰有较强的抑制能力,精度 较高,缺点是转换速度较慢。,逐次逼近型:转换速度较快,精度较高,而且电路较为简单, 因此应用最为广泛,种类也最多。,并行比较型:转换速度最快,但难以达到很高的分辨率,且 电路复杂,功耗大,成本高。,A/D转换过程:采样、量化和编码 采样:在时间上离散,用模拟信号与脉冲序列相乘实现。 量化:在幅值上离散,利用四舍五入规则,用有限个某一最 小当量的整数倍数值来代替采样值。 编码:编码与量化同时完成,通常用二进制码表示。,3.1.1 信号转换,A/D转换器的技术指标:,分辨率:对应一个数字输出的模拟输入电压有一定范围,若 超过这个幅度范围,数字输出就会发生变化,能分 辨的输入模拟电压的最小变化量叫做分辨率。通常 用一个单位分辨率(LSB)或输出二进制位数来表示。 或,量化误差:通过量化将连续量转换成离散量,必然存在类似 于四舍五入产生的误差,最大量化误差=LSB/2。,3.1.1 信号转换,转换精度:实际ADC在量化值上与理想ADC量化值的差值, 可用绝对误差或相对误差表示。由于实际ADC 的量化值除了含有量化误差外,还有非线性误差、 使用元件和噪声等产生误差。,A/D转换器的技术指标:,转换时间:完成一次转换所需要的时间,转换速率是转换时 间的倒数。双积分型转换速率较低,转换时间为 毫秒级,可用于温度、压力或流量等缓慢变化的 信号检测。逐次逼近型属于中速ADC转换器,可 用于多通道数据采集或声频数字转换等领域。并 行转换型转换速率很高,适用于雷达、数字通信、 实时光谱分析、实时信号记录或视频数字转换等。,3.1.1 信号转换,案例:AD1674与89C51的接口电路,3.1.1 信号转换,6. 数字信号-模拟信号转换,案例:DAC1208与89C51的接口电路,转换结果通过 IOUT1和IOUT2 以电流形式输 出,运算放大 器A的作用是 将输出电流转 换为电压,输 出电压为单极 性方式,且,3.1.1 信号转换,DAC1208的双极性电压输出方式:,当被控对象需要双极性电压时,可用两个运算放大器A1 和A2,输出电压为,当参考电压UREF为正时,若输入数字量的最高位d11为 “1”,则输出电压uo2为正;若d11为“0”,则uo2为负。,3.1.1 信号转换,案例:DAC1208在程控低通滤波器中的应用,DAC1208的参考电压UREF由电压跟随器A1提供,频率特性为:,低通滤波器的截止频率 与输入的12位数字量D 有关,利用微处理器改变D值即可改变截止频率。,3.1.1 信号转换,放大器的性能要求: 开环增益足够大,闭环增益可调; 输入阻抗高(与传感器输出阻抗相匹配),输出阻抗低; 共模抑制比高:CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc; 足够的带宽和转换速率; 漂移小、噪声低、输入失调电压低、输入失调电流小。,3.1.2 信号放大,3.1 信号转换与放大,1. 反相放大器,3.1.2 信号放大,特点:输入阻抗高,但精度低,易受干扰。,2. 同相放大器,3.1.2 信号放大,3. 差动放大器,取 R1=R3,R2=R4,则,Uid= Ui2Ui1,Uic=(Ui1+ Ui2)/2,特点:CMRR高,但输入阻抗较低,增益调节困难。,3.1.2 信号放大,4. 仪用放大器,A1A2:两个对称 的同相放大器,以 提高输入阻抗;,A3:差动放大器, 以抵消前级的共模 干扰,而且还将双 端输入转换为单端 输出,适应对地负 载的需要。,3.1.2 信号放大,3.1.2 信号放大,集成仪用放大器INA114的内部结构:,3.1.2 信号放大,案例:INA114与测量电桥的连接,3.1.2 信号放大,案例:INA114在光功率自动控制电路中的应用,光功率自动控制电路的作用:克服供电电源波动或光源 老化等因素的影响,确保光源输出功率稳定。,3.1.2 信号放大,当激光器LD因某种原因功率增大时,耦合至光敏二极 管PIN的光电流也同比例增大,从而使电阻R1上的电位升高。 此时INA114的输出电压Uo降低,即U1也降低,流过LD的电 流I也相应降低,从而达到降低LD辐射功率。,3.1.2 信号放大,5. 程控增益放大器,3.1.2 信号放大,案例:AD526在超声波测距中的应用,微处理器根据输入信号的幅值自动调整AD526的增益, 保证在整个测量范围处理后的回波信号具有合适的动态范围。,模拟开关:保证在发射超声波时接收电路关闭,避免干扰。,3.1.2 信号放大,3.3 调制与解调,目的:解决微弱缓变信号的放大以及 信号的传输问题。,第3章 信号转换与调理,先将微弱的缓变信号(被测信号)用高频载波加载 到高频交流信号中,然后用交流放大器进行放大, 最后再从放大器的输出信号中取出放大的缓变信号。,3.3 调制与解调,3.3 调制与解调,3.3.1 调幅及其解调,1.双边带调幅: 直接将高频载波与被测信号(调制波) 相乘,载波信号的幅值随被测信号发生变化。,3.3 调制与解调,双边带调幅与同步解调过程(波形分析时域分析),3.3.1 调幅及其解调,双边带调幅与同步解调过程(频域分析),3.3.1 调幅及其解调,双边带调幅与同步解调过程(数学分析),3.3.1 调幅及其解调,2. 偏置调幅: 把被测信号x(t)进行偏置,叠加一个直 流分量A,使偏置后的信号都具有正电压,然后再 与高频载波相乘得到调幅波。,3.3.1 调幅及其解调,偏置调幅波形分析:,3.3.1 调幅及其解调,偏置调幅 的解调,低通滤波,二极管检波,(包络检波),3.3.1 调幅及其解调,调幅波的波形失真:,(1)过调失真:对于偏置调幅,要求其直流偏置 必须足够大,否则x(t)的相位将发生180o。,3.3.1 调幅及其解调,(2)重叠失真:双边带调幅波是由一对每边为fm的 双边带信号组成。当载波频率f0较低时,正频端的下 边带将与负频端的上边带相重叠。要求: f010fm,3.3.1 调幅及其解调,y(t),xo(t),3. 相敏检波,作用: (1)同步解调 (2)判断极性,3.3.1 调幅及其解调,当y(t)0时,V1截止,V2导通,运算放大器A2的 反相输入端接地,调幅波xm(t)从A2同相输入端输入。,3.3.1 调幅及其解调,当y(t)0时,V1导通,V2截止,运算放大器A2的 同相输入端接地,调幅波xm(t)从A2反相输入端输入。,3.3.1 调幅及其解调,波形分析:,3.3.1 调幅及其解调,差动电阻、电容、电感传感器后接仪表方框图,3.3.1 调幅及其解调,3.3.2 调频及其鉴频,调频是利用被测信号x(t)的幅值控制高频载波的频率,即 调频波是一种随被测信号x(t)的幅值而变化的疏密程度不同的 等幅波。调频实质是电压-频率转换的过程。,3.3 调制与解调,1. 调频原理,3.3.2 调频及其鉴频,压控振荡器(VCO)调频:,3.3.2 调频及其鉴频,当Uy=+UD(稳压管 的稳压值)时,乘法器 输出Uz0,电容C充 电,反相积分器A2的 输出U2减小。当U2- UD时,正反馈放大器 A1翻转,Uy=-UD;,当Uy=-UD时,乘法器输出Uz+UD时,正反馈放大器A1又翻转, Uy=+UD。由此可见,压控振荡器的输出信号Uy为方波,其频 率与被测信号Ux成正比。,设Ux是恒值正电压,则,3.3.2 调频及其鉴频,2. 鉴频原理,采用变压器耦合的谐振回路进行鉴频,把频率变化转换 为电压幅值的变化。鉴频实质是频率-电压转换的过程。,3.3.2 调频及其鉴频,频率电压线性变换部分将等幅的调频波uf转换为幅值 随频率变化的调频调幅波ua。幅值检波部分检测幅值的变化, 得到叠加了偏置电压的调制波uo,去掉uo中的直流偏置电压 即可获得原被测信号(调制信号)。,3.3.2 调频及其鉴频,调频优点:抗干扰能力强,调频波通常要求频带很宽,为调幅所要求带宽 的20倍;调频电路比调幅电路复杂,因为频率调制 是一种非线性调制。,因为调频波所携带的信息包含在频率变化中, 并非幅值变化,而干扰波的干扰作用则主要表现在 幅值中。,调频缺点:要求频带宽、电路复杂,3.3.2 调频及其鉴频,案例:旋转机械扭矩测量(调幅),3.3 调制与解调,案例:铁路机车调度 信号检测(调频),调制频率8.5Hz,绿灯 调制频率23.5Hz,红灯,3.3 调制与解调,3.4 滤波器,滤波器是一种选频装置,使信号中特定频率成分通过,而极大地衰减其他频率成分。,第3章 信号转换与调理,3.4.1 滤波器的分类(按所选频率分),3.4 滤波器,3.4.1 滤波器的分类,3.4.2 滤波器的特性,理想滤波器是指在通带内信号的幅值为一常数A0,相位与频率成线性关系。阻带区的频率成分都衰减为零,其通带和阻带之间有竖直分界线。,其他,1. 理想滤波器,3.4 滤波器,2. 实际滤波器,理想滤波器是不存在的,实际滤波器的幅频特 性并非为常数,通带和阻带之间也没有严格界限, 存在过渡带。,3.4.2 滤波器的特性,(1)波纹幅度d:通带内幅频特性的波动量;,(2)截止频率fc:A( f )=0.707A0所对应的频率;,3.4.2 滤波器的特性,(4)倍频程选择性W:频率变化一倍幅值的衰减量。,(5)滤波器因数 :-60dB带宽与-3dB带宽的比值。,(3)带宽B和品质因数Q:上下截止频率之差称为带宽。中心频率 和-3dB带宽B之比称为品质因数 。,3.4.2 滤波器的特性,3.4.3 RC有源滤波器,RC有源滤波器由RC无源滤波网络和运算放大器组成。运算放大器的作用: (1)放大信号;(2)减小负载效应(级间隔离),3.4 滤波器,1. 一阶有源低通滤波器,3.4.3 RC有源滤波器,当 时, 理想状态,当 时, 积分环节,上截止频率:,通带增益:,上截止频率:,通带增益:,通带外侧的高频衰减率为-20dB/十倍频程。,3.4.3 RC有源滤波器,2. 二阶有源低通滤波器,通带外侧的高频衰减率为-40dB/十倍频程。,(1)由两个一阶低通滤波器的简单组合,3.4.3 RC有源滤波器,(2)压控电压源型低通滤波器,由运算放大器A和电阻Rf、R3组成的电压源受 控于同相端电压,故称为压控电压源型滤波器。,3.4.3 RC有源滤波器,(3)无限增益多路反馈型低通滤波器,该电路以高增益的运算放大器和多反馈回路为 核心,故称为无限增益多路反馈型滤波器。,3.4.3 RC有源滤波器,3. 二阶有源带通滤波器,3.4.3 RC有源滤波器,当 , 时,K1闭合,K2断开,ui向C充电, 充电电荷为:,4. 开关电容滤波器,利用开关和电容代替电路中与频率有关的电阻。,(1)开关电容单元电路,当 , 时,K1断开,K2闭合,C向外放电, 放电电荷为:,3.4.3 RC有源滤波器,在一个时钟脉冲周期TCLK内电容单元转移的电荷为:,流过电容单元的平均电流为:,当TCLK很小时,开关电容单元的等效电阻为:,3.4.3 RC有源滤波器,(2)开关电容低通滤波器,由等效电路可得上截止频率为:,改变时钟脉冲频率fCLK即可调节滤波器的截止频率。,3.4.3 RC有源滤波器,恒带宽与恒带宽比滤波器:,实际滤波器的中心频率是可调的,根据中心频 率与带宽之间的数值关系,可分为两种。,(1)恒带宽比带通滤波器(高频分辨率低),(2)恒带宽带通滤波器(分辨率高),3.4 滤波器,若将低通滤波器中的RC互换位置,则变为高通滤波器, 低通滤波器和高通滤波器是最基本的形式,其它滤波器都 可以分解为这两种类型的滤波器。,滤波器的串联并联:,3.4 滤波器,产品:,LineDa: LTC1564,MAXIM: MAX74xx,3.4 滤波器,案例:旅游索道钢缆检测,3.4 滤波器,由案例提炼的典型实验:钢管无损探伤,滤除信号中的零漂和低频晃动,便于门限报警,3.4 滤波器,案例:机床轴心轨迹的滤波处理,3.4 滤波器,案例:机床轴心轨迹的滤波处理,滤除信号中

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