（农业电气化与自动化专业论文）多路信号调制方法与技术的研究.pdf

摘要为能够在车辆牵引性能测试中采用遥测技术，本文研究了一种兼容性好、通用性强、低成本，使用方便的调制器。我所做的具体工作包括：传感器信号的前置处理、归一化变换及压缩、信号的一次变换和信号的二二次变换。较为深入的研究了低通滤波器的设计和数一模转换器、压控振荡器在较好线性下的电路设计。具体技术路线如下：先将由多路传感器输出的信号进行归一化处理，即将所有传感器信号( 包括模拟量) 转换成多路方波脉冲信号，以形成多位并行信号的状态码，将其作为d a c 的数据输入信号，从而得到一系列离散的模拟信号输出，作为v c o 的输入信号，最终在v c o 输出端形成高频的调制信号。关键词凋制，信号变换，数一模转换，压控振荡器，低通滤波器a b s t r a c tt ot a k ea d v a n t a g eo ft e l e m e t 。yt e c h n i q u e ，t h ep a p e fh a sd e v e l o p e dam o d u l a t o rw i t hg o o dc o m p a t i b i l j t 弘v e r s a t j 】j t x 】o wc o s ta n dc o n v en j e n c et h er e s e a r c hi n c h l d e s ：t h ep r e p r o c s s n go fs e n s o rs i g n a l ，t h en o r n l a l i z a t i o na n dc o m p r e s s i o n ，s i g n a lt r a n s f e r e n c e si nt h e6 r s la n ds e c o n dp h a s e s ，w h i c he n s u r e da ni n - d e p t hs t l i d yo fc i r c u i td e s i g n i n gf o rt h ei o w p a s sw a v en l t e r ，t h ed i g i t a l 。a n a l o gc o n v e n e r ，t 1 1 ev 0 1 t a g ec o n t r 0 1 l e do s c a t o ru n d e rt h ec o m p a r a t i v e i yi d e a l l i n e a r j t yt h es p e c j cr o u l ei sa sf o l l o w sf l r s t 】y ，t h eo u t p u ls i g n a l s 疗o mt h em u l t i p a t hs e n s o ra r en o r n a l i z e d ，j e ，a l 】s e n s o rs i g n a l s ( i n c l u d i n gt h ea n a l o gd a l a ) a r et r a n s f o f m e di n l om u l i j p a t hs q u a r ew a v epu l s es i g n a l st of o r mr nu j t i p a t hp a r a i l e 】c o n d i t i o nc o d e st h e s ec o d e sa r et r e a t e da si n p u ts i g n a 】st 、o rd a ct oo b t a j nas e “e so fd i s p e r s e da n a i o gs i g n a i sf o ro u t p u ta si n p u ts i g n a i sf o rt h ev c o f i n a l l y ，ah i 曲f r e q u e n c ym o d u la l j o ns i g n a 【i sc o n d u c t e da tt h ev c o so l i t 口l l t k e y w o r d s ：m 。d u o n ，t h es i g n a lc o n v e r s i o n ，t h ed i g i t a l - a n a 】o gc o n v e r t e r ，t h ev o i t a g ec o n t r o i j e do s c i l l a l o r t h e 】o w d a s sn 】t e ?第一章绪论汽车t 业作为国民经济的支柱产业，近2 0 年米得到迅猛的发展。如：上海大众、一汽大众、天津夏利和上海通用等合资企业的相继建成，引进吸收了一大批国外先进的产品、工艺和装备，使我国的汽车产业的技术水平发生了质的飞跃。汽车性能的检测技术作为汽车制造技术的重要组成部分，它的地位和作用也得到了人们充分的认识和肯定，对于传统的检测手段已经面临着前所未有的挑战。11国内车辆牵引性能测试的现状由丁| 目前，国内在车辆动力性能测试中仍采删传统的信号线传输方式，因此在测试过程中存在许多不便。例如：在车辆牵引性能测试过程中被测车和负荷车之间要用钢丝绳进行连接，被测车上装有多个传感器( 发动机转述传感器、转数传感器、拉力传感器、燃油消耗传感器等) ，带有删试仪器的负荷车在后，同时测试仪器要通过电缆与各传感器相连。如图l l 所示：图卜1牵引性能测试过程示意图1这样势必会带来诸多问题：1 测试过程中，被测车和负荷车之间的距离一般大于1 ( 】米。若两车距离太近则会形成事故隐患；若两车距离太远则测试或操作时不便于同步，且会形成信号干扰，造成较大的测量误差。另外，在测试过程中转弯时操作者应随时注意收紧电缆，以免发生电缆的相互缠绕或压断( 如图卜2 所示) ，而影响测试过程。图卜2 牵引性能测试过程示意图2 有一些较大型的测试系统中若采用有线传输，往往给线路的维护、检修等造成极大不便。而采用信号的无线传输则会带来许多便利。例如我院汽车底盘模拟测功系统信号传输采用的是传统的有线传输方式。为了避免噪声，控制室一般都要进行密封处理，而控制室与测试现场之间的信号电缆一般采用地沟布线，这不但增加了施1 难度，而且常遭鼠类破坏从而影响系统正常一【：作( 如幽1 _ 3 所示) 。图卜3 底盘测功系统3 若对信号进行记录，通常采用多通道磁带记录仪。而多通道磁带记录仪，一般采用多磁头、多调制电路的f m 调制方式。其共有的缺点是：信号通道越多，则频率响应越差；且电路结构越复杂，同时设备价格昂贵。例如日本生产的t e a c r 8 1 七通道磁带记录仪采用的是f m 调频制，其价格接近l万美元，而且还要使用价格昂贵的专用磁带。目前，尽管可采用遥控车来改善车辆牵引性能的测试手段，但系统复杂且价格昂贵，不便于普及和推广同时也不适合我国国情。1 2 本文研究的目的及意义为了解决上述问题，研究一种兼容性好、通用性强、低成本、使用方便的多通道信号调制装置，对实现信号的无线传输、改善测试手段、方便测试2过程有着相当重要的意义。该课题的主要任务就是要研究一种适合于对多通道信号进行调制的装置。该装置能对现场信号进行在线调制，实时性好、适应性强、适用范围广，它既可对载波进行调制又可用作信号记录仪等设备的输入信号进行多通道信号记录。由此可见，该项研究具有较高的实用价值和较好的应用前景。1 3 研究的内容和方法该调制技术的基本设计思想是对整个调制过程采用二次变换完成，先将现场信号进行处理，利用d a c 产生一次变换信号后送入v c 0 ，由v c 0 完成二次变换。其具体技术路线如下：先将现场各传感器信号进行前萱处理，再进行归一化和二分频( 以压缩信号带宽) ，即将所有传感器信号( 包括模拟量信号) 都转换成m 路方波脉冲信号，以形成m 位并行信号的状态码，将其作为n 位d a c 的数据输入信号，由d a c 的转换函数可得到：吨一毒譬一1z其中n 为d a c 的转换字长，d i 为d a c 的第i 位输入码，v 。为d a c 的基准电压。d a c 的转换字长n 的选取可由信号通道数m 确定，一般为n m 。利用转换函数将多路信号转换成一路输出，实现信号的一次变换。例如对6 路信号进行调制可选8 位字长的d a c 0 83 2 。由上式可知d a c 的输出为离散的模拟信号可通过低通滤波器对转换过渡干扰处理后，作为v c o 的输入信号进行二次变换。由于v c o 的转换函数为：= 4 矿其中k 为v c o 的转换灵敏度系数，f 为输入调制信号v 引起的频率增量。于是可利用v c 0 的输出作为调制信号对载波器进行调制，从而完成了对整个过程的调制。载波器可选用红外或无线电波。如仅仅作多通道信号记录，则可直接利用v c o 的输出或经衰减屙作为磁带机的输入信号，但此时仅使用单通道磁带机即可。1 4 系统的构成整个系统主要由四部分构成，如图卜4 所示。传感一器信m归m次次载号的一变变卜前置化换换波处理i变1电电电路换路路器图卜4多通道信号调制系统框图第二章传感器信号的前置处理及归化2 1引言传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置。通常由敏感元件和转换元件构成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分，转换元件指传感器中能将敏感元件输出转换为适丁传输和测量的电信号部分。传感器的种类繁多，与系统有关的为：发动机转速传感器、转数传感器、拉力传感器和燃油消耗传感器。本章主要介绍以上传感器的工作原理、输出信号的前置处理以及为了克服磁电式传感器低速响应差而提出的新型传感器的研究。2 2牵引力信号通道的设计2 2 1牵引力传感器工作原理牵引力传感器采用的是电阻应变式拉力传感器。其工作原理为：该传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。弹性敏感元件在感受到被测量时将产生变形，其表面产生应变。而粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性元什产生应变，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。这样，通过测量电阻应变片的电阻值的变化，就可以确定被测量的大小了。等= k c z式中k 为电阻应变片的灵敏系数占：= 形一金属丝的轴向应变应变片虽然可以把应变的变化转化为电阻的变化，但是为实现记录应变的人小，还要把电阻的变化再转换为电压或电流的变化，完成上述作用的电路称为电阻应变式传感器的信号调节电路，一般采用测量电桥。它包括：平衡电桥和不平衡电桥。因为平衡电桥的效率较低，不适用于动态量的测量，所以在此采用不平衡电桥作为测试电路。不平衡电桥的工作原理：不平衡电桥是利用电桥输出电流或电压与各参数间的关系进行工作的。此时在电桥的输出端接入检流计或放大器。电路见图21 所示：图中是由交流电u 供电的交流电桥电路，第一臂是应变片，其他三臂为固定电阻。应变片末承受应变，此时阻值为r ，电r桥处于平衡状态，电桥输出电压为o 。当承受应变时，产生r 。的变化，电桥变化不平衡电压输出u 。盟尘玑2 舟捻盘两筠两u2 22前置放大电路的设计与计算为了有效的抑制加在放大电路中的干扰信号，采娟具有高阻抗、低噪声低漂移的集成运算放大器构成前置放人电路。电路如图2 2 所示。6图2 2拉力传感器前置放大电路单级运放构成的放大器的输入阻抗不足够高，不能实现与传感器高输出阻抗的匹配，在此该电路采用了双遥放输入电路a 1 、a 2 提高输入阻抗，由于电路对称，它* 的漂移和失调都相互抵消，再利用一级差分放大器a3 将般端输入转换为单端输出。因为圈中r 2 = r 27 ，r 1 = r 1 ，r 4 = r 4 电路对称，所以若在输入端加上差模输入信号u ，时，则电阻r3 的中点将为交流地电位，此时a 1 的工作情况如下图图2 3a 1 工作情况分析参小等7同理，对于a 2 来说= ( ，+ 静，。= ( t + 种：= ( ，+ 静： 十甜扩) = 1 + 种第一级的电压放大倍数为a3 是筹分输入比例放人所以4 ，= 半小鲁甜，a 1如= 焘一等z z o i z f 0 2“l爿广氐一：= 一等 ，+ 刳根据需要对拉力传感器的输出放大30 倍，即a v = 3 0 ，分别取r 2 = r 2 = r 3 = 2 k ，r 1 = r 1 = 1 0 k ，r 4 = r 47 = 1 0 0 k2 23信号抗干扰的设计与计算对于弱信号的传输，还应考虑遇到的不可忽略的噪声和干扰，必须采用滤波电路对其进行处理。广义的说滤波是一种选择过程，滤波器的输出乃是输入的一个经过选择的子集。由基本的信号理论可知：任意周期为u 的周期波形可用博立叶级数展开式表示为：s r f j = a 。+ a c o 占七珊r + 6 占伽枷r其中系数a 。和b t 确定了的谐波分量，ao 与频率无关，称为直流分量，富有谐波的s ( t ) 作用于滤波器时，滤波过程将改变系数8 k 和b k 的大小。目前，常用的滤波器根据元件可分为：无源l c 滤波器、陶瓷滤波器、晶体滤波器、r c 有源滤波器等多种形式。因为有源的r c 滤波器具有以下突出特点：( 1 ) 由于不采用电感线圈，r c 有源滤波器具有体积小、重量轻、非线性失真小等优点。( 2 ) 由于采用运放，可避免各滤波节之间的负载效应，且易于电路调整。( 3 ) 满足滤波性能的同时，还可以获得一定的增益。( 4 ) 受环境条件影响小。拉力传感器的输出为低频信号，为了得到较为陡峭的频率特性，采用二阶r c 低通滤波电路。1 滤波电路及其传递函数寺撵圉2 4二阶r c 有源低通滤波器二阶r c 有源低通滤波器的电路见图2 4 。为了明确其工作过程，对传递函数g ( s ) 推导如下：先将原电路变形为图2 一j 。萍同f圈2 5二阶r c 有源低通滤波器等效电路根据运算放大器的特点及节点电压法，得到图中a 、b 节点的节点方程( 一+ 匕+ 匕) 圪一_ 一匕一y 3 = o( 匕+ ) 一k 圪= o其中，k ：丘将其代入以上两式，再用消元法消去圪得“4 ，“9铮= 而而群一一l ( y i + y 2 + y 3 ) + k 匠+ 匕( 1 一爿，) 因为传递函数是指电路输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比并且_ = 去匕= ，巧= s c所以g = 器=a ，之l 墨：墨：竺，笪：)，若：峨= ( r r ：c c ：) j眠2 志+ 去+ ( 1 一) 壶侧。2 而+ 面+ 素妣g 陆鑫s + c 。s 十令；r 1 = r = r i = c 2 = cg 0 ) =爿巧二刁万丽巧蕊万再卡艮据集成运算方叟大器虚、“虚断特点：4 - 1 + 云r 。我们称口为阻尼系数，也可用品质冈数袭示q ：三a瓯为电路中的通带截止频率还可以得出频率特性一) =3 一爿，o2滤波器电路元件参数的设计与计算对于低通滤波电路中的元件的选取应根据电路的频率特性，由于频率特性的形状主要取决子特性参数a ( 0 ) 和。，所以应先根据它们的要求设计元什参数，然后再考虑通带增益。二阶r c 有源低通滤波器的幅频特性见图2 6 。由图可知：阻尼系数选的过火或过小都不合适。d 太大，当国= 国时，电路衰减大；太小，当= 。附近有很大峰值。分析：口= 1 4 14 时，电路的特性2 0 1 2 a ( u )- 2 0o 5圉2 6二阶r c 低通滤波器的幅频特性一) =仃mz 。s 爿c ，= 一。，s ，+ ( 丢 4 刷折段近似表示：厂 兀时，z 。s 爿白，一，。- s 丢 4 = 一。，s 丢即此时的幅频特性以4 0 d b 十倍频程的速度衰减。可有效的抑制高频分量。设置牵引力通道的截止频率为lo h z ，各参数选择如下：令：r = r ：= r = 1okq。2 万月c蒂群“图2 7二阶rc 低通滤波电路c = c ，= 二_ = l5 9 2 f z f2 丌x 1 0 1 0 1 0 取口= l ，则一，= 3 一a = 2e = 月。为使集成运放的两输入端对地的电阻平衡，应使r a r f = 2r = 2 0kq所以r 。= 月，= 4 0 脚22 4信号的归一化变换在一次变换电路中要求的输入信号为脉冲量。但通过以上分析我们知道牵引力通道的信号为模拟量。因此在拉力传感器的前置放大、低通滤波电路之后还要有一级电路实现将输出的模拟量变成脉冲量一即归一化变换。在此利用v f 转换( 电压到频率的转换) 完成归一化的问题。该电路突出的优点是：频率信号输出容易，且v f 转换过程是对输入信号的不断积分，因而能对噪声或变化的输入信号进行平滑滤波，抗干扰性能好，便于远距离传输。1v f 转换器的数学模型常用的v f 转换方式一般有：积分复原型、定电荷复原型以及交替积分型等。为简化电路，我们采用了积分复原型v f 转换。工作原理如r ；被cj 魄v v v v 。 厂 厂 广 厂图2 8v f 工作原理及工作波形图当被测模拟量v 。 o 时，积分器便进入负向积分过程，此时积分器输出为矿：一上限研or ，cj7若对v ，从0 一t ，进行积分时，则所以圪一篆兀同时盱一去弘础在积分复原时，v 。为常数，得：矿=口所以义推山：丁=令：= k k ，整个积分复原周期卜丁，+ 丁：一告叩一甏叩一c r 参+ 丧一一r 净，因为r i 尺2是变不以近作看qn ”孓其一q=nnp。州匕叩州一积出在形此n，；因上叩扎一坩周化变的令硕士学位论文第二章传感器信号的前置处理及归一化变化所以丁。r ：一生r c1矿1 “# 赤由孙较趾下限确定鼠v o 为常数，令：一赤瑙航以f 0 = k y ：结论：v f 转换器的输出频率与输入的模拟电压呈( 近似) 线性关系。本系统中的拉力传感器的输出信号为缓变信号，采用图2 9v f 转换电路，其中7 4 l s7 4 构成的是整形电路。经测试该电路非线性失真小工作频率范围宽。使得v f 转换器在传感器接口中的应用能完全线性的反映传感器的输出。一i蚪。_ 7 4 图2 9电压频率转换电路2 v f 转换器的误差分析v f 转换器的主要误差是由近似关系：t = t ，+ t 。一t 所引起的。当t 。相对t - 不能忽略时，则v f 转换产生相应的误差。( 1 ) 当t 。= 5 t 。时：r = 丁1 + 丁2 = r 。+ 5 丁，= 1 0 5 丁i若取近似值得：，。r相对误差为：孥竺堑互l = ：五。4 7 6 2 1 0 5 丁4相对误一等= 等铲毋由图2 9 知，该v f 转换电路中的t - 为t ：的20 0 倍，所以t ：可完全忽略并能满足误差要求。2 2 5牵引力信号通道的调试传感器所测量的物理量基本上有两种形式，种是静态的形式，这种信号不随时间变化( 戎变化很缓慢) ，另一种是动态的形式，这种信号是随时间变化而变化的。由于输入物理量状态不同，传感器就存在着所谓的静态特性和动态特性。对于一个高精度传感器，必须具有良好的静态特性和动态特性，才能使信号无失真的转换。图2 一l0 示出了拉力传感器归一化变换的系统结槌7 框图。图2 10归化变换系统框图】静态调试当拉力传感器满量程输出l5 m v 时，经过图2 1 l 变换后得到如图2 12的波形图。1 5图2 11牵引力信号通道的归一化变换电路u ip，。v l0 u oofl 一一oll l 【卜_ _ l图2 12归一化变换的输出波形1 6当传感器承受不同载荷p 时，测量桥输出电压uz 、低通输出电压u 。及f见表2 1 。表2 1拉力恃感器静态调试p ( t )ur ( m v )u 。( v )f ( k hz )o 10 7 50 10 50ld 32 25o 3 l j0 30 53 7 50 5250 5l7 51 o5l1 5l l25l5 75l52l52 122动态调试在u z 端接入频率为5 hz 的低频信号来模拟传感器的输出，f 端能以较好的线性再现输入信号u t 的变化规律。由此可见拉力传感器不但具有良好的静态特性和动态特性，而且通过接口电路为一次变换电路提供合适的输入信号。、2 3油耗和发动机转数传感器信号通道的设计2 3 1油耗和发动机转数传感器的工作原理由于光电传感器响应快，结构简单，而且具有较高的可靠性等优点。在该课题中的油耗和发动机转数传感器都利用了此类传感器。它是将光脉冲转换为电脉冲的装置。其原理如图2 13 所示。在被测转速的电机上固定一个调制盘，将光源发出的恒定光调制成随时间变化的调制光。光线每次照射到光电器件上一次，光电器件就产生一个电信号脉冲，经放大器放大f f i 彳记录。扣光源调制盘光电式传感器原理图由于柴油发动机工作时油路脉动严重，如不采取措施，将严重影u 自测试精度。为保证测试精度这里采用了两路光电传感器对其脉动进行判向，以消除油路的脉动对测试精度的影响。除此以外，还有一路转数信号，共计三路光电传感器输出。2 32油耗及转数传感器信号处理电路的设计由于光电式传感器输出的信号为脉冲量，且输出幅值较大( 5v左右) ，所以对于该通道的信号处理只要采用一级施密特触发器对其脉冲量进行整形即可。电路如图2 i4 所示。乏j嘶-一政变之j四2 b 4b 7换电路乏j雨牛i 4图2 14油耗和转数传感器信号归一化电路由图可知，油耗传感器l 、油耗传感器2 和发动机转数传感器的输出信号通过归一化变换电路后产生满足次变换电路对输入要求的信号。2 4转速传感器的研制及信号处理电路的设计在实际应用过程中，由于磁电式传感器具有结构简单、性能稳定、适应强等特点，因而得到广泛应用。但是磁电式传感器不能反映某些情况下的速度参数的缓慢变化，因此针对低速时灵敏度的不足，我们对电子振荡涡流式传感器进行了研制。一般，电子测试装置的组成可用图2 15 表示。由图可以看出，传感器作为电子测试装置的一部分，赢接与被测参数发生联系，将被测参数的变化转变成电信号，经放火输入、脉冲形成、逻辑运算后，根据需要，将测试结果进行数显或打印出来。电子测试装置框图2 4 1磁电式速度传感器灵敏度差的原因分析磁电式速度传感器原理如图2 一l6 所示。其主要组成部件为测速头和齿盘。齿盘固定在五轮上与五轮同步旋转，测速头固定在支架上静j i ：不动，测速头主要由永久磁铁和套在磁铁上的线圈及外壳组成。当齿盘运转时，其齿顶和齿根交替对准磁极，磁路中的磁阻随之交替发生变化，由于：击：尘( 1 )r 。其中m 一对应于某一磁阻时永久磁铁中的磁通量a 一永久磁铁的磁势r m 一磁路中的磁阻由电磁感应定律可知：p ：堂( 2 )p = lzj斫图2 16电磁式传感器原理示意图其中掣一一线圈中穿过磁通的变化率d f从式( 1 ) 、( 2 ) 中可以看出，。一线圈匝数e 一线圈中感应电动势当永久磁铁的磁势a 及线圈的匝数u 一定时，感应电势的火小取决丁磁通和磁阻的变化率，而磁阻的变化率取决于磁路的结构。当结构一定时磁阻就不在改变，磁通变化率的大小则由齿盘的转动速度决定。当转速较慢时，! 罂较小，感应电势。的d l数值将很小，当齿轮转速降低到一定程度时e 的数值将小到刁：能满足仪器输入电路的要求，此时仪器就反映，f ；出速度。止是由于输出信号对速度的依赖性，此种测速传感器的工作速度的下限不能太低。从目前来看，性能最好的传感器，其最低有效频率为1o h z ，这就使磁电式速度传感器的应用范围和测量精度受到了很大的限制。实际上，由于磁材料及制造工艺的影响，其下限速度还要高，经测试大约为27 hz ，当低于此值时，传感器的输出信号就不能正确反映所测的速度。在测试汽车的滑行速度和距离时，都会造成较大的误著。2 4 2电子振荡涡流式速度传感器工作原理及主要参数的选择为了减小测试误差，我们设计研制了一种电子振荡涡流式速度传感器。经测试证明，其性能完全符合高速和低速测速的要求，达到了设计的预期效果。在相当于154 公里小时的速度范围内进行了试验，均达到理想的结果，就这个速度而言，目前已完全可以满足汽车测速的要求。电子振荡涡流式速度传感器的主要部件由测速头和齿盘组成，其测速头的工作原理、敏感器伯、齿盘的齿型及所用到的材料，与磁电式传感器的大小相同，现分述如r ：1 测速头的：r 作原理、设计及参数选择测速头的工作原理如图2 17 所示，其中，l ，是产生涡流作用的线圈，用来作为测速头的敏感元件，整个电路由屯子振荡、直流触发、开关电路三部分组成。振荡部分由l ，、cz 、r - 、l ! 以及b g 一组成，la 、d 、cz 和b g ：、rz分别构成触发部分和开关部分。b g ，和b g 。均为高频小功率开关三极管。电路工作时，高频电流流过l ，当高频电流产生的磁通穿过导电材料时( 特别是既导电又导磁的材料) ，会在导电材料的表面感应山一相同频率的涡流及反电势，见图2 18 ( a ) 。齿盘就是由既导电又导磁的金属材料制成的，它与l 。的相对位置如图2 19 所示，因此，在齿盘运转中，当其齿盘项和齿槽交替对准l 。时，将在齿顶的表面产生交变磁场和涡流。此涡流和其产生的磁场又会影响线圈l 、的电感量发生变化，对于该电感量的变化，可以用一个等效 电路进行分析，见幽2 一l8 ( b )囤2 1 8涡流效应等效电路图图2 19齿盘和线圈l ，的位置根据蚓中所示方向可以列出下列方程i 、( r + j l 。) 一i mi2 = u解得j 。mh + fr + j | j i 2 。d，l2f r + j l 、)u盘式中，zd 为涡流存在时线圈的等效阻抗，其值如f ：尉= r r 伽圳一学筹= r + 筹舞，一暑舞删( 3 )上式中，。、r 、r 为常数，u 是流过线圈l ，中电流的角频率，线圈| j ，的电阻r 由齿盘形状及其电阻率决定的。m 是l 。与f 间的互感系数，由lz 与齿盘问的相互位置决定，当不考虑涡流影响时，线圈l - 阻抗为：z = r + ( i ) l( 4 )将式( 3 ) 和式( 4 ) 比较可以看出，当有 呙流影响时，l - 的阻抗发生了变化，用等效阻抗表示出来，其实都相当增加了一个容性电抗，l - 的等效电路可用图2 18 ( c ) 表示。根据电路原理，一个电感线圈的品质因数由下式表示：o ：丝lr式中l 是线圈的电感，r 是线圈的电阻。在谐振电路中，当0 值下降到一定程度时，电路就会停振。电子振荡涡流式速度传感器正是利用这一原理工作的，线圈l - 处于一谐振电路中，当齿盘的齿槽与l 对准时，谐振电路处于谐振状态，此时l ，有信号输出，b g 。饱和，us c = “o ”。当齿盘的齿顶对准1 。时，由于l ，中的高频电流使齿顶部产生涡流，并且此涡流的磁场反过来又影响线圈l 。，使线圈1 。的等效电阻增大，等效电抗变小，线圈l ，的等效品质因数q 就会随之减小，又由于电路参数选择方面的配合，q 值就会小到足以使谐振电路停振的程度。此时l 。中就没有信号输出，b g - 失去基极偏流而处于截止状态，usc = “1 ”。这样随着齿轮转动，usc 便输出一系列的脉冲信号，而且单位时间内脉冲的数量与齿轮转动的速度成正比，测试仪器对单位时间的脉冲数进行判断和计算后，就可以得到此时齿轮的转动速度。从上面的分析可以看出，这种传感器 ：作的正确与否，不依赖齿盘转动速度的高低，所以无论齿盘转动的多慢，测速头均可正确的输出脉冲，完全解决了磁电式传感器低频响应差、灵敏度不满足要求的问题。高速时，这种传感器的频响特性主要取决于b g ，和b g - 的开关频率，高频开关管的高频响应大约在12 0 m hz 以上，向车速在2 0 0 kn 1 h 时，对应于本传感器的脉冲频率仅为5 0 0 0 hz 左右( 准确的说是5555 5 6 hz ) ，因此这种传感器高速测量的性能远远大于实际需要。我们再看图2 一l7 ，l 不仅仅为敏感元件，它还与l ：、b g 。及r ；共同组成振荡电路，产生高频电流。线圈l 。、i ，z 问的连接可使b g - 的输出与输入形成正反馈，从而使电路产生自激振荡，l 的电感为3 0 0uh ，c 。的电容为5 10 p f ，则其谐振频率为：11r = i 一= i 一三一- = 4 0 6 8 8 7 6 k 胁。2 丌三c2 厅o 5 l l o 一9 3 l o 一4这个频率相当于无线电波段的中频段范围，因此在测速头中可以采用市场出售的铁氧体磁芯，以降低造价，为增加l 。的磁场强度，减小整个线圈的体积，l ：、l 。均与l 。绕在同一铁芯上，其近似匝数为：n t = l17n ：= 45n 。= 7 ，l 、l ：、【。；的确切匝数需要在调试时确定。经测试证明，新研制的速度传感器工作稳定、可靠，其灵敏度、分辨率等指标均达到设计要求。2 4 3转速传感器信号处理电路的设计由图2 17 可知，电子振荡涡流式速度传感器的输出信号为非标准的脉冲电压，且输出幅值较小，应对该信号进行放大和整形，电路如图2 2 0 。为消除干扰采用了带有放大性能的一阶r c 有源低通滤波，整形电路仍采用施密特触发器。图2 2 0转速通道的信号处理图中低通滤波器的截j r 频率为f ：一一l _ 。6 置一2 丌r c 一2 3 1 4 1 5 9 2 6 1 3 0 o 2 l o6 ”n 1 。爿_ 1 + 生：1 + 垫：3。r1 0该电路经过测试，传感器的输出信号能完全线性的再现，并能给次变换电路提供理想的输入信号。到目前为止，五路传感器的输出信号都实现了信号的前置处理及归一化变换。电路如图2 2 l 所示硕士学位论文第二章传感器信号的前置处理及归一化变化传感器的前置放大及归一化电路第三章多路信号调制的一次变换3 1概述经过归一化变换后的五路传感器的输出信号均为脉冲量，在任意时刻可形成五位并行二进制码，利用数一模转换器的转换函数儿：主譬扣1z其中n 为d a c 的转换字长，d i 为d a c 的第i 位输入码，v 一为d a c 的基准电压。数一模转换电路的功能就是把五路信号转换成一路离散模拟量的输出。如图3 1 所示，以两路信号为例，设v 。的频率为1k i iz 加到d 6 何v 。：的频率为2k h z 加到d a c 的d5 位。v o 为d a c 的输山电流转换为电压后再经一级反相器得到的输出电压值。图3 1次变换电路的输出波形该电压值与理论计算值相吻合。已知参考电压为5 v ，用了d 6 一d 1 六位数据线，所以分辨率等于：2 6、_ _r _ 一一广j q 一一上一一_ _ _ 耵一一 l篙lr lr l l _j卜h 卜一l江江2“，ov怕，5287oo=三分=三分一3表见据数澳实表3 1输入状态与输出电压对照表d 6d 5d 4d 3d 2v 1 ( v )d 6d jd 4d 3d 2v 1 ( v )00o0oo1oo0o12 6 900o0lo 0 7 81oool1 3 4 900o1oo 1 5 81oolo1 4 2 8o00l102 4 01o0111 5 0 90o1ooo _ 3 1 81o10o15 8 70010io 3 9 91o1ol1 6 6 7oo1l0o 4 7 81o11o17 4 60o111o 5 5 91011118 2 601oooo 6 3 31lo001 9 0 3010olo7 1 4l100l19 8 3o1010o ，7 9 311o1020 6 20lo110 8 7 4l1o112 1 4 10lloo0 9 5 2111o022 1 9011011 0 3 31】10122 9 9o111o1 1 1 2ll1102 _ 3 7 80l11l11 9 211l112 4 5 73 2一次变换的基本原理众所周知，数字量是以代码按数位组台起来表示的，每一位代码都有一定的“权”，即代表一具体数值。例如，_ 日_ j8 42 1 代码表示的二进制数l0 10 ，其第凹位代码的权是8 ，代码1 表示数值为8 ；第三位代码的权是4 ，代码o表示这一位没有数依次类推，10 1o代表的卜进制数是8 $ l + 4 o + 2 l + 1 o = 1o ，因此，数模转换实质上就是将每一位代码按其权的数值变成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，从而获得与数字量成正比的模拟量。我们通过数一模转换器来实现信号的一次变换。数模转换器一般包含四个部分：电阻解码网络、权位开关、相加器和参考电压。根据电阻解码网络的不同，常分为：权电阻网络型、2 “r 电阻分压型、t 形r 一2r 电阻网络型等。现以t 形r 2 r 电阻网络型为例，说明数模转换器的1 i 作原理。r2 r 电阻网络用以对参考电流进行分流，完成数模转换。其转换原理见下图3 2 。d图3 2数一模转换器的转换原理由于运放输入端“虚地”，因此从各节点向右看和向下看的等效电阻都为2 r 。d d n 为控制电路中各电子开关的二进制数。，一匕盟1尺i = l 。+ i 。i几= 几= 寺几可：2 争2 手2 篆k 。= i 。2 将控制各电子开关的二进制数代入，于是小所几咀 趴l 哦等峨篆d 。篆：k f 孕+ 孕。+ 亟1 ：k 于旦8l2 。222 ”jr 智2 。因为运放开环输入阻抗接近无穷大，所以：i 。2i l + ii2ii叫，也叫。肛一譬善争鹌= r 则”一喜争2 83 3一次变换的电路实现一次变换电路主要是通过d a c 0 832 来实现的。它是选用先进的c m o s s 卜一c r 工艺制成的双列直插式单片8 位数模转换器件。片中有r 一2 r梯形电阻网络。3 31d a c 0 8 3 2 的内部结构与管脚说明1 d a c 0 8 3 2 的逻辑结构如图3 3 所示l m s d 口k口ko h0 i ld b“1l “ m a西w r w b嬲r 一一一一一一一一一一一一一一一一一一1f s _ i! 、c cwr ：1 0儿_ ea g n dj38w r !d jd a c 0 8 ! 1 6 广一d l s b ) o74 |d 6、1 r e p l8j j d 可i s br r02 l o u t 二d 6 n d i ( il l 一j ou 【l图3 4d a c 0 8 3 2 引脚图图3 3d a c 0 8 3 2 逻辑框图d a c 内部采用8 位输入锁存器，8 位d a c 寄存器，8 位d a c 转换电路组成。2 d a c 0 8 32 引脚的作用：管脚排列如图3 4 所示：il e ：输入锁存选通( 高电平有效) 。与c s 组合选通w r l 。w r l ：写信号1 ( 低电平有效) ，用来将输入数据送到锁存器中，当其为1 时输入到锁存器的数据被锁定。c s ：片选信号( 低电平有效) ，同il e 组合选通w r l 。w r 2 ：写信号2 ( 低电平有效) ，x f e r 与组合可以使输入到锁存器的8位数据传输到d a 寄存器中。x f e r ：传送控制信号( 低电平有效) ，它将选通w i u 。d o d7 ：数字量输入。i “转换器电流输出l ，它是寄存器中为l 的各位权电流汇集输出端。i “一转换器电流输出2 ，它是寄存器中为0 的各位权电流汇集输出端。rr ：反馈电阻。v 一：参考电压输入端，可以在+ 10 一l0 范围内选择。v 。：电源端，可以在+ 5 + 15 范围内选用。a g n d ：模拟地。d g n d ：数字地3 32采用数一模转换器参数规范的考虑1分辨率：d a 转换器模拟输出电平可能被分离的数目。例如：一个二进制的转换器，数字输入位数为n 时，其分辨率为2 ”。d a 的满量程范围为1 0 v ，弗且转换器接受10 位代码，那么分辨率就是1o v 10 2 4 或9 75 m v 。2 精度：转换器实际转换特性曲线与理论转换特性曲线之间的最小偏蒡。一般用符号e a 来表示，其单位通常用满量程范围f s r 的百分数( f s r )或l s b 表示。3 建立时间：d a 转换器的输入阶跃发生变化到输出达到规定的误差带之内所需要的最大时间。转换时间少于20us f 或多于50 k h z ) 的为高速型；转换时间为2 0 3o ous ( 3 3k h z 50 k h z ) 之内的为中速型：人于3 0 0us ( 或少于3 3 k h z l 的为低速型。在该课题中，需要数据线的位数为五路，输入信号的频率为：o 5 k h z ，输入数据的格式为：并行二进制代码，要求经过数一模转换器输山的为单极性模拟电压。d a c o832 的分辨率为8 位，d a 电压输出建立日j 间小于1us ，在额定温度范围内非线性不大于o 1 ，该芯片符合要求。3 3 3电路连接d a c 0832 的工作方式有三种：单缓冲方式、双缓冲方式和直通方式。此时，采用直通方式：数据不通过缓冲器，即将五路控制信号的丽、面面、叉舔、西均接地，il e 接高电平。如图3 一j 所示：图3 5一次变换电路的接线图3 4一次变换电路的调试为保证输山能准确、及时的反映输入的状态，就要求在输入( 归一化变换后的五路并行二进制码) 与输出( 一路模拟量) 之间存在良好的线性，所以在调制电路中测量数一模转换器的线性的问题尤为重要。3 4 1一次变换电路的静态调试1 将d a c 0832 的输出端接一个运算放大器，将它的电流输出变为电压输出厉，测量数模转换器的线性：表3 2 中v 为运算放大器的输出电压图3 6一玖变换电路的线性测试表3 2一次变换电路线性测试1d 7 d 6d 5d 4d 3d 2dd ov n n0000000000 0 2o000ooo100 1 7o000001000 3 60o0001o000 7 500ool0oo0 l5 30o0l00ooo3 0 7o0l0000006 l8ol000o0o12 4 3lo00oo0o一24 9 0结论：随外加电压的增加，输出电压r 降。该结论与最初设想：随外加电压的增高，输出电压也增高截然相反。解决方案：在运算放人器l m 358 后再加级反相器，使运算放大器的输出电压随外加电压的增加而增加。测试电路如图3 7 。图3 7一次变换电路的线性测试22 根据以上解决方案，测试实验数据：表3 3 中v 为运算放火器的输出电压表3 3一次变换电路的线性测试2d 7d 6d 5d 4d 3d 2vf v l0o00000 0 0 2o0000lo0 8 lo00o1o0 1 5 9000o】lo2 3 80o0io003 1 6ooo10103 9 40o0ll004 7 3o00lllo5 5 2oo1o0oo6 2 800100107 0 8001o1o07 8 80010l108 6 00o110009 3 00o110l10 1 000】1j0l0 8 9o011ll1i 7 0olooo0l2 5 50l000】l3 3 5ol001ol4 1 50l001114 9 3ol0100i 5 7 2ol0l0116 5 0ol0i1017 2 0010llll8 0 0011000l8 7 0o11o0ll9 4 901l01020 2 8o110ll21 0 7oll10021 8 70lll0122 6 5ol11lo23 4 50l111l24 2 8l0000025 1 0lo00ol25 8 9lo00l026 6 7100ol127 4 6l00io028 2 5lool0l29 0 310o1l029 8 310o11130 6 l】olooo31 3 9】0lo0】32 1 7iolol032 9 5l010li33 7 4l01loo34 5 3l011ol35 3 2l0】1l03 ，6 0 9loi1ii36 8 8l10o0o37 6 8ll000138 4 6ll001o39 2 4l10o】40 0 3il0l0040 8 2ll0lo14 1 6 011o1l042 3 8】lo1ll42 4 6lllo0042 4 8l1lool42 4 81ilo1o42 4 7l1l01l42 4 7llll0042 4 7l1110142 4 6lll11042 4 611llll42 4 6通过表3 - 3 数据可知：当输入状态从1 10 0 11 开始d a c 0 8 3 2 的线性度明显变差。d a c 0 8 3 2 在线性区工作时的分辨率为78 m v ，而在非线性区的分辨率为1 3m v ，甚至为om v 。因此不能如实的反映输入状态与输出电压之间的关系。解决方案：将d a c 0 8 3 2 的参考电压v re f 通过串联一个：极管降低为4 3 v 。3电路如幽3 。8 所示：图3 8一次变换电路的线性测试3实验数据：表3 4 中v 为运算放大器的输出电压表3 4一次变换电路的线性测试3d 7d 。d 5d 4d 3d 2vn ，)110o0o37 6 811000l3 8 4 61l0o103 9 2 4l1ooll4 1 3 81l0l0042 2 011o10143 0 211ol1043 8 2】jol1144 6 2l1l00045 4 211l00146 2 0l1l0l047 1 2l1l0l147 9 3ijlloo48 7 61lll0l49 5 7ill1l050 2 91ll11151 0 9由表3 4 数据可知：d a c 的线性得到了改善，分辨率近似为一恒定值8 0 m v 。4根据实际情况，采用五路输入信号，取削d ，d ，作为输入端测d a c0832 的线性：d a c 083 2 的参考电压vref 仍为5 v 。圈3 9一次变换电路的线性测试4表3 5一次变换电路的线性测试4d 7d 6d 5d 4d 3vr v l0o0000 0 0 20o0010 1 7 00001o03 3 80001l05 l lo0lo006 8 20010108 5 40o11010 2 2o011l11 9 40lo0013 7 20loo1l5 4 40l0l0l7 l l0l0l1l8 8 30l1002 0 5 40llo122 2 6oi1lo23 9 301l1l25 6 41o0oo27 5 0】000l29 2 2l001030 8 9l001l32 6 0lo1o034 3 l101ol36 0 210il037 6 710ll】39 3 91100041 1 9l1ool42 9 0l101044 5 6l1o1l45 4 ill10o45 4 5lll0145 4 3l1ll043 7 0lll1l43 6 8由表3 5 数据可知：从1 10 0 1 状态开始d a c 的线性仍然较差。5去掉最高位d ，测试d 。到d l 为输入端时数模转换器的线性图3 10一次变换电路的线性测试5表3 6一次变换电路的线性测试5d 6d 5d 4d 3d 2d lv ( v )o0000000 0 20o000l00 4 20oo010o0 8 10000lio1 2 0ooolo00l5 9o0o1o1o1 9 800ollo0