（测试计量技术及仪器专业论文）基于usb接口的高精度电感传感器测量系统的研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 电感传感器是一种建立在电磁感应基础上，利用线圈自感或互感系数的改变 来实现非电量测量的低成本、高精度传感器，在尺寸、表面形貌、形位误差等精 密测量领域发挥着重要作用。本文设计了一种基于u s b 接口的电感传感器测量系 统，围绕该系统，本文的主要研究内容及创新如下： 首先，设计了一种应用晶振分频加多次带通滤波产生高幅值稳定度和高频率稳 定度正弦信号的方法，并进行了相关的理论分析。实验分析表明：该信号用于电 感传感器差动电桥的激励信号，效果良好。同时，考虑到电感交流电桥负载的影 响，结合运算放大器的信号放大功能与三极管高负载能力，设计了负载能力高的 正弦激励信号来驱动交流电桥。 其次，在分析了基于交流电桥的电感传感器输出信号实质的基础上，针对目前 相敏检波电路的不足，采用有源全绝对值电路检波的方法。在分析了现有绝对值 电路的基础上，提出了一种基于单运放的绝对值电路设计方法，详细论述了其原 理、优点及设计参数等，并把它应用在相敏检波上。 第三，论述了基于u s b 的电感传感器测量系统的设计方案和工作原理，针对 a d 转换电路和u s b 数据传输电路两部分从硬件设计到软件开发进行了详细的阐 述。结合电路的合理布局与布线、电子元器件的选择与安装、电路的调试等方面 的考虑，设计了系统电路。通过虚拟仪器软件算法实现数据处理，使测量精度得 到进一步的提高。 最后，结合衍射光栅计量型定位工作台，设计了一个针对电感传感器标定的实 验测量系统，通过对比实验与精度分析，证明该电感传感器测量系统具有较高的 线性度、稳定度。 关键词：电感传感器，信号处理，失真度，相敏检波电路，u s b 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ci n d u c t a n c et r a n s d u c e ri sa , n s o rw h i c hh a sl o wc o s t h i g hp r e c i s i o nm e a s u r e m e n t e q u i p m e n t i ti su s e dt od e t e c tn o n e l e c t r i c a l q u a n t i t yb yu s i n gs e l f - i n d u c t a n c eo r m u t u a l i n d u c t a n c eo ft h ew i r el o o p s i tt a k e sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h em e a s u r e m e n 蟾 s u c ha s s i z e ，s u r f a c et o p o g r a p h y , g e o m e t r i c a le r r o r , e t c a ni n d u c t a n c e s e n s o r m e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do nu s bi sd e s i g n e di n t h i sd i s s e r t a t i o n m a l nr e s e a r c h c o n t e n t sa n dc r e a t i v ep o i n t so ft h ed i s s e i l a t i o na r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , am e t h o dh a sb e e np r o p o s e dt og e n e r a t es i n ee x c i t a t i o nw i t hh i g ha m p l i t u d e s t a b i l i t ya n dh i g hf r e q u e n c ys t a b i l i t yb yu s i n gs q u a r es i g n a l ，w h i c hi sf o r m e df r o m o s c i l l a t i o n sf r e q u e n c yd i v i s i o nb yc o u n t e r a n daf e wt i m e so fb a n d p a s sf i l t e r t h e t h e o r ya n a l y s i sf o rt h em e t h o di sc o n d u c t e d t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a ti t se f f e c t i v e n c s s i sg o o dw h e nt h ee x c i t a t i o ns i g n a li sl o a d e dt od i t i e r e n t i a lb r i d g et h ei n d u c t a n c es e n s o l r e g a r d i n go ft h ei n f l u e n c e so ft h ea cb r i d g el o a d ，t h ea cb d d g ei se x c i t e db yah i g h l o a d i n gc a p a b i l i t ys i n u s o i ds i g n a l ，w h i c hi sg e n e r a t e db yc o m b i n i n gm a g n i f i c a t i o n a b i l i t yo ft h ei n t e g r a t e da m p l i f i e rw i t hh i g hl o a d i n gc a p a b i l i t yo ft h et r i o d e s e c o n d l y , an e wm e t h o do fu s i n ge x a c t i t u d ep o w e rw h o l ea b s o l u t ed e m o d u l a t i o ni s p r o p o s e db a s e do na n a l y z i n gt h es u b s t a n c eo f s e n s o ro u t p u ts i g n a la n do v e r c o m i n gt h e d r a w b a c k so fp r e s e n tp h a s es e n s i t i v i t yd e t e c t i o n as i n g l ea m p l i f i e ra b s o l u t ec i r c u i ti s d e s i g n e db a s e do na n a l y z i n gp r e s e n ta b s o l u t ec i r c u i t t h et h e o r e t i cd e d u c t i o n , a d v a n t a g e sa n dd e s i g np a r a m e t e r sa r ed i s c u s s e di nt h ed i s s e r t a t i o nt o o t h i r d l y , t h ep r i n c i p l ea n dd e s i g ns c h e m eo ft h ei n d u c t a n c es e n s o rm e a s u r e m e n t s y s t e r nb a s e do nu s bt e c h n o l o g ya r eg i v e nb yt w op a r t s ：o n ei st h e 加c o n v e r t e r c i r c u i t ；t h eo t h e ri sd a t at r a n s m i s s i o nc i r c u i tw h i c hi sb a s e do nu s bi n t e r f a c e 1 1 l et w o p a r t sa r ed i s c u s s e df r o mh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t t h es y s t e r nc i r c u i t i s d e s i g n e db yc o n s i d e r i n gt h el a y o u ta n dw i r i n go fc i r c u i tb o a r d t h ec h o i c eo f c o m p o n e n t s ，t h ea s s e m b l ya n dd e b u g g i n go fc i r c u i ta n ds oo n as o f t w a r ea l g o r i t h mi s r e a l i z e dt oi m p r o v et h ep r e c i s i o no fi n d u c t a n c es e n s o rm e a s u r e m e n ts y s t e m f i n a l l y , a ne x p e r i m e n tm e a s u r e m e n ts y s t e mu s e dt oc a l i b m t et h ei n d u c t a n c es e n s o ri s d e s i g n e di n t h i sp a p e rb a s e do n t h ed i f f r a c t i v eg r a t i n gm e a s u r e m e n tp l a t f o r m t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t c mh a sh i g h e rl i n e a r i t ya n ds t a b i l i t y k e y w o r d s ：i n d u c t a n c es e n s o r , s i g n a lp r o c e s s i n g , d i s t o r t i o n , p h a s es e n s i t i v i t yd e t e c t i o n ， u s b h 讯1 i 工繁火港 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：百囊l日期：砌年。月司日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：百效 日期：伽路年s 月司日 指导教师签名：触 日期例年f 月7 日 湖北5 - - 业大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题的研究意义和目的 电感式传感器是利用线圈或互感的变化实现测量的一种传感器，在现代工业测 量中。精密的电感传感器被用于圆度仪、轮廓仪、形状测量仪等精密、超精密测 量设备中。它主要用于接触测量，现在也发展到可以用于非接触式测量。 在电感传感器测头的技术水平已经比较成熟情况下，如果靠继续提高电感测 头的精度来提高系统整体精度将付出很高的代价，会增加系统成本。而对其测量 电路进行合理的设计或改进，使之与成熟的电感测头技术相适应则是一项低成本、 高收益的措施，很适合目前国内的超精测量技术发展现状。相对于其它的微位移 测量系统，电感测微系统的测量电路比较复杂，其设计和制作的合理性对测量精 度和可靠性的影响是很大的1 ；同时，在测量系统中，利用控制器强大的数据运 算与处理功能，合理地设计软件，同样可以提高测量的可靠性和抗干扰性，从而 提高仪器的测量性能。而且实验证明，即使选用性能很高的传感测头，其测量电 路的性能跟不上，也无法提高整台仪器的测量性能。 另方面，由于电子技术和计算机技术的发展，使传感器信号处理技术发展 到了一个全新的阶段。新型的串行高速模数转换芯片使测量的速度更快，且功耗 大大降低：单片机技术的发展及其广泛应用，使信号处理向小型化、智能化方向发 展：先进的传输总线规范不断出现，版本不断更新，使自动化仪表的数据传输速度 更快，体积更小m 。 外设与p c 机的通信的传统方式主要是通过p c 机主板所提供的i s a 、p c i 、p s 2 、 串行和并行等各种接口来实现，这些方法存在很多缺点”： ( 1 ) 它们是非共享式接口，只支持单个外设的连接。p c 机的有限的接口根本无 法满足大量外设连接的需要。 ( 2 ) 接口的体积庞大，几乎占据了p c 机主板面积的一半，而硬件厂商不可能 无限制地增加主板的面积来扩充接口，且大体积的接口不利于p c 机外设的小型化。 ( 3 ) 接口的规格不一，当用户需要把一些外设连接到p c 机时，不得不面对种 类繁多的i 0 扩展槽和外部端口，这给使用带来不便。 ( 4 ) 接口采用传统的i o 模式，外设被映射为c p u 的i 0 地址空间，并被分配 一个指定的中断请求，或是一个d 姒通道。这种模式会带来诸如i o 地址冲突、 湖北工业大学硕士学位论文 所指定的中断请求已被别的外设占用等问题。 u s b 接口是一种共享式接口，克服老式接口的上述缺点，一个u s b 主控制器上 最多可连接1 2 6 个外设1 ；而且接e l 体积小巧，更有利于p c 机外设的小型化。在 现代测控技术领域中，接口电路的设计水平从一定程度上决定了测量系统的精度 和稳定性。因此，本文采用高速、性能稳定的u s b 接口作为电感传感器信号处理 电路与计算机的接口，用户在不需要断电的情况下，就可将u s b 插入p c 机，并被 操作系统自动检测与配置。同时，也可以更好地利用计算机进行数据采集和自动 控制m 。 本课题拟通过分析电感传感器交流调制的特点，在研究了电感电桥输出特点 的基础上，运用有源绝对值检波方式设计了高精度的信号处理电路，从而解决差 动电感信号处理的关键问题，获得比传统处理电路更高的精度和稳定性，并使之 不仅适用于一般仪器中的信号处理，也适用于复杂背景噪声下的现场测量。在数 据传输系统的研究问题上，详细讨论了基于u s b 的a d 采样系统的设计方案和工 作原理，针对a d 转换电路和u s b 数据传输电路两部分从硬件设计到软件开发进 行了详细的说明，使其使用起来更加快捷、方便，具有较大的实用价值和推广价 值，为嵌入式智能电感传感器的研究和设计奠定了基础。 1 2 课题研究的现状 高精度电感传感器测量系统包括电感传感器、传感器信号处理电路及相应的 软件。对于它而言，测量精度的高低是判断其性能好坏的重要依据，因此，要提 高电感测量系统的精度一般从改良传感器自身结构、提高电感传感器精度、改善 测量电路精度以及优化软件等方面考虑。 目前，对于电感传感器结构的技术已经趋向成熟叫，尤其是电感传感器测头的 研究，国内外的技术水平已经相当成熟了。在国内最有代表性的中原量仪生产的 d g c 系列差动电感测量头线性度优于0 0 5 ，示值变动性可以小至0 3 聊。国外 也有许多公司和研究所研制和生产电感测头，如h fj e n s e n ，e n c o d e r ，d u r h a m i n s t r u m e n t s 等，技术水平相当成熟，生产的传感器精度高且通用性好“。因此， 如果想从改良传感器自身结构和提高电感传感器精度方面着手来提高整个测量系 统的精度所付出的代价是巨大的，而且效果也不一定理想。 当然，即使有了高精度的电感传感器，如果没有后期高精度的信号处理电路 的辅助也不会使传感器测量系统达到理想的精度要求。因此，近几年来人们纷纷 研究提高其精度很性能的理论和措施“，使测量电路系统不断地改进。在以往的 2 湖北工业大学硕士学位论文 设计和改造中，电感传感器测量电路的信号处理一般采用三种方法，一是把电路 分为对传感器的正弦波差分激励、放大、检波( 或压频变换) 、滤波、模数转换、 数字信号输出等处理过程；第二种方法的不同点在于激励信号是一个频率精度很 高的方波信号，检波采用积分微分采样的方法将电感量变化转换成直流电压变化。 第三种方法是把电感接入一个震荡回路，电感量变化将被转换成震荡信号的频率 变化，测得频率变化量后可以得到相应的电感变化量“”。 为了进一步提高系统的整体性能，人们在发展传感器和数字化信息采集系统 方面开展了大量富有成果的研究工作，主要体现在以下二方面“”：一是大力改进 系统传感器的性能，采用高精度高稳定度的元器件以及各种校正电路，使传感器 性能得到了一定的改善；二是采用数字化仪表作为传感器与计算机之间的接口， 它将传感器输出的模拟信号转换为数字信号并做相应的预处理后再送给计算机。 如哈尔滨工业大学的赵维谦教授等人提出一种利用数字波形合成技术、自稳幅技 术、数字式相敏检波技术、数字集合平均等数字化技术来改善电感传感器测量电 路系统的测量精度的新方法“”。但是由于检测算法的限制以及离散化和噪声信号 处理技术等因素的影响，限制了数字相敏检波技术的检波能力。 目前，国际电子仪器的发展导向a s i c 化的嵌入式系统“”，这意味着用户不但 要求测量仪表高精度和高稳定性，同时将进一步地要求设备要具有小型化、便携 式、省电、即插即用等特点。对于电感传感器接口电路，实现以上要求的一种方 法是采用u s b 总线把数据采集电路和计算机相连，但目前国内还没有资料显示有 这样的产品上市。 传感器接口电路的小型化乃至微型化是现代工业发展的必然趋势，而电路数 字化和进一步提高整合度是提高设备工作精度和稳定性的最佳手段。工业现场的 嵌入式数字设备应用比例( 与模拟设备相比) 更是在逐年提高，数字化高整合度设 备的市场需求必然推动生产和设计工程师朝数字化采集、数字化控制、数字化传 输方向努力。差动电感传感器的应用也必然将向这个方向发展。 1 3 课题的主要研究内容 本课题深入研究电感式传感器在实际测量工作时遇到的问题，从传感器本身的 精度问题，到信号拾取电路、激励信号的精度、相敏检波电路的效果，再到最后 的基于u s b 技术的数据采集，都是本课题研究的内容。 ( 1 ) 高稳定度的正弦激励信号的产生。正弦信号在调幅式传感器测量微小位移 量时作为其激励信号，幅值、频率稳定性必须非常高，不能随负载和温度变化， 3 湖北工业大学硕士学位论文 否则对后期电路和测量结果会有很大影响，传统的r c 正弦波振荡器的频率、幅值 稳定性都不理想，不满足高精度测量要求。因此，理想的正弦激励信号是一个相 当重要的前提。本文利用高频率稳定度的有源晶振结合分频器生成方波信号源， 将产生的方波信号送入精心设计好品质因数的带通滤波器组中，从而得到频率失 真和幅值失真都很小的正弦激励信号。 ( 2 ) 相敏检波电路。由于交流电桥不能够分辨位移的方向，所以在信号调幅之 后都进入相敏检波电路，由柜敏检波器检出极性。常用的相敏检波电路由二极管 实现，有线性差、温漂大等缺点，且模拟电路检波后的直流信号放大时易受低频 噪声、温漂、失调电压及电流等因素的干扰。为了克服以上问题，本文在高精度 的激励信号的基础上，设计出基于单运放的全绝对值电路，利用绝对值检波的方 法对传感器信号进行高精度处理。 ( 3 ) 基于u s b 的数据采集系统。由于u s b 具有速度快、设备安装和配置容易、 易于扩展、能够采用总线供电、使用灵活等优点，u s b 设备迅速成为开发虚拟仪器 的首选，具有良好的应用前景。因此，本文利用u s b 接口技术来实现数据的采集 和传输，结合软件的应用使电感传感器测量系统逐步实现仪器化、实用化和小型 化。 4 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章电感传感器信号处理电路设计 基于u s b 的电感传感器测量系统电路主要是由两部分组成：一是模拟电路部 分，也就是传感器测量电路部分，负责利用对电感传感器信号进行高精度处理： 二是数字部分，这一部分主要有数据采集和数据传输的作用。数据采集由a d 转 换电路来实现，它将由传感器测量电路输出的直流电压模拟量通过a d 转换电路 转换成数字量，为下一步的数据传输做准备，而u s b 接口电路主要负责数据的搜 集和发送，使传输和发送工作有条不紊的进行。传感器测量系统的整体设计框图 如图2 1 所示，从图中可以看到，影响整个测量系统精度的重要因素就是传感器 信号处理电路的质量。 广一一一一一一_ 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一- t i删盈赴掰部分i 2 1 总体电路设计方案 在基于u s b 接口的电感传感器测量系统中，在传感器自身结构和制造工艺都已 经趋向成熟的前提下，其后续信号处理电路的精度就成为决定整个系统的测量精 度的首要问题。在信号处理过程中的每个环节都会影响到最后测量信号的结果， 因此，在处理的过程中必须考虑诸多影响因素问题以保证电感传感器测量系统的 高精度化。 电感传感器是一种建立在电磁感应基础上，利用线圈的自感或互感变化原理来 湖北工业大学硕士学位论文 实现非电量测量的传感器“。当传感器的测头检测到被测物体的位移，通过测杆 带动衔铁产生移动使线圈的电感或互感系数发生变化，把被测量的变化转化为自 感或互感l 的变化，l 接入测量电路就可以转换成电信号输出，再通过引线接入测 量电路进行信号处理，这就包括信号放大、消除噪声信号干扰等，从而得到有用 信号。 在图2 1 中电感传感器拾取的位移量通过交流电桥将位移信号转换成电信号， 进一步送到相敏检波电路中进行处理。在本文介绍的转换电路的方案中考虑到变 压器电桥“”1 的线圈通上交流电后，铁心磁化，容易达到饱和状态，使非线性误差 增大。另外由于在加工工艺上存在着工艺误差，如变压器电桥的线圈绕线均匀度 等问题，使实际加工得到的变压器电桥的精度远没有理论上高”圳，所以选用交流 电桥作为电感传感器的转换电路。图2 2 是电感传感器的交流电桥的等效电路图， 其实质是将传感器在工作时电感的变化转化成阻值的变化来进行测量的。 图2 2 电感传感器交流电桥的等效电路图 2 2 相敏检波电路设计 电感传感器把位移量转换为电压量输出，由于传感器位移信号为低频微弱信 号，极易受到干扰，所以要进行信号的调制。”。在精密测量系统中，进入测量电 路的除了传感器输出的测量信号外，往往还有各种噪声，而传感器的输出信号一 般又很微弱，将测量信号从含有噪声的信号中分离出来是测量电路的一项重要任 务。为了便于区分信号与噪声，往往给测量信号赋以一定特征，这就是调制的主 要功用。常用的调制有口3 1 ：幅度调制、相位调制、频率调制。在电感传感器测量 电路系统一般对信号进行幅度调制。幅值调制就是让已调信号的幅值随调制信号 的值变化。解调或检波是从已调信号中检出调制信号的过程。检波主要包括包络 检波和相敏检波哪! 。调制和解调是电感传感器测量系统中至关重要的环节，本文 采用全绝对值相敏检波，如图2 3 所示。 6 湖北工业大学硕士学位论文 图2 3 相敏检波电路框图 2 2 1 相敏检波电路的数学模型 交流电感式传感器相敏检波的实质是把经过调幅后的交流传感信号变为直流 电压信号，其数学模型可以建立如下：交流电桥输出的信号经放大爿倍后，输出为 k 一乜4 s i n “ ( 2 1 ) 其中k 为位移系数，为一较小常数，善为微小位移量，在测量过程中，葺只有几百 微米，很小，所以l h n 、一二j 一一f r - 2 图2 11 第一次滤波后椭圆拟合图 经过第一次和第二次滤波后，仿真出来的信号如图2 1 z 所示，其中a 是第二次 滤波后的信号，b 是第一次滤波后得到的信号。图2 1 3 是实际波形图，从图中可以 看出虽然在进行带通滤波前已经过分压电路，但信号还是被放大了，这是带通滤 波的电压通带增益造成的。 湖北工业大学硕士学位论文 3 2 t 电 压0 【v ) 一l 一2 - 3 图2 1 2 第一次滤波和第二次滤波后信号比较 八瓜“弋瓜，+ a ，、瓜，八? ，、 2 w 拶泸 时间( s ) 图2 1 3 两路信号的实际波形比较图 可见，仿真电路得到的波形和实际的波形的差别还是很大的，这主要是因为 在仿真的过程中我们使用的都是理想元器件，但是在实际电路中的元器件很难达 到那么高的精度。 图2 1 3 所示的两个信号的好坏并不能很直观的从仿真图或者是实际的波形图 上看出来，所以还是对实验数据进行采样分析，同样利用椭圆拟合的概念对第二 次滤波后的信号进行处理，于是得到图2 1 4 。 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 j 厂j2 。、 3 ：! l2 ， 3 。一夕 图2 1 4 第二次滤波后椭圆拟合图 比较图2 1 1 和图2 1 4 ，可以明显看到椭圆要平滑很多，这说明第二次滤波后 比第一次滤波后的正弦信号的效果要好很多。 由于品质因数越高，其选择性越好，但相对的其稳定性就越差，所以在经过 了三次品质因数为5 的带通滤波器后，我们叉做了第四次带通滤波，这次是为了正 弦信号的稳定性，所以选择了品质因数较低的参数，即q 值为l 的带通滤波器。将 最后得到的信号与第一次滤波后的信号进行比较可发现，最后得到的正弦信号具 有较高的失真度，如图2 1 5 和图2 1 6 所示。 l - 5 l 仉5 是。 【v ) 一仉5 一l 1 5 ( 瓜瓜烈烈衍 ：w 2 0w4 www 时闻( s ) 图2 1 5 最后得到的e n 信号与第一次正弦信号的比较 图中，幅值大的信号是第一次滤波后得到的正弦信号，由于最后一次的品质 因数为1 ，根据式( 2 1 2 ) 和式( 2 - 1 3 ) ，可知，此时，带通滤波器的通带增益为2 。 1 5 湖北工业大学硕士学位论文 j 0 n 4。、j 一弋训； o i t 彳6 o 一 图2 1 6 第四次滤波后椭圆拟合图 通过实验数据分析，可以充分地证明用这种方法得到的正弦信号的失真度很 小，且频率和幅值的稳定度很高，保证了电感传感器测量系统的精度。 2 2 3 正弦信号失真度分析 波形的畸变一般用失真度来表征，因此失真度的高低是诈弦信号波形好坏的 指标。简谐波形发生畸变，可认为在波形中增加了许多额外的谐波成份。描述失 真一般使用失真幅度有效值与信号幅度有效值之比或功率之比，可以无量纲或以 分贝表示。 失真通常分为谐波失真、噪声失真和杂波失真，对于正弦波，用丘表示其基 波有效幅值度，4 表示其含有的谐波有效幅值( f - 2 , 3 ，n ) ，z 表示其含有的噪 声及非谐波分量的有效幅度，则称该信号波形含有谐波失真和噪声，噪声也是一 种失真。该信号波形的失真度可定义为。”： 厂i 一 。挫删。蚴， 4 在上节论述的正弦信号产生方法中，已知方波信号傅立叶级数展开级数为： p o ) 一鲁+ 孚( 一j 1s 血s 科+ ；1s 诅s ) ( 2 _ z z ) 第一次经过品质因数为5 的带通滤波后信号变为： 圳- 等 s m “一嘉s i 枷训+ 丽1s 证】 防z s ) 第二次带通滤波后： 湖北工业大学硕士学位论文 删一警【s 证一嘉西枷训+ 面1s 呦+ 1 c 2 喇) 第三次带通滤波后： v ，( f ) 一等【s 缸“+ 丽1s m + 仍) + j 三s i n s 耐+ 1 ( 2 一z 5 ) 忽略掉5 次谐波对最后正弦信号的影响，那么3 次谐波的幅值为 一。志血胁+ 仍) ( 2 2 6 ) 则由式( 2 2 1 ) 计算得到其失真度为 y 而实际应用中，由于电源、运放等非理想误差的影响，很难达到这样的高精度。 为了评价实验测量中正弦信号的失真度，本文应用采样频率严格的高精度采 样器a r l l 0 0 对正弦激励信号进行采样，并对采样数据进行正弦拟合。具体步骤如 下。首先不考虑误差的影响，假设离散采样信号为 一咖卜引 协z 8 ， 其中七- 0 , 1 , 2 , ，伊为采样信号的初相位，a 为信号幅值，为信号频率，无为采 根据前面的推导，可知信号频率具有高度的稳定性，对正弦信号的拟合主要 是求解初相位与信号幅值。 黾z n ：卜 卜1 - c o s 掣( 2 4 p + 4 a f - k 沼凹， 那么，当采样点数量为n 时： x k 2 尹1 2 薹c o s ( 却+ 争) 眩s 。， 可以证明，当一趋向无穷大或满足采样数据为整周期时。 而应用采样数据根据如下公式求解信号幅值。 a - 琢 根据求解信号幅值进一步求解初相位： 1 7 薹c o s ( 等七) 乩因 ( 2 3 1 ) 湖北工业大学硕士学位论文 通过观察首先确定采样开始点，应用如下公式初步确定初相位： - a t c s i a x 爿o ，当嘏于第1 象限 - 石一a l 璐l n - - “：，当胡于第2 、3 象限( 2 - 3 2 ) 以 - 2 , - r + a r c s i n x 爿o ，当胡于第4 象限 考虑到误差的影响，对其他所有点应用下式分别求解，并取结果最相近的值作为 初相位，吼表示利用第k 个点得到的初相位。 。一鲁叫争扫) 竹一一等d 降枷) c 2 吼- 新+ a 鲻；n 鲁一m o d i z f 矿叱幼) 这样就得到了 个初相位，对它们求均值，即可得到误差很小的初相位结果。 。翌 沼3 4 ， 实验时，正弦信号的频率为，- 5 4 k h z ，数据记录分析仪a r l l 0 0 采样频率为 ，j - 1 0 0 k h z 。当采样数据量为8 0 0 0 ，考虑到8 0 0 0 个点正好是4 3 2 个信号整周期， 则根据式( 2 3 1 ) 可以得到爿一0 6 0 7 6 4 7 。 如图2 1 7 观察采样信号的前l t x 数据，可知初相位属于第4 象限值。 篡 。4 毒0 。2 - o 2 _ o 4 篡 厂八八八八厂 ，7 v 2 5 v4 5 够1 6 妒8 秽7 图2 1 7 采样信号的前1 0 0 ，个 数据 湖北工业大学硕士学位论文 通过公式( 2 3 4 ) 计算可得相位为一5 5 4 9 2 5 。 前1 个数据点的拟合误差曲线如图2 1 8 所示： 0 2 o 1 5 0 。0 0 l 皂 晖o 0 0 0 5 丫) o 0 o 5 o 0 0 l 0 0 0 1 5 1 卉川 久a 呻 | 5 | 删州妒槲瓷 图2 1 8 数据拟合误差曲线图 应用峰峰值计算拟合相对误差，误差结果小于0 2 。可以看出，高稳定度的方 波信号经过本文所设计的多次带通滤波电路滤波后产生的正弦激励信号具有较高 的幅值和频率稳定度，为电感传感器信号处理的相敏检波电路做了良好的铺垫。 2 2 4 高负载激励信号的的跟随电路 由于运算放大器的开环电压增益彳。在实际中不可能达到理想中的无穷大啪】， 而运放直接驱动会导致器件发热，从而影响丸值。同时运放的差模输入电压 矿 屹一l 会随着4 。变化，使屹不是始终等于一个固定的值，从而导致激励信号的 以岫 输出不稳定。 为了得到负载能力较大的激励信号，这里采用运放与三极管相结合的驱动方 法，避免了采用运放直接驱动带来的负面影响。电路原理如图2 1 9 所示：在该电 路中，由于三极管的放大作用，运算放大器的功耗只需很小就可以驱动负载，在 工作时不会产生热量，则4 ，不会变化，从而保证了激励信号的稳定度。 湖北工业大学硕士学位论文 _ 3 v 图2 1 9 增加带载能力电路 2 3 电桥高输入阻抗放大处理方法 戴 在本章第1 节提出的利用交流电桥来进行信号的拾取，由于电桥平衡的理想 状态是在没有负载的前提下对其进行论证的，当电桥后面接放大器时就会破坏掉 整个电路的平衡。为了尽量减小误差，这里选用具有高输入阻抗的差分仪表放大 器a d 6 2 0 对输出信号进行放大，这样就可以把电桥输出端看成开路，保证了桥路 的平衡。a d 6 2 0 具有很好的直流特性和交流特性，它的最大输入失调电压为5 0 z v ， 最大输入失调电压漂移为l u v o c ，最大输入偏置电流为2 o 叫。当g 一1 0 时，其 共模抑制比大于9 3 d b 。在1 k h z 处输入电压噪声为9 n 矿 k 。在0 1 h z 1 0 h z 内 输入电压噪声的峰一峰值为o 2 8 # v ，输入电流噪声为o 1 p d 胞。当g 一1 时，它 的增益带宽为1 2 0 k h z ，建立时间为1 5 心。 总的来看，a d 6 2 0 的特点可归结为如下几点： ( 1 ) a d 6 2 0 能确保高增益精密放大所需的低失调电压、低失调电压漂移和低噪 声等性能指标： ( 2 ) 只用一只外部电阻就能设置放大倍数1 1 0 0 0 ； ( 3 ) 体积小，只有8 个引脚( 如图2 2 0 所示) ； ( 4 ) 低功耗，最大供电电流为1 3 m a 。 湖北工业大学硕士学位论文 r o n + 附 电 r o + v s o u t p u t r e f 图2 2 0 a d 6 2 0 引脚连接图 a d 6 2 0 是在传统的三运放组合方式改进的基础上研制的单片仪用放大器。k 的值还确定了前级运放的跨导。当r 。减小时，放大倍数增大，对输入三极管的跨 导渐渐地增大，这具有明显的优点：放大倍数增加使得开环增益增大，因此减小 了与增益有关的误差。内部增益电阻足和r ：被精确确定为2 4 7 k q ；使得运放增益 精确地由r 确定： g 一4 9 4 k f l r j + 1 或胄。一4 9 4 k q ( g 一1 ) a d 6 2 0 的应用较为广泛，尤其是使用在微弱信号放大的场合。在很多前置放大 电路中，若用一般的运放作前置处理，往往噪声较大，得不到有效的信号。选用 a d 6 2 0 ，作前置放大电路连接简单、噪声小。 a d 6 2 0 是一个高精度的仪表放大器，在应用中还需要注意防止放大器的堵塞问 题。如果微弱信号上迭加有一个较强的直流信号，就要设置一个分离电路，使直 流信号分离。本系统设计要求放大倍数g = 2 5 0 ，由式( 2 - 3 5 ) 得： r ，- 4 9 船纠( g 一1 ) - 4 9 4 k q 2 4 9 = 1 9 8 3 6 q 因此，a d 6 2 0 的第1 脚和第8 脚应用阻值为2 0 0 欧的电阻连接。 2 4 绝对值电路 2 4 1 半绝对值电路 图2 2 l 所示的是常见的简单半波整流电路，其输出电压与输入交流电压k 之问有k 一沁) 的关系( 以) 为二极管的正向压降) ，显然，由于二极管存 在着0 6 v ( 硅管) 左右的“死区”，且为一随导通电流f d 而变化的数值，故此 电路的整流特性很差。 图2 2 l 常见半波整流电路 在由运算放大器构成的“精密半波整流电路”( 图2 2 2 ) 中，上述因二极管而 引起的误差可被大大减小 分析电路的与k 之关系，经过一些数学推导、整理，最后可得出： 吩零毒弘磊v o ( i o ) ( 2 - 3 6 ) 式中4 为放大器的开环电压放大倍数。 另外一种形式的精密整流器如图2 2 3 所示，同样可以找出它的、k 问的关 k 一击p 剖 c 柳， 图2 2 3 另一种精密整流器电路图 不难看出，由于( 2 - 3 6 ) 、( 2 3 7 ) 两式的后一项都含有( f d ) ，故它们仍未 消除二极管的非线性所带来的误差，只是把这种误差分别减小了许多。不过将两 式的后一项进行比较可发现，由于1 + 4 一般总要大于1 + - ：生i ，故图2 2 3 电 1 十 f 瓜l 路对二极管的非理想特性抑制的要比图2 2 2 电路更好一些。但因后者的输入端会 湖北工业大学硕士学位论文 出现共模电压，所以如果运算放大器的抗共模能力不够强的话，就难以达到理论 上的精度。然而随着集成电路技术的飞速发展，运放的品质会越来越优良，以至 实用中可方便地选择一种尽可能满意的器件。 2 4 2 基于双运放的全绝对值电路 绝对值电路是相敏检波电路的关键，绝对值电路可以将双极性信号变为单极 性信号，利用二极管的单向导电性，就可以把方向交替变化的交流电变换成单一 方向的脉动直流，实现整流功能。由于二极管存在压降，会产生较大的误差，因 此，采用运算放大器构成的绝对值电路可以补偿二极管的压降，消除其影响。 绝对值运算一般采用精密全波整流电路来实现。由图2 2 3 是一个具有高输入 阻抗的绝对值运算电路。 m越m“ 图2 2 4 双运放全绝对值电路 假设输入信号以为正弦波，弘在为正半周时，d l 导通d ：截止，集成运放4 工 作在电压跟随器状态，其输出【，。一u l 。此时加到集成运放a ：的输入信号有两个， 一是加到4 同相端的信号配，另一个是经电阻r 、r ，加到z ：反相端的信号虬。 利用叠加原理可得a ：输出电压u 。的表达式为 u o 一玑 ( 2 3 8 ) 在u 。为负半周时，d 1 截止d ：导通，集成运放a 。处于同相输入放大状态，其 输出【，。- “也蜀虹，此时加到集成运放月：两输入端的信号分别为u ；和u 。， 其输出电压可由下式确定： 玑。( 惫) 【，i - - 急( 鲁户t q 。 当2 r 1 。2 r 2 2 r 3 一r 4 时，贝 uo一-ui(2-40) 综上所述可得： 湖北工业大学硕士学位论文 ，鬻 。2 即 u 。一p j ( 2 - 4 2 ) 实现了绝对值运算。 2 4 3 基于单运放的全绝对值电路 这里提出了一种单运放实现全波整流的方法，在保证运放工作在非饱和状态的 条件下，克服了需要双运放实现绝对值电路的缺点”，应用单运放实现了全波整 流的功能。其原理图如图2 2 4 所示：设滑动变阻器的值为r ，x 为滑动变阻器的 百分比，则当m ，0 时，二极管d i 导通，电流流经坞、r 、r ，此时根据 运放虚断虚短的概念，可以得到此时的输出电压： 圪一r,+r2+0-x)s v i(2-43) 。 冠+ r ，+ r + r 1 当m c 。时，二极管。：导通，电流由a 点流经尺：、马：、马，己知鲁一笔， 则此时输出电压： 卜扣一喾嚣，悟g i ) - 4 4 通过选择合适的电阻参数，保证无论k 大于0 还是小于0 ，输出电压始终都为 正，并调整滑动变阻器的百分比x ，实现全波整流的功能。 图2 2 5 单运放的绝对值电路 这里选用焉* 3 9 k q ，r 2 6 8 k q ，r j 一8 2 k q ，r 4 2 2 k q ，r 1 2 1 勰。联立 方程( 2 4 3 ) 和( 2 - 4 4 ) 计算得x - 7 5 3 5 ，此时k - 0 5 5 肛i 湖北工业大学硕士学位论文 通过图2 2 7 电路得到的结果与仿真结果( 如图2 2 6 ) 完全吻合。 1 o 基。 【v ) - 0 一t 胁、a ， a 卜 v 1 扩u 时间( s ) 图2 2 6 单运放绝对值仿真图 上图中，a 是原正弦信号，其幅值约为o 8 伏；b 是取绝对值后的信号，幅值 是0 4 4 伏，验证了经过绝对值电路后，输出电压圪- 0 5 5 眦i 。同理可知，只需要 将图2 2 5 的两个二极管反向即可得到负绝对值电路。 按照上述参数建立好电路后，利用采样频率严格的高精度采样器a r l l 0 0 进行 数据采样，采样频率为1 0 0 k h z ，得到数据如图2 2 7 。 采样点数 图2 2 7 采样数据分析 图2 2 7 所示的不是标准的绝对值电路的波形，这是因为在电路工作时，运算 放大器的延时现象致使a 点的电压滞后，因此运放的速率影响了绝对值的效果。 该电路虽然减少了全波整流输出信号的幅值，但由于采用单运放的，极大地减少 了多运放的不对称与延迟等误差的影响，提高了检波信号的质量和精度。 2 5 本章小结 本章首先论述了电感传感器信号处理电路对整个测量系统精度的影响，在分析 t 6 s i 3 2 l o l 2 n 乱乱n m n 仉 n n ) 一 一 电压可 湖北工业大学硕士学位论文 了传统的电感传感器信号处理电路的优缺点的基础上，对其进行改进，提出了新 的产生高稳定度正弦激励信号的方法并进行失真度分析，在提高电路的带载能力 上也做了改进，并且设计了一种基于单运放的有源全绝对值检波电路，通过实验 证明了其实用性和高精度性。 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章基于u s b 的电感传感器测量系统的软硬件开发 3 1 系统硬件总体设计方案 在上一章中已经给出了传感器测量系统的整体框图( 图2 1 ) ，该测量系统主要 包括以下几个部分： ( 1 ) 电感传感器及其测量电路。这个部分包括两个环节：一个是电感传感器， 它的根本目的是将位移信息转换成单极性或双极性的、具有一定幅度的高精度直 流电压。另一个环节是信号处理电路，利用高精度的正弦激励信号驱动交流电桥、 有源单运放全绝对值检波电路等多种手段对传感器信号进行精密处理。 ( 2 ) a ，d 转换电路。利用a d 转换器a d s 7 8 4 1 将前端的传感器测量电路的模 拟信号进行采集并转换为数字信号，为后期的数据传输做准备。 ( 3 ) 微控制器