4 检测信号的处理(第三章 )

1,第三章检测信号的处理,在非电量测量系统中，传感器将被测物理量转换成与其有一定函数关系的电信号（电压、电流、电荷）或电参量（如电阻、电容等）。通常，电信号的需通过信号处理电路将其变换为标准电压、电流信号之后供显示仪器、记录仪器使用。对于电参量信号，必须先转换成相应的电信号之后才能加以放大。,2,第一节放大器,一、概述传感器直接输出的信号有：电压、电势、电位电流、电荷电阻、电容、电感光、磁,3,标准电压信号：15V标准电流信号：420mA其他标准电压信号方便对被测信号的后续变换、处理、记录、分析,信号放大的目的：,4,放大电路主要用途,电桥放大器：阻抗式传感器差动放大器：电势式、电位式传感器高输入阻抗放大器：电位、电势、电荷式电荷放大器：电荷式传感器仪表放大器：电位差、电势差隔离放大器：噪声隔离、光电、磁电、电感比例放大器：通用型,5,一、电桥放大电路,1、特点：灵敏度高线性好测量范围宽容易实现温度补偿,分类：直流电桥交流电桥,6,2、电桥的接法,7,3、典型电桥放大电路,反相输入,8,电源浮置的电桥放大器,差分输入式电桥放大器,9,二、比例放大电路,10,1、同相比例放大电路,增益,11,2、反相比例放大电路,12,三、电荷放大电路,典型应用：压电传感器,13,四、差动放大电路,增益,特点：提高电路共模抑制比，减小温度漂移,14,五、仪表放大器,适用于电势差、电位差输出型传感器,15,六、隔离放大器,隔离放大器：隔离放大器电路的输入、输出与电源电路之间没有直接的电路连接，即信号在传输过程中没有公共的接地端。,应用场合：隔离放大器电路主要用于噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。,16,原理框图：,变压器耦合,光电耦合,17,组成及符号：,适用于电感式、磁电式、电涡流式、光电式、霍尔式等传感器的信号调理与放大。,18,七、高输入阻抗放大器,应用：适用于电荷式传感器前置放大。,19,第二节滤波器,一、概述滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。,20,二、滤波器分类,根据滤波器的选频作用分类,从0f2频率之间，幅频特性平直，它可以使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f2的频率成分受到极大地衰减。,21,与低通滤波相反，从频率f1，其幅频特性平直。它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于f1的频率成分将受到极大地衰减。,22,带通滤波器它的通频带在f1f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分可以不受衰减地通过，而其它成分受到衰减。,带阻滤波器与带通滤波相反，阻带在频率f1f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。,23,三、理想滤波器,理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器，其通带和阻带之间有明显的分界线。也就是说，理想滤波器在通带内的幅频特性应为常数，相频特性的斜率为常值；在通带外的幅频特性应为零。,理想低通滤波器的频率响应函数为:,24,其幅频及相频特性曲线为：,25,四、实际滤波器,1、实际滤波器的基本参数,理想滤波器是不存在的，在实际滤波器的幅频特性图中，通带和阻带之间应没有严格的界限。在通带和阻带之间存在一个过渡带。在过渡带内的频率成分不会被完全抑制，只会受到不同程度的衰减。当然，希望过渡带越窄越好，也就是希望对通带外的频率成分衰减得越快、越多越好。因此，在设计实际滤波器时，总是通过各种方法使其尽量逼近理想滤波器。,26,由图中可见，理想滤波器的特性只需用截止频率描述，而实际滤波器的特性曲线无明显的转折点，两截止频率之间的幅频特性也非常数，故需用更多参数来描述。,27,（1）截止频率fc通带与过渡带边界点的频率称为通带截频，在该点信号衰减到规定的下限。幅频特性值等于0.707A0所对应的频率称为滤波器的截止频率，若以信号的幅值平方表示信号功率，则所对应的点正好是半功率点。,（2）通带增益Kp对于低通滤波器，通带增益一般指0时的增益；高通滤波器一般指时的增益；带通滤波器一般指中心频率处的增益；带阻滤波器，一般给出阻带衰减，定义为增益的倒数。,（3）品质因素Q与阻尼系数品质因素Q定义为谐振频率与带宽之比，常用于评价带通滤波器与带阻滤波器的选频特性。阻尼系数用来表征滤波器对频率为f0的信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰减的一项指标。阻尼系数与品质因素互为倒数关系，即=1/Q。,28,五、模拟滤波器,在测试系统中，常用RC滤波器。因为在这一领域中，信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干扰性强，有较好的低频性能，并且选用标准的阻容元件，所以在工程测试的领域中最经常用到的滤波器是RC滤波器。,29,1、一阶RC低通滤波器RC低通滤波器的电路及其幅频、相频特性如下图所示,其幅频、相频特性公式为：,30,2、一阶RC高通滤波器RC高通滤波器的电路及其幅频、相频特性如下图所示,其幅频、相频特性公式为：,31,3、一阶RC有源低通滤波器,其传递函数为：,32,3、二阶RC有源低通滤波器,其传递函数为：,33,4、二阶压控电压源型RC低通滤波器,34,5、二阶RC有源高通滤波器,其传递函数为：,35,六、模拟数字转换原理,微电子技术和信号处理技术的发展，数字信号处理方法得到广泛应用，成为测试系统中的重要部分。从传感器获取的测试信号中大多数为模拟信号，进行数字信号处理之前，需要对信号作预处理和数字化处理。,36,测试中的数字信号处理系统,37,(1)预处理是指在数字处理之前，对信号用模拟方法进行的处理，变成适于数字处理的形式。如对输人信号的幅值进行处理，使信号幅值与AD转换器的动态范围相适应；衰减信号中不感兴趣的高频成分，减小频混的影响；隔离被分析信号中的直流分量，消除趋势项及直流分量的干扰等。(2)AD转换是将预处理以后的模拟信号变为数字信号，其核心是A/D转换器。信号处理系统的性能指标与其有密切关系。(3)对采集到的数字信号进行分析和计算，可用数字运算器件组成信号处理器完成，也可用通用计算机。目前分析计算速度很快，已近乎达到“实时”。(4)结果显示一般采用数据和图形显示结果。,38,1、数字信号处理的优势,(1)可以用数学计算和计算机显示代替复杂的电路和机械结构,39,(2)计算机软硬件技术的发展,40,41,2、A/D转换,把连续时间信号转换为与其相对应的数字信号的过程称之为AD（模拟-数字）转换过程，反之则称为DA（数字-模拟）转换过程，它们是数字信号处理的必要程序。,42,AD转换包括了采样、量化、编码等过程，其工作原理如图所示,43,采样,又称为抽样，是利用采样脉冲序列，从连续时间信号x(t)中抽取一系列离散样值，使之成为采样信号x(nTs)的过程。1Ts=fs称为采样频率。,44,由于后续的量化过程需要一定的时间，对于随时间变化的模拟输入信号，要求瞬时采样值在时间内保持不变，保证转换的正确性和转换精度，这个过程就是采样保持。,45,量化又称幅值量化，把采样信号x（nTs）经过舍入或截尾的方法变为只有有限个有效数字的数，这一过程称为量化。,若取信号x（t）可能出现的最大值A，令其分为D个间隔，则每个间隔长度为R=AD，R称为量化增量或量化步长。当采样信号x（nTs）落在某一小间隔内，经过舍入或截尾方法而变为有限值时，则产生量化误差。,46,编码将离散幅值经过量化以后变为二进制数字的过程。信号x(t)经过上述变换以后，即变成了时间上离散、幅值上量化的数字信号。,47,（4）AD转换器的分辨力,AD转换器的分辨力用其输出二进制数码的位数来表示。位数越多，则量化增量越小，量化误差越小，分辨力也就越高。常用的有8位、10位、12位、16位、24位、32位等。,例如，某AD转换器输入模拟电压的变化范围为-10V+10V，转换器为8位，若第一位用来表示正、负符号，其余7位表示信号幅值，则最末一位数字可代表80mV模拟电压（10V12780mV），即转换器可以分辨的最小模拟电压为80mV。而同样情况，用一个10位转换器能分辨的最小模拟电压为20mV（10V12920mV）。,48,（4）AD转换器的转换精度具有某种分辨力的转换器在量化过程中由于采用了四舍五入的方法，因此最大量化误差应为分辨力数值的一半。如上例8位转换器最大量化误差应为40mV（80mVO.5=40mV），全量程的相对误差则为0.4（40mV10V100）。可见，AD转换器数字转换的精度由最大量化误差决定。,由于含有AD转换器的模数转换模块通常包括有模拟处理和数字转换两部分，因此整个转换器的精度还应考虑模拟处理部分（如积分器、比较器等）的误差。一般转换器的模拟处理误差与数字转换误差应尽量处在同一数量级，总误差则是这些误差的累加和。,49,（4）AD转换器的转换速度转换速度是指完成一次转换所用的时间，即从发出转换控制信号开始，直到输出端得到稳定的数字输出为止所用的时间。转换时间越长，转换速度就越低。转换速度与转换原理有关，如逐位逼近式AD转换器的转换速度要比双积分式AD转换器高许多。除此以外，转换速度还与转换器的位数有关，一般位数少的（转换精度差）转换器转换速度高。,由于转换器必须在采样间隔Ts内完成一次转换工作，因此转换器能处理的最高信号频率就受到转换速度的限制。,50,3、D/A转换过程和原理,D/A转换器是把数字信号转换为电压或电流信号的装置,51,若D7-D0为ox00时，I=VREF/R,I7=1/2I;I6=1/2I7.此时反向端无电流输入即：I01=0；若D7=1,即D7-D0=0 x80时，I01=I7=1/2I；以此类推：当D7-D0=0 xff时，I01=I(1/2+1/22+1/23+1/24+1/25+1/26+1/27+1/28)=I/28(27+26+25+24+23+22+21+20)于是Vo=RfbVREF/R/28(27+26+25+24+23+22+21+20),52,采样定理,采样定理说明了一个问题，即当对时域模拟信号采样时，应以多大的采样周期（或称采样时间间隔）采样，方不致丢失原始信号的信息，或者说，