《自动检测电子》课件-第十一章 信号的处理、变换及抗干扰技术

第十一章信号的处理、变换及抗干扰技术信号的处理与变换

信号的输出、显示和记录装置抗干扰技术本章内容§1§3§2§1信号的处理与变换一、电桥电路

电路可以提供稳定度为0.01%的电源，作为远端驱动的电桥电源。由于运算放大器的高输入阻抗，反馈导线上的电流近似为零，而电桥反馈的激励电压是从电桥处取出的，它与驱动导线的长短（电阻）无关，所以克服了远端驱动的导线影响以及环境变化的影响

高稳定度远端驱动的电桥激励电路二、模拟开关

模拟开关的基本功能和结构如左图所示，它应能接通或断开模拟输入信号，在导通时输出信号即输入信号而无失真，而断开时输出信号应为零。三、放大器

放大器的输入电压是传感器输出在它的内阻、电缆电阻和放大器的输入阻抗上的分压，而负载RL上的输出电压则是放大器输出在输出阻抗和RL上的分压。

四、信号转换电路

（一）调制和解调

1．斩波调幅斩波调制器结型场效应管是目前普遍采用的开关器件

环形调制器为了保证二极管的有效导通，要求Uc>Ui。2．相敏解调当与同相时输出为正；反之，当UC与反相时输出为负。因此，输出电压的极性与输入信号的相位有关，亦即具有相敏特性。

（二）模-数（A/D）和数-模（D/A）转换器

1．模-数（A/D）转换

A/D转换器的输入-输出关系可以表示为：

A—输入模拟量；D—输出的数字编码；Q—量化单位。2．数-模（D/A）转换转换器的精度主要取决于基准电压UR和网络电阻的精确度。

基准电压较普遍的采用恒流源-齐纳二极管稳压方式，如图b），它的温度稳定性可以做到更高性能的基准电压电路如右图所示。五、线性化

在非电量电测系统中，大多数传感器的输出电信号与被测量之间的关系是非线性的，其原因之一是传感器转换原理的非线性。另一个原因是接口电路的非线性。

（一）模拟量的非线性校正

1．电桥电路的线性化图中电桥的激励电压

输出信号电压U0’为这方法可以应用于类似的传感器电路。2．热敏电阻的非线性校正已知热敏电阻的阻值与温度的关系为

如果采用恒流源激励时，它的输出为：将这信号接入对数放大器就可以得到它的输出电压的关系式：即Uo与Φ

呈线性关系。3．折线逼近法将传感器的输出特性曲线根据线性度的要求用有限的线段来近似，然后根据各线段的斜率和转折点来设计电路。对于任意曲线，运用折线逼近法可以写出如下关系式式中k为折线的斜率，表示

时x有效

基本的电路单元是一个比例放大器。与普通放大器的区别是输入量大于某一定值时有效，具体电原理图§2信号的输出、显示和记录装置一、电测量指示仪表

1．电测量指示仪表的组成及其基本原理

（1）组成测量机构能够直接接受的量Y一般是较微弱的电流，如果被测量X是较大的电流或者是其它量（例如电压或电阻等），则必须通过一定的电路将被测量X变换为测量机构能够直接接受的中间量Y（2）测量机构的工作原理测量机构是电测量指示仪表的核心，它的任务是将与被测量呈一定函数关系的中间量Y变换为活动部分的角位移α

，并能准确而迅速地指示出被测量的大小。因此，任何测量机构都必须包括以下四个基本部分：1）驱动装置驱动装置一般由固定的磁路系统（永久磁铁或固定线圈）及可动的线圈或铁磁元件组成。

2）控制装置测量机构中，对活动部分产生反作用力矩的装置称之为控制装置。反作用力矩一般由弹性元件—游丝或张丝产生。

3）阻尼装置

测量机构中，对活动部分产生阻尼力矩的装置称为阻尼装置。阻尼力矩用表示，它的特点是：其大小与活动部分的偏转速度成正比，而方向总是与该速度方向相反。

4）指示装置指示装置包括指示器和标度盘。

（二）指示仪表的主要技术特性

1．仪表的灵敏度和仪表常数

仪表指示器偏转变化量与被测量之比，称为仪表的灵敏度，用表示。即：如果仪表的标尺分度是均匀的，则：x为被测量数值；L为仪表指示器的偏转量；m为仪表指示器的偏转分格数。因此，当标尺分格数均匀时，灵敏度等于单位被测量引起指示器偏转的分格数。仪表灵敏度的倒数称为仪表常数或分度常数，用C表示。即：仪表的灵敏度和仪表常数反映了仪表对被测量的分辨力。如果仪表的灵敏度愈高，仪表常数愈小，对被测量分辨力愈强。

二、记录装置

（一）显式记录仪器

1．光线示波器

它利用磁电式振动子将输入的电流信号转换成光点的横向移动，然后在等速移动的感光记录纸上将被测信号记录下来。

2．笔试记录仪（1）检流计式笔录仪其最高工作频率可达125Hz。另外，由于笔尖与纸触所引起的摩擦力矩较大，因而造成较大的误差。（2）函数记录仪是一种自动平衡仪表，它能高精度地自动显示和记录已转化成电压的信号，最常用的是闭环零位平衡系统的伺服记录仪。

若待记录的直流信号电压ur与电位计的比较电压u0不相等，则有ue输出，电压ue经调制、放大、解调后驱动伺服电机，电机轴的转动通过皮带（或钢丝）等传动机构带动记录笔作直线运动，实现信号的记录，同时与记录笔相联的电位计电刷也随着移动，从而改变着u0的值。

系统中采用零位平衡原理，记录的幅值准确性高，一般误差小于全量程的±2%。但是因传动机构的机械惯性大，频率响应通常在10Hz以下如果将记录纸固定不动，记录笔用两个互相垂直的、且分别由两套零位平衡伺服系统驱动，那么在记录纸上便描绘出两个被测量的关系曲线，这就是x-y函数记录仪的工作原理。其结构方框图如图所示。

（二）隐式记录仪器

磁记录器有磁带式、磁盘式和磁鼓式等，又叫磁表面存贮器，它们都是利用磁介质的剩余磁化现象来存贮信息的。

1．磁带记录器的构成

（1）记录器放大和重放放大器（2）磁头

磁头相当于在环形铁芯上绕有一个线圈的电磁铁，在与磁带贴近的前端有一很窄的缝隙，一般为几个微米，称为工作间隙，如图

（3）磁带和磁带传动机构

磁带是一种坚韧的聚脂薄膜塑料带，厚约50μm，一面涂有铁磁性材料粉末，涂层厚约10μm。

磁带传动机构包括电动机、驱动机构和控制机构等。该机构必须带速稳定，启动和停止迅速可靠

2．磁带记录器的记录方式(1)直接记录方式（DR式）如直接输入一个正弦信号，则磁带上的磁化波形将是一个畸变的钟形波，

为解决这一非线性畸变，可以采用偏磁技术，常用的是交流偏磁技术。即将一个高频振荡信号和欲记录信号叠加(不是调幅)后供给记录磁头，使叠加后的信号幅值能和磁带的剩磁曲线段相对应，如图10-24所示，高频振荡上的低频信号是不失真的，它表现为叠加后信号的上下包络线。(2)频率调制（FM）记录方式输入信号经过FM调制器，将幅值变化变为频率的变化，其频率偏移正比于输入信号的幅值。当输入正的信号时，载波频率增加，当输入负的信号时，载波频率减小。

(3)数字记录方式数字式记录是把待记录信号放大后，经过采样、保持、A/D转换成二进制代码脉冲，并由磁带记录。重放时再将该信号经D/A转换还原为模拟信号，从而恢复被记录的波形FM记录方式的优点是可以记录低频及静态过程，信号跌落小，频率变更对相位偏移的影响小。

FM记录方式的工作频带上限受到限制，只有0～100kHz，

§3抗干扰技术一、电子测量装置的两种干扰

（一）差模干扰

差模干扰是使信号接收器的一个输入端子电位相对另一个输入端子电位发生变化，即干扰信号与有用信号跌加在一起。

针对具体情况可以采用双绞信号传输线、传感耦合端加滤波器金属隔离线屏蔽等措施来消除差模干扰。（二）共模干扰共模干扰是相对于公共的电位基准地（接地点），在信号接收器的两个输入端子上同时出现的干扰。

为了消除供模干扰可采用对称的信号接收器的输入电路和加强导线绝缘的办法。对于工频共模干扰的防护。

二、外来干扰的防止及抑制

（一）屏蔽与接地

测量电路的信号线不与屏蔽罩相连接，信号线及信号屏蔽线相接在信号源的同一接地点(一点接地)，屏蔽线必须与零信号基准电位相接，而零信号基