信号转换与调理.ppt
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,滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律,3.4 滤波器,3.5 项目设计实例,磁粉探伤原理：被磁化后的铁磁性工件若不存在缺陷，则磁力线均匀分布；若其表面或近表面存在与磁力线不平行的裂纹、气孔等缺陷，则部分磁力线会绕过缺陷而逸出工件表面，并在缺陷周围形成漏磁场。如果在工件表面喷洒导磁率很高且粒度很小的磁粉，则部分磁粉就会被缺陷处的漏磁场吸附并形成磁痕。即可判断工件是否存在缺陷。,第3章 信号转换与调理,磁化原理：,3.5 项目设计实例,周向磁化电源为降压变压器，将380V6V左右的交流电，然后通过夹头接至工件的两端，则工件内就会建立交变的周向磁场。纵向磁化电源的核心是全波整流电路，整流后的脉动直流电接至两个磁化线圈，产生交变的纵向磁场。这样工件内的周向磁场和纵向磁场交互作用，可反映出表面或近表面的缺陷，实现复合磁化。,3.5.1 磁化电流自动调节原理,交流电流变送器将变压器的初级电流按线性比例转换为标准的直流4-20mA信号，该信号经I/V转换后输出0-5V的直流电压，并通过A/D转换送入微处理器AT89S51。,3.5 项目设计实例,纵向磁化电流是小于5A的脉动直流电，磁补偿式霍尔电流变送器用于检测纵向磁化电流的大小，并输出0-5V的直流电压信号，也通过A/D转换送入微处理器AT89S51。,3.5 项目设计实例,可控硅调压原理：,3.5 项目设计实例,3.5.2 I/V转换电路,由RCV420构成的I/V转换电路，将4-20mA的电流信号转换成为0-5V电压信号，其关系为：,3.5 项目设计实例,3.5.3 A/D转换电路,3.5 项目设计实例,
