1、第3章 信号转换与调理,测试技术,便于信号的传输与处理,信号转换与调理的目的：,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
2、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。,3.1.1 信号转换,3.1 信号转换与放大,（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
3、控制。,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。,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
4、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。,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，频率信号经长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。,
5、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。,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
6、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
7、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,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
8、压为单极 性方式，且,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。,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
9、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：,案例：INA114与测量电桥的连接,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：
10、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。,当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，流过激光器 LD的电流I也相应降低，从而达到降低LD辐射功率。,5. 程控增益放大器 ( 如： AD526),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。,3.2.1 直流电桥,第3章 信号转换与调理,在实际应用中：,3.2.
11、1 直流电桥,2. 电桥的连接方式,单臂电桥,差动半桥,差动全桥,3.2.1 直流电桥,3. 电桥的加减特性及其应用,工程上利用电桥的加减特性，可以提高灵敏度、温度补偿和消除干扰因素等。,当电桥相邻臂阻值增量相反，相对臂阻值增量相同时，电桥输出增大；当电桥相邻臂阻值增量相同，相对臂阻值增量相反时，电桥输出减小。这一特性称为电桥的加减特性。,电桥加减特性的应用-温度补偿：,电桥加减特性的应用-提高灵敏度：,电桥加减特性的应用-提高灵敏度：,3.2.2 交流电桥,3.2 测量电桥,* 平衡条件,常用交流电桥:,3.2.2 交流电桥,动态电阻应变仪中电桥的电阻、电容平衡调节,案例:,3.3 调制与解
12、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,优点： 克服直流放大器的零漂和级间耦合等问题,3.3.1 调幅及其解调,1. 抑制调幅: 直接将高频载波与被测信号(调制波) 相乘，使载波信号的幅值随被测信号而发生变化。,抑制调幅与同步解调过程(波形分析时域分析),抑制调幅与同步解调过程(频域分析),抑制调幅与同步解调过程(数学分析),2. 非抑制调幅: 把被测信号x(t)进行偏置，叠加一个 直流分量A，使偏置后
13、的信号都具有正电压，然后再 与高频载波相乘得到调幅波。,非抑制调幅波形分析：,非抑制调 幅的解调,低通滤波,二极管检波,(包络检波),调幅波的波形失真：,（1）过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏置 必须足够大，否则x(t)的相位将发生180o。,（2）重叠失真：抑制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,波形分析：,3. 相敏检波,差动电阻、电容、电感传感器后接仪表方框图,动态电阻应变仪原理图,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(
14、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。,1. 调频原理,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,压控振荡器(VCO)调频：,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。,频率电压线性变换部分
15、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)。,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,案例：旋转机械扭矩测量(调幅),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,3.4 滤波器,滤波器是一种选频装
16、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。,3.4.1 滤波器的分类(按所选频率分),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,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。,（1）纹波幅度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；,（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
17、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 ,反映分离相邻频率成分的能力。,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),1. 一阶有源低通滤波器,当 时， 理想状态,当 时， 积分器,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。,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. 二阶有源带通滤波器,当 ， 时，K1
18、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：,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：,（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。,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),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：,产品：,LineDa: LTC1564,MAXIM: MAX74xx,由案例提炼的典型实验：钢管无损探伤 p88,滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警,案例：机床轴心轨迹的滤波处理,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,
