常見模擬量信號(hào)的檢測(cè)方法ppt課件VIP

.,1,第三章常見模擬量信號(hào)的檢測(cè)方法,本章重點(diǎn),.,2,1.電壓類信號(hào)的檢測(cè),3.電阻型信號(hào)的檢測(cè),重點(diǎn)：,2.頻率及周期型信號(hào)的檢測(cè),返回,.,3,3.1概述,智能儀器中起控制作用的微處理器所處理的信號(hào)是二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)，但物理世界中大量的信號(hào)都是連續(xù)變化的模擬量，智能儀器能夠?qū)λ鼈冞M(jìn)行處理的前提，先要能把模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)，完成這種變換的電路叫模-數(shù)變換器（A/D變換器，簡(jiǎn)稱ADC）。,下頁,上頁,返回,.,4,下頁,上頁,返回,對(duì)于常見的各類A/D變換器，盡管工作的方式有很大的差異，都能夠完成將直流電壓信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)的功能，因此各類模擬量信號(hào)只要能夠通過某種方式變換為電壓信號(hào)，就可以進(jìn)而變換為數(shù)字信號(hào)送到智能儀器中進(jìn)行處理。其一般原理框圖如圖3.1所示：,.,5,3.2電壓類信號(hào)的檢測(cè),從測(cè)量的觀點(diǎn)看，測(cè)量的主要參量是電壓，因?yàn)樵跇?biāo)準(zhǔn)電阻兩端若測(cè)出電壓值，那么就可通過計(jì)算求得電流與功率，此外，包括測(cè)量?jī)x器在內(nèi)的電子設(shè)備，它們的許多工作特性均可視為電壓的派生量，如調(diào)幅度、非線性失真系數(shù)等，可以說，電壓測(cè)量是其它許多電參量，也包括非電參量的基礎(chǔ)。,下頁,上頁,返回,.,6,1.對(duì)電壓測(cè)量的基本要求,下頁,上頁,返回,頻率范圍寬：被測(cè)電壓的頻率可以是直流、超低頻、低頻、高頻或超高頻，其頻率范圍為0HZ到幾百M(fèi)HZ，甚至達(dá)到GHZ量級(jí)。電壓測(cè)量范圍廣：被測(cè)電壓值可以小到微伏，甚至毫微伏級(jí)，而大到幾千伏，幾十千伏。輸入阻抗高：電子測(cè)量?jī)x器的輸入阻抗就是被測(cè)電路的額外負(fù)載，為了使儀器接入電路時(shí)，盡量減小它的影響，要求儀器具有高的輸入阻抗。測(cè)量準(zhǔn)確度高：由于電壓測(cè)量的基準(zhǔn)是直流標(biāo)準(zhǔn)電池，同時(shí)，在直流測(cè)量中，各種分布性參量的影響極小，直流電壓的測(cè)量可獲得極高的準(zhǔn)確度。抗干擾能力強(qiáng)：當(dāng)測(cè)量?jī)x器工作在高靈敏度時(shí)，干擾會(huì)引入測(cè)量誤差，故要有高的抗干擾能力。,.,7,2.交流電壓的測(cè)量,下頁,上頁,返回,電壓類信號(hào)又可分為直流電壓和交流電壓兩類，比較簡(jiǎn)便的方法是將直流電壓和交流電壓分別對(duì)待，對(duì)直流電壓直接處理，對(duì)交流電壓，依據(jù)不同的響應(yīng)變換為直流電壓再進(jìn)行處理。一個(gè)交流電壓的大小，可以用它的峰值，平均值，有效值v及波形因數(shù)、波峰因數(shù)來表征。1.峰值定義：任何一個(gè)交變電壓在所觀測(cè)的時(shí)間或一個(gè)周期內(nèi)，其電壓所能達(dá)到的最大值。2.平均值定義：數(shù)學(xué)上的定義為：,T為該交流電壓的周期。3.有效值U定義：該交流電壓在一個(gè)周期內(nèi)通過某純阻負(fù)載所產(chǎn)生的熱量與一個(gè)直流電壓在同樣條件下產(chǎn)生的熱量相等時(shí)，該直流電壓的數(shù)值。,.,8,下頁,上頁,返回,4.波形因數(shù)交流電壓的波形因素定義為該電壓的有效值與平均值之比。5.波峰因數(shù)交流電壓的波峰因數(shù)定義為該電壓的峰值與有效值之比。進(jìn)行交流/直流變換，必須首先知道變換電路的輸出與被測(cè)交流電壓大小的關(guān)系，根據(jù)上述交流電壓的三種表征，分別有峰值響應(yīng)、平均值響應(yīng)和有效值響應(yīng)三種檢波器電路，對(duì)應(yīng)能夠得到交流電壓的峰值、平均值、有效值的數(shù)值。以有效值為例，可以采用熱電變換和模擬計(jì)算電路兩種方法來實(shí)現(xiàn)其測(cè)量。熱電變換就是根據(jù)有效值的定義，將交流電壓通過某純阻負(fù)載所產(chǎn)生的熱量通過熱電偶變換為直流信號(hào)。模擬計(jì)算可以采用圖3.2的電路進(jìn)行計(jì)算。,.,9,3.3電流信號(hào)的檢測(cè),1.傳統(tǒng)的手動(dòng)分檔測(cè)量方法,測(cè)量電流的基本原理是將被測(cè)電流通過已知電阻（取樣電阻），在其兩端產(chǎn)生電壓，這個(gè)電壓與被測(cè)電流成正比。,下頁,上頁,返回,.,10,圖3.3為一種用數(shù)字電壓表分檔測(cè)量直流電流的基本電路，該電路將輸入電流分為20A、200mA、20mA、2mA四個(gè)量程，轉(zhuǎn)換電阻用0.01、0.99、9、90四個(gè)電阻串連，將四種量程的電流接入電路的不同點(diǎn)，使得每種量程的電流在滿量程時(shí)得到的電壓都是0.2V（盡量選取數(shù)字電壓表電壓量程的最低檔，以便做到盡可能小的電流測(cè)量的內(nèi)阻），從而用0.2V的數(shù)字電壓表配合不同的顯示單位及小數(shù)點(diǎn)位置指示被測(cè)電流的大小。這種方法是數(shù)字多用表常用的測(cè)量方法。,下頁,上頁,返回,.,11,2.自動(dòng)分檔測(cè)量方法,在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中一般以電流信號(hào)的最大值確定所需電阻，如最大值為100mA，A/D的輸入最大值為10V，可選電阻為0.1K，如果將自動(dòng)量程分為四個(gè)檔位，可用4個(gè)25歐的電阻串聯(lián)，通過模擬開關(guān)引出不同的信號(hào)，電路如圖3.4所示，圖中運(yùn)算放大器起輸入緩沖作用。這種方法對(duì)于直流電流和交流電流的測(cè)量都適用。,下頁,上頁,返回,.,12,下頁,上頁,3.4相位型信號(hào)的檢測(cè),在檢測(cè)系統(tǒng)中相位定義為同頻的兩路信號(hào)之間的相位之差，嚴(yán)格來講是指兩路正弦信號(hào)的相位差，但如果是方波、三角波等均勻波形時(shí)也可求其基波的相位差。,1.軟件分析法,返回,如圖3.5a所示，假如被測(cè)信號(hào)是不含直流分量的標(biāo)準(zhǔn)的正弦波X1和X2，用同步采樣的方法將兩路信號(hào)量化，對(duì)其進(jìn)行分析，求得X1的兩個(gè)同類過零點(diǎn)、求得X2的一個(gè)同類過零點(diǎn)（這里同類過零點(diǎn)是指都是由正到負(fù)或都是由負(fù)到正的過零點(diǎn)），由采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)通過X1的兩個(gè)同類過零點(diǎn)求得信號(hào)的周期T，通過X1的過零點(diǎn)與X2的過零點(diǎn)之間的時(shí)間差T。,.,13,下頁,上頁,返回,這種方法是借助數(shù)據(jù)采集來完成的，其精度受采樣點(diǎn)數(shù)和采樣頻率的限制，但在需要同步采樣的場(chǎng)合可以兼而求得，如圖3.5b為一種對(duì)相位信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的采集電路，圖中SHA為采樣保持放大器，AD為A/D轉(zhuǎn)換器，P為微處理器。,.,14,下頁,上頁,2.過零比較器法,返回,設(shè)X1、X2為不含直流分量得正弦波或三角波，將X1、X2分別經(jīng)過兩個(gè)過零比較器變?yōu)榉讲ǎ脙蓚€(gè)方波的上升沿或下降沿的時(shí)間差和其中一個(gè)方波的周期可求得相位，算法如上。圖3.6a為用中斷法通過過零比較器輸出的下降沿求相位的電路，所采用運(yùn)算放大器無特殊要求.,.,15,下頁,上頁,2.過零比較器法,返回,過零比較器的整形過程見圖3.6b。這里要求單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器的計(jì)數(shù)頻率與被測(cè)信號(hào)頻率相比足夠高，例如相位測(cè)試分辨率為0.1，定時(shí)器的時(shí)鐘頻率應(yīng)為被測(cè)信號(hào)頻率的3600倍。,.,16,3.5時(shí)間型信號(hào)的檢測(cè),時(shí)間型信號(hào)的檢測(cè)又稱為時(shí)間間隔的測(cè)量，它可以包括一個(gè)周期信號(hào)波形上，同相位兩點(diǎn)間的時(shí)間間隔；也可以包括同一信號(hào)波形上兩個(gè)不同點(diǎn)之間的時(shí)間間隔；還可以包括兩個(gè)信號(hào)波形上，兩點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。一個(gè)周期信號(hào)波形上，同相位兩點(diǎn)間的時(shí)間間隔的測(cè)量其實(shí)就是波形周期的測(cè)量，而上一節(jié)中相位差的測(cè)量也是兩個(gè)信號(hào)波形上，兩點(diǎn)之間的時(shí)間間隔測(cè)量的一種情況，只不過是要將計(jì)算的時(shí)間距離差值通過信號(hào)角頻率換算為相位差。,1.定義,下頁,上頁,返回,.,17,時(shí)間間隔的基本測(cè)量模式如圖所示，兩個(gè)獨(dú)立的輸入通道（B和C）可分別設(shè)置觸發(fā)電平和觸發(fā)極性（觸發(fā)沿）。輸入通道B為起始通道，用來開通主門，而來自輸入通道C的信號(hào)為計(jì)數(shù)器的終止信號(hào)，計(jì)數(shù)脈沖（時(shí)標(biāo)）通過主門計(jì)數(shù)。,2.基本方法,下頁,上頁,返回,這種測(cè)量模式有兩種工作方式：當(dāng)跨接于兩個(gè)輸入端的選擇開關(guān)S斷開時(shí)，兩個(gè)通道是完全獨(dú)立的，來自兩個(gè)信號(hào)源的信號(hào)分別作為起始觸發(fā)和結(jié)束觸發(fā)控制主門的開閉，來控制計(jì)數(shù)器工作；當(dāng)S閉合時(shí)，兩個(gè)輸入端并聯(lián)，僅一個(gè)信號(hào)加到計(jì)數(shù)器，但可獨(dú)立地選擇觸發(fā)電平和觸發(fā)極性的設(shè)置，以完成起始和結(jié)束控制的功能。,.,18,工作波形如圖3.8所示。例如測(cè)量脈沖寬度，只需要接入一個(gè)信號(hào)，將觸發(fā)電平設(shè)置為50%的脈沖幅度，觸發(fā)極性在起始觸發(fā)一路中設(shè)置為上升沿，在結(jié)束觸發(fā)一路中設(shè)置為下降沿，則在上升沿、脈沖幅度50%電平處開始計(jì)數(shù)，在下降沿、脈沖幅度50%電平處結(jié)束計(jì)數(shù)，所計(jì)時(shí)標(biāo)數(shù)為脈沖寬度所經(jīng)歷的時(shí)間。,2.基本方法,下頁,上頁,返回,.,19,在智能儀器中，可以將被測(cè)信號(hào)經(jīng)電平轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娖竭m合于微處理器處理的信號(hào)，如果待測(cè)時(shí)間適合微處理器的定時(shí)器處理，可直接利用微處理器的定時(shí)器求得。如圖3.9的電路可以用查詢的方式采樣電平求取時(shí)間：在信號(hào)的上升沿啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器，在信號(hào)的下降沿關(guān)閉定時(shí)器，最后用定時(shí)器的計(jì)數(shù)值和時(shí)基確定所求的時(shí)間值。,3.利用智能儀器的特點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量的方法,下頁,上頁,返回,.,20,3.6頻率及周期型信號(hào)的檢測(cè),1.頻率及周期型信號(hào)的特點(diǎn),下頁,上頁,由于頻率和周期互成倒數(shù)關(guān)系，對(duì)于智能檢測(cè)系統(tǒng)來說，計(jì)算倒數(shù)之類問題不需要作為主要問題考慮，主要考慮測(cè)量精度要高，電路盡可能要簡(jiǎn)單。使用電子計(jì)數(shù)器可以直接按照f=N/T所表達(dá)的頻率的定義進(jìn)行測(cè)量，考慮到電子計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)時(shí)必然存在的1誤差，測(cè)量低頻信號(hào)時(shí)不宜采用直接測(cè)頻的方法，否則1誤差帶來的影響比較顯著甚至?xí)荏@人。此時(shí)可以改為先測(cè)量信號(hào)的周期，然后計(jì)算其倒數(shù)得到頻率值，稱之為測(cè)周的方法。測(cè)周的方法同樣不具有普遍的適用性，它可以用在測(cè)量較低頻率的信號(hào)，而不適用在測(cè)量較高頻率信號(hào)的場(chǎng)合。,返回,.,21,下頁,上頁,頻率量和周期量是數(shù)字脈沖型信號(hào)，其幅值的大小與被測(cè)值無關(guān)，但幅值過小達(dá)不到TTL電平時(shí)微處理器將不能識(shí)別，幅值過大時(shí)又會(huì)損傷測(cè)量電路，所以該類信號(hào)也要有前置放大及衰減電路，以使測(cè)量?jī)x器具有較寬的適應(yīng)性，此外被測(cè)型號(hào)也可能帶有一定的干擾信號(hào)，因此加適當(dāng)?shù)牡屯V波也是必需的。,返回,.,22,2.頻率測(cè)量基本電路,下頁,上頁,圖3.11為基本的頻率測(cè)量電路，適合于測(cè)量頻率適中的頻率量，將被測(cè)信號(hào)Vf經(jīng)過放大、衰減、濾波及整形電路后變成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的TTL信號(hào)，直接加在微處理器的計(jì)數(shù)端，用被測(cè)脈沖作為時(shí)鐘觸發(fā)微處理器內(nèi)部計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，微處理器內(nèi)部另設(shè)一個(gè)定時(shí)器，在規(guī)定的時(shí)間根據(jù)計(jì)數(shù)數(shù)目，求得被測(cè)信號(hào)的頻率，設(shè)規(guī)定時(shí)間為T0，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值為N，則被測(cè)信號(hào)的頻率為f，則：F=N/T0（Hz）。,返回,.,23,下頁,上頁,當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率較高時(shí)，如f20MHZ，有可能單片機(jī)的速度不能支持計(jì)數(shù)器正常工作，此時(shí)可采用圖3.12電路，將被測(cè)信號(hào)經(jīng)過一個(gè)針對(duì)高頻信號(hào)設(shè)計(jì)的放大、衰減、濾波及整形電路后，先進(jìn)入一個(gè)高速分頻器（如10分頻）后在進(jìn)入單片機(jī)計(jì)數(shù)端，選擇合適得分頻數(shù)可處理較高的頻率信號(hào)。,返回,.,24,3.周期測(cè)量基本電路,下頁,上頁,當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率較低時(shí)，如果還測(cè)其頻率不但刷新時(shí)間長(zhǎng)而且測(cè)量精度也將變低，比如50HZ的頻率在1秒鐘只能計(jì)50個(gè)數(shù)，按1秒的刷新一次的設(shè)置其測(cè)試精度只有1HZ。所以當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率較低時(shí)我們應(yīng)該反過來測(cè)信號(hào)的周期。這樣才能提高測(cè)量精度和刷新頻率。無論要得到頻率值還是周期值，都可以遵循高頻則測(cè)頻率，低頻則測(cè)周期的原則，這樣做的結(jié)果是不管被測(cè)信號(hào)在什么頻段內(nèi)都可以達(dá)到要求的測(cè)量精度。,返回,.,25,3.周期測(cè)量基本電路,下頁,上頁,返回,圖3.13為測(cè)量周期的基本電路，信號(hào)Vt經(jīng)過放大、衰減、濾波及整形電路后變?yōu)門TL電平Vt1，然后Vt1再經(jīng)過2分頻變?yōu)?0%占空比的對(duì)稱方波Vt2，Vt2接入微處理器的中斷口如INT1時(shí)，VT2的正脈沖寬度正好是被測(cè)信號(hào)的周期值，微處理器可用INT1上升沿啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，再用INT1下降沿結(jié)束計(jì)數(shù)器，由此計(jì)算被測(cè)信號(hào)周期，設(shè)內(nèi)部計(jì)數(shù)器時(shí)鐘周期為Tc，計(jì)數(shù)值為N，則被測(cè)信號(hào)的周期。如果要得到被測(cè)信號(hào)的頻率求其倒數(shù)圖3.13較低頻頻率測(cè)量電路即可。,.,26,4.通用頻率計(jì)（計(jì)數(shù)器）的一般電路,下頁,上頁,返回,圖3.14為一個(gè)通用頻率計(jì)或計(jì)數(shù)器的基本電路示意圖，該方案可測(cè)頻率也可測(cè)周期，也可做計(jì)數(shù)器，通過鍵盤選擇，顯示用數(shù)碼管顯示。可預(yù)置數(shù)高速分頻器由I/O1口控制；程控放大、衰減電路由I/O2口控制；鍵盤及顯示由微處理器的I/O3控制；操作指令由鍵盤人工給定。輸入信號(hào)經(jīng)放大、衰減、濾波及整形電路后先通過可預(yù)置數(shù)的高速分頻器再進(jìn)入微處理器的T1和INT1的并聯(lián)口，在檢測(cè)時(shí)微處理器用試探法初步判斷信號(hào)頻率的高低，然后決定是用測(cè)頻法還是用測(cè)周法求出頻率或周期。,.,27,3.7電阻型信號(hào)的檢測(cè),1.恒流法測(cè)電阻,測(cè)量電阻的最簡(jiǎn)單的方法是根據(jù)歐姆定理利用一個(gè)恒定電流通過電阻先變成電壓再求之。圖3.15為恒流法測(cè)電阻的基本電路，Rx為被測(cè)電阻，Ic是已知的恒流源。圖3.16為常見的恒流源產(chǎn)生電路之一，圖中Ve為基準(zhǔn)電壓源，Ro為標(biāo)準(zhǔn)電阻，Tc為流過負(fù)載的電流，,下頁,上頁,返回,.,28,2.恒壓法測(cè)電阻,下頁,上頁,返回,如圖3.17電路所示，設(shè)Vref為恒定的電壓，R0為標(biāo)準(zhǔn)電阻，則：,用恒壓法測(cè)電阻時(shí)，參考電壓、標(biāo)準(zhǔn)電阻的誤差會(huì)直接反映在測(cè)量值中。,.,29,3.恒阻法測(cè)電阻,下頁,上頁,返回,如圖3.18所示，Ic電流源,先讓Ic通過Ro產(chǎn)生電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得Do,再讓Ic通過要測(cè)電阻Rxi產(chǎn)生電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得Di,設(shè)A/D轉(zhuǎn)換的系數(shù)為K,即D=KVo，或Vo=D/K,設(shè)Voi為Ic流過Rx產(chǎn)生的電壓，Voo為Ic流過Ro產(chǎn)生的電壓,.,30,3.恒阻法測(cè)電阻,下頁,上頁,返回,因Ic*RxiVox，Ic*RoVoo可見電阻的測(cè)試結(jié)果與電流源Ic無關(guān)而只與標(biāo)準(zhǔn)電阻有關(guān)，這是恒阻法測(cè)量的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)，此外該方法測(cè)試結(jié)果與模擬開關(guān)的道通電阻也無關(guān)系，而且非常適用于同時(shí)檢測(cè)多個(gè)電阻。,.,31,4.積分法測(cè)電阻,下頁,上頁,返回,積分法的基本原理是用同