《信號轉(zhuǎn)換與調(diào)理》PPT課件.ppt

1、第3章 信號轉(zhuǎn)換與調(diào)理,機械工程測試技術(shù),便于信號的傳輸與處理,信號轉(zhuǎn)換與調(diào)理的目的,第3章 信號轉(zhuǎn)換與調(diào)理,1. 傳感器輸出信號很微弱，無法直接驅(qū)動顯示記錄儀表，需要進行放大,4. 能量轉(zhuǎn)換型傳感器輸出的是電信號，但混雜有干擾噪聲， 需要進行濾波，提高信噪比,2. 傳感器輸出信號不僅微弱，而且變化緩慢(頻率低)，若用交流放大器放大，需要進行調(diào)制解調(diào)處理,3. 能量控制型傳感器輸出的是電參量，需要轉(zhuǎn)換成電信號才能進行處理(電橋,5. 傳感器輸出信號若送給計算機進行分析與處理時，必須進行A/D轉(zhuǎn)換；為了實現(xiàn)遠距離傳輸，必須進行V/I或V/F轉(zhuǎn)換,1. 電壓-電流轉(zhuǎn)換,作用：減小傳輸導(dǎo)線阻抗對信號

2、的衰減,1）負(fù)載浮地型V/I轉(zhuǎn)換電路,優(yōu)點：與負(fù)載電阻RL無關(guān)，具有恒流特性。 缺點：負(fù)載必須懸浮，不能接地，不適用于某些應(yīng)用場合,3.1 信號轉(zhuǎn)換與放大,3.1.1 信號轉(zhuǎn)換,第3章 信號轉(zhuǎn)換與調(diào)理,2）負(fù)載接地型V/I轉(zhuǎn)換電路,取,3.1.1 信號轉(zhuǎn)換,案例：AD694在啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用,LM35溫度傳感器對發(fā)酵罐內(nèi)溫度進行采樣，信號放大 后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送至微處理器。微處理器根據(jù)模糊積分控制算 法的運算結(jié)果將控制信號輸出至D/A轉(zhuǎn)換器，再放大為0-10V 的電壓信號，最后利用AD694進行V/I轉(zhuǎn)換，得到4-20mA的 電流信號，自動調(diào)節(jié)冷卻閥門的開度，使冷卻夾套內(nèi)的冷媒 帶走

3、多余的反應(yīng)熱，實現(xiàn)發(fā)酵罐溫度的控制,3.1.1 信號轉(zhuǎn)換,利用AD694進行V/I轉(zhuǎn)換的電路,輸入量程選擇引腳4懸空，表示輸入電壓范圍為0-10V， 4mA偏置電流選擇引腳9接地，表示輸出電流范圍4-20mA。 由于感性負(fù)載電流輸出引腳11與地之間跨接0.01F的電容， 二極管VD1和VD2防止負(fù)載電壓過高或過低時損壞AD694,3.1.1 信號轉(zhuǎn)換,要求:（1）電流源內(nèi)阻RS很大，減小輸入失調(diào)電壓影響； （2）ISIb運放的輸入偏置電流,2. 電流-電壓轉(zhuǎn)換,簡單方法：在輸出電路中串接精密電阻，通過測量電阻 兩端的電壓即可完成轉(zhuǎn)換，但對后續(xù)電路會產(chǎn)生負(fù)載效應(yīng),1）反相輸入型,3.1.1 信號

4、轉(zhuǎn)換,2）同相輸入型,要求：R4=R2/R3,3.1.1 信號轉(zhuǎn)換,3. 電壓-頻率轉(zhuǎn)換,當(dāng)Uo1=0UREF時，輸出Uo為高電平，V1截止，積分器對 Ui積分，使Uo1減小。當(dāng)Uo1UREF時，Uo將躍變?yōu)榈碗娖?，V1 導(dǎo)通，C1迅速放電，使Uo1增大，如此重復(fù)電路產(chǎn)生自激振蕩,3.1.1 信號轉(zhuǎn)換,作用：實現(xiàn)遠距離傳輸(調(diào)頻,案例：LM331在香煙包裝機溫度檢測中的應(yīng)用,熱電偶輸出的電壓信號放大后再利用LM331轉(zhuǎn)換為頻率 信號，頻率信號經(jīng)遠距離傳輸通過光電隔離送入微處理器， 微處理器對該頻率信號進行處理，輸出控制信號經(jīng)功率放大 后驅(qū)動可控硅，利用過零觸發(fā)方式控制加熱器電源的通斷,3.1.

5、1 信號轉(zhuǎn)換,利用LM331進行V/F轉(zhuǎn)換的電路,Rt、Ct、A2、 V1和RS觸發(fā)器組 成單穩(wěn)定時器,R1和C1組成低 通濾波器，減少輸 入電壓的干擾，提 高轉(zhuǎn)換精度。RS用 于調(diào)節(jié)充電電流IS,3.1.1 信號轉(zhuǎn)換,案例：LM331在齒輪轉(zhuǎn)速測量中的應(yīng)用,4. 頻率-電壓轉(zhuǎn)換,3.1.1 信號轉(zhuǎn)換,5. 模擬信號-數(shù)字信號轉(zhuǎn)換,雙積分型：對輸入信號的交流干擾有較強的抑制能力，精度 較高，缺點是轉(zhuǎn)換速度較慢,逐次逼近型：轉(zhuǎn)換速度較快，精度較高，而且電路較為簡單， 因此應(yīng)用最為廣泛，種類也最多,并行比較型：轉(zhuǎn)換速度最快，但難以達到很高的分辨率，且 電路復(fù)雜，功耗大，成本高,A/D轉(zhuǎn)換過程：采樣

6、、量化和編碼 采樣：在時間上離散，用模擬信號與脈沖序列相乘實現(xiàn)。 量化：在幅值上離散，利用四舍五入規(guī)則，用有限個某一最 小當(dāng)量的整數(shù)倍數(shù)值來代替采樣值。 編碼：編碼與量化同時完成，通常用二進制碼表示,3.1.1 信號轉(zhuǎn)換,A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo),分辨率：對應(yīng)一個數(shù)字輸出的模擬輸入電壓有一定范圍，若 超過這個幅度范圍，數(shù)字輸出就會發(fā)生變化，能分 辨的輸入模擬電壓的最小變化量叫做分辨率。通常 用一個單位分辨率(LSB)或輸出二進制位數(shù)來表示。 或,量化誤差：通過量化將連續(xù)量轉(zhuǎn)換成離散量，必然存在類似 于四舍五入產(chǎn)生的誤差，最大量化誤差=LSB/2,3.1.1 信號轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換精度：實際ADC在量化值

7、上與理想ADC量化值的差值， 可用絕對誤差或相對誤差表示。由于實際ADC 的量化值除了含有量化誤差外，還有非線性誤差、 使用元件和噪聲等產(chǎn)生誤差,A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo),轉(zhuǎn)換時間：完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時間，轉(zhuǎn)換速率是轉(zhuǎn)換時 間的倒數(shù)。雙積分型轉(zhuǎn)換速率較低，轉(zhuǎn)換時間為 毫秒級，可用于溫度、壓力或流量等緩慢變化的 信號檢測。逐次逼近型屬于中速ADC轉(zhuǎn)換器，可 用于多通道數(shù)據(jù)采集或聲頻數(shù)字轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。并 行轉(zhuǎn)換型轉(zhuǎn)換速率很高，適用于雷達、數(shù)字通信、 實時光譜分析、實時信號記錄或視頻數(shù)字轉(zhuǎn)換等,3.1.1 信號轉(zhuǎn)換,案例：AD1674與89C51的接口電路,3.1.1 信號轉(zhuǎn)換,6. 數(shù)字信號-模擬信

8、號轉(zhuǎn)換,案例：DAC1208與89C51的接口電路,轉(zhuǎn)換結(jié)果通過 IOUT1和IOUT2 以電流形式輸 出，運算放大 器A的作用是 將輸出電流轉(zhuǎn) 換為電壓，輸 出電壓為單極 性方式，且,3.1.1 信號轉(zhuǎn)換,DAC1208的雙極性電壓輸出方式,當(dāng)被控對象需要雙極性電壓時，可用兩個運算放大器A1 和A2，輸出電壓為,當(dāng)參考電壓UREF為正時，若輸入數(shù)字量的最高位d11為 “1”，則輸出電壓uo2為正；若d11為“0”，則uo2為負(fù),3.1.1 信號轉(zhuǎn)換,案例：DAC1208在程控低通濾波器中的應(yīng)用,DAC1208的參考電壓UREF由電壓跟隨器A1提供，頻率特性為,低通濾波器的截止頻率 與輸入的1

9、2位數(shù)字量D 有關(guān)，利用微處理器改變D值即可改變截止頻率,3.1.1 信號轉(zhuǎn)換,放大器的性能要求： 開環(huán)增益足夠大，閉環(huán)增益可調(diào)； 輸入阻抗高(與傳感器輸出阻抗相匹配)，輸出阻抗低； 共模抑制比高：CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc； 足夠的帶寬和轉(zhuǎn)換速率； 漂移小、噪聲低、輸入失調(diào)電壓低、輸入失調(diào)電流小,3.1.2 信號放大,3.1 信號轉(zhuǎn)換與放大,1. 反相放大器,3.1.2 信號放大,特點：輸入阻抗高，但精度低，易受干擾,2. 同相放大器,3.1.2 信號放大,3. 差動放大器,取 R1=R3，R2=R4，則,Uid= Ui2Ui1,Uic=(Ui1+ Ui2)/2,特點：CMRR高，

10、但輸入阻抗較低，增益調(diào)節(jié)困難,3.1.2 信號放大,4. 儀用放大器,A1A2：兩個對稱 的同相放大器，以 提高輸入阻抗,A3：差動放大器， 以抵消前級的共模 干擾，而且還將雙 端輸入轉(zhuǎn)換為單端 輸出，適應(yīng)對地負(fù) 載的需要,3.1.2 信號放大,3.1.2 信號放大,集成儀用放大器INA114的內(nèi)部結(jié)構(gòu),3.1.2 信號放大,案例：INA114與測量電橋的連接,3.1.2 信號放大,案例：INA114在光功率自動控制電路中的應(yīng)用,光功率自動控制電路的作用：克服供電電源波動或光源 老化等因素的影響，確保光源輸出功率穩(wěn)定,3.1.2 信號放大,當(dāng)激光器LD因某種原因功率增大時，耦合至光敏二極 管P

11、IN的光電流也同比例增大，從而使電阻R1上的電位升高。 此時INA114的輸出電壓Uo降低，即U1也降低，流過LD的電 流I也相應(yīng)降低，從而達到降低LD輻射功率,3.1.2 信號放大,5. 程控增益放大器,3.1.2 信號放大,案例：AD526在超聲波測距中的應(yīng)用,微處理器根據(jù)輸入信號的幅值自動調(diào)整AD526的增益， 保證在整個測量范圍處理后的回波信號具有合適的動態(tài)范圍,模擬開關(guān)：保證在發(fā)射超聲波時接收電路關(guān)閉，避免干擾,3.1.2 信號放大,3.3 調(diào)制與解調(diào),目的：解決微弱緩變信號的放大以及 信號的傳輸問題,第3章 信號轉(zhuǎn)換與調(diào)理,先將微弱的緩變信號(被測信號)用高頻載波加載 到高頻交流信

12、號中，然后用交流放大器進行放大， 最后再從放大器的輸出信號中取出放大的緩變信號,3.3 調(diào)制與解調(diào),3.3 調(diào)制與解調(diào),3.3.1 調(diào)幅及其解調(diào),1.雙邊帶調(diào)幅: 直接將高頻載波與被測信號(調(diào)制波) 相乘，載波信號的幅值隨被測信號發(fā)生變化,3.3 調(diào)制與解調(diào),雙邊帶調(diào)幅與同步解調(diào)過程(波形分析時域分析,3.3.1 調(diào)幅及其解調(diào),雙邊帶調(diào)幅與同步解調(diào)過程(頻域分析,3.3.1 調(diào)幅及其解調(diào),雙邊帶調(diào)幅與同步解調(diào)過程(數(shù)學(xué)分析,3.3.1 調(diào)幅及其解調(diào),2. 偏置調(diào)幅: 把被測信號x(t)進行偏置，疊加一個直 流分量A，使偏置后的信號都具有正電壓，然后再 與高頻載波相乘得到調(diào)幅波,3.3.1 調(diào)幅

13、及其解調(diào),偏置調(diào)幅波形分析,3.3.1 調(diào)幅及其解調(diào),偏置調(diào)幅 的解調(diào),低通濾波,二極管檢波,包絡(luò)檢波,3.3.1 調(diào)幅及其解調(diào),調(diào)幅波的波形失真,1）過調(diào)失真：對于偏置調(diào)幅，要求其直流偏置 必須足夠大，否則x(t)的相位將發(fā)生180o,3.3.1 調(diào)幅及其解調(diào),2）重疊失真：雙邊帶調(diào)幅波是由一對每邊為fm的 雙邊帶信號組成。當(dāng)載波頻率f0較低時，正頻端的下 邊帶將與負(fù)頻端的上邊帶相重疊。要求： f010fm,3.3.1 調(diào)幅及其解調(diào),y(t,xo(t,3. 相敏檢波,作用： （1）同步解調(diào) （2）判斷極性,3.3.1 調(diào)幅及其解調(diào),當(dāng)y(t)0時，V1截止，V2導(dǎo)通，運算放大器A2的 反相輸

14、入端接地，調(diào)幅波xm(t)從A2同相輸入端輸入,3.3.1 調(diào)幅及其解調(diào),當(dāng)y(t)0時，V1導(dǎo)通，V2截止，運算放大器A2的 同相輸入端接地，調(diào)幅波xm(t)從A2反相輸入端輸入,3.3.1 調(diào)幅及其解調(diào),波形分析,3.3.1 調(diào)幅及其解調(diào),差動電阻、電容、電感傳感器后接儀表方框圖,3.3.1 調(diào)幅及其解調(diào),3.3.2 調(diào)頻及其鑒頻,調(diào)頻是利用被測信號x(t)的幅值控制高頻載波的頻率，即 調(diào)頻波是一種隨被測信號x(t)的幅值而變化的疏密程度不同的 等幅波。調(diào)頻實質(zhì)是電壓-頻率轉(zhuǎn)換的過程,3.3 調(diào)制與解調(diào),1. 調(diào)頻原理,3.3.2 調(diào)頻及其鑒頻,壓控振蕩器(VCO)調(diào)頻,3.3.2 調(diào)頻及

15、其鑒頻,當(dāng)Uy=+UD(穩(wěn)壓管 的穩(wěn)壓值)時，乘法器 輸出Uz0，電容C充 電，反相積分器A2的 輸出U2減小。當(dāng)U2- UD時，正反饋放大器 A1翻轉(zhuǎn)，Uy=-UD,當(dāng)Uy=-UD時，乘法器輸出Uz+UD時，正反饋放大器A1又翻轉(zhuǎn)， Uy=+UD。由此可見，壓控振蕩器的輸出信號Uy為方波，其頻 率與被測信號Ux成正比,設(shè)Ux是恒值正電壓，則,3.3.2 調(diào)頻及其鑒頻,2. 鑒頻原理,采用變壓器耦合的諧振回路進行鑒頻，把頻率變化轉(zhuǎn)換 為電壓幅值的變化。鑒頻實質(zhì)是頻率-電壓轉(zhuǎn)換的過程,3.3.2 調(diào)頻及其鑒頻,頻率電壓線性變換部分將等幅的調(diào)頻波uf轉(zhuǎn)換為幅值 隨頻率變化的調(diào)頻調(diào)幅波ua。幅值檢波

16、部分檢測幅值的變化， 得到疊加了偏置電壓的調(diào)制波uo，去掉uo中的直流偏置電壓 即可獲得原被測信號(調(diào)制信號,3.3.2 調(diào)頻及其鑒頻,調(diào)頻優(yōu)點：抗干擾能力強,調(diào)頻波通常要求頻帶很寬，為調(diào)幅所要求帶寬 的20倍；調(diào)頻電路比調(diào)幅電路復(fù)雜，因為頻率調(diào)制 是一種非線性調(diào)制,因為調(diào)頻波所攜帶的信息包含在頻率變化中， 并非幅值變化，而干擾波的干擾作用則主要表現(xiàn)在 幅值中,調(diào)頻缺點：要求頻帶寬、電路復(fù)雜,3.3.2 調(diào)頻及其鑒頻,案例：旋轉(zhuǎn)機械扭矩測量(調(diào)幅,3.3 調(diào)制與解調(diào),案例：鐵路機車調(diào)度 信號檢測(調(diào)頻,調(diào)制頻率8.5Hz，綠燈 調(diào)制頻率23.5Hz，紅燈,3.3 調(diào)制與解調(diào),3.4 濾波器,濾

17、波器是一種選頻裝置，使信號中特定頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分,第3章 信號轉(zhuǎn)換與調(diào)理,3.4.1 濾波器的分類(按所選頻率分,3.4 濾波器,3.4.1 濾波器的分類,3.4.2 濾波器的特性,理想濾波器是指在通帶內(nèi)信號的幅值為一常數(shù)A0，相位與頻率成線性關(guān)系。阻帶區(qū)的頻率成分都衰減為零，其通帶和阻帶之間有豎直分界線,其他,1. 理想濾波器,3.4 濾波器,2. 實際濾波器,理想濾波器是不存在的，實際濾波器的幅頻特 性并非為常數(shù)，通帶和阻帶之間也沒有嚴(yán)格界限， 存在過渡帶,3.4.2 濾波器的特性,1）波紋幅度d：通帶內(nèi)幅頻特性的波動量,2）截止頻率fc：A( f )=0.707A0

18、所對應(yīng)的頻率,3.4.2 濾波器的特性,4）倍頻程選擇性W：頻率變化一倍幅值的衰減量,5）濾波器因數(shù) ：-60dB帶寬與-3dB帶寬的比值,3）帶寬B和品質(zhì)因數(shù)Q：上下截止頻率之差稱為帶寬。中心頻率 和-3dB帶寬B之比稱為品質(zhì)因數(shù),3.4.2 濾波器的特性,3.4.3 RC有源濾波器,RC有源濾波器由RC無源濾波網(wǎng)絡(luò)和運算放大器組成。運算放大器的作用： （1）放大信號；（2）減小負(fù)載效應(yīng)(級間隔離,3.4 濾波器,1. 一階有源低通濾波器,3.4.3 RC有源濾波器,當(dāng) 時， 理想狀態(tài),當(dāng) 時， 積分環(huán)節(jié),上截止頻率,通帶增益,上截止頻率,通帶增益,通帶外側(cè)的高頻衰減率為-20dB/十倍頻程

19、,3.4.3 RC有源濾波器,2. 二階有源低通濾波器,通帶外側(cè)的高頻衰減率為-40dB/十倍頻程,1）由兩個一階低通濾波器的簡單組合,3.4.3 RC有源濾波器,2）壓控電壓源型低通濾波器,由運算放大器A和電阻Rf、R3組成的電壓源受 控于同相端電壓，故稱為壓控電壓源型濾波器,3.4.3 RC有源濾波器,3）無限增益多路反饋型低通濾波器,該電路以高增益的運算放大器和多反饋回路為 核心，故稱為無限增益多路反饋型濾波器,3.4.3 RC有源濾波器,3. 二階有源帶通濾波器,3.4.3 RC有源濾波器,當(dāng) ， 時，K1閉合，K2斷開，ui向C充電， 充電電荷為,4. 開關(guān)電容濾波器,利用開關(guān)和電容

20、代替電路中與頻率有關(guān)的電阻,1）開關(guān)電容單元電路,當(dāng) ， 時，K1斷開，K2閉合，C向外放電， 放電電荷為,3.4.3 RC有源濾波器,在一個時鐘脈沖周期TCLK內(nèi)電容單元轉(zhuǎn)移的電荷為,流過電容單元的平均電流為,當(dāng)TCLK很小時，開關(guān)電容單元的等效電阻為,3.4.3 RC有源濾波器,2）開關(guān)電容低通濾波器,由等效電路可得上截止頻率為,改變時鐘脈沖頻率fCLK即可調(diào)節(jié)濾波器的截止頻率,3.4.3 RC有源濾波器,恒帶寬與恒帶寬比濾波器,實際濾波器的中心頻率是可調(diào)的，根據(jù)中心頻 率與帶寬之間的數(shù)值關(guān)系，可分為兩種,1）恒帶寬比帶通濾波器(高頻分辨率低,2）恒帶寬帶通濾波器(分辨率高,3.4 濾波器,若將低通濾波器中的RC互換位置，則變?yōu)楦咄V波器， 低通濾波器和高通濾波器是最基本的形式，其它濾波器都 可以分解為這兩種類型的濾波器,濾波器的串聯(lián)并聯(lián),3.4 濾波器,產(chǎn)品,LineDa: LTC1564,MAXIM: MAX74xx,3.4 濾波器,案例：旅游索道鋼纜檢測,3.4 濾波器,由案例提煉的典型實驗：鋼管無損探傷,濾除信號中的零漂和低頻晃動，便于門限報警,3.4 濾波器,案例：機床軸心軌跡的濾波處理,3.4 濾波器,案例：機床軸心軌跡的濾波處理,濾除信號中的高頻噪聲