第十章檢測系統(tǒng)的信號處理

第10章檢測系統(tǒng)的信號處理2023/1/1210.2信號的放大210.1調(diào)制與解調(diào)110.3信號在傳輸過程中的轉(zhuǎn)換技術(shù)3目錄10.4信號的非線性校正42023/1/12知識目標(biāo)：（1）了解調(diào)制和解調(diào)的概念以及信號的非線性校正。

（2）掌握信號放大中的幾種放大器的工作原理及應(yīng)用。（3）熟悉信號在傳輸過程中的變換技術(shù)。教學(xué)目標(biāo)技能目標(biāo)：（1）能夠根據(jù)信號要求選擇合適的信號放大器。（2）掌握信號檢測系統(tǒng)組成及維護(hù)使用能力。2023/1/12情感目標(biāo)：（1）養(yǎng)成良好的工作責(zé)任心、堅強的意志力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)。（2）具有工作與學(xué)習(xí)良好的交流與團(tuán)隊合作能力

。教學(xué)重難點教學(xué)重點：信號放大的工作原理和應(yīng)用及信號的轉(zhuǎn)換。教學(xué)難點：信號的非線性補償技術(shù)。2023/1/1210.1調(diào)制與解調(diào)

在被測信號上疊加一高頻信號，將它從低頻區(qū)推移到高頻區(qū)，這樣可以提高電路的抗干擾能力和信號的信噪比。以一個高頻正弦信號或脈沖信號作為載體，這個載體稱為載波信號。用來改變載波信號的某一參數(shù)，如幅值、頻率、相位的信號稱為調(diào)制信號。經(jīng)過調(diào)制的載波信號稱為已調(diào)信號。已調(diào)信號一般都便于放大和傳輸。1.調(diào)制的概念10.1.1調(diào)制與解調(diào)的概念2023/1/12在信號調(diào)制中常以一個高頻正弦信號作為載波信號。正弦信號的三要素為幅值、頻率和相位，對這三個參數(shù)進(jìn)行調(diào)制，分別稱為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相，其波形分別稱為調(diào)幅波、調(diào)頻波和調(diào)相波。調(diào)制的過程包含以下三種：（1）高頻振蕩的幅度受緩變信號控制時，稱為調(diào)幅，以AM表示。（2）高頻振蕩的頻率受緩變信號控制時，稱為調(diào)頻，以FM表示。（3）高頻振蕩的相位受緩變信號控制時，稱為調(diào)相，以PM表示。2023/1/12（a）調(diào)頻波（b）調(diào)幅波圖10-2兩種典型的波形2023/1/12

從已經(jīng)調(diào)制的信號中提取反映被測量值的測量信號，這一過程稱為解調(diào)。所謂解調(diào)就是從已被放大和傳輸?shù)?，且有原來信號信息的高頻信號中，把原來信號取出的過程。解調(diào)的目的是為了恢復(fù)原來的信號。2.解調(diào)的概念2023/1/1210.1.2幅值調(diào)制與幅值解調(diào)1.幅值調(diào)制幅值調(diào)制簡稱為調(diào)幅，是指將一個載波信號（簡諧信號）與調(diào)制信號（測試信號）相乘，使載波信號隨調(diào)制信號的變化而變化。圖10-3調(diào)幅的原理圖2023/1/122.幅值解調(diào)從已調(diào)信號中檢出調(diào)制信號的過程稱為幅值解調(diào)或檢波。檢波是為了恢復(fù)被調(diào)制的信號。最常見的檢波方法是包絡(luò)檢波和相敏檢波。2023/1/12（a）偏置電壓足夠大（b）偏置電壓不夠大圖10-4調(diào)制信號疊加偏置后的調(diào)幅信號2023/1/121）包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波是一種對調(diào)幅信號進(jìn)行解調(diào)的方法，其原理是利用二極管所具有的單向?qū)щ娦裕厝フ{(diào)幅信號的下半部，再用濾波器濾除其高頻成分，從而得到按調(diào)幅信號包絡(luò)線變化的調(diào)制信號。2023/1/12（a）調(diào)幅信號的波形（b）截去調(diào)幅信號的下半部的波形（c）檢波后的波形2023/1/12圖10-6采用二極管作為整流元件的包絡(luò)檢波電路2023/1/12圖10-7采用晶體管作為整流元件的包絡(luò)檢波電路2023/1/12圖10-8采用電橋作為整流元件的相敏檢波電路2023/1/12圖10-9相敏檢波的過程2023/1/12式中，f0為中心頻率或稱為載波信號的頻率（Hz）；Δf為調(diào)制信號頻率的偏移量，且與調(diào)制信號的幅值成正比（Hz）。10.1.3頻率調(diào)制與頻率解調(diào)1.頻率調(diào)制

調(diào)頻就是用調(diào)制信號去控制高頻載波信號的頻率。常用的調(diào)頻方法是線性調(diào)頻，即讓調(diào)頻信號的頻率隨調(diào)制信號按線性規(guī)律變化。2023/1/12調(diào)制信號載波信號瞬時頻率式中，Δff

為由調(diào)制信號的幅值X0決定的頻率的偏移量，Δff

=Kf

X0（Kf為比例常數(shù)，其大小由具體的調(diào)頻電路決定）（Hz）2023/1/12頻率的偏移量與調(diào)制信號的幅值成正比，與調(diào)制信號的頻率無關(guān)常用的調(diào)頻方法有直接調(diào)頻法、電參數(shù)調(diào)頻法和電壓調(diào)頻法等。2023/1/12圖10-10振弦式傳感器的原理圖1—膜片；2—磁場；3—振弦；4—支撐（1）直接調(diào)頻法。直接調(diào)頻法是利用被測參數(shù)的變化直接引起傳感器輸出信號頻率的改變。2023/1/12圖10-11電參數(shù)調(diào)頻電路（2）電參數(shù)調(diào)頻法。被測參數(shù)的變化轉(zhuǎn)化為傳感器的線圈、電容和電阻的變化，引起振蕩器振蕩頻率的變化。2023/1/123）電壓調(diào)頻法。利用電壓變化來控制振蕩回路中傳感器的線圈、電容和電阻的變化，從而使振蕩頻率得到調(diào)制。2023/1/12圖10-12采用變壓器耦合的諧振回路鑒頻法2.頻率解調(diào)調(diào)頻信號的解調(diào)是由鑒頻器完成的，指從調(diào)頻信號中檢測出反映被測參數(shù)變化的調(diào)制信號。2023/1/1210.2信號的放大將傳感器的微弱信號精確地放大到所需要的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(直流1～5V或4～20mA)，并達(dá)到所需要的技術(shù)指標(biāo)，稱為信號的放大。2023/1/121.反相比例放大器圖10-13簡單的反相比例放大器的內(nèi)部電路圖10.2.1比例放大器2023/1/12圖10-14高輸入阻抗反相放大器的內(nèi)部電路圖2023/1/122.同相比例放大器圖10-15同相比例放大器的內(nèi)部電路圖2023/1/123.差動比例放大器圖10-16差動比例放大器的內(nèi)部電路圖優(yōu)點：能抑制共模信號，抗干擾能力強。2023/1/12圖10-17增益可調(diào)的差動比例放大器的內(nèi)部電路圖2023/1/121.電源接地式電橋放大器圖10-18電源接地式電橋放大器的內(nèi)部電路圖10.2.2電橋放大器2023/1/122.電源浮地式電橋放大器（a）電橋放大器同相端接地（b）電橋運算放大器反相端接地圖10-19電源浮地式電橋放大器的內(nèi)部電路圖2023/1/12圖10-20線性放大器的內(nèi)部電路圖10.2.3線性放大器圖10-20實際上是在圖10-18的基礎(chǔ)上增加了一級求和電路A2和一級反相電路A3，其電路形成的線性放大器的非線性偏差很小，常用在要求較高精度的測量電路中。2023/1/12圖10-21集成運放交流電壓同相放大器的內(nèi)部電路圖10.2.4交流電壓同相放大器2023/1/12圖10-22三運放結(jié)構(gòu)的測量放大電路10.2.5測量放大器2023/1/12測量放大器具有以下特點：（1）測量放大器是一種帶有精密差動電壓增益的元件。（2）測量放大器具有高輸入電阻、低輸出電阻。（3）測量放大器具有強抗共模干擾能力、低溫漂、低失調(diào)電壓和高穩(wěn)定增益等特點。（4）測量放大器在檢測微弱信號的系統(tǒng)中被廣泛用作前置放大器。2023/1/1210.2.6程控增益放大器程控增益放大器是自動檢測系統(tǒng)和智能儀器中實現(xiàn)量程增益自動轉(zhuǎn)換和調(diào)整信號電平的重要元件。由運算放大器、模擬開關(guān)驅(qū)動電路和電阻網(wǎng)絡(luò)組成。其基本形式可分為反相輸入和同相輸入。2023/1/121.反相輸入程控增益放大器圖10-23反相輸入程控增益放大器的內(nèi)部電路圖式中，Rf為R1、R2、R3的等效電阻。2023/1/122.同相輸入程控增益放大器圖10-24同相輸入程控增益放大器的內(nèi)部電路圖式中，RT為網(wǎng)絡(luò)上各電阻之和（Ω）；為閉合開關(guān)與接地點之間電阻之和（Ω）。2023/1/1210.2.7隔離放大器隔離放大器是由隔離放大電路組成的，它是一種特殊的測量放大電路，其輸入回路與輸出回路之間是電絕緣的，沒有直接的電耦合。在隔離放大器中信號的耦合方式主要有兩種：一種是通過光電耦合，稱為光電耦合隔離放大器；另一種是通過電磁耦合，即經(jīng)過變壓器傳遞信號，稱為變壓器耦合隔離放大器。2023/1/121.變壓器耦合隔離放大器圖10-27變壓器耦合隔離放大器的原理圖2023/1/122.光電耦合隔離放大器圖10-28光電耦合隔離放大器的原理圖2023/1/12圖10-29典型的數(shù)字控制系統(tǒng)框圖10.3信號在傳輸過程中的轉(zhuǎn)換技術(shù)2023/1/1210.3.1A/D轉(zhuǎn)換1.A/D轉(zhuǎn)換的概念和原理1）A/D轉(zhuǎn)換的概念模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換稱為A/D轉(zhuǎn)換。能將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的元件稱為A/D轉(zhuǎn)換器，簡稱為ADC。2023/1/12圖10-31A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)處理過程2023/1/12圖10-33A/D轉(zhuǎn)換的過程2）A/D轉(zhuǎn)換的原理一般的A/D轉(zhuǎn)換過程是通過采樣、保持、量化和編碼這四個步驟完成的2023/1/12圖10-34A/D轉(zhuǎn)換的波形變化2023/1/12A/D轉(zhuǎn)換的過程可分為以下幾步：（1）采樣。圖10-35A/D轉(zhuǎn)換的采樣過程及波形圖2023/1/12（2）保持。圖10-36保持過程的電路圖和采樣輸出波形圖2023/1/12（3）量化和編碼。2023/1/122023/1/122.常用的A/D轉(zhuǎn)換類型A/D轉(zhuǎn)換的類型有很多種，按電路結(jié)構(gòu)可分為并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換和逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換等。2023/1/121）并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換圖10-373位并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部電路圖2023/1/12并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器具有以下特點：（1）由于轉(zhuǎn)換是并聯(lián)的，其轉(zhuǎn)換時間只受電壓比較器、觸發(fā)器（指寄存器內(nèi)電路）和編碼電路（指代碼轉(zhuǎn)換器內(nèi)電路）延遲時間的限制，因此，轉(zhuǎn)換速度最快。（2）隨著分辨率的提高，元件數(shù)目要按幾何級數(shù)增加。一個n位并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器所用電壓比較器的個數(shù)為2n－1，如8位的并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器就需要255（28－1）個電壓比較器。由于位數(shù)越多，電路越復(fù)雜，因此，制成分辨率較高的集成并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器是比較困難的。（3）使用這種含有寄存器的并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換電路時，可以不用附加采樣保持電路，因為電壓比較器和寄存器這兩部分也兼有采樣保持功能，這也是該電路的一個優(yōu)點。2023/1/122）雙積分型A/D轉(zhuǎn)換基本原理是對輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分，將輸入電壓的平均值變換成與之成正比的時間間隔，然后利用時鐘脈沖和計數(shù)器測出此時間間隔，進(jìn)而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。由于該轉(zhuǎn)換電路是對輸入電壓的平均值進(jìn)行轉(zhuǎn)換的，因而它具有很強的抗工頻干擾能力，且已在數(shù)字測量中得到廣泛應(yīng)用。2023/1/122）雙積分型A/D轉(zhuǎn)換圖10-38雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部電路圖2023/1/123）逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換過程與用天平稱物重非常相似。按照天平稱重的思路，逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器就是將輸入模擬信號與不同的參考電壓作多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量的對應(yīng)值。2023/1/12圖10-394位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的邏輯電路2023/1/123.A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1）轉(zhuǎn)換精度單片集成A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述的。（1）分辨率。分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力，以輸出二進(jìn)制數(shù)（或十進(jìn)制數(shù)）的位數(shù)表示。從理論上講，以n位二進(jìn)制數(shù)輸出的A/D轉(zhuǎn)換器能區(qū)分2n個不同等級的輸入模擬電壓，并且能區(qū)分輸入電壓的最小值為滿量程輸入值的1/2n。當(dāng)最大輸入電壓一定時，輸出位數(shù)越多，量化單位越小，分辨率越高。（2）轉(zhuǎn)換誤差。轉(zhuǎn)換誤差表示A/D轉(zhuǎn)換器實際輸出的數(shù)字量和理論輸出的數(shù)字量之間的差別。它常用最低有效位的倍數(shù)表示。

2023/1/122）轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間是指A/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最高，逐漸逼近型A/D轉(zhuǎn)換器次之，雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的速度最慢。2023/1/1210.3.2D/A轉(zhuǎn)換1.D/A轉(zhuǎn)換的概念和原理1）D/A轉(zhuǎn)換的概念數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換稱為D/A轉(zhuǎn)換。能把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的元件稱為D/A轉(zhuǎn)換器，簡稱為DAC。2023/1/12式中，UREF

為參考電壓（V）；Uo為輸出模擬量（V）；D為數(shù)字量。

2）D/A轉(zhuǎn)換的原理把輸入數(shù)字量中每位都按其權(quán)值分別轉(zhuǎn)換成模擬量，并通過運算放大器求和相加。2023/1/12圖10-41D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合起來表示的，對于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的權(quán)。為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，必須將每1位的代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實現(xiàn)了數(shù)字與模擬轉(zhuǎn)換。2023/1/122.D/A轉(zhuǎn)換器的類型1）倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器圖10-424位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部電路圖2023/1/122）權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器圖10-43權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部電路圖2023/1/123.D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1）轉(zhuǎn)換精度D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度通常是用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述。（1）分辨率。分辨率是指D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)。輸入數(shù)字量位數(shù)越多，輸出電壓可分離的等級越多，即分辨率越高。在實際應(yīng)用中，往往用輸入數(shù)字量的位數(shù)表示D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率。（2）轉(zhuǎn)換誤差。轉(zhuǎn)換誤差的來源很多，如D/A轉(zhuǎn)換器中各元件參數(shù)值的誤差、基準(zhǔn)電源不夠穩(wěn)定和運算放大器零漂的影響等，都會引起轉(zhuǎn)換誤差。2023/1/122）轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度是指轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的快慢（1）建立時間。建立時間是指輸入數(shù)字量變化時，輸出電壓變化到相應(yīng)穩(wěn)定電壓值所需的時間，一般是指D/A轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字量從全0變?yōu)槿?時，輸出電壓達(dá)到規(guī)定電壓值所需的時間。（2）轉(zhuǎn)換速率。轉(zhuǎn)換速率是指信號最大值工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率。2023/1/123）溫度系數(shù)溫度系數(shù)是指在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高1℃，輸出電壓變化的百分?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù)。2023/1/1210.4信號的非線性校正在自動檢測系統(tǒng)中，使用檢測元件把被檢測量轉(zhuǎn)換成電量的時侯，被檢測量與大多數(shù)檢測元件的輸出電量往往不呈線性關(guān)系，從而導(dǎo)致非線性輸出。導(dǎo)致非線性輸出的原因很多，常見的有：（1）檢測元件變換原理導(dǎo)致的非線性。（2）測量轉(zhuǎn)換電路導(dǎo)致的非線性這些問題的解決有以下三種方法：（1）縮小測量范圍，取近似值。（2）采用非線性指示刻度。（3）加非線性校正環(huán)節(jié)。2023/1/12圖10-44校正特性的求取方法10.4.1校正曲線的求取2023/1/12圖10-45校正特性折線逼近法10.4.2