第12章檢測裝置的信號處理技術(shù)

第一節(jié)信號的放大與隔離第二節(jié)信號在傳輸過程中的變換技術(shù)第三節(jié)信號的非線性補償技術(shù)第十二章檢測裝置的信號處理技術(shù)

在檢測系統(tǒng)中，被測的非電信號經(jīng)傳感器后可變換為電信號。但傳感器輸出的電信號往往很微弱且輸出阻抗高，輸出信號在包含被測信號的同時，又不可避免地被噪聲所污染。檢測裝置的信號處理包括微弱信號的放大、濾波、隔離、線性化處理等內(nèi)容。本章介紹信號的放大與隔離、信號的變換、線性化等比較重要的處理技術(shù)。本章教學(xué)要求運算放大器、測量放大器及程控放大器隔離放大器的電路工作原理信號在傳輸過程中的常用變換方法信號的非線性補償技術(shù)第一節(jié)信號的放大與隔離一、運算放大器反相放大器與同相放大器反相放大器放大倍數(shù)同相放大器放大倍數(shù)二、測量放大器測量放大器的特點

傳感器的工作環(huán)境往往比較惡劣，在傳感器的兩個輸出端上經(jīng)常產(chǎn)生較大的共模干擾信號。簡單的運算放大器抵御共模干擾的能力很差。測量放大器廣泛用于傳感器的信號放大，特別是微弱信號及具有較大共模干擾的場合。測量放大器除了對低電平信號進行線性放大外，還擔(dān)負(fù)著阻抗匹配和抗共模干擾的任務(wù)，它具有高共模抑制比、高速度、高精度、寬頻帶、高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、低輸出阻抗、低噪聲等特點。測量放大器的組成測量放大器放大倍數(shù)實用測量放大器AD521的管腳功能與基本接法放大倍數(shù)AD522與直流測量電橋的連接輸出電壓當(dāng)CMRR＞＞1輸出電壓程控測量放大器原理結(jié)構(gòu)三、程控測量放大器PGALH0084程控測量放大器的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)由譯碼-驅(qū)動器和雙4通道模擬開關(guān)組成。開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字輸入由DO和D1二位狀態(tài)決定，經(jīng)譯碼后可有四種狀態(tài)輸出，分別控制S1-S1’、S2-S2’、S3-S3’、S4-S4’四組雙向開關(guān)，從而獲得不同的輸入級增益。程控測量放大器的應(yīng)用智能化數(shù)字電壓表采用程控放大器和微處理器，可自動選取最合適的量程，提高了測量精度。被測信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，CPU判斷并切換增益。微處理器對數(shù)據(jù)進一步處理。四、隔離放大器隔離放大器工作原理輸入部分的作用是將傳感器的信號濾波和放大，并調(diào)制成交流信號，通過隔離變壓器耦合到輸出部分。輸出部分的作用是把交流信號解調(diào)成直流信號，經(jīng)濾波和放大，最后輸出0～±10V的直流電壓。放大器的兩個輸入端是浮空的，所以它能有效地作為測量放大器，又因采用變壓器耦合，所以輸入和輸出部分是隔離的。隔離放大器總電壓增益

目前，世界各國均采用直流信號作為統(tǒng)一信號，并將直流電壓０～５Ｖ和直流電流０～１０ｍＡ或４～２０ｍＡ作為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號。采用直流信號作為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號與交流信號相比有以下優(yōu)點：在信號傳輸線中，直流不受交流感應(yīng)的影響。直流不受傳輸線路的電感、電容及負(fù)荷性質(zhì)的影響。直流信號便于Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換。第二節(jié)信號在傳輸過程中的變換技術(shù)一、信號在傳輸過程中變換的意義二、常用的信號變換方法V/I變換器運放A接成同相放大器，此變換電路屬于電流串聯(lián)負(fù)反饋，具有很好的恒流性能。

差動輸入信號。電路具有深度電流串聯(lián)負(fù)反饋，因此有較好的恒流性能。V/F變換器

V／F轉(zhuǎn)換器（VFC）能將模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換成與TTL兼容的脈沖或方波。其輸出頻率與模擬量成精確比例關(guān)系。典型的V／F轉(zhuǎn)換器有LM331系列。

LM331為雙列直插式8引腳芯片，它由參考電源、開關(guān)電流源、輸入比較器、單穩(wěn)態(tài)定時器和輸出電阻組成。參考電源的作用是向各電路單元提供偏置電流，并為電流泵提供穩(wěn)定的電壓。開關(guān)電流源由精密電流源、電流開關(guān)和電流泵組成，它的作用是在單穩(wěn)定時器的控制下提供恒定電流。單穩(wěn)態(tài)定時器由RS觸發(fā)器、定時比較器及復(fù)位晶體管組成。LM131-331內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖F/V變換器

把頻率變化信號線性地轉(zhuǎn)換成電壓變化信號的轉(zhuǎn)換器稱為F／V轉(zhuǎn)換器。常用的轉(zhuǎn)換器芯片如LM2917。LM2917為單片集成頻率－電壓轉(zhuǎn)換器，芯片中包含了一個高增益的運算放大器／比較器，當(dāng)輸入頻率達到或超過某一給定值時，輸出可用于驅(qū)動開關(guān)、指示燈或其它負(fù)載。另外LM2917還帶有完全的輸入保護電路。在零頻率輸入時，LM2917的輸出邏輯電壓為零。在自動檢測系統(tǒng)中，一般采用三種方法非線性補償：縮小測量范圍，并取近似值；采用非線性的指示刻度；增加非線性補償環(huán)節(jié)（亦稱線性化器）。第三節(jié)信號的非線性補償技術(shù)增加非線性補償環(huán)節(jié)的方法有：硬件電路的補償方法。微機軟件的補償方法，利用微機的運算功能可以很方便地對一個自動檢測系統(tǒng)的非線性進行補償。一、非線性補償環(huán)節(jié)特性的獲取方法解析計算法傳感器特性解析式為放大器特性解析式為系統(tǒng)的輸入與輸出特性為三式聯(lián)立求解得圖解法

當(dāng)各環(huán)節(jié)用解析式表示比較復(fù)雜時，可用圖解法求取非線性補償環(huán)節(jié)的輸入-輸出特性曲線。

常用的是利用二極管組成非線性電阻網(wǎng)絡(luò)，配合運算放大器產(chǎn)生折線形式的輸入-輸出特性曲線。

折線逼近法如圖所示，將非線性補償環(huán)節(jié)所需要的特性曲線用若干個有限的線段代替，然后根據(jù)各折點xi和各段折線的斜率ki來設(shè)計電路。二、非線性補償環(huán)節(jié)的實現(xiàn)方法硬件電路的實現(xiàn)方法最簡單的折點電路精密折點單元電路根據(jù)折線逼近法所作的各段折線可以列出下列方程式中，xi

為折線的各轉(zhuǎn)折點；ki為各段折線的斜率可以看出，轉(zhuǎn)折點越多，折線越逼近曲線，精度也越高，但太多則會因電路本身誤差而影響精度。

用實驗測出傳感器的輸入輸出數(shù)據(jù)，利用一次函數(shù)進行插值，用直線逼近傳感器的特性曲線。假如傳感器的特性曲線曲率大，可以將該曲線分段插值，把每段曲線用直線近似，即用折線逼近整個曲線。這樣可以按分段線性關(guān)系求出輸入值所對應(yīng)的輸出值。圖示是用三段直線逼近傳感器等器件的非線性曲線。圖中y是被測量，x是測量數(shù)據(jù)。微機軟件的實現(xiàn)方法線性插值法

由于每條直線段的二個端點坐標(biāo)是已知的，例如折線段２的斜率k1可表示為：該直線段上的各點滿足下列方程式：折線中的任一直線段的計算

在實際應(yīng)用中，預(yù)先把每段直線方程的常數(shù)及測量數(shù)據(jù)存于內(nèi)存儲器中，計算機首先根據(jù)測量值的大小，找到合適的校正直線段，從存儲器中取出該直線段的常數(shù)，通過計算獲得實際被測量。線性插值法的程序流程圖二次曲線插值法

二次曲線插值法就是用拋物線代替原來的曲線，結(jié)果比線性插值法更精確。二次曲線插值法的分段插值如圖所示，圖示曲線可劃分為ａ、ｂ、ｃ三段，每段可用一個二次曲線方程來描述，即：

式中每段的系數(shù)可通過下述辦法獲得。即在每