《模擬量處理》課件

模擬量處理模擬量處理是一種重要的電子技術，在工業(yè)自動化、儀器儀表、數(shù)據(jù)采集等領域廣泛應用。課程概述課程目標學習模擬量處理的基本原理，并掌握相關技術應用。課程內容涵蓋模擬量信號的獲取、處理、轉換、傳輸?shù)确矫妗ＤM量基本概念連續(xù)性模擬量可以取連續(xù)的值，而不會有間斷。時間連續(xù)性模擬量在時間上是連續(xù)變化的，可以是隨時間變化的電壓、電流或其他物理量。精度模擬量的精度取決于測量儀器的精度，理論上可以無限精確。易受干擾模擬信號容易受到噪聲和干擾的影響，需要采取措施進行抑制。模擬量的采樣處理1離散化將連續(xù)的模擬信號轉換為離散的數(shù)字信號2量化將離散的數(shù)字信號轉換為有限個離散值3編碼將有限個離散值轉換為數(shù)字代碼模擬量的AD轉換1采樣將模擬信號在時間軸上進行離散化，得到一系列的采樣值。2量化將采樣值映射到離散的數(shù)字量，根據(jù)量化精度，每個采樣值對應一個數(shù)字代碼。3編碼將量化后的數(shù)字代碼轉換成二進制數(shù)，以供計算機處理。模擬量的放大與衰減放大增加信號幅度，提高信號強度。衰減降低信號幅度，防止信號過載。模擬量的加法與乘法模擬加法模擬加法通過運算放大器實現(xiàn)。運放的輸入信號是兩個模擬信號的加權和，輸出信號是加權和的放大倍數(shù)。模擬乘法模擬乘法通常使用四象限乘法器實現(xiàn)。四象限乘法器可以處理正負信號，輸出信號與輸入信號的乘積成正比。模擬量的積分與微分1積分電路積分電路利用電容的充放電特性，將輸入信號轉換為輸出信號的積分。2微分電路微分電路利用電容的充放電特性，將輸入信號轉換為輸出信號的微分。3應用積分與微分電路在信號處理、濾波、控制等領域有著廣泛的應用。應用實例1-熱電偶溫度測量熱電偶溫度測量是模擬量處理的典型應用。熱電偶利用兩種不同金屬導線產(chǎn)生的熱電勢差來測量溫度。熱電勢的大小與溫度成正比，通過將熱電勢轉換為電壓信號，再通過AD轉換器進行數(shù)字化處理，就可以得到準確的溫度測量結果。應用實例2-電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器是一種利用壓力變化引起電容變化來測量壓力的傳感器。常見的電容式壓力傳感器通常由一塊固定電極板和一塊可移動電極板組成，兩者之間充以介電常數(shù)一定的介質，當壓力施加到可移動電極板上時，會改變兩極板之間的距離，從而改變電容值。電容式壓力傳感器具有靈敏度高、響應速度快、耐腐蝕性強、體積小等優(yōu)點，廣泛應用于工業(yè)自動化、醫(yī)療設備、航空航天等領域。應用實例3-光電轉換傳感器光電轉換傳感器將光信號轉換為電信號，例如光敏電阻，光電管等。光敏電阻在光照強度變化時，其阻值也會發(fā)生變化。光電管在光照射下會產(chǎn)生光電流，光電流的大小與光照強度成正比。模擬量信號的獲取與傳輸傳感器將物理量轉換為電信號。信號調理放大、濾波、轉換等處理。傳輸介質電纜、無線等方式傳遞信號。接收端接收并處理信號。電壓信號的傳輸1直接傳輸適用于短距離傳輸，信號完整性較高。2隔離傳輸適用于長距離傳輸，隔離噪聲影響。3差分傳輸抗干擾能力強，適用于復雜環(huán)境。電流信號的傳輸電流環(huán)路電流環(huán)路是一種常見的模擬信號傳輸方式，它使用電流信號來傳遞信息。隔離放大器隔離放大器用于隔離發(fā)送端和接收端，防止電流信號被干擾。屏蔽線屏蔽線可以有效地降低干擾，確保電流信號的完整性。信號線的屏蔽與接地1屏蔽屏蔽層可以有效地減少外部電磁干擾對信號線的干擾。2接地接地可以將信號線上的靜電荷導入到大地，防止靜電干擾。3屏蔽與接地配合屏蔽層必須良好接地才能發(fā)揮作用。噪聲的抑制主動降噪通過生成反相聲波來抵消噪音，適用于環(huán)境噪音較大的情況。被動降噪利用隔音材料和結構來阻擋噪音，適用于需要靜音的環(huán)境。濾波技術使用濾波器來去除特定頻率的噪聲，適用于去除特定類型的噪聲。模擬量接口電路設計1信號調理將模擬量信號進行放大、衰減、濾波等處理，使其符合后續(xù)電路的要求。2AD轉換將模擬量信號轉換為數(shù)字量信號，以便進行數(shù)據(jù)處理和存儲。3通信接口將數(shù)字量信號通過串行或并行通信接口傳遞到計算機或其他設備進行處理。運放的基本特性高增益運算放大器具有非常高的電壓增益，通常在10^5到10^8之間，這意味著即使輸入信號很小，輸出信號也會被放大到很大。高輸入阻抗運算放大器具有很高的輸入阻抗，這意味著它們從信號源吸收的電流非常少，不會顯著影響信號源的性能。低輸出阻抗運算放大器具有很低的輸出阻抗，這意味著它們可以提供大量的電流，能夠驅動負載，例如揚聲器或電機。線性工作范圍運算放大器在一定范圍內工作時，輸出信號與輸入信號成線性關系，這對于精確的信號處理至關重要。運放的常用電路拓撲反相放大器輸入信號經(jīng)反相輸入端進入，輸出信號與輸入信號反相。同相放大器輸入信號經(jīng)同相輸入端進入，輸出信號與輸入信號同相。電壓跟隨器輸出信號等于輸入信號，常用于阻抗匹配。差動放大器放大兩個輸入信號之間的差異，常用于信號比較和噪聲抑制。模擬濾波電路設計1濾除噪聲去除信號中的不需要的頻率成分2改善信號質量提高信號的信噪比3提取所需信號選擇特定頻率范圍的信號有源濾波電路使用運算放大器和一些無源元件實現(xiàn)濾波功能可實現(xiàn)各種濾波特性，如低通、高通、帶通、帶阻等通過調整元件參數(shù)，可以靈活地改變?yōu)V波器的特性無源濾波電路RC濾波器由電阻和電容組成，常用于去除高頻噪聲。RL濾波器由電阻和電感組成，常用于去除低頻噪聲。LC濾波器由電感和電容組成，常用于濾除特定頻率的噪聲。模擬乘法電路1實現(xiàn)原理模擬乘法電路通過改變一個信號的幅度來實現(xiàn)對另一個信號的調制。2應用范圍廣泛應用于信號處理、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等領域。3類型常見的模擬乘法電路包括四象限乘法器、雙極型乘法器等。ADC基本原理對模擬信號進行采樣，將連續(xù)的模擬信號轉換為離散的數(shù)字信號。量化是將采樣后的信號值映射到離散的數(shù)字量級上。編碼將量化后的數(shù)字量級轉換為二進制代碼。ADC的基本性能指標指標描述分辨率ADC的量化精度，表示ADC能夠區(qū)分的最小模擬電壓變化量。量化誤差ADC輸出的數(shù)字量與實際模擬量之間的誤差。采樣率ADC每秒鐘可以采樣的次數(shù)，決定了ADC對快速變化的信號的響應速度。轉換時間ADC完成一次轉換所需的時間，影響了ADC的響應速度。線性度ADC的輸入輸出之間的線性關系，反映了ADC的準確性。噪聲ADC輸出信號中存在的隨機噪聲，影響了ADC的精度。功耗ADC工作時消耗的功率。常見ADC類型逐次逼近型ADC逐次逼近型ADC是一種常見的ADC類型，它通過不斷逼近目標電壓值來實現(xiàn)轉換。這種方法簡單易行，成本相對較低。Σ-Δ型ADCΣ-Δ型ADC是一種高精度ADC類型，它使用反饋環(huán)路來提高精度，并通過過采樣來降低噪聲。并行比較型ADC并行比較型ADC是一種高速ADC類型，它使用多個比較器來同時比較輸入電壓，實現(xiàn)快速轉換。數(shù)模轉換DAC基本原理數(shù)字信號到模擬信號DAC將數(shù)字信號轉換為模擬信號，其核心是將數(shù)字量轉換為模擬量。電壓或電流輸出DAC通常輸出電壓或電流信號，可用于控制電機、加熱器等模擬設備。位數(shù)與精度DAC的位數(shù)決定了其轉換精度，位數(shù)越高，精度越高，但成本也會更高。DAC的基本性能指標數(shù)模轉換電路應用1音頻處理數(shù)字音頻信號的重建2