第3章 信号转换与调理(新)

河南科技大学机电学院,第,3,章 信号转换与调理,本章学习要求：,1.,掌握信号转换电路和放大电路的原理及作用；,2.,掌握电桥的测量原理和接桥方法；,3.,理解信号调制与解调的原理及目的；,4.,掌握滤波器的原理及作用。,1.,根据被测对象的特点、现场工况条件和对测试信号的要求，,制定合理的测试方案，确定信号转换与调理电路的总体方案；,2.,根据测试系统的要求，恰当选择转换与调理电路的核心元,器件，构建并调试配套的外围电路。,本章能力培养目标：,机械工程测试技术,便于信号的传输与处理,信号转换与调理的目的：,第,3,章 信号转换与调理,1.,传感器输出信号很微弱，无法直接驱动显示记录仪表，需要进行放大。,4.,能量转换型传感器输出的是电信号，但混杂有干扰噪声，,需要进行滤波，提高信噪比。,2.,传感器输出信号不仅微弱，而且变化缓慢,(,频率低,),，若用交流放大器放大，需要进行调制解调处理。,3.,能量控制型传感器输出的是电参量，需要转换成电信号才能进行处理,(,电桥,),。,5.,传感器输出信号若送给计算机进行分析与处理时，必须进行,A/D,转换；为了实现远距离传输，必须进行,V/I,或,V/F,转换。,1.,电压,-,电流转换,作用：减小传输导线阻抗对信号的衰减,（,1,）负载浮地型,V/I,转换电路,优点：,与负载电阻,R,L,无关，具有恒流特性。,缺点：,负载必须悬浮，不能接地，不适用于某些应用场合。,3.1,信号转换与放大,3.1.1,信号转换,第,3,章 信号转换与调理,（,2,）负载接地型,V/I,转换电路,(,取,),3.1.1,信号转换,案例：,AD694,在啤酒发酵温度控制系统中的应用,LM35,温度传感器对发酵罐内温度进行采样，信号放大,后经,A/D,转换送至微处理器。微处理器根据模糊积分控制算,法的运算结果将控制信号输出至,D/A,转换器，再放大为,0-10V,的电压信号，最后利用,AD694,进行,V/I,转换，得到,4-20mA,的,电流信号，自动调节冷却阀门的开度，使冷却夹套内的冷媒,带走多余的反应热，实现发酵罐温度的控制。,3.1.1,信号转换,利用,AD694,进行,V/I,转换的电路：,输入量程选择引脚,4,悬空，表示输入电压范围为,0-10V,，,4mA,偏置电流选择引脚,9,接地，表示输出电流范围,4-20mA,。,由于感性负载电流输出引脚,11,与地之间跨接,0.01F,的电容，,二极管,V,D1,和,V,D2,防止负载电压过高或过低时损坏,AD694,。,3.1.1,信号转换,要求,:,（,1,）电流源内阻,R,S,很大，减小输入失调电压影响；,（,2,）,I,S,I,b,运放的输入偏置电流。,2.,电流,-,电压转换,简单方法：在输出电路中串接精密电阻，通过测量电阻,两端的电压即可完成转换，但对后续电路会产生负载效应。,（,1,）反相输入型,U,o,-,+,A,+,I,S,R,S,R,2,R,1,I,3.1.1,信号转换,（,2,）同相输入型,要求,：,R,4,=,R,2,/,R,3,例如,：,420mA 010V,取,R,1,=250,，,I,=,4,20mA ,U,i,=15V,U,o,=,010V,， ， ， ，,U,o,-,+,A,+,U,b,R,3,R,1,I,R,4,R,2,U,i,3.1.1,信号转换,3.,电压,-,频率转换,当,U,o1,=0,U,REF,时，输出,U,o,为高电平，,V,1,截止，积分器对,U,i,积分，使,U,o1,减小。当,U,o1,0,时，,V,1,截止，,V,2,导通，运算放大器,A,2,的,反相输入端接地，调幅波,x,m,(,t,),从,A,2,同相输入端输入。,3,.,3.1,调幅及其解调,当,y,(,t,)0,时，调幅波,x,m,(,t,),与载波,y,(,t,),同频同相，相敏检波器输出,x,o,(,t,),为正。,当,x,(,t,)0,，电容,C,充,电，反相积分器,A,2,的,输出,U,2,减小。当,U,2,-,U,D,时，正反馈放大器,A,1,翻转，,U,y,=-,U,D,；,当,U,y,=-,U,D,时，乘法器输出,U,z,+,U,D,时，正反馈放大器,A,1,又翻转，,U,y,=+,U,D,。,由此可见，压控振荡器的输出信号,U,y,为方波，其频,率与被测信号,U,x,成正比。,设,U,x,是恒值正电压，则,3,.,3.2,调频及其鉴频,2.,鉴频原理,采用变压器耦合的谐振回路进行鉴频，把频率变化转换,为电压幅值的变化。,鉴频实质是频率,-,电压转换的过程,。,3,.,3.2,调频及其鉴频,频率电压线性变换,部分将等幅的调频波,u,f,转换为幅值,随频率变化的调频调幅波,u,a,。,幅值检波,部分检测幅值的变化，,得到叠加了偏置电压的调制波,u,o,，去掉,u,o,中的直流偏置电压,即可获得原被测信号,(,调制信号,),。,3,.,3.2,调频及其鉴频,调频优点：,抗干扰能力强,调频波通常要求频带很宽，为调幅所要求带宽,的,20,倍；调频电路比调幅电路复杂，因为频率调制,是一种非线性调制。,因为调频波所携带的信息包含在频率变化中，,并非幅值变化，而干扰波的干扰作用则主要表现在,幅值中。,调频缺点：,要求频带宽、电路复杂,3,.,3.2,调频及其鉴频,案例：,旋转机械扭矩测量,(,调幅,),3,.,3,调制与解调,案例：,铁路机车调度,信号检测,(,调频,),调制频率,8.5Hz,，,绿灯,调制频率,23.5Hz,，,红灯,3,.,3,调制与解调,3.4,滤波器,滤波器是一种选频装置，使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分。,工件表面粗糙,度测量，滤掉,表面形状误差,。,第,3,章 信号转换与调理,3.4.1,滤波器的分类,(,按所选频率分,),3,.,4,滤波器,高通,c,1,低通,c,2,带阻,c,1,c,2,带通,c,1,c,2,3,.,4.1,滤波器的分类,3.4.2,滤波器的特性,理想滤波器是指在通带内信号的幅值为一常数,A,0,，相位与频率成线性关系。阻带区的频率成分都衰减为零，其通带和阻带之间有竖直分界线。,A,(,f,),f,c,f,-,f,c,o,A,0,f,f,c,-,f,c,o,其他,1.,理想滤波器,3,.,4,滤波器,2.,实际滤波器,理想滤波器是不存在的，实际滤波器的幅频特,性,并非为常数,，通带和阻带之间也没有严格界限，,存在过渡带。,o,f,A,(,f,),3,.,4.2,滤波器的特性,（,1,）波纹幅度,d,：,通带内,幅频特性的波动量；,o,f,f,c1,f,c2,A,0,0.707,A,0,B,Q,=,f,0,/,B,2,d,A,(,f,),f,0,（,2,）截止频率,f,c,：,A,(,f,)=0.707,A,0,所对应的频率；,3,.,4.2,滤波器的特性,（,4,）倍频程选择性,W,：,频率变化一倍幅值的衰减量。,（,5,）滤波器因数,：,-60dB,带宽与,-3dB,带宽的比值。,（,3,）带宽,B,和品质因数,Q,：,上下截止频率之差称为带宽。中心频率 和,-3dB,带宽,B,之比称为品质因数,。,3,.,4.2,滤波器的特性,3.4.3,RC,有源滤波器,RC,有源滤波器由,RC,无源滤波网络和运算放大器组成。运算放大器的作用：,（,1,）放大信号；（,2,）减小负载效应,(,级间隔离,),3,.,4,滤波器,1.,一阶有源低通滤波器,3,.,4.3,RC,有源滤波器,当 时，,理想状态,当 时，,积分环节,上截止频率：,通带增益：,上截止频率：,通带增益：,通带外侧的高频衰减率为,-20dB/,十倍频程。,3,.,4.3,RC,有源滤波器,2.,二阶有源低通滤波器,通带外侧的高频衰减率为,-40dB/,十倍频程。,（,1,）由两个一阶低通滤波器的简单组合,3,.,4.3,RC,有源滤波器,（,2,）压控电压源型低通滤波器,由运算放大器,A,和电阻,R,f,、,R,3,组成的电压源受,控于同相端电压，故称为压控电压源型滤波器。,3,.,4.3,RC,有源滤波器,（,3,）无限增益多路反馈型低通滤波器,该电路以高增益的运算放大器和多反馈回路为,核心，故称为无限增益多路反馈型滤波器。,3,.,4.3,RC,有源滤波器,3.,二阶有源带通滤波器,3,.,4.3,RC,有源滤波器,当 ， 时，,K,1,闭合，,K,2,断开，,u,i,向,C,充电，,充电电荷为：,4.,开关电容滤波器,利用开关和电容代替电路中与频率有关的电阻。,（,1,）开关电容单元电路,当 ， 时，,K,1,断开，,K,2,闭合，,C,向外放电，,放电电荷为：,3,.,4.3,RC,有源滤波器,在一个时钟脉冲周期,T,CLK,内电容单元转移的电荷为：,流过电容单元的平均电流为：,当,T,CLK,很小时，开关电容单元的等效电阻为：,3,.,4.3,RC,有源滤波器,（,2,）开关电容低通滤波器,由等效电路可得上截止频率为：,改变时钟脉冲频率,f,CLK,即可调节滤波器的截止频率。,3,.,4.3,RC,有源滤波器,恒带宽与恒带宽比滤波器：,实际滤波器的中心频率是可调的，根据中心频,率与带宽之间的数值关系，可分为两种。,（,1,）恒带宽比带通滤波器,(,高频分辨率低,),（,2,）恒带宽带通滤波器,(,分辨率高,),3,.,4,滤波器,若将低通滤波器中的,RC,互换位置，则变为高通滤波器，,低通滤波器和高通滤波器是最基本的形式，其它滤波器都,可以分解为这两种类型的滤波器。,滤波器的串联并联：,低通滤波器和高通滤波器并联为带阻滤波器,3,.,4,滤波器,低通滤波器和高通滤波器串联为带通滤波器,产品：,LineDa,: LTC1564,MAXIM: MAX74xx,3,.,4,滤波器,超门限报警,案例：,旅游索道钢缆检测,3,.,4,滤波器,由案例提炼的典型实验：,钢管无损探伤,滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警,3,.,4,滤波器,案例：,机床轴心轨迹的滤波处理,3,.,4,滤波器,案例：,机床轴心轨迹的滤波处理,滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律,3,.,4,滤波器,3.5,项目设计实例,磁粉探伤原理：,被磁化后的铁磁性,工件若不存在缺陷，,则磁力线均匀分布；,若其表面或近表面,存在与磁力线,不平,行,的裂纹、气孔等缺陷，则部分磁力线会绕过缺陷而逸出,工件表面，并在缺陷周围形成漏磁场。如果在工件表面喷,洒导磁率很高且粒度很小的磁粉，则部分磁粉就会被缺陷,处的漏磁场吸附并形成磁痕。即可判断工件是否存在缺陷。,第,3,章 信号转换与调理,磁化原理：,3,.,5,项目设计实例,周向磁化电源为降,压变压器，将,380V,6V,左右的交流电，然后通,过夹头接至工件的两端，,则工件内就会建立交变,的周向磁场。纵向磁化,电源的核心是全波整流,电路，整流后的脉动直,流电接至两个磁化线圈，,产生交变的纵向磁场。这样工件内的周向磁场和纵向磁场交,互作用，可反映出表面或近表面的缺陷，实现复合磁化。,3.5.1,磁化电流自动调节原理,交流电流变送器将变压器的初级电流按线性比例转换为,标准的直流,4-20mA,信号，该信号经,I/V,转换后输出,0-5V,的直,流电压，并通过,A/D,转换送入微处理器,AT89S51,。,3,.,5,项目设计实例,纵向磁化电流是小于,5A,的脉动直流电，磁补偿式霍尔电,流变送器用于检测纵向磁化电流的大小，并输出,0-5V,的直流,电压信号，也通过,A/D,转换送入微处理器,AT89S51,。,3,.,5,项目设计实例,可控硅调压原理：,两个单向可控,硅反向并联，对应,控制极短接，施加,触发脉冲电压,u,g,，,则两个可控硅分别,在正弦波的正负半,周导通。改变触发,脉冲,u,g,的相位即可,改变可控硅的导通角，控制负载两端的电压,u,，进而达到调,节电流的目的。,R,和,C,用于保护可控硅，可控硅后续负载为降,压变压器，属于强感性负载,。,3,.,5,项目设计实例,3.5.2 I/V,转换电路,由,RCV420,构成的,I/V,转换电路，将,4-20mA,的电流信号转换成为,0-5V,电压信号，其关系为：,3,.,5,项目设计实例,3.5.3 A/D,转换电路,3,.,5,项目设计实例,