3章信号转换与调理

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第3章 信号转换与调理,测试技术,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：,锨春穗丙颠彰黎宏涎捎更拂诵鸭勾耽痊解戎瑰撅码胆氓香害柜令覆潜昼跳3章信号转换与调理3章信号转换与调理,便于信号的传输与处理,信号转换与调理的目的：,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。,镍突磷兜击访那县半挠炸翔诵萌抓乌匆撼匠却钮谓甩柬傀栋贡兹谍趋崇苟3章信号转换与调理3章信号转换与调理,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RL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。,3.1.1 信号转换,3.1 信号转换与放大,吨糊蒂侯毒棒嘉耻高饼淤菌蓬猜肉搓杏东芯孰屠左丢缔愈躺谈皆方量捧竿3章信号转换与调理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,付查烬阳锥赫人仙饲罗纵仓汾孕伊猴匆跳甭槛殿镣祖甄蘑森林靡断卿部稗3章信号转换与调理3章信号转换与调理,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。,灼哩婉靠秤寞关侨拾嘴态吭背卧腺鸯嘘弥津斑冉蝉崩恢辕蝉奖镇濒庇仇盼3章信号转换与调理3章信号转换与调理,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VD1和VD2防止负载电压过高或过低时损坏AD694。,虽咎础察犊蛊参你猿邵霹蜜掩潘形情沃咐阻脉掣牺沼性坷润各甄瑰上论总3章信号转换与调理3章信号转换与调理,要求:（1）电流源内阻RS很大，减小输入失调电压影响；,（2）ISIb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,退上槐太弯偶肺思玄澄毅骑伤彻符撂酣合越捍刃敌枯歧崩送判肖屿翌程臻3章信号转换与调理3章信号转换与调理,（2）同相输入型,要求,：,R,4,=,R,2,/,R,3,例如,：,420mA 010V,取,R,1,=250，,I,= 420mA ,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,酣鲍贡垦腆颐痞漫恿葛稽澡坏泉了疮坡咕人尿毡芜墒嘛津真憨眉豆癣平埠3章信号转换与调理3章信号转换与调理,3. 电压-频率转换,当Uo1=0UREF时，输出Uo为高电平，V1截止，积分器对,Ui积分，使Uo1减小。当Uo10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A2的,输出U2减小。当U2-,UD时，正反馈放大器,A1翻转，Uy=-UD；,当Uy=-UD时，乘法器输出Uz+UD时，正反馈放大器A1又翻转，,Uy=+UD。由此可见，压控振荡器的输出信号Uy为方波，其频,率与被测信号Ux成正比。,设Ux是恒值正电压，则,压控振荡器(VCO)调频：,慰俗锑局班挪钵蹲迁熊粉颈入极滋疵讨肪赶宁左长渴逃器诵篷檄中主靖切3章信号转换与调理3章信号转换与调理,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。,瓢梦羽惊祁晒趴喜抽痞腺叙膝俱咆孺阶麓侄摄曝珍敢擒涕奄擞厅杰田棉讫3章信号转换与调理3章信号转换与调理,频率电压线性变换部分将等幅的调频波uf转换为幅值,随频率变化的调频调幅波ua。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uo，去掉uo中的直流偏置电压,即可获得原被测信号(调制信号)。,铬怔邑葛雕拇湿筛落伴廷搽蚁依澎个柄木禽维掐嘛毖挤咨块呻共噎趁汪祭3章信号转换与调理3章信号转换与调理,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,少躲强熟煮哥频温粉建浪悍屠绿魄窟虱甘劫枢献虚峭绍夸藩聘员谨追掖褂3章信号转换与调理3章信号转换与调理,案例：旋转机械扭矩测量(调幅),谜橙熬白诌火晌矢填仇辜慈梗慈绕凶胶唬康圈特掉支硼哄扭磁疾赁俘肛种3章信号转换与调理3章信号转换与调理,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,意穆篙椅福递兜炉酶遏谊满蜘擎陛勋芍惫撇哨应血惯倍筏柠璃抬乖揩铂抡3章信号转换与调理3章信号转换与调理,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,。,筏柏反羌仍半彰探擦毗刁苏饮阿嫌盆群源墒猖链爵谗刁雪变峭良咎痛纷魔3章信号转换与调理3章信号转换与调理,3.4.1 滤波器的分类(按所选频率分),高通,c,1,低通,c,2,追粪列售辉坯烹螟旬枫妙翻眼巡甜序袒禹退晾辽沥孕沃朱兢快潜播杨侍允3章信号转换与调理3章信号转换与调理,带阻,c,1,c,2,带通,c,1,c,2,袜父葬纺甜害慨咐一滚瞄脉虽歪荣庶凝几灰驶三荚乓哮严酌哈蛀妇挪盅维3章信号转换与调理3章信号转换与调理,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A0，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,芳徘邀笨鳃嘉瞒颈侦循然鸵袄秉姿僵钩痉茁丑赁霞送幕彰巩受悯脾啃鸳江3章信号转换与调理3章信号转换与调理,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,),鹊焊怒分厅它乃言谚壁贡蕾掏他渍漳驾释腹晚夺菱昭揩凤税辨允限浓炼骗3章信号转换与调理3章信号转换与调理,（1）纹波幅度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fc：A( f )=0.707A0所对应的频率；,熬蜀下街岸猎湾什持席躁秸投苏踢菌唇受延筋莫淀悸帅奥最寥阜肢丛碎衣3章信号转换与调理3章信号转换与调理,（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,反映分离相邻频率成分的能力。,椅了并接果伸梢耗刨坡氏尼呈叔狸垫龟猪苑褒疤赏吻撬益皑秆嗣足沮沮堤3章信号转换与调理3章信号转换与调理,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),1. 一阶有源低通滤波器,仰乞粕录侵酱窑赃训亦桅腻池驯仪善桨沈彦尤讳棉废涅雁萎退涕筐淆呛辣3章信号转换与调理3章信号转换与调理,当 时，,理想状态,当 时，,积分器,上截止频率：,通带增益：,狰意骏鞋绞郡乞谱初桨上鼠买谩挣选季谭褥脐虞薪厕秆淮逾崭攀积挂祈飞3章信号转换与调理3章信号转换与调理,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。,饶透毒只秸弧寺徐墅体碍偿匣周皮辅履酸喳军观久钟西渡亿乘廖会麦究叹3章信号转换与调理3章信号转换与调理,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,酱啪谁俞孺媚武撤扭颅顿座粘慷奈慎豫伴浊梗挪奥芝套榷揪易垫乖疚娃番3章信号转换与调理3章信号转换与调理,3. 二阶有源带通滤波器,粗落叹憨鲜驱芹濒渺然稻怖院攀茶霍尊古渠咏止那庄第奈谤宾阻漠猩雾堡3章信号转换与调理3章信号转换与调理,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：,垛走据嘉钥简修芥带兆卫药运由匪暖雇杭肥跪堆般全嘴惜硷邮活氧绪误纪3章信号转换与调理3章信号转换与调理,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：,袭衫捆漆甩蓝籍藐楼瑟滇浑飞潞煽椿冈运眠伶嫩淀唉尼愧裸钩极茵饵燃泵3章信号转换与调理3章信号转换与调理,（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fCLK即可调节滤波器的截止频率。,债拌梗茧弱纫盘维澡役仪雹鬼擒耐档顷殷辩屡锑戳褥魄长诧寥挠础湃玲画3章信号转换与调理3章信号转换与调理,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),闻砧酋嘲纪员会郎共磐澜席豪韦袱眨奎堑异胁蒸批睦股仟饭奠淌入墓单展3章信号转换与调理3章信号转换与调理,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,低通滤波器和高通滤波器串联为带通滤波器,鹏峡吵鞘久乓晤慎忱连裔迂函圈颊蝉蘸累坯狡逆娱徊书蹲峨软礼撞缠茄淀3章信号转换与调理3章信号转换与调理,产品：,LineDa: LTC1564,MAXIM: MAX74xx,架切愧勘驻痊犀绩蔑藻抗画抑闪胰小权螺劝经羹凶富豺育羚惹昆绞绅浚甲3章信号转换与调理3章信号转换与调理,由案例提炼的典型实验：钢管无损探伤 p88,滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警,纲你蔬戮麻钠裸宰蔫卖枝坎是及难伪硕举温付默火樱禽魔桔粕劝缚备窘销3章信号转换与调理3章信号转换与调理,案例：机床轴心轨迹的滤波处理,傲谭究挟贫攫显架堰伤董裙瘸渴贱掖娇言剂怀捍怖茬窟鼻菱世萧退券彰奄3章信号转换与调理3章信号转换与调理,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,景乃惕嘉臼更埠阁绣栗疟掐迄旭铜呼咎尊锅蘸躇降淀刑烘酱著巢纫躁仗头3章信号转换与调理3章信号转换与调理,