信号转换和调理测试技术专家讲座

,河南科技大学机电学院,便于信号传输与处理,信号转换与调理目标：,第3章 信号转换与调理,1. 传感器输出信号很微弱，无法直接驱动显示统计仪表，需要进行放大。,4. 能量转换型传感器输出是电信号，但混杂有干扰噪声，,需要进行滤波，提升信噪比。,2. 传感器输出信号不但微弱，而且改变迟缓(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。,信号转换和调理测试技术专家讲座,第1页,1. 电压-电流转换,作用：减小传输导线阻抗对信号衰减,（1）负载浮地型V/I转换电路,优点：,与负载电阻,R,L,无关，含有恒流特征。,缺点：,负载必须悬浮，不能接地，不适合用于一些应用场所。,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,信号转换和调理测试技术专家讲座,第2页,（2）负载接地型V/I转换电路,(取 ),3.1.1 信号转换,信号转换和调理测试技术专家讲座,第3页,案例：,AD694在啤酒发酵温度控制系统中应用,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。微处理器依据含糊积分控制算,法运算结果将控制信号输出至D/A转换器，再放大为,0-10V,电压信号，最终利用AD694进行V/I转换，得到,4-20mA,电流信号，自动调整冷却阀门开度，使冷却夹套内冷媒,带走多出反应热，实现发酵罐温度控制。,3.1.1 信号转换,信号转换和调理测试技术专家讲座,第4页,利用AD694进行V/I转换电路：,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,。,因为感性负载电流输出引脚11与地之间跨接0.01F电容，,二极管V,D1,和V,D2,预防负载电压过高或过低时损坏AD694。,3.1.1 信号转换,信号转换和调理测试技术专家讲座,第5页,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，经过测量电阻,两端电压即可完成转换，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,信号转换和调理测试技术专家讲座,第6页,（2）同相输入型,要求,：,R,4,=,R,2,/,R,3,比如,：,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,信号转换和调理测试技术专家讲座,第7页,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,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,信号转换和调理测试技术专家讲座,第44页,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,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,信号转换和调理测试技术专家讲座,第51页,2. 鉴频原理,采取变压器耦合谐振回路进行鉴频，把频率改变转换,为电压幅值改变。,鉴频实质是频率-电压转换过程,。,3,.,3.2 调频及其鉴频,信号转换和调理测试技术专家讲座,第52页,频率电压线性变换,部分将等幅调频波,u,f,转换为幅值,随频率改变调频调幅波,u,a,。,幅值检波,部分检测幅值改变，,得到叠加了偏置电压调制波,u,o,，去掉,u,o,中直流偏置电压,即可取得原被测信号(调制信号)。,3,.,3.2 调频及其鉴频,信号转换和调理测试技术专家讲座,第53页,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,20倍；调频电路比调幅电路复杂，因为频率调制,是一个非线性调制。,因为调频波所携带信息包含在频率改变中，,并非幅值改变，而干扰波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,信号转换和调理测试技术专家讲座,第54页,案例：,旋转机械扭矩测量,(调幅),3,.,3 调制与解调,信号转换和调理测试技术专家讲座,第55页,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,信号转换和调理测试技术专家讲座,第56页,3.4 滤波器,滤波器是一个选频装置，使信号中特定频率成份经过，而极大地衰减其它频率成份。,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,信号转换和调理测试技术专家讲座,第57页,3.4.1,滤波器分类,(按所选频率分),3,.,4 滤波器,高通,c,1,低通,c,2,信号转换和调理测试技术专家讲座,第58页,带阻,c,1,c,2,带通,c,1,c,2,3,.,4.1 滤波器分类,信号转换和调理测试技术专家讲座,第59页,3.4.2 滤波器特征,理想滤波器是指在通带内信号幅值为一常数A,0,，相位与频率成线性关系。阻带区频率成份都衰减为零，其通带和阻带之间有竖直分界限。,A,(,f,),f,c,f,-f,c,o,A,0,f,f,c,-f,c,o,其它,1. 理想滤波器,3,.,4 滤波器,信号转换和调理测试技术专家讲座,第60页,2. 实际滤波器,理想滤波器是不存在，实际滤波器幅频特,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 滤波器特征,信号转换和调理测试技术专家讲座,第61页,（1）波纹幅度,d,：,通带内,幅频特征波动量；,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,所对应频率；,3,.,4.2 滤波器特征,信号转换和调理测试技术专家讲座,第62页,（4）倍频程选择性,W,：,频率改变一倍幅值衰减量。,（5）滤波器因数,：,-60dB带宽与-3dB带宽比值。,（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 滤波器特征,信号转换和调理测试技术专家讲座,第63页,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,信号转换和调理测试技术专家讲座,第64页,3,.,4.3,RC,有源滤波器,当 时， 理想状态,当 时， 积分步骤,上截止频率：,通带增益：,信号转换和调理测试技术专家讲座,第65页,上截止频率：,通带增益：,通带外侧高频衰减率为-20dB/十倍频程。,3,.,4.3,RC,有源滤波器,信号转换和调理测试技术专家讲座,第66页,2. 二阶有源低通滤波器,通带外侧高频衰减率为-40dB/十倍频程。,（1）由两个一阶低通滤波器简单组合,3,.,4.3,RC,有源滤波器,信号转换和调理测试技术专家讲座,第67页,（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,信号转换和调理测试技术专家讲座,第68页,（3）无限增益多路反馈型低通滤波器,该电路以高增益运算放大器和多反馈回路为,关键，故称为无限增益多路反馈型滤波器。,3,.,4.3,RC,有源滤波器,信号转换和调理测试技术专家讲座,第69页,3. 二阶有源带通滤波器,3,.,4.3,RC,有源滤波器,信号转换和调理测试技术专家讲座,第70页,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相关电阻。,（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,信号转换和调理测试技术专家讲座,第71页,在一个时钟脉冲周期,T,CLK,内电容单元转移电荷为：,流过电容单元平均电流为：,当,T,CLK,很小时，开关电容单元等效电阻为：,3,.,4.3,RC,有源滤波器,信号转换和调理测试技术专家讲座,第72页,（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,即可调整滤波器截止频率。,3,.,4.3,RC,有源滤波器,信号转换和调理测试技术专家讲座,第73页,恒带宽与恒带宽比滤波器：,实际滤波器中心频率是可调，依据中心频,率与带宽之间数值关系，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,信号转换和调理测试技术专家讲座,第74页,若将低通滤波器中,RC,交换位置，则变为高通滤波器，,低通滤波器和高通滤波器是最基本形式，其它滤波器都,能够分解为这两种类型滤波器。,滤波器串联并联：,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,信号转换和调理测试技术专家讲座,第75页,产品：,LineDa: LTC1564,MAXIM: MAX74xx,3,.,4 滤波器,信号转换和调理测试技术专家讲座,第76页,超门限报警,案例：,旅游索道钢缆检测,3,.,4 滤波器,信号转换和调理测试技术专家讲座,第77页,由案例提炼经典试验：,钢管无损探伤,滤除信号中零漂和低频晃动，便于门限报警,3,.,4 滤波器,信号转换和调理测试技术专家讲座,第78页,案例：,机床轴心轨迹滤波处理,3,.,4 滤波器,信号转换和调理测试技术专家讲座,第79页,案例：,机床轴心轨迹滤波处理,滤除信号中高频噪声，方便于观察轴心运动规律,3,.,4 滤波器,信号转换和调理测试技术专家讲座,第80页,3.5 项目设计实例,磁粉探伤原理：,被磁化后铁磁性,工件若不存在缺点，,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,裂纹、气孔等缺点，则部分磁力线会绕过缺点而逸出,工件表面，并在缺点周围形成漏磁场。假如在工件表面喷,洒导磁率很高且粒度很小磁粉，则部分磁粉就会被缺点,处漏磁场吸附并形成磁痕。即可判断工件是否存在缺点。,第3章 信号转换与调理,信号转换和调理测试技术专家讲座,第81页,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380V6V,左右交流电，然后通,过夹头接至工件两端，,则工件内就会建立交变,周向磁场。纵向磁化,电源关键是全波整流,电路，整流后脉动直,流电接至两个磁化线圈，,产生交变纵向磁场。这么工件内周向磁场和纵向磁场交,互作用，可反应出表面或近表面缺点，实现复合磁化。,信号转换和调理测试技术专家讲座,第82页,3.5.1 磁化电流自动调整原理,交流电流变送器将变压器初级电流按线性百分比转换为,标准直流,4-20mA,信号，该信号经I/V转换后输出,0-5V,直,流电压，并经过A/D转换送入微处理器AT89S51。,3,.,5 项目设计实例,信号转换和调理测试技术专家讲座,第83页,纵向磁化电流是小于5A脉动直流电，磁赔偿式霍尔电,流变送器用于检测纵向磁化电流大小，并输出,0-5V,直流,电压信号，也经过A/D转换送入微处理器AT89S51。,3,.,5 项目设计实例,信号转换和调理测试技术专家讲座,第84页,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,在正弦波正负半,周导通。改变触发,脉冲,u,g,相位即可,改变可控硅导通角，控制负载两端电压,u,，进而到达调,节电流目标。,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,信号转换和调理测试技术专家讲座,第85页,3.5.2 I/V转换电路,由RCV420组成I/V转换电路，将4-20mA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,信号转换和调理测试技术专家讲座,第86页,3.5.3 A/D转换电路,3,.,5 项目设计实例,信号转换和调理测试技术专家讲座,第87页,