5测试信号的转换与调理-Guo200720082009201120122013-15

2020/1/121检测技术第5章测试信号的转换与调理——信号调节器概述电桥放大器滤波线性化处理2020/1/122信号调节器5.0概述一、信号调节器的功能：对传感器输出的原始信号或系统中某一环节的输出信号进行再加工，以满足下一环节输入要求的需要。2020/1/123信号调节器二.信号调节器的种类1.参量变换型：常用于参量型传感器，将电参量变换成电压、电流量。被测量参量型传感器电桥、谐振电路ΔR.ΔL.ΔCΔV.ΔI2.阻抗变换、幅度调节被测量发电型传感器放大、衰减、阻抗匹配、变换ΔU.ΔI.ΔQV.I3.调制、解调被测量传感器解调调制放大、传送调制波输出调制信号2020/1/124信号调节器4.品质调节：线性化处理—扩大测量范围，减少非线性失真；滤波—保持有用信号，消除干扰；倍频、细分—提高测量精度；5.A/D、D/A转换：与计算机相联系。2020/1/125信号调节器5.1测量电桥一.阻抗电桥1.电桥的构成：如图所示，由四个阻抗构成四个桥臂。A和C接入电源E，B和D端为输出端。输出电压:桥臂阻抗可以是电阻、电感和电容式传感器。当被测量为某一初始值并未发生变化时希望电桥输出为0。32413212341234[]()()oBCDCzzzzzzVVVEEEzzzzzzzz2020/1/126信号调节器2.电桥的平衡条件z2z4-z1z3=0--称之为电桥平衡条件或者：z2z4=z1z3--即对边乘积相等；若为复阻抗ijiizz平衡条件可改写为：z2z4=z1z3——模平衡条件2413——相位平衡条件当电桥的电源为直流时称之为直流电桥。显然直流电桥只能是纯电阻电桥。电源若为交流称之为交流电桥，交流电桥桥臂可为电阻、电感或电容。2020/1/127信号调节器3．电桥的工作方式：1.偏位法：电桥失衡，输出不平衡的电压，反应快。2.零位法：电桥失衡后，伺服机构调节调整臂阻抗，使电桥输出恢复为零，调整量的大小与被测量成正比，精度高。2020/1/128信号调节器二.电桥输出特性1.电桥的电压灵敏度以单工作臂直流电桥为例324132012341234()()()()RRRRRRVEERRRRRRRR设工作臂为R1，则：2211222112()||()oodVREdRRRdVREdRRR2020/1/129信号调节器通常用相对电压灵敏度01221121()vVRRSERRRR对于输出对称电桥12344VERRRRRRS对于电源对称电桥14232,(,)()VRRSERRRRRRRR对于全等臂电桥4VES对输出对称电桥和全等臂电桥，其灵敏度只与电源有关。若采用应变片作传感器，可根据应变片的额定电流适当选择电源。2020/1/1210讨论：（1）E的波动影响Sv，需稳压。（2）E有限定，不是越大越好，因发热。（3）输出对称电桥和全等臂电桥的Sv为常数。（4）前提是RR，否则带来非线性。2.电桥的电流灵敏度1311234341212()()gIIRRESRRRRRRRRRR2020/1/1211信号调节器三.电桥桥臂的接入特性（指电桥工作臂在不同的设置方式下的输出灵敏度）若四个阻抗臂都感受被测量的变化称之为全桥（相对于半桥和单臂工作）。对于全桥，这时输出的关系式为：0000012341234VVVVdVdRdRdRdRRRRR对于全等臂电桥或输出对称电桥，可写作：312401234()4dRdRdRdREdVRRRR324132012341234()()()()RRRRRRVEERRRRRRRR2020/1/1212信号调节器我们把相对边称为同变输入端——工作时接入同变信号；把相邻边称为差变输入端——工作时接入差变信号。这样电桥才有最大输出。利用电桥的接入特性，可提高电桥的灵敏度，进行信号分离、抑制干扰和温度补偿等。可见电阻1、3增加，2、4减少时，输出电压变化最大。由此可总结出电桥桥臂的接入特性：电桥在半桥（二臂感受被测量）或全桥（四臂感受被测量）工作时，遵照以下接线法，电桥才有最大输出灵敏度。即同变信号（大小相等，方向相同）接到相对边；差变信号（大小相等，方向相反）接到相邻边。2020/1/12135.2放大器（见word版）2020/1/1214信号调节器5.3信号滤波一.测试系统中的信号滤波：1.什么是滤波在通过传感器获得的信号中，常常混淆有许多其他频率成分的干扰。由于这些干扰的存在，有时得不到正确的测量值，甚至有时有用的信号被淹没在干扰噪声中。为了突出有用信号，抑制噪声干扰，我们就要对传感器获得的信号进行滤波。滤波的实质：就是对信号进行频率选择，完成滤波功能的装置称为滤波器。当信号通过滤波器时，信号中某些频率成分得以通过，其他频率成分的信号受到衰减或抑制。信号通过滤波器的过程，就称为对信号进行滤波。2020/1/1215信号调节器例如：在机械加工中常常使用的电动轮廓仪来测量工件表面粗糙度。在测量过程中，电动传感器的测针沿被测表面滑过，这时，传感器的输出的电压信号中包含三种成分：（1）表面坡度信号x1(t)f1（2）表面粗糙度信号x2(t)f2（3）高频电气干扰x3(t)f3且f1f2f3V0=x1(t)+x2(t)+x3(t)我们对V0进行频谱分析：为了准确的测量粗糙度信号，我们可以让V0分别通过一个低通滤波器和一个高通滤波器，分别虑掉f3和f1，这样f2就不失真的通过。2020/1/1216信号调节器2．滤波器的类型：（1）按功能分：低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器，带阻滤波器（2）按处理信号的类型分：模拟滤波器数字滤波器2020/1/1217信号调节器二．模拟滤波器－RC网络模拟滤波器是指通过一定的电路对模拟信号进行的频率选择。其频率特性由RC值来确定。利用RC可以构成无源网络，即无源滤波器，也可以利用RC和运放组合构成有源放大器。例如：网络即构成无源低通滤波器00221111()111|()|()1()1iiiCVVVjCjRCRjCVHjVjRCHjfRCf截止频率：112cCorfRCRC2020/1/1218信号调节器用跟随器构成的一阶RC低通滤波器：212121/()11/|()|()1CRRHjjRCRRHjff可见，其增益由211/RR确定，而与时间常数RC无关。2020/1/1219信号调节器用反向运放构成的一阶RC低通滤波器：自行分析，注意用复阻抗。反馈总阻抗：CjZc1CRjRZZZZZ2221211o2I11211VRZVRRjRCo22I1222111()11(/)cVRVRRCRRffCRffCRccc221CI1R1R2VIVo2020/1/1220信号调节器三．数字滤波数字滤波实际上是利用响应的数字运算对信号进行频率选择。1．时域平滑滤波：(1).简单平均(2).加权移动平均法1NkiikNimiimXwXwm、N为加权系数上、下限编号，wi为加权系数，一般w-i=wi为对称值。数字滤波数据的平滑滤波(消除随机噪声)其它数字滤波时域平滑滤波频率域平滑滤波11NiixxN2020/1/1221信号调节器权系系数w可以根据不同的需要进行选择。韩云台编书上给出了二.三次多项式加权系数，见旧教材P173表7-2平滑处理的实质相当于曲线拟合或插值处理。当采用5点平滑时，其公式为：21121(31217123)35nnnnnnXXXXXX2020/1/12222．频率域滤波先对原始时域数据x(k)做DFT得到离散谱X(n),然后将X(n)与要求的频响函数相乘得滤波后的频谱Y(n)，再对Y(n)做离散傅里叶反变换得y(k)。X(f)=S(f)+N(f)Y(f)=H(f)X(f)1H(f)N(f)S(f)2020/1/1223滤波器频率响应函数离散傅里叶变换乘法运算离散傅里叶逆变换x（k）原始数据输入滤波后输出y（k）频率域滤波处理框图2020/1/1224信号调节器5.4线性化处理对系统中非线性特性进行线性化处理的方法有两种：一.非线性因子的消除：找出非线性因子，设法使其消除。二.非线性环节的校正：1．模拟校正（1）开环校正（串连）V1=f(x).V2=KV1.希望V0=Sx→x=V0/S00221120()()()()VVVVKVKfxKffSKSVVSfK传感器放大器非线性校正环节xV1V2VO非线性环节非线性校正环节特性与非线性环节特性的反函数成比例2020/1/1225信号调节器(2)闭环校正（反馈校正）0100000()[()]()()()()ffffVkVVkfxVVVfxkVSxVVVVffkSkS当非线性环节K非线性校正环节VOxV1+-ΔVVf反馈通路的非线性校正环节具有与非线性环节相同的特性函数。通常反馈回路中的非线性校正环节由非线性电路来构成。2020/1/1226信号调节器2．数字校正方法将输出特性存入计算机中，通过查表的方法，比较得到输出。（更多细节请参考相关书籍）信号调节器5.5调制与解调5.5.1幅值调制0000()()cos211()cos2()*()()*()22mxtxtftxtftXfffXfff()sin,()sin()sinsin[cos()cos()]2[sin[()][sin[()]2222ssccmssccsccscsscsccscsxtAtytAtxtAtAtAAttAAAAtt调制信号载波频谱向载波频率处搬移.因为任一函数与单位脉冲的卷积是该函数本身.1.调制信号为正弦信号以载波频率为中心的左右边频信号调节器()()()()()[()]2()[()]2(sin[()()])mmmcmcmccccxtXjXjXjAXjXjXjXjtj在正半轴：,maxcs频谱向载波频率处搬移，已调制信号保持原信号频谱（不交叠）的条件：2.调制信号为瞬变信号:信号调节器000()1()cos2cos2()cos422xtxtftftxtft调幅波与原载波再次相乘，调幅波的频谱向载波频率处再次搬移，使原信号频谱出现在0，2f0处，将2f0处的高频信号滤去5.5.2幅值调制的解调1.同步解调法2.整流滤波调制：对调制信号偏置一个直流分量，使其总为正，然后再调制；解调：整流、滤波，得到已调制信号的包络，减去所加的偏置直流电压。信号调节器1）截止频率：幅频特性值等于滤波器的特征参数2）带宽：上下截止频率之间的频率范围21ccBff0(3dB)2A即时对应的频率点。即半功率点。3）品质因子：中心频率与带宽之比0fQB信号调节器A/D转换器0()()xtxt连续时间信号采样脉冲采样后的离散信号采样、保持量化与编码