檢測電路設(shè)計調(diào)制檢波方法(珍藏)

1、第四章 檢測系統(tǒng)設(shè)計第一節(jié) 概 述· 字體大?。?#183; 小· 中· 大二、機電一體化對檢測系統(tǒng)的基本要求1.精度、靈敏度和分辨率高；2.線性、穩(wěn)定性和重復(fù)性好；3.抗干擾能力強；4.靜、動態(tài)特性好。其它要求：體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、便于安裝與維修、耐環(huán)境性能好等。 四章 檢測系統(tǒng)設(shè)計第一節(jié) 概 述· 字體大?。?#183; 小· 中· 大三、檢測系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)、方法和步驟檢測系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)：根據(jù)使用要求合理選用傳感器，并設(shè)計或選用相應(yīng)的信號檢測與處理電路以構(gòu)成檢測系統(tǒng)，對檢測系統(tǒng)進行分析與調(diào)試，使之在機電一體化產(chǎn)品中實現(xiàn)預(yù)

2、期的計測功能。 檢測系統(tǒng)設(shè)計的主要方法是實驗分析法，即理論分析和計算與實驗測試相結(jié)合的方法。由于檢測系統(tǒng)中所用到的傳感器及各種電子元器件的物理或化學(xué)性能的復(fù)現(xiàn)性和復(fù)制性，往往難于保證實際設(shè)計出的系統(tǒng)的性能與理論分析和計算結(jié)果的一致性，而且檢測系統(tǒng)在工作中會受到來自周圍環(huán)境的各種各樣的干擾，這些干擾是很難通過理論分析和計算而預(yù)先確定的，因而必須通過實驗測試為理論分析提供依據(jù)，并對所設(shè)計的檢測系統(tǒng)進行修正，以滿足其性能指標要求。檢測系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟如下：（1）設(shè)計任務(wù)分析在具體設(shè)計開始之前，必須對設(shè)計任務(wù)進行充分的了解和分析，其中包括對機電一體化產(chǎn)品整體功能、性能和應(yīng)用場合的了解，以及

3、產(chǎn)品對檢測系統(tǒng)具體性能要求的分析，如對被測量及其變化范圍、檢測精度、信號輸出形式、系統(tǒng)安裝條件等的分析。（2）系統(tǒng)方案選擇系統(tǒng)方案選擇包括傳感器及信號加工、處理方法的選擇。對應(yīng)于同一個設(shè)計任務(wù)，往往存在多種不同的實現(xiàn)方案，如可以選用不同的傳感器，因而有不同的信號加工、處理方法，即使選用同樣的傳感器，也可以選用不同的信號加工、處理方法。因此，這一步應(yīng)在大量調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，進行充分的方案論證，甚至做一些必要的原理性模擬試驗，以保證所選定的方案是最佳的或較佳的方案。（3）系統(tǒng)構(gòu)成框圖設(shè)計當方案選定之后，就要對系統(tǒng)構(gòu)成框圖進行設(shè)計，并同時確定對各構(gòu)成環(huán)節(jié)的要求，如變換特性、參數(shù)指標等。（4）環(huán)節(jié)設(shè)計

4、與制造環(huán)節(jié)設(shè)計與制造依據(jù)所選定方案進行。各環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量選用現(xiàn)有的各種功能電路甚至集成電路芯片，當不完全滿足要求時，可進行適當?shù)膮?shù)修改或補充設(shè)計。各環(huán)節(jié)電路制作完成后，應(yīng)進行必要的調(diào)試，以達到設(shè)計指標要求。（5）總裝調(diào)試及實驗分析各環(huán)節(jié)分別制造、調(diào)試完成后，進行總裝，構(gòu)成所需要的檢測系統(tǒng)，并進行整體調(diào)試。通過調(diào)試如發(fā)現(xiàn)問題，應(yīng)及時進行分析和解決。（6）系統(tǒng)運行及考核檢測系統(tǒng)最終要納入到機電一體化產(chǎn)品中與其它系統(tǒng)統(tǒng)一、協(xié)調(diào)地運行，因此其性能還要在整個產(chǎn)品的運行過程中進行考核，并考慮與其它系統(tǒng)的匹配關(guān)系進行修改和完善。上述僅是檢測系統(tǒng)設(shè)計的一般方法及步驟，實際的設(shè)計過程是很復(fù)雜的，涉及到較深的傳

5、感器、電路及信息處理方面的理論知識，而且往往要經(jīng)過多次反復(fù)才能完成。本章不可能對檢測系統(tǒng)設(shè)計過程中所用到的全部理論和方法進行系統(tǒng)、詳細的介紹，因而僅在已有傳感器知識的基礎(chǔ)上，介紹一些機電一體化設(shè)計中經(jīng)常用到的模擬式和數(shù)字式傳感器信息的檢測和處理方法及功能電路，以及信息的計算機采集和預(yù)處理方法。第四章 檢測系統(tǒng)設(shè)計第二節(jié) 模擬式傳感器信號的檢測· 字體大小：· 小· 中· 大一、模擬信號檢測系統(tǒng)的組成模擬式傳感器是目前應(yīng)用最多的傳感器，其輸出是與被測物理量相對應(yīng)的連續(xù)變化的電信號。典型的模擬信號檢測系統(tǒng)如圖4-1所示。 振蕩器用于對傳感器信號進行調(diào)制，并為

6、解調(diào)提供參考信號；量程變換電路的作用是避免放大器飽和并滿足不同測量范圍的需要；解調(diào)器用于將已調(diào)制信號恢復(fù)成原有形式；濾波器可將無用的干擾信號濾除，并取出代表被測物理量的有效信號。 可對信號進行各種處理，以正確獲得所需的物理量，其功能也可在對信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，由數(shù)字計算機來實現(xiàn)；計算機對信號進行進一步運算處理后，可獲得相應(yīng)的控制信號去控制執(zhí)行機構(gòu)，而在不需要執(zhí)行機構(gòu)的智能化量儀中，計算機則將有關(guān)信息送去顯示或打印輸出。一體化產(chǎn)品的檢測系統(tǒng)中，也可能沒有圖41中的某些部分或增加一些其它部分，如有些傳感器信號可不進行調(diào)制與解調(diào)，而直接進行阻抗匹配、放大和濾波等。第四章 檢測系統(tǒng)設(shè)計第二節(jié)

7、 模擬式傳感器信號的檢測· 字體大?。?#183; 小· 中· 大二、基本轉(zhuǎn)換電路被測物理量經(jīng)傳感器變換后，往往成為電阻、電容、電感等電參數(shù)的變化，或電荷、電壓、電流等電量的變化。當傳感器的輸出信號是電參數(shù)形式時，需采用基本轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成電量形式，然后再送入后續(xù)檢測電路。（一）分壓電路式中:是交流電源角頻率；M2是變壓器互感。 （二）差動電路差動電路主要用于差動式傳感器信號的轉(zhuǎn)換。 當被測量發(fā)生變化時，傳感器阻抗也隨之變化，設(shè)變化量為Z，則Z1Z0+Z，Z2Z0-Z，于是采用了對稱電源供電，在傳感器處于平衡位置時，電路輸出為零；當傳感器失衡

8、后，輸出電壓與阻抗的變化成正比，即：橋式差動電路，主要用于直流電橋中，兩個阻抗元件Z的中點接地，構(gòu)成對稱供電形式。當傳感器處于平衡位置時，輸出電壓為零；當傳感器失衡后，輸出電壓為：采用變壓器配成橋式差動電路，通過具有中間抽頭的變壓器二次線圈對傳感器的一對差動阻抗對稱供電，其輸出電壓與傳感器阻抗變化之間的關(guān)系為：（三）非差動橋式電路若傳感器的基準阻抗為Z0，并取ZZRZ0，傳感器阻抗隨被測量的變化為Z，則當電容傳感器的電容C或電阻傳感器的電阻R變化時，輸出電壓的幅值U0Ui2不變，但相位角卻隨之變化，其輸出特性表達式為：輸出信號相位隨傳感器電感L或電阻R的變化關(guān)系為：（四）調(diào)頻電路傳感器電容C和

9、標準電感L構(gòu)成諧振電路并接入振蕩器中，振蕩器輸出信號的頻率f隨傳感器電容C的變化關(guān)系為：（五）脈沖調(diào)寬電路輸出信號U0的脈寬占隨電容C或電阻R的變化而變化，即：B = kRC式中，k是與URUi有關(guān)的常數(shù)。第四章 檢測系統(tǒng)設(shè)計第二節(jié) 模擬式傳感器信號的檢測· 字體大?。?#183; 小· 中· 大三、信號放大電路信號放大電路，亦稱放大器，用于將傳感器或經(jīng)基本轉(zhuǎn)換電路輸出的微弱信號不失真地加以放大，以便于進一步加工和處理。（一）減小噪聲和提高穩(wěn)定性的方法放大電路中常見的噪聲：熱噪聲、散粒噪聲和低頻噪聲等，對于這些噪聲必須采取措施加以抑制，以免有用信號被淹沒

10、在噪聲中。常用的抑制放大器噪聲的措施有：1.壓縮放大器帶寬，濾除通帶以外的各種噪聲信號。2.減小信號源電阻，并盡量使其與放大器的等效噪聲電阻相等，以實現(xiàn)噪聲阻抗匹配。3.選用低噪聲放大器件，以減少噪聲的產(chǎn)生。4.減小接線電纜電容的影響及各種干擾因素的影響。放大器的穩(wěn)定性是指其在環(huán)境、輸入信號或電路中某些參數(shù)發(fā)生變化時能夠穩(wěn)定工作的能力。提高放大器穩(wěn)定性的措施有：1.采用具有高穩(wěn)定度的無源元件或引入直流負反饋來穩(wěn)定靜態(tài)工作點。2.采用電容和電阻進行相位補償，以消除由寄生電容或其它寄生耦合所引起的自激振蕩。3.妥善接地與屏蔽，以減小寄生電容、寄生耦合等因素的影響。4.采取散熱與均熱措施，以保證溫度

11、穩(wěn)定，減小熱漂移。(二)高輸入阻抗放大器為了與傳感器電路或基本轉(zhuǎn)換電路相匹配，希望放大器具有較高的輸入阻抗。最簡單和常用的高輸入阻抗放大器是同相輸入放大器，其輸出電壓U0和輸入阻抗Z分別為：式中: Ad是運算放大器的差模放大倍數(shù)；Zi是開環(huán)輸入阻抗。為保證共模抑制比，取R1Rf1Rf2R4，則放大器輸出為兩個運算放大器N1和N2的輸出與輸入關(guān)系分別為U0(R2R1)Ui和U01(2R1R2)U02Ui，信號源的輸出電流為：（三）高共模抑制比放大器對兩被測信號的差值進行放大的同時，抑制來自環(huán)境的共模干擾。若取R1R2，R3Rf，則上式變?yōu)椋篣0 = Rf / R1(

12、 Ui2 - Ui1 )若只有共模信號輸入，即Uil=Ui2=Uic若使電路參數(shù)滿足匹配關(guān)系R1R2，R3Rf，有U0=0,即放大器共模增益為零，共模抑制比(差模增益與共模增益之比)為無窮大。當R1R2，及Rf1=Rf2=Rf時，電路輸出為：（四）參量放大器（1）電容參量放大器C是傳感器電容Co是標準電容ui是標準輸入電壓式中，是電容傳感器的介電常數(shù)；S是極板工作面積；是極板之間的距離，或稱氣隙。（2）電阻式傳感器用于將單臂傳感器的電阻變化R轉(zhuǎn)換成輸出電壓uo的變化。取R1=R2，R3=R （R是傳感器電阻公稱值）用于將差動式傳感器的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓變化。傳感器電阻R3和

13、R4分別為R3RR，R4R+R。若取及R1R2R，Rf>>R ，則：（五）線性化放大器線性化放大器是指通過放大器的作用，使包括傳感器及信號檢測電路在內(nèi)的整個檢測系統(tǒng)的輸出與輸入之間具有良好的線性。許多情況下，放大器前、后各環(huán)節(jié)都可能具有非線性特性，由于作為中間環(huán)節(jié)的放大器的特性最容易調(diào)節(jié)和控制，因而常要求其具有按給定規(guī)律變化的增益特性，以補償或校正整個系統(tǒng)的線性。設(shè)傳感器具有非線性特性uif(x)，要求系統(tǒng)輸出uo與輸入x之間具有線性關(guān)系uokx。若放大器開環(huán)增益為Ao，則Ao足夠大時，上式可簡化成：（只要反饋環(huán)節(jié)具有與傳感器相同形式的非線性特性，檢測系統(tǒng)就能獲得良好的線性）要精確

14、實現(xiàn)任意函數(shù)關(guān)系f(x)的反饋補償是很困難的，一般是先用一組折線來代替f(x) ，然后用分段折線反饋來實現(xiàn)線性化補償。當反饋網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓uo較小時，P點電位uPUD+E1UD+E2 (UD是穩(wěn)壓管VSlVS3的壓降)，且輸出電壓ufUD+E3，則VSlVS3均不導(dǎo)通，反饋網(wǎng)絡(luò)增益較小，輸出電壓對應(yīng)著直線段OA。當uo1uouo2時，適當選擇E1E3和UD，可使UD+E1upUD+E2，且ufUD+E3，則VS1導(dǎo)通，VS2、VS3仍截止，從而增加了反饋電阻，使得反饋網(wǎng)絡(luò)增益加大，輸出電壓uf對應(yīng)著直線段AB。當uo2uouo3時，UD+E1upUD+E2，但ufUD+E3，則VSl

15、、VS3導(dǎo)通，VS2截止，相當于在RL上并聯(lián)一個電阻R8，使反饋網(wǎng)絡(luò)增益減小，uf對應(yīng)著直線段BC。當uo3uouo4時，upUD+E2UD+El，且ufUD+E3，則VS1VS3全部導(dǎo)通，使反饋電阻增加，負反饋減小，反饋網(wǎng)絡(luò)增益增加，uf對應(yīng)直線段CD。（六）放大器增益切換當UoUc時，通過量程切換電路控制繼電器或模擬開關(guān)動作，使適當?shù)姆謮弘娮杞油?，從而對不同的輸入信號Ui實現(xiàn)不同程度的衰減，以保證放大器工作在線性范圍內(nèi)。第四章 檢測系統(tǒng)設(shè)計第二節(jié) 模擬式傳感器信號的檢測· 字體大?。?#183; 小· 中· 大四、信號調(diào)制與解調(diào)電路在機電一體化產(chǎn)品中常采用調(diào)制

16、與解調(diào)的方法對信號進行檢測，以防止干擾信號對檢測精度的影響。 例如：采用特定頻率的交流電源對電感傳感器供電，或?qū)τ蓱?yīng)變片、熱敏電阻等組成的橋路供電，其目的都是為了對信號進行調(diào)制。經(jīng)過調(diào)制的信號在經(jīng)過放大后，還需通過解調(diào)(或稱檢波)的方法將其還原成原始信號，以獲得被測物理量及其變化的信息。信號調(diào)制的方法有幅值調(diào)制、相位調(diào)制、頻率調(diào)制和脈寬調(diào)制等，其中前三種又分別簡稱為調(diào)幅、調(diào)相和調(diào)頻。對應(yīng)不同的信號調(diào)制方法需采用不同的方法來解調(diào)。（一）幅值調(diào)制與解調(diào)1.幅值調(diào)制（讓一個具有特定角頻率c的高頻信號的幅值隨被測量x而變化）高頻信號稱為載波信號，被測量x稱調(diào)制信號，載波信號經(jīng)被測量x調(diào)制后所得到的幅值

17、隨x變化的信號稱已調(diào)制信號或調(diào)幅信號。最簡單的幅值調(diào)制是線性調(diào)制，即讓高頻振蕩信號的幅值為被測信號x的線性函數(shù)，所得到的調(diào)幅信號的一般表達式為：Us=(Um+mx)cosct式中，c是載波信號角頻率；Um是載波信號幅度；x是調(diào)制信號；m稱調(diào)制深度。信號的幅值調(diào)制可直接在傳感器內(nèi)進行，也可在電路中進行。在電路中對信號進行幅值調(diào)制的方法有相乘調(diào)制和相加調(diào)制，下面僅就相乘調(diào)制的方法加以介紹。串并聯(lián)幅值調(diào)制電路，用于將緩變的調(diào)制信號ui與矩形高頻載波信號Uc和Uc非相乘。將Uc按傅里葉級數(shù)展開得：將ui與Uc相乘后，再用帶通濾波器濾除直流分量和頻率高于3c的高頻分量，就得到相乘調(diào)制信號。2.包絡(luò)檢波包

18、絡(luò)檢波是一種對調(diào)幅信號進行解調(diào)的方法，其原理是利用二極管等具有單向?qū)щ娦阅艿钠骷厝フ{(diào)幅信號的下半部，再用濾波器濾除其高頻成分，從而得到按調(diào)幅波包絡(luò)線變化的調(diào)制信號。當要求檢波精度較高時，常采用由運算放大器構(gòu)成的精密整流器來實現(xiàn)包絡(luò)檢波。取R'32R3，在不考慮電容C的濾波作用時，N2的輸出為：3.相敏檢波Uc：與載波信號同頻率的參考信號（作為場效應(yīng)管VF的開關(guān)控制信號），從而實現(xiàn)調(diào)幅信號US與參考信號UC相乘。在設(shè)計調(diào)幅及其解調(diào)電路時，應(yīng)注意合理選擇各參數(shù)。如果調(diào)制信號的最大角頻率為m ，則要求載波頻率c10 m，否則會給濾波器設(shè)計帶來困難或降低信號檢測精度。為了保證調(diào)幅

19、信號順利通過并被放大，放大器的通頻帶應(yīng)按c±m選取。在相敏檢波后，濾波器應(yīng)保留頻率在m以下的信號。在包絡(luò)檢波后，濾波器應(yīng)濾除頻率在c-m或2c-m以上的信號。（二）相位調(diào)制與解調(diào)1.相位調(diào)置基本思想是：讓一個具有特定角頻率c的高頻載波信號的相位隨被測量x而變化，則已調(diào)制信號中就包含了x的全部信息。最常用的是線性調(diào)相，即使調(diào)相信號的相移角為J的線性函數(shù)，其一般表達式為：Us=Umcos(ct+mx)式中，Um是載波信號幅值；m稱調(diào)制深度。調(diào)相信號us的瞬時角頻率為：對調(diào)相信號進行放大時，放大器的通頻帶應(yīng)按上式所確定的的變化范圍來選擇。當彈性軸上無扭矩作用時，兩個傳感器中的交變信號相位差

20、為零；當有扭矩作用時，彈性軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，兩個齒輪相對位置發(fā)生變化，兩路傳感器信號的相位差也發(fā)生變化，且相位差與扭矩成線性關(guān)系。如果將一路傳感器信號作為基準信號，另一路傳感器信號就是調(diào)相信號，其載波頻率為軸1的轉(zhuǎn)速與齒輪2的齒數(shù)之積。2.相位解調(diào)相位解調(diào)又稱鑒相或比相，常用的方法有異或門鑒相、RS觸發(fā)器鑒相、脈沖采樣鑒相和相敏檢波器鑒相等。設(shè)時鐘頻率和調(diào)相信號頻率分別為f和fc，則：異或門鑒相器的鑒相范圍為0180，且要求輸入信號為占空比50的方波。對于正弦信號，需先整形成方波。此外，異或門鑒相器不能鑒別相位的超前或滯后，因而無辨向功能。RS觸發(fā)器鑒相電路原理：首先可通過微分電路或單穩(wěn)電路等，

21、將參考信號Uc和調(diào)相信號Us變成窄脈沖Uc和Us，然后分別加到觸發(fā)器的R、S端，則Q端輸出信號的脈寬與相位差成正比。Q端的輸出信號可通過濾波器獲得平均電壓uo，或采用計數(shù)電路對脈沖寬度計數(shù)，還可將觸發(fā)器的Q和Q非端分別接濾波器，然后用差動放大器求差。RS觸發(fā)器的鑒相范圍是360-，其中是窄脈沖U'c或U's的相位寬度。（三）頻率調(diào)制與解調(diào)1.頻率調(diào)置基本思想是：讓一個高頻振蕩的載波信號的頻率隨被測量x(調(diào)制信號)而變化，則得到的已調(diào)制信號中就包含了x的全部信息。在線性調(diào)頻中，調(diào)頻信號可表達成：Us=Umcos(c+mx)t式中，Um和c分別是載波信號的幅值和中心角頻率；m稱調(diào)制

22、深度。常用的調(diào)頻方法有傳感器調(diào)頻、電參數(shù)調(diào)頻、電壓調(diào)頻等。2.頻率解調(diào)頻率解調(diào)又稱鑒頻或頻率檢波，常用的方法有微分鑒頻、斜率鑒頻和相位鑒頻三種。微分鑒頻方法：將us對時間t求導(dǎo)得：調(diào)頻信號us的微分是一個調(diào)頻調(diào)幅信號，利用包絡(luò)檢波器可檢出其幅值Um(c+mx)，再通過零點和靈敏度標定，即可獲得調(diào)制信號x。微分鑒頻電路：1）電容CD與晶體管VT的發(fā)射結(jié)正向電阻re構(gòu)成微分電路。2）VT又與電阻RL構(gòu)成包絡(luò)檢波電路；3）二極管VD一方面為VT提供直流偏壓，另一方面又為CD提供放電回路；4）輸出端電容C用來濾除包絡(luò)檢波后的高頻載波信號。 第四章 檢測系統(tǒng)設(shè)計第二節(jié) 模擬式傳感器信號的檢測&

23、#183; 字體大?。?#183; 小· 中· 大五、濾波器（一）濾波器的功用、分類及基本參數(shù)功用是：濾除在信號放大和傳輸過程中引入的噪聲和干擾。濾除在信號調(diào)制過程中的載波等無用信號。將不同頻率的有用信號分開。對系統(tǒng)頻率特性進行補償。分類：按照所處理信號形式的不同，可將濾波器分為模擬式濾波器和數(shù)字式濾波器，其中模擬濾波器又有機械式和電氣式兩類；按照所采用元器件的不同，又可分為無源濾波器和有源濾波器；按照所選通的信號頻率范圍的不同，還可分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種；此外還可根據(jù)濾波器傳遞函數(shù)的階次將其分為一階、二階、高階濾波器。描述濾波器性能的基本參數(shù)：1.截止頻率若

24、濾波器在通頻帶內(nèi)的增益為K，則當其增益下降到(即下降了3dB)時所對應(yīng)的頻率被稱為截止頻率。2.帶寬B對于低通或帶通濾波器，帶寬是指其通頻帶寬度，對于高通或帶阻濾波器，帶寬是指其阻帶寬度。帶寬決定著濾波器分離信號中相鄰頻率成分的能力。3.品質(zhì)因數(shù)QQ定義為帶通或帶阻濾波器的中心頻率fc與帶寬B之比，即品質(zhì)因數(shù)Q的大小反映了濾波器頻率選擇能力的高低。4.倍頻程選擇性是指在f02與2f02之間，或在f01與f01/2之間，幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個倍頻程時幅頻特性的衰減量，用dB表示，它反映了濾波器對通頻帶以外的頻率成分的衰減能力。（二）無源RC濾波器 1.RC低通濾波器適當改變電

25、路中R或C的取值，可改變截止頻率。設(shè)計低通濾波器時，應(yīng)使截止頻率大于有用信號的頻率。2.RC高通濾波器3.RC帶通濾波器當R2>>R1時，后面的低通濾波器對前面的高通濾波器影響較小，因此帶通濾波器的傳遞函數(shù)可看成是高通濾波器和低通濾波器的傳遞函數(shù)之積。無源RC濾波器主要作為一階濾波器使用，其缺點是頻率選擇性較差。若將RC濾波器串聯(lián)起來，雖然可提高階次(傳遞函數(shù)分母中s的冪次)，但受級間耦合的影響，效果較差。（三）有源濾波器有源濾波器采用RC網(wǎng)絡(luò)和運算放大器組成，其中運算放大器既可起到級間隔離作用，又可起到對信號的放大作用，而RC網(wǎng)絡(luò)則通常作為運算放大器的負反饋網(wǎng)絡(luò)。1.有源低通濾波

26、器RC網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)濾波作用，運算放大器用于隔離負載的影響，提高增益和帶負載能力。RC高通濾波器作為運算放大器的負反饋網(wǎng)絡(luò)而構(gòu)成的一階有源低通濾波器二階有源低通濾波器 為了在低頻區(qū)獲得比較平坦的幅頻特性，常取0.707，則0n，倍頻程選擇性為7.4dB。通過多路負反饋以削弱Rf在調(diào)諧頻率附近的負反饋作用，使濾波器的特性更接近理想的低通濾波器。2.有源高通濾波器將兩個RC高通濾波器串聯(lián)接在運算放大器的同相輸入端有源高通濾波器圖b信號從運算放大器的反相端輸入，并通過多路負反饋來抑制元件參數(shù)變化的影響，保證在任何參數(shù)情況下阻尼比總是正值，濾波器總是工作在穩(wěn)定狀態(tài)。3.有源帶通濾波器由一個RC低通

27、濾波器和一個RC高通濾波器串接在運算放大器的同相輸入端構(gòu)成傳遞函數(shù)為：該帶通濾波器的中心角頻率c就等于其固有角頻率n。設(shè)上、下截止角頻率分別為02= n+， 01= n- ，則帶寬為B2。4.有源帶阻濾波器傳遞函數(shù)為：濾波器的通帶增益K、阻帶寬度B及品質(zhì)因數(shù)Q分別為：在設(shè)計或選用這類濾波器時，運算放大器的增益不宜選得過大，以保證阻尼比為正值，使濾波器工作在穩(wěn)定狀態(tài)。第四章 檢測系統(tǒng)設(shè)計第二節(jié) 模擬式傳感器信號的檢測· 字體大?。?#183; 小· 中· 大六、運算電路運算電路是能對信號運算處理的電路，根據(jù)信號形式的不同可分為模擬和數(shù)字運算電路兩種。由于計算機的普及

28、和許多眾所周知的優(yōu)點，數(shù)字運算電路的應(yīng)用越來越廣。但模擬運算電路具有直接、簡單、運算速度快等特點，對于一些比較簡單的運算，仍常采用模擬運算電路宋實現(xiàn)。這里僅介紹一些常用的模擬運算電路。（一）線性加、減運算電路反相輸入相加放大器RfRi可看作是各輸入信號Ui的權(quán)。同相輸入加法運算電路，其輸出與各輸入之間的關(guān)系為：減法運算(又稱差動運算)電路若取R1=R2=R3=R4=Rp=Rf=R，則電路的輸出與各輸入信號之間的關(guān)系為：U0=(U3+U4)-(U1+U2)同相積分電路，輸出電壓為：式中，RC是微分時間常數(shù)。該電路的主要缺點：是對干擾信號敏感，易產(chǎn)生自激振蕩，在輸入信號ui突變時易產(chǎn)生阻塞現(xiàn)象。在

29、輸入回路中引入電阻R1，以限制輸入端噪聲和突變電壓的影響，同時增大了電路的阻尼系數(shù)，有利于抑制自激振蕩。在反饋電阻R上并聯(lián)一個校正電容Cl，并取RClR1C，在Rp旁并聯(lián)電容Cp，以實現(xiàn)相位補償。R上還并聯(lián)了兩個穩(wěn)壓管，以限制輸出幅度，防止進入飽和狀態(tài)。(二)參量控制式乘除運算電路利用場效應(yīng)管的特性，由于1/rDS與UGS之間有著良好的線性關(guān)系，即UGSUxk/rDS，其中k為比例系數(shù)，則電路輸出Uo為：(三)峰值運算電路（1）信號Ui從N1同相端輸入，N2接成跟隨器。（2）在運算開始時，Uk瞬時接高電平，使場效應(yīng)管VF的柵極電位為零，開關(guān)導(dǎo)通，電容C通過VF放電。隨后Uk降為低電平，VF截止

30、。（3）當UiUc時，N1輸出為正，VD1導(dǎo)通，VD2截止，使電容C迅速充電，直至UOUCUi。只要Ui略小于Uo，則VD1截止，VD2導(dǎo)通，C停止充電，從而將Ui的正峰值保持在電容C上，并由跟隨器輸出。當Ui0時，Nl輸出正電平，VD1導(dǎo)通，C充電，N2的輸出UO隨Ui的減小而增加。當Ui變到最小值，即負峰值時，C充電到最高電位，UoUc|Ui|。一旦Ui離開負峰值而增加時，N1的輸出電位將低于C上存儲的電位Uc，因而VD1截止，VD2導(dǎo)通，C停止充電，從而將Ui的負峰值保持在電容C上，并通過跟隨器輸出。在下一次運算開始前，應(yīng)將UK與高電平瞬時相接，讓電容C通過場效應(yīng)管開關(guān)VF放電，為下一次

31、運算作好準備。第四章 檢測系統(tǒng)設(shè)計第三節(jié) 數(shù)字式傳感器信號的檢測· 字體大?。?#183; 小· 中· 大一、數(shù)字信號檢測系統(tǒng)的組成由于近年來微型機的普及應(yīng)用，在機電一體化產(chǎn)品中許多復(fù)雜的信號處理都采用微型機來完成，因此模擬信號往往需先經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，再采入微型機進行處理，這無疑將增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，而且模擬信號的檢測精度較低，易受干擾影響，不便于遠距離傳輸。數(shù)字式傳感器可直接將被測量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出，既可提高檢測精度、分辨率及抗干擾能力，又易于信號的運算處理、存儲和遠距離傳輸。因此，盡管目前數(shù)字式傳感器品種還不很多，但卻得到了越來越多的應(yīng)用。最常見的數(shù)字式傳

32、感器有光柵、磁柵、容柵、感應(yīng)同步器、光電編碼器及激光干涉儀等，主要用于幾何位置、速度等的測量。增量碼信號：指信號變化的周期數(shù)與被測位移成正比的信號。傳感器的輸出多數(shù)為正弦波信號，需先經(jīng)放大、整形后變成數(shù)字脈沖信號。在精度要求不高和無需辨向時，脈沖信號可直接送入計數(shù)器和計算機，但在多數(shù)情況下，為提高分辨率，常采用細分電路使傳感器信號每變化1局個周期計一個數(shù)。辨向電路用于辨別被測量的變化方向。當脈沖信號所對應(yīng)的被測量不便于讀出和處理時，需進行脈沖當量變換。計算機可對信號進行復(fù)雜的運算處理，并將結(jié)果直接送去顯示或打印輸出，或求取控制量去控制執(zhí)行機構(gòu)。第四章 檢測系統(tǒng)設(shè)計第三節(jié) 數(shù)字式傳感器信號的檢測

33、· 字體大?。?#183; 小· 中· 大二、多路信號采集細分與辨向a.ui0時，uo-(Uz+UD)b.ui0時，uo Uz+UD第四章 檢測系統(tǒng)設(shè)計第四節(jié) 檢測信號的采集和預(yù)處理· 字體大?。?#183; 小· 中· 大在機電一體化產(chǎn)品中，控制和信息處理功能多數(shù)采用計算機來實現(xiàn)，因此檢測信號一般都要被采集到計算機中作進一步處理，以便獲得所需的信息。信號的采集是按一定方式和通過適當?shù)慕涌陔娐穼崿F(xiàn)的。信號被采入計算機后往往要先進行適當?shù)念A(yù)處理，其目的是去除混雜在有用信號中的各種干擾，并對檢測系統(tǒng)的非線性、零位誤差和增益誤差等進行補償和

34、修正。關(guān)于接口電路的選擇和設(shè)計方法已在第三章中作了介紹，這一節(jié)主要介紹模擬量的轉(zhuǎn)換輸入方式及檢測信號的預(yù)處理方法等。一、模擬量的轉(zhuǎn)換輸入方式模擬量的轉(zhuǎn)換輸入方式主要有四種。圖a是最簡單的一種方式，但僅適用于只有一路檢測信號的場合。第二種方式如圖b所示，多路檢測信號共用一個A/D轉(zhuǎn)換器，通過模擬多路開關(guān)依次對各信號進行采樣，其特點是電路簡單，節(jié)省元器件，但信號采集速度低，不能獲得同一瞬時的各路信號。第三種方式如圖c所示，它與第二種方式的主要區(qū)別是信號的采樣/保持電路在多路開關(guān)之前，因而可獲得同_瞬時的各路信號。圖d所示為第四種方式，其中各路信號都有單獨的采樣/保持電路和A/D轉(zhuǎn)換通道，可根據(jù)檢測

35、信號的特點，分別采用不同的采樣/r保持電路或不同精度的A/D轉(zhuǎn)換器，因而靈活性大，抗干擾能力強，但電路復(fù)雜，采用的元器件較多。第四章 檢測系統(tǒng)設(shè)計第四節(jié) 檢測信號的采集和預(yù)處理· 字體大?。?#183; 小· 中· 大二、模擬多路開關(guān)模擬多路開關(guān)(多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，簡稱多路開關(guān))作用：分別或依次把各路檢測信號與AD轉(zhuǎn)換器接通，以節(jié)省AD轉(zhuǎn)換器件。對多路開關(guān)的基本要求是：導(dǎo)通電阻小。開路電阻大，交叉干擾小。開關(guān)的切換速度快。傳輸信號的線性度好。多路開關(guān)：電力機械開關(guān)和電子開關(guān)兩類。電力機械開關(guān)如：繼電器等，由于其體積大、開關(guān)速度慢，因而不適于信號采集。電子開關(guān)是以：二極

36、管、雙極型晶體管、MOS場效應(yīng)晶體管等作開關(guān)元件而構(gòu)成的開關(guān)電路，以MOS場效應(yīng)管集成開關(guān)電路應(yīng)用最多。用SA、SB兩個開關(guān)組合成的一個相當于單刀雙擲的開關(guān)，可用于選通兩路輸入信號中的一路，實現(xiàn)信號的切換。將四個開關(guān)組合起來構(gòu)成的一個四選一模擬多路開關(guān)，它要求在任何時刻，控制信號UCAUCD中只能有一個是高電平，否則各路輸入信號將互相干擾。為了采用較少的控制信號選通多路開關(guān)，可在各控制信號UCAUCD之前加上譯碼電路。集成電路芯片CC4051就是帶有譯碼電路的八選一多路開關(guān)。(1NOUT)0(1NOUT)7，分別是八路信號的輸入或輸出端；OUTIN是公共輸出或輸入端；A、B、C是各開關(guān)的數(shù)字控

37、制信號輸入端，當CBA000111時，可分別選通開關(guān)通道07；INH是禁止端，當其為高電平時，各通道均被關(guān)閉，只有當該引腳上的信號為低電平時，各開關(guān)才能在控制信號的控制下正常通斷。如果信號分別從(1NOUT)0(1NOUT)7八個引腳輸入，并從公共端OUTIN輸出時，該芯片是一個模擬多路開關(guān)。如果信號從公共端輸入，并向八個引腳分配輸出時，該芯片可作為信號分配器使用。說明：在CC4051芯片中除電源引腳UDD和接地引腳Uss外，還有另一電源引腳UEE，供電平移位時使用，以便傳輸具有正、負極性的模擬信號。例如，當UDD+5V，Uss0V，UEE-5V時，該芯片可傳輸幅度范圍為-5V+5V的模擬信號

38、。該芯片可傳輸信號的最大峰值為15V。第四章 檢測系統(tǒng)設(shè)計第四節(jié) 檢測信號的采集和預(yù)處理· 字體大?。?#183; 小· 中· 大三、信號采樣與保持（一）信號采樣采樣:把時間連續(xù)的信號變成一連串不連續(xù)的脈沖時間序列的過程。采樣開關(guān)S每隔時間間隔T閉合一次，每次閉合持續(xù)時間。T稱為采樣周期，其倒數(shù)fs稱為采樣頻率；稱為采樣時間或采樣寬度。為了保證在采樣過程中不丟失原來信號中所包含的信息，采樣頻率必須按香儂(Shannon)采樣定理來確定，即要求：式中，fmax是原信號f(t)的最高頻率。在實際應(yīng)用中，?。海ǘ┎蓸颖３諥/D轉(zhuǎn)換過程需要一定時間，為防止產(chǎn)生誤差，要求

39、在此期間內(nèi)保持采樣信號不變。實現(xiàn)這一功能的電路稱采樣/保持電路。典型的采樣/保持電路由模擬開關(guān)、保持電容和運算放大器組成單片集成的LF198采樣/保持電路的原理圖在S斷開期間，若ui發(fā)生變化，N1的輸出u'o可能變化很大甚至超過開關(guān)電路所能承受的電壓，這時由二極管構(gòu)成的保護電路可將u'o嵌位在ui+UD范圍內(nèi)(UD為二極管正向壓降)第四章 檢測系統(tǒng)設(shè)計第四節(jié) 檢測信號的采集和預(yù)處理· 字體大?。?#183; 小· 中· 大四、數(shù)字信號的預(yù)處理目的：去除混雜在有用信號中的各種干擾信號。干擾信號有周期性干擾和隨機性干擾兩類。 典型的周期性干擾是50Hz的工頻干擾，采用積分時間為20ms整數(shù)倍的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，可有效地消除其影響。對于隨機性干擾，可采用數(shù)字濾波的方法予以削弱或消除。數(shù)字濾波實質(zhì)上是一種程序濾波，與模擬濾波相比具有如下優(yōu)點：不需要額外的硬件設(shè)備，不存在阻抗匹配問題，可靠性高，穩(wěn)定性好?？梢詫︻l率很低或很高的信號實現(xiàn)濾波?？筛鶕?jù)信號的不同，采用不同的濾波方法或濾波參數(shù)。(一)中值濾波中值濾波方法對緩慢變化的信號中由于偶然因素引起的脈沖干擾具有良好的濾除效果