測控技術(shù)與儀器專業(yè)英語unit-6

Unit6SignalConditioningUnit6SignalConditioning

Ameasuringtransmitterconsistsoftwoparts:aprimaryelement(orsensor)andasignalconditioner.Theprimaryelementusessomecharacteristicofitsmaterialandconstructiontoconvertthevalueofameasuredvariableintoanelectrical,mechanical,orfluidicsignal.

譯為：一個測量傳感器由兩部分組成：一個基本元件（傳感器）和一個信號調(diào)制器?；驹闷洳馁|(zhì)的特性和結(jié)構(gòu)將被測量轉(zhuǎn)化為電的、機(jī)械的或者流體的信號。

Theoutputoftheprimaryelementmaybeasmallvoltageoranelectricalresistance.Itmaybeaforce,adisplacement,apressure,orsomeotherphenomenon.Nomatterwhatformittakes,theprimaryelementoutputdependsonthevalueofthemeasuredvariable.

譯為：基本元件的輸出可能是一個小的電壓或電阻。也可能是一個力、一個位移、一個壓力或其他一些現(xiàn)象。不論它采取何種形式，基本元件的輸出依賴于測得量的數(shù)值。

Theoutputoftheprimaryelementisameasureofthevariableitissensing,butitisseldominaformsuitablefortransmissionandusebyothercomponentsinasystem.

譯為：基本元件的輸出是對它測量的變量的度量。但是它很少采用一種便于傳輸或被系統(tǒng)中其他部分使用的形式。

Usually,asignalconditionerisrequiredtoconverttheprimaryelementoutputintoanelectrical(orpneumatic)signalsuitableforusebyacontrollerordisplaydevice.Asignalconditionerpreparesasignalforusebyanothercomponent.Theinputtoasignalconditionerisusuallytheoutputfromasensor(orprimaryelement).譯為：通常，一個信號調(diào)制器被用來將基本元件的輸出變換為一個便于被處理器或顯示設(shè)備使用的電（或氣）信號。一個信號調(diào)節(jié)器將信號準(zhǔn)備好以備其他設(shè)備使用，信號調(diào)制器的輸入通常是傳感器的輸出（或基本元件）。

Thefull-scaleoutputsofmostsensors(passiveoractive)arerelativelysmallvoltages,currents,resistancesandcapacitances.Beforefurtheranalogordigitalprocessingcantakeplace,theseoutputsmustbescaledorconvertedtousefulranges.句中full-scale意為“滿量程”，passivesensor意為“被動型傳感器”，activesensor意為“主動型傳感器”，scale在這里指“換算縮放，改變值的大小”。譯為：絕大多數(shù)傳感器（被動型或主動型）的滿量程輸出都是比較小的電壓、電流、電阻和電容。在進(jìn)行進(jìn)一步模擬或數(shù)字信號處理之前，這些輸出必須要換算縮放或轉(zhuǎn)換到可用的范圍。

Thestandardtransmissionsignalsarea4to20mAelectriccurrentora3to15psipneumaticpressure.Forexample,athermocouple（熱電偶）(T/C)isaprimaryelementthatconvertstemperatureintoasmallvoltage.Asignalconditionerconvertsthemillivoltoutputofthethermocoupleintoa4to20mAelectriccurrent.AT/Ctemperaturetransmitterincludesboththethermocoupleandthesignalconditioner.

psi為壓力的單位，poundspersquareinch，磅/平方英寸。pneumaticpressure意為“氣壓”.譯為：標(biāo)準(zhǔn)的傳輸信號是一個4至20毫安電流或一個一個3至15磅/平方英寸氣壓。例如，熱電偶是一種將溫度轉(zhuǎn)化為小電壓的基本元件。一個信號調(diào)制器將熱電偶的毫伏輸出轉(zhuǎn)化為4至20毫安的電流，一個熱電偶溫度變送器同時包含熱電偶和信號調(diào)制器。

Signalconditioningcircuitsperformthenecessaryamplification,leveltranslation,impedancetransformation,linearizationandfiltering.Thecharacteristicsofanderrorinthesensoroutputdeterminethetypeofsignalconditioningcircuitsneeded.

譯為：信號處理電路實(shí)現(xiàn)必要的信號放大、電平變換、阻抗變換、線性化和濾波。傳感器輸出的特征及其誤差決定需要哪種信號調(diào)制回路。Ifthesensoroutputisnotconditionedproperly,factorssuchassensitivity,voltageandcurrentlevels,linearity（線性度，線性）,impedances,gain,offset,drift,timeconstants,maximumelectricalratings（最大額定電功率）,strayimpedances（雜散阻抗，寄生阻抗）andotherimportantconsiderationscanimpacttheoverallperformanceofthesensor.Asaresult,theoverallsystemwillsuffer,particularlywhenhighresolution,precisionorverylowlevelmeasurementsareinvolved.譯為：如果傳感器的輸出沒有被正確的調(diào)制，諸如靈敏度、電壓和電流電平、線性度、阻抗、增益、補(bǔ)償、漂移、時間常數(shù)、最大額定電功率、寄生阻抗和其他重要的因素能夠影響傳感器的整體表現(xiàn)。其結(jié)果是整個系統(tǒng)將受到影響，特別是當(dāng)涉及高清晰度，準(zhǔn)確度或很差水平的測量時。Caremustbetakenwhendesigningsignalgenerationandconditioningcircuitstoensurethatthesensoristheleastaccuratecomponentofthesystem.Ifsurroundingcircuitryaddsnoiseordegradesaccuracy,theaccuracyofthesensoroutputiscompromised.譯為：設(shè)計(jì)信號發(fā)生器和調(diào)制回路時一定要警惕以保證傳感器是系統(tǒng)中準(zhǔn)確度最低的部件，如果周圍回路有附加噪聲或降低了準(zhǔn)確度，傳感器輸出的準(zhǔn)確度將受影響。

Thefollowingaresomeofthetasksperformedbyasignalconditioner:以下是一個信號調(diào)制器執(zhí)行的操作：（1）Isolationandimpedanceconversion;隔離和阻抗變換（2）Amplificationandanalog-to-analogconversion;放大和模-模轉(zhuǎn)換（3）Noisereduction(filtering);降噪（濾波）（4）Linearization;線性化（5）Datasampling;數(shù)據(jù)采樣（6）Digital-to-Analogconversion;數(shù)-模轉(zhuǎn)換（7）Analog-to-Digitalconversion.模-數(shù)轉(zhuǎn)換Voltageoutput

Threetypesofinputtopologiesexistforthesignalconditioningofvoltageoutputsensors:differential,single-endedandpseudo-differential.Thetypeofsignalconditioninginputistypicallymatchedtotheoutputstructureandprecisionrequirementsofthesensor.句中differential有“微分”和“差分”之意，這里指信號處理的方式，意為“差動”。譯為：電壓輸出傳感器的信號處理有3種輸入拓?fù)浞绞剑翰顒臃绞?、單端方式和偽差分方式。信號調(diào)制輸入的類型要符合特定的輸出結(jié)構(gòu)和傳感器的準(zhǔn)確性要求。

Adifferentialdevicerejectsinputsignalscommontothebalancedinputpair(+and-)whileacceptingthedifferencebetweentheinputsignals,specifiedastheCommon-ModeRejectionRatio(CMRR).Thedeviceisdesignedsothatthenoisecommontobothinputsisrejectedwhilethesignalofinterestisnot.句中balancedinput意為“對稱輸入”，Common-ModeRejectionRatio(CMRR)意為“共模抑制比”。譯為：差動裝置在接收兩輸入端口的差分信號時，抑制這兩個對稱輸入端口（+和-）的共模輸入信號，這稱為共模抑制比CMRR。這個裝置被這樣設(shè)計(jì)兩個輸入共有的噪聲被抑制而所需要的信號不被抑制。

MuchlikedigitaldifferentialinputsignalssuchasLVDS,theanalogsignalsmaybeinvertedtoadoubledynamicrangeasiscommonwithdifferentialoutputdevices.

譯為：和數(shù)字差分輸入信號如低壓差分信號很類似，模擬信號可以倒置成一個雙重動態(tài)范圍和差分輸出設(shè)備的輸出一樣。Thistypeofinputtopology（拓?fù)?，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，布局，拓?fù)鋵W(xué)）isusedwhenmaximumnoiserejectionisrequiredandthesensormeasurementisnottiedtoground,aswiththeWheatstonebridge（惠斯頓電橋）configuration.Forremotesensorapplications,shieldedtwistedpaircablesshouldbeusedinordertomaintainsignalbalanceandshareacommongroundreference.句中twistedpaircables意為“雙絞線”。譯為：這種輸入拓?fù)湫问皆谛枰畲笤肼曇种坪蛡鞲衅鳒y量裝置沒有接地時使用，后者和惠斯頓電橋的結(jié)構(gòu)相類似。對遠(yuǎn)程傳感器應(yīng)用，應(yīng)該使用屏蔽雙絞線以保持信號的平衡和共地。Incontrast,asingle-ended(SE)devicehasasinglesignalinput.Theboarddesignermustensureacommongroundbetweenthedeviceanditsinput,whichisthesensorcircuitryinthiscase.Therefore,SEdevicesaregenerallyplacedincloseproximitytooneanothertomitigate（減輕，緩和）thepossibilityofreferencedifferencesbetweenthedevices.

譯為：相反地，一個單端設(shè)備只有一個信號輸入端。面板設(shè)計(jì)員必須保證設(shè)備和其輸入之間有共同之處，傳感器回路就是這種情況。因此，單端設(shè)備通常彼此緊密排列以減少設(shè)備間相互參照引起的不同的可能。

Ingeneral,SEdevicesareusedforconditioninglargersignalsandarenottieddirectlytosmallsignalsensors.AlthoughSEdeviceshavelowerCMRRsandintroducegreaterDCoffsets（偏移，偏置）,theyarelesscostly.Forremotesensorapplications,coaxial（同軸的，共軸的）cablesaresufficientforshieldingthesignalconductorandsharingcommongroundreferences.譯為：通常情況下，單端設(shè)備用來調(diào)制較大的信號而且不直接連接在小的信號傳感器上。盡管單端設(shè)備有較低的共模抑制比和較大的直流抵消，它們更便宜。對長距離傳感器設(shè)備而言，同軸電纜足夠用于信號傳導(dǎo)和共地。Finally,apseudo-differentialinputtopologyisahybridofthetwo.ItsDCoffsetperformanceapproachesthatofadifferentialdevice,butitsCMRRisclosertoaSEdevice.Thistypeofdeviceisusedincost-sensitivedesignswithDCsensorswherehighfrequencyvariationsfromnoisecanberemovedattheendofthesignalchainorthroughdigitalprocessing.句中DC是directcurrent的縮寫，意為“直流電”。譯為：最終，一個擬微分輸入拓?fù)涫莾煞N的混合，它的直流抵消能力接近與差分裝置，但它的共模抑制比更接近單端設(shè)備。這種類型的裝置用于有直流傳感器的代價敏感的設(shè)計(jì)中，這種裝置能在信號鏈的終端或通過數(shù)字信號處理去除噪聲的高頻變化。Amplification

Forcircuitswithsmallvoltageoutputs,aprecisionamplifiergainstageisneeded.Assensoroutputsaretypicallyprocessedbyanalog-to-digitalconverters,thesensoroutputneedstobeamplifiedsothatitcantakeadvantageofthefull-scaleinputrangeofthedesiredADC(analog-to-digitalconverters).

譯為：對小電壓輸出的電路，一個準(zhǔn)確的放大增益級是需要的。因?yàn)閭鞲衅鞯妮敵霰荒?數(shù)轉(zhuǎn)換裝置按特定方式處理，傳感器輸出需要被放大以此使它能夠利用要求的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的寬頻輸入的優(yōu)勢。Forverylow-levelinputsignals,multiplelevelsofamplificationandhighgainsaresometimesrequired.Becauseoftheoperationalamplifier’s（運(yùn)算放大器）architecture,inputoffsetvoltageandinputbias（偏差，偏移，偏置）currentcanadderrortotheamplifier’sinput.

譯為：對于低電平輸入信號，有時需要多級放大和高增益。因?yàn)檫\(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)，輸入電壓偏移和輸入電流偏移會增加放大器的輸入的誤差。TheeffectsofinputoffsetvoltagesandinputbiascurrentsareshowninFigure6.1.Aspreviouslystated,highgainsalsoamplifyinputoffsetvoltages,potentiallyaddinglargeamountsoferrortotheamplifiedsensorsignal.

譯為：輸入電壓偏移和輸入電流偏移的作用如圖6.1.正如之前說過的，高增益也會放大輸入電壓偏移，可能給放大的信號增加大量誤差。Figure6.1VoltageoutputsensingNon-idealfeaturesofoperationalamplifiers：運(yùn)算放大器的非理想特性：

VoltageOffset(電壓偏移):Inputoffsetvoltageresultsprimarilyfromtheinherentmismatchofanoperationalamplifier’sinputtransistors.

譯為：電壓偏移：輸入電壓偏移主要由運(yùn)算放大器的輸入晶體管固有的不匹配產(chǎn)生。InputBiasCurrent(輸入偏移電流):Whileanidealoperationalamplifierhaszerocurrentflowingintotheinputtransistors,asmallamountofcurrentdoesflowintooroutoftheinputtransistors.譯為：

輸入偏移電流：當(dāng)一個理想運(yùn)算放大器沒有電流流入輸入晶體管，一小部分電流流入或流出輸入晶體管。CommonModeRejection(共模抑制):Inasingle-endedinputoperationalamplifier,noiseontheinputsignalsisamplifiedwiththegainofacircuit.Inadifferentialinputstage,noisecommontobothinputsisrejected,passingonlythesignalofinterest.譯為：共模抑制：在一個單端輸入運(yùn)算放大器中，輸入信號中的噪聲在增益的回路中放大。在差分輸入級，兩個輸入端共同的噪聲被抑制，僅允許需要的信號通過。Toavoidlargeoffsetvoltageswithverylow-levelvoltageoutputs,aninstrumentationamplifiershouldbeused.Instrumentationamplifiersaredesignedusingthreediscreteoperationalamplifiers,withnon-invertingoperationalamplifiersusedasinputbufferstoeachdifferentialinput.譯為：為避免低電平輸出中的大的電壓偏移，需要使用儀器放大器。儀器放大器由3個分離的運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)而成，其中，非反相運(yùn)算放大器用于每個不同輸入信號的輸入緩沖。Thisconfigurationistypicallyintegratedintoasingledevice.Manysensors(withdifferentialoutput)connectdirectlytotheinstrumentationamplifier.Inmanycases,theinstrumentationamplifiergainissetrelativelylowandthenfollowedupbyahighgainoperationalamplifier.Instrumentationamplifiers,showntotherightinFigure6.2,haveverylowinputoffsetvoltages,lowinputbiascurrentsandhighcommonmoderejection,reducingerrorintheinitialgainstage.

譯為：這種結(jié)構(gòu)合成為一個單獨(dú)的裝置。許多傳感器（與差分輸出）直接與儀器放大器相連。在許多情況中，儀器放大器的增益設(shè)置的相對低并且后面跟隨一個高增益的運(yùn)算放大器。儀器放大器，顯示在圖6.2的右側(cè)，有很低的輸入電壓偏移和輸入電流偏移，以及高共模抑制比，降低起始增益環(huán)節(jié)的誤差。Followingtheinitialgainstage,aprogrammablegainamplifiercanbeusedtofurtheramplifythesignalasneeded.Aprogrammablegainamplifiercanbedigitallyprogrammedtoensurethatthefullscalesensoroutputmatchestheinputvoltagerangeoftheanalog-to-digitalconverter.譯為：在起始增益環(huán)節(jié)之后的是一個可編程增益放大器，它可以用來根據(jù)需要進(jìn)一步放大信號。一個可編程起始增益放大器可以進(jìn)行數(shù)字化編程以確保傳感器輸出的滿量程與模數(shù)變換器的電壓輸入范圍相匹配。Figure6.2InstrumentationamplifieroffsetvoltagesNoise

Sensorsignalsrunninglongdistancesoverwireandcableessentiallybecomeantennas,pickingupelectricalandmagneticinterferencefrommanyRFsources.Groundloops（地回路，接地環(huán)路）onsingle-endedsignalscanalsosignificantlyraise/lowerthenoisepotentialofasensorsignalwithrespecttothesignalconditioningcircuits.

譯為：傳感器信號經(jīng)長距離傳輸，必然變得像天線一樣，容易受到許多射頻源的電磁干擾。單端信號的接地回路也能夠顯著的提高/降低傳感器信號關(guān)于信號調(diào)制回路產(chǎn)生的噪聲勢。Usingbalanced(differential)signals,sensiblegroundingstrategies,twistedpairwiresandappropriatefilteringattheamplifierstagecansignificantlyimprovenoiseimmunity(抗噪聲度).

譯為：使用平衡（差分）信號，合理的接地策略，雙絞線和放大級中適當(dāng)?shù)倪^濾可以顯著提高抗噪聲度。IsolationSomesensorenvironmentsandconditioningcircuitshavesignificantlydifferentpotentialsandcanbesubjecttoveryhigh-voltagetransientsonthesensorsignalpath.Thesesituationscanpotentiallydamagelow-voltagedataconversionandprocessingcircuits,creatingtheneedforanisolationcircuittoprotectthecircuitry.Thesensorhalfofthesystemissaidtobeisolatedfromtherestofthesystem.句中high-voltagetransient意為“瞬時高壓”。譯為：有些傳感器環(huán)境和信號處理電路有明顯不同的電位，在傳感器信號傳輸路徑中，容易受到瞬時高壓的影響。這些情況可能破壞低電平數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和運(yùn)算電路，由此需要一個隔離電路來保護(hù)電路。系統(tǒng)內(nèi)一半的傳感器因此需從系統(tǒng)其余部分隔離出來。Isolationcircuitsarecreatedbytakingadvantageofelectricandmagneticfieldpropertiesinstructuressuchastransformers,capacitors,photoelectricdevicesandRFsignalpropagationtotransmitdataacrossaninterfacewithoutaphysicalconnection.Isolationamplifiershavetheisolationbarriernecessarytoprotectdownstreamcircuitsintegrateddirectlyintothedevice.Transformer,capacitor,opticalandRFisolationamplifiersallhavedifferingaccuracy,linearityandbandwidths（帶寬）.譯為：隔離電路利用電磁原理的構(gòu)件制成。如變壓器、電容器、光電元件和RF信號發(fā)射元件，通過沒有物理連接的界面來傳送數(shù)據(jù)。隔離放大器有隔離柵的需要以保護(hù)下游直接與設(shè)備集成的電路。變壓器，電容器，光學(xué)和射頻隔離放大器都有不同的準(zhǔn)確率，線性度和帶寬。FilteringAtsomepointinthesignalchain,generallyjustbeforedigitization,thesignalisfilteredtoattenuateunwantedcross-talk（聲道串?dāng)_，串音）componentssuchas60Hzhum（交流聲；干擾；發(fā)嗡嗡聲）,switchingtransients（開關(guān)瞬態(tài)；操作瞬變現(xiàn)象）,RFinterferenceaswellasaliasingartifacts（混疊偽像）suchaswidebandnoise.Analogsignalfilteringcanbebrokenintotwobasictypes:passiveandactive.譯為：在信號鏈的某些點(diǎn)，通常是在數(shù)字化之前，信號被過濾以減弱不需要的串音成分如60hz的交流聲，開關(guān)瞬態(tài)，射頻干涉混疊偽像例如寬頻噪聲。模擬信號的過濾可以分為兩種基本類型：被動型和主動型。Passiveanalogfiltersusediscretecomponentssuchascapacitors,inductorsandresistors.Activeanalogfiltersusediscretecomponentsinconjunctionwithoperationalamplifiersforamoreprecisefilterdesign.句中Passiveanalogfilters指“被動模擬濾波器”，也稱無源濾波器。Activeanalogfilters指“主動模擬濾波器”，也稱有源濾波器。譯為：被動模擬濾波器由電容、電感和電阻這樣的獨(dú)立元件構(gòu)成。主動模擬濾波器將這些獨(dú)立元件連接在運(yùn)算放大器上，得到更高的設(shè)計(jì)精度。Filters,whetheractiveorpassive,canbebrokendownintothreebasicfunctionalareas:low-passfilters,high-passfiltersandbandpassfilters.Low-passfilters(LPFs)（低通濾波器）onlyallowelectricalsignalsunderadeterminedfrequencytopassthrough,oftencalledthecut-offfrequency.High-passfilters(HPFs)（高通濾波器）allowelectricalsignalstopassthoughthatisabovethecut-offfrequency.

譯為：濾波器，不論主動式或被動式，可以分成三種基本功能類型：低通濾波器，高通濾波器和帶通濾波器。低通濾波器僅允許低于一定頻率，通常成為截斷頻率的電信號通過。高通濾波器允許頻率高于階段頻率的電信號通過。Bandpassfilters（帶通濾波器）areacombinationofanLPFandanHPF.Theyallowelectricalsignalstopassthroughthatareabovealowercut-offfrequencyandbelowahighercut-offfrequency.Designershavetotakecarewhenchoosingtheappropriatetypeandfunctionalareatoachieveoptimalcircuitperformance.譯為：帶通濾波器是低通濾波器和高通濾波器的混合。他們允許高于一個較低截斷頻率且低于一個較高截斷頻率的電信號通過。設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意選擇合適類型和功能的濾波器以達(dá)到理想的電路性能。Analog-to-analogconversion

Someprimaryelementsconvertchangesinthemeasuredvariableintosmallchangesinresistance.Straingages（應(yīng)變儀）andresistancetemperaturedetectors(RTDs)aretwoexamples.Abridgecircuitisoftenusedtoconvertthechangeinresistanceintoasmallchangeinvoltage.Thissmallvoltageisthenamplifiedandconvertedtoanelectriccurrentsignalsuitableforusebythecontroller。注意句中changes強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)換的不是被測量本身，而是被測量的“變化量”。譯為：一些基本元件將被測量的變化量轉(zhuǎn)換成電阻的很小的變化量。應(yīng)變儀和電阻溫度檢查器是兩個例子。一個橋路常被用來將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓的微小變化。這個小的電壓隨后本放大并轉(zhuǎn)化為一個適合被控制器使用的電流信號。Offsetvoltagecorrection

Sometimes,theoutputofeitherasensororanampl