《模擬量處理》課件

模擬量處理模擬量處理是一種重要的電子技術(shù)，在工業(yè)自動(dòng)化、儀器儀表、數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。課程概述課程目標(biāo)學(xué)習(xí)模擬量處理的基本原理，并掌握相關(guān)技術(shù)應(yīng)用。課程內(nèi)容涵蓋模擬量信號(hào)的獲取、處理、轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)确矫?。模擬量基本概念連續(xù)性模擬量可以取連續(xù)的值，而不會(huì)有間斷。時(shí)間連續(xù)性模擬量在時(shí)間上是連續(xù)變化的，可以是隨時(shí)間變化的電壓、電流或其他物理量。精度模擬量的精度取決于測(cè)量?jī)x器的精度，理論上可以無(wú)限精確。易受干擾模擬信號(hào)容易受到噪聲和干擾的影響，需要采取措施進(jìn)行抑制。模擬量的采樣處理1離散化將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)2量化將離散的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為有限個(gè)離散值3編碼將有限個(gè)離散值轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼模擬量的AD轉(zhuǎn)換1采樣將模擬信號(hào)在時(shí)間軸上進(jìn)行離散化，得到一系列的采樣值。2量化將采樣值映射到離散的數(shù)字量，根據(jù)量化精度，每個(gè)采樣值對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)字代碼。3編碼將量化后的數(shù)字代碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，以供計(jì)算機(jī)處理。模擬量的放大與衰減放大增加信號(hào)幅度，提高信號(hào)強(qiáng)度。衰減降低信號(hào)幅度，防止信號(hào)過(guò)載。模擬量的加法與乘法模擬加法模擬加法通過(guò)運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)。運(yùn)放的輸入信號(hào)是兩個(gè)模擬信號(hào)的加權(quán)和，輸出信號(hào)是加權(quán)和的放大倍數(shù)。模擬乘法模擬乘法通常使用四象限乘法器實(shí)現(xiàn)。四象限乘法器可以處理正負(fù)信號(hào)，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的乘積成正比。模擬量的積分與微分1積分電路積分電路利用電容的充放電特性，將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)的積分。2微分電路微分電路利用電容的充放電特性，將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)的微分。3應(yīng)用積分與微分電路在信號(hào)處理、濾波、控制等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用實(shí)例1-熱電偶溫度測(cè)量熱電偶溫度測(cè)量是模擬量處理的典型應(yīng)用。熱電偶利用兩種不同金屬導(dǎo)線產(chǎn)生的熱電勢(shì)差來(lái)測(cè)量溫度。熱電勢(shì)的大小與溫度成正比，通過(guò)將熱電勢(shì)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字化處理，就可以得到準(zhǔn)確的溫度測(cè)量結(jié)果。應(yīng)用實(shí)例2-電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器是一種利用壓力變化引起電容變化來(lái)測(cè)量壓力的傳感器。常見(jiàn)的電容式壓力傳感器通常由一塊固定電極板和一塊可移動(dòng)電極板組成，兩者之間充以介電常數(shù)一定的介質(zhì)，當(dāng)壓力施加到可移動(dòng)電極板上時(shí)，會(huì)改變兩極板之間的距離，從而改變電容值。電容式壓力傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、耐腐蝕性強(qiáng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域。應(yīng)用實(shí)例3-光電轉(zhuǎn)換傳感器光電轉(zhuǎn)換傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，例如光敏電阻，光電管等。光敏電阻在光照強(qiáng)度變化時(shí)，其阻值也會(huì)發(fā)生變化。光電管在光照射下會(huì)產(chǎn)生光電流，光電流的大小與光照強(qiáng)度成正比。模擬量信號(hào)的獲取與傳輸傳感器將物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。信號(hào)調(diào)理放大、濾波、轉(zhuǎn)換等處理。傳輸介質(zhì)電纜、無(wú)線等方式傳遞信號(hào)。接收端接收并處理信號(hào)。電壓信號(hào)的傳輸1直接傳輸適用于短距離傳輸，信號(hào)完整性較高。2隔離傳輸適用于長(zhǎng)距離傳輸，隔離噪聲影響。3差分傳輸抗干擾能力強(qiáng)，適用于復(fù)雜環(huán)境。電流信號(hào)的傳輸電流環(huán)路電流環(huán)路是一種常見(jiàn)的模擬信號(hào)傳輸方式，它使用電流信號(hào)來(lái)傳遞信息。隔離放大器隔離放大器用于隔離發(fā)送端和接收端，防止電流信號(hào)被干擾。屏蔽線屏蔽線可以有效地降低干擾，確保電流信號(hào)的完整性。信號(hào)線的屏蔽與接地1屏蔽屏蔽層可以有效地減少外部電磁干擾對(duì)信號(hào)線的干擾。2接地接地可以將信號(hào)線上的靜電荷導(dǎo)入到大地，防止靜電干擾。3屏蔽與接地配合屏蔽層必須良好接地才能發(fā)揮作用。噪聲的抑制主動(dòng)降噪通過(guò)生成反相聲波來(lái)抵消噪音，適用于環(huán)境噪音較大的情況。被動(dòng)降噪利用隔音材料和結(jié)構(gòu)來(lái)阻擋噪音，適用于需要靜音的環(huán)境。濾波技術(shù)使用濾波器來(lái)去除特定頻率的噪聲，適用于去除特定類型的噪聲。模擬量接口電路設(shè)計(jì)1信號(hào)調(diào)理將模擬量信號(hào)進(jìn)行放大、衰減、濾波等處理，使其符合后續(xù)電路的要求。2AD轉(zhuǎn)換將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)。3通信接口將數(shù)字量信號(hào)通過(guò)串行或并行通信接口傳遞到計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備進(jìn)行處理。運(yùn)放的基本特性高增益運(yùn)算放大器具有非常高的電壓增益，通常在10^5到10^8之間，這意味著即使輸入信號(hào)很小，輸出信號(hào)也會(huì)被放大到很大。高輸入阻抗運(yùn)算放大器具有很高的輸入阻抗，這意味著它們從信號(hào)源吸收的電流非常少，不會(huì)顯著影響信號(hào)源的性能。低輸出阻抗運(yùn)算放大器具有很低的輸出阻抗，這意味著它們可以提供大量的電流，能夠驅(qū)動(dòng)負(fù)載，例如揚(yáng)聲器或電機(jī)。線性工作范圍運(yùn)算放大器在一定范圍內(nèi)工作時(shí)，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)成線性關(guān)系，這對(duì)于精確的信號(hào)處理至關(guān)重要。運(yùn)放的常用電路拓?fù)浞聪喾糯笃鬏斎胄盘?hào)經(jīng)反相輸入端進(jìn)入，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相。同相放大器輸入信號(hào)經(jīng)同相輸入端進(jìn)入，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)同相。電壓跟隨器輸出信號(hào)等于輸入信號(hào)，常用于阻抗匹配。差動(dòng)放大器放大兩個(gè)輸入信號(hào)之間的差異，常用于信號(hào)比較和噪聲抑制。模擬濾波電路設(shè)計(jì)1濾除噪聲去除信號(hào)中的不需要的頻率成分2改善信號(hào)質(zhì)量提高信號(hào)的信噪比3提取所需信號(hào)選擇特定頻率范圍的信號(hào)有源濾波電路使用運(yùn)算放大器和一些無(wú)源元件實(shí)現(xiàn)濾波功能可實(shí)現(xiàn)各種濾波特性，如低通、高通、帶通、帶阻等通過(guò)調(diào)整元件參數(shù)，可以靈活地改變?yōu)V波器的特性無(wú)源濾波電路RC濾波器由電阻和電容組成，常用于去除高頻噪聲。RL濾波器由電阻和電感組成，常用于去除低頻噪聲。LC濾波器由電感和電容組成，常用于濾除特定頻率的噪聲。模擬乘法電路1實(shí)現(xiàn)原理模擬乘法電路通過(guò)改變一個(gè)信號(hào)的幅度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)另一個(gè)信號(hào)的調(diào)制。2應(yīng)用范圍廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等領(lǐng)域。3類型常見(jiàn)的模擬乘法電路包括四象限乘法器、雙極型乘法器等。ADC基本原理對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)。量化是將采樣后的信號(hào)值映射到離散的數(shù)字量級(jí)上。編碼將量化后的數(shù)字量級(jí)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼。ADC的基本性能指標(biāo)指標(biāo)描述分辨率ADC的量化精度，表示ADC能夠區(qū)分的最小模擬電壓變化量。量化誤差A(yù)DC輸出的數(shù)字量與實(shí)際模擬量之間的誤差。采樣率ADC每秒鐘可以采樣的次數(shù)，決定了ADC對(duì)快速變化的信號(hào)的響應(yīng)速度。轉(zhuǎn)換時(shí)間ADC完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間，影響了ADC的響應(yīng)速度。線性度ADC的輸入輸出之間的線性關(guān)系，反映了ADC的準(zhǔn)確性。噪聲ADC輸出信號(hào)中存在的隨機(jī)噪聲，影響了ADC的精度。功耗ADC工作時(shí)消耗的功率。常見(jiàn)ADC類型逐次逼近型ADC逐次逼近型ADC是一種常見(jiàn)的ADC類型，它通過(guò)不斷逼近目標(biāo)電壓值來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。這種方法簡(jiǎn)單易行，成本相對(duì)較低。Σ-Δ型ADCΣ-Δ型ADC是一種高精度ADC類型，它使用反饋環(huán)路來(lái)提高精度，并通過(guò)過(guò)采樣來(lái)降低噪聲。并行比較型ADC并行比較型ADC是一種高速ADC類型，它使用多個(gè)比較器來(lái)同時(shí)比較輸入電壓，實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換。數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC基本原理數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)DAC將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，其核心是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量。電壓或電流輸出DAC通常輸出電壓或電流信號(hào)，可用于控制電機(jī)、加熱器等模擬設(shè)備。位數(shù)與精度DAC的位數(shù)決定了其轉(zhuǎn)換精度，位數(shù)越高，精度越高，但成本也會(huì)更高。DAC的基本性能指標(biāo)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路應(yīng)用1音頻處理數(shù)字音頻信號(hào)的重建2