第十六章測量信號的調(diào)理

1、 第16章 測量信號的調(diào)理16.116.1概述概述16.216.2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)16.3 16.3 濾波濾波16.3.1 16.3.1 濾波器的一般特性濾波器的一般特性16.3.2 16.3.2 典型的濾波器電路典型的濾波器電路16.4 16.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)16.4.1 16.4.1 逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換原理逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換原理16.4.2 16.4.2 增量調(diào)制式模數(shù)轉(zhuǎn)換原理增量調(diào)制式模數(shù)轉(zhuǎn)換原理16.5 16.5 電壓電壓/ /電流電流/ /頻率變換技術(shù)頻率變換技術(shù)16.5.1 16.5.1 電壓電壓頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)16.5.2 16.5.2 電壓電壓電流轉(zhuǎn)換技

2、術(shù)電流轉(zhuǎn)換技術(shù)16.6 16.6 電壓和電流放大變換技術(shù)電壓和電流放大變換技術(shù)16.7 16.7 信號調(diào)理中的干擾與補償信號調(diào)理中的干擾與補償16.7.1 16.7.1 干擾類型干擾類型16.7.2 16.7.2 接地問題接地問題16.7.3 16.7.3 隔離放大器隔離放大器 16.116.1概述概述信號調(diào)理電路是測量系統(tǒng)的組成部分，它的輸入是傳感器的輸信號調(diào)理電路是測量系統(tǒng)的組成部分，它的輸入是傳感器的輸出電信號，輸出為適合于傳輸、顯示、記錄或者能更好地滿足后續(xù)出電信號，輸出為適合于傳輸、顯示、記錄或者能更好地滿足后續(xù)標準設備或裝置要求的信號。例如傳感器的輸出電信號如果不在標準設備或裝置要

3、求的信號。例如傳感器的輸出電信號如果不在（-10V+10V），那么在接入模，那么在接入模- -數(shù)變換器時，必須首先經(jīng)過信號數(shù)變換器時，必須首先經(jīng)過信號調(diào)理電路。信號調(diào)理電路通常具有放大、電平移動、阻抗匹配、濾調(diào)理電路。信號調(diào)理電路通常具有放大、電平移動、阻抗匹配、濾波、調(diào)制、解調(diào)等功能。另外，從數(shù)據(jù)域的角度考慮，可以認為信波、調(diào)制、解調(diào)等功能。另外，從數(shù)據(jù)域的角度考慮，可以認為信號調(diào)理電路可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)域之間的轉(zhuǎn)換。號調(diào)理電路可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)域之間的轉(zhuǎn)換。 傳感器輸出信號通常可以分為兩類。一類為模擬量，例如壓力、溫度、傳感器輸出信號通常可以分為兩類。一類為模擬量，例如壓力、溫度、加速度等的測量；另一

4、類為數(shù)字量，例如用光電或電磁傳感器測量轉(zhuǎn)速加速度等的測量；另一類為數(shù)字量，例如用光電或電磁傳感器測量轉(zhuǎn)速等的測量。對模擬量信號進行調(diào)整匹配時，傳感器的信號調(diào)理環(huán)節(jié)相對等的測量。對模擬量信號進行調(diào)整匹配時，傳感器的信號調(diào)理環(huán)節(jié)相對復雜一些，通常需要經(jīng)過放大電路、調(diào)制與解調(diào)電路、濾波電路、采樣復雜一些，通常需要經(jīng)過放大電路、調(diào)制與解調(diào)電路、濾波電路、采樣保持電路、保持電路、A/D及及D/A轉(zhuǎn)換電路等。而對數(shù)字量信號進行調(diào)整匹配時，通轉(zhuǎn)換電路等。而對數(shù)字量信號進行調(diào)整匹配時，通常只需使信號通過比較器電路及整形電路、控制計數(shù)器計數(shù)即可。常只需使信號通過比較器電路及整形電路、控制計數(shù)器計數(shù)即可。CPU總

5、線控 制 系 統(tǒng)傳感器放大器濾 波采樣保持存儲器ADCCPU 總線 控 制 系 統(tǒng)計數(shù)器存儲器整形電路傳感器 測試系統(tǒng)的第二個環(huán)節(jié)為信號的調(diào)理，被測物理量經(jīng)傳感環(huán)節(jié)被測試系統(tǒng)的第二個環(huán)節(jié)為信號的調(diào)理，被測物理量經(jīng)傳感環(huán)節(jié)被轉(zhuǎn)換為電阻、電容、電感，或電壓、電流、電荷等電參量的變化，由轉(zhuǎn)換為電阻、電容、電感，或電壓、電流、電荷等電參量的變化，由于在測量過程中不可避免地遭受有各種內(nèi)外干擾因素的影響，也是為于在測量過程中不可避免地遭受有各種內(nèi)外干擾因素的影響，也是為了用被測信號，最后驅(qū)動顯示記錄和控制等儀器或進一步將信號輸入了用被測信號，最后驅(qū)動顯示記錄和控制等儀器或進一步將信號輸入計算機進行數(shù)據(jù)處理

6、，因此經(jīng)傳感后的信號尚需經(jīng)過放大、變換、濾計算機進行數(shù)據(jù)處理，因此經(jīng)傳感后的信號尚需經(jīng)過放大、變換、濾波、運算分析等一系列的加工處理，以抑制干擾噪聲，提高信噪比，波、運算分析等一系列的加工處理，以抑制干擾噪聲，提高信噪比，使之利于進一步的傳輸和在后續(xù)環(huán)節(jié)中的處理，信號的調(diào)理涉及的范使之利于進一步的傳輸和在后續(xù)環(huán)節(jié)中的處理，信號的調(diào)理涉及的范圍很廣，本章將集中討論一些常用的信號的調(diào)理環(huán)節(jié)，如電橋、調(diào)制圍很廣，本章將集中討論一些常用的信號的調(diào)理環(huán)節(jié)，如電橋、調(diào)制與解調(diào)、信號的濾波、電壓電流頻率變換、與解調(diào)、信號的濾波、電壓電流頻率變換、A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換、 信號放大、干信號放大、干擾與抗干擾等方面的內(nèi)

7、容。擾與抗干擾等方面的內(nèi)容。 16.216.2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)調(diào)制是指利用某種信號來控制或改變普通為高調(diào)制是指利用某種信號來控制或改變普通為高頻振蕩信號的某個參數(shù)的過程，這些參數(shù)包括幅值、頻振蕩信號的某個參數(shù)的過程，這些參數(shù)包括幅值、頻率或相位。當被控制的量是高頻振蕩信號的幅值頻率或相位。當被控制的量是高頻振蕩信號的幅值時，稱為幅值調(diào)制或調(diào)幅，當被控制的量為高頻振時，稱為幅值調(diào)制或調(diào)幅，當被控制的量為高頻振蕩信號的頻率時，稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻，而當被控蕩信號的頻率時，稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻，而當被控制的量為高頻振蕩信號的相位時，則稱為相位調(diào)制制的量為高頻振蕩信號的相位時，則稱為相位調(diào)制或調(diào)相。解

8、調(diào)則是從已調(diào)制波信號中恢復出原有低或調(diào)相。解調(diào)則是從已調(diào)制波信號中恢復出原有低頻調(diào)制信號的過程。調(diào)制與解調(diào)是一對信號變換過頻調(diào)制信號的過程。調(diào)制與解調(diào)是一對信號變換過程。程。 控制高頻振蕩的低頻信號稱調(diào)制波，包括正余弦信號、控制高頻振蕩的低頻信號稱調(diào)制波，包括正余弦信號、一般周期信號、瞬態(tài)信號、隨機信號等。載送低頻一般周期信號、瞬態(tài)信號、隨機信號等。載送低頻信號的高頻振蕩信號稱為載波，例如正弦信號、方信號的高頻振蕩信號稱為載波，例如正弦信號、方波信號等。經(jīng)過調(diào)制過程所得的高頻振蕩波稱已調(diào)波信號等。經(jīng)過調(diào)制過程所得的高頻振蕩波稱已調(diào)制波。根據(jù)被控制參數(shù)如幅值、頻率的不同，則分制波。根據(jù)被控制參數(shù)

9、如幅值、頻率的不同，則分別有調(diào)幅波、調(diào)頻波等不同的稱謂。從時域上講，別有調(diào)幅波、調(diào)頻波等不同的稱謂。從時域上講，調(diào)制過程即是使載波的某一參量隨調(diào)制波的變化而調(diào)制過程即是使載波的某一參量隨調(diào)制波的變化而變化，而在頻域上調(diào)制過程則是一個移頻的過程。變化，而在頻域上調(diào)制過程則是一個移頻的過程。本節(jié)將以正余弦波為載波信號介紹調(diào)制與解調(diào)。本節(jié)將以正余弦波為載波信號介紹調(diào)制與解調(diào)。 16.2.1 16.2.1 幅值調(diào)制幅值調(diào)制幅值調(diào)制是高頻載波信號和一個被測信號相乘，使載波信號的幅值隨幅值調(diào)制是高頻載波信號和一個被測信號相乘，使載波信號的幅值隨被測信號變化。被測信號變化。設設x(t)為被測信號，為被測信號

10、，y(t)為高頻載波信號，若選擇余弦為高頻載波信號，若選擇余弦信號：信號： ，則已調(diào)制信號，則已調(diào)制信號xm(t)為為x(t)與與y(t)的乘積：的乘積： 。由傅里葉變換性質(zhì)知：。由傅里葉變換性質(zhì)知： 則有則有 從式從式可以看出，可以看出，調(diào)幅的過程在頻域上就相當于一個移頻的過程。調(diào)幅的過程在頻域上就相當于一個移頻的過程。0( )cos2y tf t0( )( )cos2mxtx tf t( ) ( )( )* ( )x t y tX fY f00011( )cos2( )* ()( )* ()22x tf tX fffX fff 當調(diào)制信號為正弦信號時，當調(diào)制信號為正弦信號時， 設調(diào)制信號為

11、設調(diào)制信號為 ，其中，其中As為調(diào)制信號幅值，為調(diào)制信號幅值，s為調(diào)制信號頻率。為調(diào)制信號頻率。載波信號為載波信號為 ，其中其中Ac為載波信號幅值，為載波信號幅值，c為載波信號頻率為載波信號頻率。則經(jīng)調(diào)制后。則經(jīng)調(diào)制后的信號為的信號為采用三角積化和差公式采用三角積化和差公式得得 從式子可以看出，從式子可以看出，已調(diào)制波信號的頻譜是一個離散譜，位于已調(diào)制波信號的頻譜是一個離散譜，位于頻率頻率 和和 處，即以載波信號處，即以載波信號c為中心，以調(diào)制信號為中心，以調(diào)制信號s為間隔的左右兩頻率（邊頻）處。其幅值大小則等于為間隔的左右兩頻率（邊頻）處。其幅值大小則等于As與與Ac乘積之半。乘積之半。 經(jīng)

12、常采用電橋來作調(diào)制裝置，其中以高頻振蕩電源供給電橋作經(jīng)常采用電橋來作調(diào)制裝置，其中以高頻振蕩電源供給電橋作為裝置的載波信號，則電橋輸出便為調(diào)幅波。為裝置的載波信號，則電橋輸出便為調(diào)幅波。( )sinssx tAt( )sinccy tAt( )( )sinsinmssccxx t y tAt At11sinsincos()cos()22cos()cos()2scmcscsA Axttcscs 16.2.2 16.2.2 幅值調(diào)制的解調(diào)幅值調(diào)制的解調(diào) 1同步解調(diào)同步解調(diào) 同步解調(diào)是在解調(diào)過程中所乘的信號與調(diào)制時的載波信號具有相同的同步解調(diào)是在解調(diào)過程中所乘的信號與調(diào)制時的載波信號具有相同的頻率與

13、相位。頻率與相位。下面介紹同步解調(diào)的原理。下面介紹同步解調(diào)的原理。 設設 x ( t ) 為 被 測 信 號 ，為 被 測 信 號 ， y ( t ) 為 高 頻 載 波 信 號 ， 若 選 擇 余 弦 信為 高 頻 載 波 信 號 ， 若 選 擇 余 弦 信號：號： ，則已調(diào)制信號，則已調(diào)制信號xm(t)為為x(t)與與y(t)的乘積：的乘積： 。將調(diào)幅波再經(jīng)一乘法器，即與原載波信號將調(diào)幅波再經(jīng)一乘法器，即與原載波信號 相乘，則調(diào)幅波的頻譜相乘，則調(diào)幅波的頻譜在頻域上將進行兩次移頻。由于載波信號的頻率仍為在頻域上將進行兩次移頻。由于載波信號的頻率仍為f 0，因此，再次移頻，因此，再次移頻的結(jié)

14、果是使原信號的頻譜圖形出現(xiàn)在的結(jié)果是使原信號的頻譜圖形出現(xiàn)在0和和2f 0頻率處。時域分析上有：頻率處。時域分析上有： 可以看出，只需將頻率為可以看出，只需將頻率為的信號濾去，即可得到原信號，但是信號的的信號濾去，即可得到原信號，但是信號的幅值成了原信號的一半。通過后續(xù)放大電路可以對此進行補償。盡管幅值成了原信號的一半。通過后續(xù)放大電路可以對此進行補償。盡管同步同步解調(diào)法的原理簡單，但是要求線性性能良好的乘法器，否則引起信號的失解調(diào)法的原理簡單，但是要求線性性能良好的乘法器，否則引起信號的失真。真。0( )cos2y tf t0( )( )cos2mxtx tf t0( )cos2y tf t

15、000( )1( )cos2cos2( )cos422x tx tf tf tx tf t 2整流檢波整流檢波 整流檢波的原理：對調(diào)制信號偏置一個直流分量整流檢波的原理：對調(diào)制信號偏置一個直流分量A，使偏置后的，使偏置后的信號具有正電壓值。對該信號作調(diào)幅后得到的已調(diào)制波信號具有正電壓值。對該信號作調(diào)幅后得到的已調(diào)制波xm(t)的包絡的包絡線將具有原信號形狀。對該調(diào)幅波線將具有原信號形狀。對該調(diào)幅波xm(t)作簡單的整流（全波或半波作簡單的整流（全波或半波整流）和濾波便可恢復原調(diào)制信號。整流檢波整流）和濾波便可恢復原調(diào)制信號。整流檢波法的關(guān)鍵是準確地加法的關(guān)鍵是準確地加減偏置電壓，若所加偏置電壓

16、未能使調(diào)制信號電壓位于零位的同一減偏置電壓，若所加偏置電壓未能使調(diào)制信號電壓位于零位的同一側(cè)，在調(diào)幅之后便不能簡單地通過整流濾波來恢復原信號，采用相側(cè)，在調(diào)幅之后便不能簡單地通過整流濾波來恢復原信號，采用相敏解調(diào)可解決這一問題。敏解調(diào)可解決這一問題。 3相敏解調(diào)相敏解調(diào) 相敏解調(diào)也叫相敏檢波，其的工作原理：利用交變信號在過零位相敏解調(diào)也叫相敏檢波，其的工作原理：利用交變信號在過零位時其正、負極性發(fā)生突變，使調(diào)幅波相位與載波信號相比較也相應時其正、負極性發(fā)生突變，使調(diào)幅波相位與載波信號相比較也相應地產(chǎn)生地產(chǎn)生180相位跳變，從而既能反映原信號的幅值又能反映其相相位跳變，從而既能反映原信號的幅值又

17、能反映其相位。位。通過相敏檢波可得到一個幅值和極性均隨調(diào)制信號的幅值與極通過相敏檢波可得到一個幅值和極性均隨調(diào)制信號的幅值與極性改變的信號，它真正地重現(xiàn)了原被測信號。性改變的信號，它真正地重現(xiàn)了原被測信號。相敏檢波的典型應用相敏檢波的典型應用是動態(tài)應變儀是動態(tài)應變儀。 16.3 16.3 濾波濾波 濾波是選取信號中感興趣的成分，抑制或衰減掉其它不需要的成分。濾波是選取信號中感興趣的成分，抑制或衰減掉其它不需要的成分。能實施濾波功能的裝置是濾波器。從信號的輸入和輸出角度，濾波可分能實施濾波功能的裝置是濾波器。從信號的輸入和輸出角度，濾波可分為兩類：對輸入量濾波（簡稱輸入濾波）和對輸出量濾波（簡稱

18、輸出濾為兩類：對輸入量濾波（簡稱輸入濾波）和對輸出量濾波（簡稱輸出濾波）。從選頻的方式，濾波可分為四類：低通濾波器、高通濾波器、帶波）。從選頻的方式，濾波可分為四類：低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器如圖。通濾波器、帶阻濾波器如圖。 16.3.1 16.3.1 濾波器的一般特性濾波器的一般特性 對于一個理想的線性系統(tǒng)來說，若要滿足不失真測試的條件，該對于一個理想的線性系統(tǒng)來說，若要滿足不失真測試的條件，該系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)應為：系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)應為： 。若一個濾波器的頻率響若一個濾波器的頻率響應函數(shù)應函數(shù) 具有如下形式：具有如下形式： 則該濾波器稱為理想低通濾波器。則該濾波器稱為

19、理想低通濾波器。 020( )jf tH fA e( )H f020( )0jf tcAeffH f其他 當理想低通濾波器輸入階躍函數(shù)時，即當理想低通濾波器輸入階躍函數(shù)時，即 濾波器的響應為濾波器的響應為 其中其中 101( )0200tx ttt tfsitxthtyc2221*2()0sin2()cf tctsif tdtt 結(jié)合低通濾波器，下面介紹濾波器常用的一些技術(shù)指標的含義。結(jié)合低通濾波器，下面介紹濾波器常用的一些技術(shù)指標的含義。（1）建立時間：輸出從零（圖中）建立時間：輸出從零（圖中a點）到穩(wěn)定值點）到穩(wěn)定值A0 (b點點)經(jīng)過的時間。經(jīng)過的時間。輸入信號突變處必然包含有豐富的高頻

20、分量，低通濾波器阻擋住了高輸入信號突變處必然包含有豐富的高頻分量，低通濾波器阻擋住了高頻分量。通帶越寬，衰減的高頻分量便越少，信號便有較多的分量更頻分量。通帶越寬，衰減的高頻分量便越少，信號便有較多的分量更快通過，因此導致較短的建立時間；反之則長。一個低通濾波器的階快通過，因此導致較短的建立時間；反之則長。一個低通濾波器的階躍響應的建立時間躍響應的建立時間Te和它的帶寬和它的帶寬B成反比，即成反比，即BTe=常數(shù)。常數(shù)。（2）帶寬：表示它的頻率分辨能力，通帶窄，則分辨力高。這一結(jié)論表帶寬：表示它的頻率分辨能力，通帶窄，則分辨力高。這一結(jié)論表明：濾波器的高分辨力與測量時快速響應是矛盾的。明：濾波

21、器的高分辨力與測量時快速響應是矛盾的。 對于對于帶通濾波器，有下列一些常用的技術(shù)指標。帶通濾波器，有下列一些常用的技術(shù)指標。(1)截截止頻率：幅頻特性值等于止頻率：幅頻特性值等于 所對應的頻率點。所對應的頻率點。(2)帶帶寬：上下兩截止頻率之間的頻率范圍，又稱寬：上下兩截止頻率之間的頻率范圍，又稱-3dB帶寬。帶寬。(3)紋紋波幅度：通帶中幅頻特性值的起伏變化值，圖中用波幅度：通帶中幅頻特性值的起伏變化值，圖中用d表示表示。(4)品品質(zhì)因子：中心頻率質(zhì)因子：中心頻率f0與帶寬與帶寬B之比，即之比，即 。(5)倍倍頻程選擇性：上截止頻率頻程選擇性：上截止頻率fc2與與2fc2之間或下截止頻率之間

22、或下截止頻率fc1與與2fc1間幅頻特間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個倍頻程的衰減量，以性的衰減值，即頻率變化一個倍頻程的衰減量，以dB表示。表示。 (6)濾濾波器因數(shù)：也稱為矩形系數(shù)，濾波器幅頻特性的波器因數(shù)：也稱為矩形系數(shù)，濾波器幅頻特性的-60dB帶寬與帶寬與-3dB帶帶寬的比，即寬的比，即 ，對理想濾波器有對理想濾波器有=1。對普通使用的濾波器，。對普通使用的濾波器， 一般為一般為15。 0( 3)2AdB0fQB6 03d Bd BBB 16.3.2 16.3.2 典型的濾波器電路典型的濾波器電路 1.無源濾波器的電路組成無源濾波器的電路組成 用電阻、電容、電感等無源器件組成的濾波

23、器稱為無源濾波器。無源用電阻、電容、電感等無源器件組成的濾波器稱為無源濾波器。無源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、噪聲小、動態(tài)范圍大等優(yōu)點。缺點是：（濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、噪聲小、動態(tài)范圍大等優(yōu)點。缺點是：（1）存在損）存在損耗電阻，信號在傳遞過程中能量損耗大。（耗電阻，信號在傳遞過程中能量損耗大。（2）當外接負載電阻改變時，對）當外接負載電阻改變時，對濾波器的通帶增益、截止頻率等的特性參數(shù)影響較大。（濾波器的通帶增益、截止頻率等的特性參數(shù)影響較大。（3）在低頻應用時，）在低頻應用時，由于電容元件較大，增大了濾波器的體積。最簡單的一階無源低通和高通由于電容元件較大，增大了濾波器的體積。最簡單的一階無源低通和

24、高通濾波器如圖所示，稱為濾波器如圖所示，稱為RC無源濾波器。無源濾波器。 對對RC無源濾波器的上述缺點，可借助于無源濾波器的上述缺點，可借助于RC有源濾波器解決。有源濾波器解決。RC有源有源濾波器由電阻、電容和集成運算放大器組成。利用有源器件的放大和隔離濾波器由電阻、電容和集成運算放大器組成。利用有源器件的放大和隔離作用，使濾波器在通帶內(nèi)有一定的增益和很強的負載能力。下一部分將介作用，使濾波器在通帶內(nèi)有一定的增益和很強的負載能力。下一部分將介紹有源濾波器。紹有源濾波器。 2.有源濾波器有源濾波器 常見的有源濾波器包括低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器等。常見的有源濾波器包括低通濾波器、高通濾波

25、器、帶通濾波器等。圖為一階低通濾波器，設上限截止頻率為圖為一階低通濾波器，設上限截止頻率為fH，通帶放大倍數(shù)為，通帶放大倍數(shù)為Ap，傳，傳遞函數(shù)為則遞函數(shù)為則L(s)，則，則2121( )1RL sRR Cs2112HfR C21pRAR 圖為一階高通濾波器，設下限截止頻率為圖為一階高通濾波器，設下限截止頻率為fL，通帶放大倍數(shù)為，通帶放大倍數(shù)為AP，傳遞函數(shù)為傳遞函數(shù)為H(s)，則，則21( )1R CsHsR Cs1112LfR C21pRAR 圖為帶通濾波器，設上限截止頻率為圖為帶通濾波器，設上限截止頻率為fH，下限截止頻率為，下限截止頻率為fL，通帶，通帶放大倍數(shù)為放大倍數(shù)為AP，傳遞

26、函數(shù)為，傳遞函數(shù)為B(s)，則，則21112221211221122( )(1)(1)()1R CsB sRCsR C sR CsRC R C sRCR C s2112HfR C1112LfRC21pRAR 16.4 16.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù) 模數(shù)轉(zhuǎn)換模數(shù)轉(zhuǎn)換（常稱為（常稱為A/D轉(zhuǎn)換）技術(shù)用于將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。轉(zhuǎn)換）技術(shù)用于將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。模擬信號是在時間上和幅值上都連續(xù)的信號。數(shù)字信號是按一定的時間間模擬信號是在時間上和幅值上都連續(xù)的信號。數(shù)字信號是按一定的時間間隔對連續(xù)信號取樣，并加以量化編碼后得到的數(shù)字代碼。大部分傳感器輸隔對連續(xù)信號取樣，并加以量化編碼后得

27、到的數(shù)字代碼。大部分傳感器輸出的都是模擬信號。為了使測量結(jié)果的顯示和讀出更直觀和準確，同時方出的都是模擬信號。為了使測量結(jié)果的顯示和讀出更直觀和準確，同時方便數(shù)據(jù)的傳輸、存儲或?qū)⑿盘査腿胗嬎銠C作進一部的數(shù)據(jù)處理，因此需要便數(shù)據(jù)的傳輸、存儲或?qū)⑿盘査腿胗嬎銠C作進一部的數(shù)據(jù)處理，因此需要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。 A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)通常由三部分組成：低通濾波、采樣轉(zhuǎn)換系統(tǒng)通常由三部分組成：低通濾波、采樣-保持、保持、A/D轉(zhuǎn)換。模轉(zhuǎn)換。模擬信號首先經(jīng)低通濾波器去除不需要的高頻成分，然后通過采樣擬信號首先經(jīng)低通濾波器去除不需要的高頻成分，然后通過采樣-保

28、持電路保持電路以一定的時間間隔送至以一定的時間間隔送至A/D轉(zhuǎn)換器，采樣間隔的設計要符合采樣定理，最后轉(zhuǎn)換器，采樣間隔的設計要符合采樣定理，最后A/D轉(zhuǎn)換器將模擬輸入量化轉(zhuǎn)化為指定位數(shù)的二進制數(shù)據(jù)。量化是一種運算，轉(zhuǎn)換器將模擬輸入量化轉(zhuǎn)化為指定位數(shù)的二進制數(shù)據(jù)。量化是一種運算，它用數(shù)字量它用數(shù)字量的最小單位去度量采樣得到的樣值，用整數(shù)表示出樣值為最小的最小單位去度量采樣得到的樣值，用整數(shù)表示出樣值為最小單位的多少倍。單位的多少倍。 目前，集成化的目前，集成化的模數(shù)轉(zhuǎn)換產(chǎn)品很多，其性能指標不同，通常用如下幾模數(shù)轉(zhuǎn)換產(chǎn)品很多，其性能指標不同，通常用如下幾個參數(shù)來表示。個參數(shù)來表示。 （1）分辨率：

29、通常用輸出的二進制數(shù)碼的位數(shù)來表示。位數(shù)越多，量化）分辨率：通常用輸出的二進制數(shù)碼的位數(shù)來表示。位數(shù)越多，量化分層越細，量化誤差越小，分辨率越高。若一個分層越細，量化誤差越小，分辨率越高。若一個A/D變換器的輸入模擬電壓變換器的輸入模擬電壓變化范圍為變化范圍為05V，則輸出為，則輸出為8位數(shù)字量的系統(tǒng)可以分辨的最小模擬電壓為位數(shù)字量的系統(tǒng)可以分辨的最小模擬電壓為 （2）精度：）精度：A/D變換器的精度是模擬誤差和數(shù)字誤差的和，模擬誤差來變換器的精度是模擬誤差和數(shù)字誤差的和，模擬誤差來自于比較器的直流轉(zhuǎn)化的變化，數(shù)字誤差來自于量化誤差。自于比較器的直流轉(zhuǎn)化的變化，數(shù)字誤差來自于量化誤差。 （3）

30、轉(zhuǎn)換速度：用完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時間表示。轉(zhuǎn)換時間短，表示）轉(zhuǎn)換速度：用完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時間表示。轉(zhuǎn)換時間短，表示轉(zhuǎn)換速度高。轉(zhuǎn)換速度高。 （4）輸入模擬電壓范圍：通常，單極性工作時，模擬輸入電壓范圍為）輸入模擬電壓范圍：通常，單極性工作時，模擬輸入電壓范圍為05V或或010V，雙極性輸入時為，雙極性輸入時為-5+5V。 A/D變換器的原理包括增量調(diào)整型變換器的原理包括增量調(diào)整型模數(shù)模數(shù)轉(zhuǎn)換、逐次逼近式轉(zhuǎn)換、逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)模數(shù)轉(zhuǎn)換、雙換、雙積分式積分式模數(shù)轉(zhuǎn)模數(shù)轉(zhuǎn)換等，下面介紹幾種常用的換等，下面介紹幾種常用的A/D變換器的原理。變換器的原理。8152 02m V 16.4.1 16.4

31、.1 逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換原理逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換原理 逐次逼近式逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)模數(shù)轉(zhuǎn)換主要由控制回路、換主要由控制回路、D/A轉(zhuǎn)換器和比較器組轉(zhuǎn)換器和比較器組成。圖為逐次逼近式成。圖為逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的工作原理。換的工作原理。 假設數(shù)字輸入為假設數(shù)字輸入為5位二進制數(shù)，轉(zhuǎn)換開始時，控制回路首先將最高位置位二進制數(shù)，轉(zhuǎn)換開始時，控制回路首先將最高位置成成1，其余位清為，其余位清為0，即數(shù)字輸入為，即數(shù)字輸入為10000，這個數(shù)字量被，這個數(shù)字量被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量模擬量UD/A。UD/A可以表示為可以表示為 式中式中d4、d3、d2、d1、d0為二進制各個位的數(shù)，為二進

32、制各個位的數(shù)， 為為D/A轉(zhuǎn)換的最轉(zhuǎn)換的最低位的當量電壓。低位的當量電壓。UD/A送到比較器，與模擬輸入量送到比較器，與模擬輸入量U0比較。當比較。當UD/AU0時，時，說明數(shù)字量不夠大，最高位上的說明數(shù)字量不夠大，最高位上的1應該保留。當應該保留。當UD/AU0時，說明數(shù)字量過時，說明數(shù)字量過大，最高位上的大，最高位上的1應該變?yōu)閼撟優(yōu)?。同理將次高位置。同理將次高位置1，然后比較，然后比較UD/A和和U0的大小，的大小，確定次高位為確定次高位為0還是還是1，這樣逐漸比較下去，直到最后一位，比較完畢，各，這樣逐漸比較下去，直到最后一位，比較完畢，各位保留下來的數(shù)值就是所求的數(shù)字量。位保留下

33、來的數(shù)值就是所求的數(shù)字量。 逐次逼近式逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的優(yōu)點是轉(zhuǎn)換速度快，完成一次轉(zhuǎn)換僅需要幾微換的優(yōu)點是轉(zhuǎn)換速度快，完成一次轉(zhuǎn)換僅需要幾微秒至幾十微秒，缺點是抗干擾能力差。秒至幾十微秒，缺點是抗干擾能力差。43210/432105(22222)2REFDAUUddddd52R E FU 16.4.2 16.4.2 增量調(diào)制式模數(shù)轉(zhuǎn)換原理增量調(diào)制式模數(shù)轉(zhuǎn)換原理 增量調(diào)整型增量調(diào)整型模數(shù)模數(shù)轉(zhuǎn)換由積分器、過零比較器、低通數(shù)字濾波器、轉(zhuǎn)換由積分器、過零比較器、低通數(shù)字濾波器、D/A轉(zhuǎn)換器組成。圖為增量調(diào)整型轉(zhuǎn)換器組成。圖為增量調(diào)整型模數(shù)轉(zhuǎn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的工作原理。換的工作原理。 積分器對輸入信號

34、與來自數(shù)模轉(zhuǎn)換器的反饋信號的差值信號進行積積分器對輸入信號與來自數(shù)模轉(zhuǎn)換器的反饋信號的差值信號進行積分，積分輸出的信號分，積分輸出的信號UC為過零比較器的輸入。當為過零比較器的輸入。當UC0時，過零比較器時，過零比較器的輸出為的輸出為1，當，當UC0時，過零比較器的輸出為時，過零比較器的輸出為0，最后得到的數(shù)字量為，最后得到的數(shù)字量為數(shù)字濾波器對過零比較器的輸出平滑濾波的結(jié)果。數(shù)字濾波器對過零比較器的輸出平滑濾波的結(jié)果。 增量調(diào)整型增量調(diào)整型模數(shù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點是量化的信噪比高、抗誤碼性能好。轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點是量化的信噪比高、抗誤碼性能好。 16.5 16.5 電壓電壓/ /電流電流/ /頻率變換

35、技術(shù)頻率變換技術(shù) 在一些檢測系統(tǒng)中，采用分布式檢測方案，即傳感器及其調(diào)理在一些檢測系統(tǒng)中，采用分布式檢測方案，即傳感器及其調(diào)理電路處于檢測現(xiàn)場，數(shù)據(jù)處理和存儲設備在控制室內(nèi)，為了避免電路處于檢測現(xiàn)場，數(shù)據(jù)處理和存儲設備在控制室內(nèi)，為了避免電壓信號在遠程傳輸中的損失，并且提高抗干擾能力，常將電壓電壓信號在遠程傳輸中的損失，并且提高抗干擾能力，常將電壓轉(zhuǎn)換成頻率信號或電流信號，再進行傳輸。本節(jié)將介紹電壓轉(zhuǎn)換成頻率信號或電流信號，再進行傳輸。本節(jié)將介紹電壓頻頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)和電流頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)。率轉(zhuǎn)換技術(shù)和電流頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)。 16.5.1 16.5.1 電壓電壓頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)頻率轉(zhuǎn)換技術(shù) 電壓電壓頻率轉(zhuǎn)換（

36、頻率轉(zhuǎn)換（U/F）是將模擬輸入電壓轉(zhuǎn)換成與之成正比的振蕩頻）是將模擬輸入電壓轉(zhuǎn)換成與之成正比的振蕩頻率。它的用途除了用于提高抗干擾能力而將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量外，還可率。它的用途除了用于提高抗干擾能力而將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量外，還可以提供一種節(jié)省系統(tǒng)接口資源的選擇，在兩線式高抗擾數(shù)據(jù)傳輸方面有廣以提供一種節(jié)省系統(tǒng)接口資源的選擇，在兩線式高抗擾數(shù)據(jù)傳輸方面有廣泛應用。泛應用。 圖為一種圖為一種U/F轉(zhuǎn)換電路。運放與電容轉(zhuǎn)換電路。運放與電容C組成了積分器。場效應管組成了積分器。場效應管FET為為積分器的復原開關(guān)。當積分電容充電至電壓比較器的下限閾值電平時，電積分器的復原開關(guān)。當積分電容充電至電壓比較器

37、的下限閾值電平時，電壓比較器翻轉(zhuǎn)，輸出一個信號使壓比較器翻轉(zhuǎn)，輸出一個信號使FET導通，這時，電容導通，這時，電容C通過開關(guān)迅速放電。通過開關(guān)迅速放電。使積分器復原至比較器的上限閾值電平，比較器再次翻轉(zhuǎn)，輸出信號使開使積分器復原至比較器的上限閾值電平，比較器再次翻轉(zhuǎn)，輸出信號使開關(guān)關(guān)FET截止。于是積分器再次開始積分過程。截止。于是積分器再次開始積分過程。 設設T為積分時間，為積分時間，tc為放電時間，從圖可以看出，為放電時間，從圖可以看出， ， ，當當t=T時，積分結(jié)束，此時電容上的電壓等于比較器下限閾值電時，積分結(jié)束，此時電容上的電壓等于比較器下限閾值電壓壓 ，所以，所以 充放電頻率為充放

38、電頻率為 ，當充放電頻率低，并且放電迅速時，可忽，當充放電頻率低，并且放電迅速時，可忽略略tc，這時，這時 可見輸出頻率與輸出電壓成正比，滿足可見輸出頻率與輸出電壓成正比，滿足V-F的轉(zhuǎn)換條件。的轉(zhuǎn)換條件。cVIRccI tQVCCccTI TVVCTcR C VVI RT1cfTt1TVfTRC V 16.5.2 16.5.2 電壓電壓電流轉(zhuǎn)換技術(shù)電流轉(zhuǎn)換技術(shù) 把直流信號電壓變換成直流電流后，再進行傳輸，可以減小傳輸中線把直流信號電壓變換成直流電流后，再進行傳輸，可以減小傳輸中線路電阻和負載電阻變化的影響。信號的量程通常為路電阻和負載電阻變化的影響。信號的量程通常為4mA20mA。圖為一種。

39、圖為一種簡單的電壓簡單的電壓電流轉(zhuǎn)換電路。電流轉(zhuǎn)換電路。RL為負載電阻，信號電壓在運放同相端輸入。為負載電阻，信號電壓在運放同相端輸入。利用理想運放條件，流過負載利用理想運放條件，流過負載RL的電流與流過電阻的電流與流過電阻R1和和R2的電流相等，且的電流相等，且反相端電位與同相端電位相等，由此可求得電流為：反相端電位與同相端電位相等，由此可求得電流為： 可見，輸入電壓變換為電流信號輸出，變換系數(shù)可由可見，輸入電壓變換為電流信號輸出，變換系數(shù)可由R2調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)。12VIRR 一般常用運放最大輸出電流約為一般常用運放最大輸出電流約為20mA，輸出電流大時，運放功耗大。，輸出電流大時，運放功耗大。

40、為降低運放功耗，可在運放輸出接三極管推動負載工作。圖為降低運放功耗，可在運放輸出接三極管推動負載工作。圖16.18為一種接為一種接入三極管的電壓入三極管的電壓電流轉(zhuǎn)換電路，電流轉(zhuǎn)換電路，RL為負載電阻，當為負載電阻，當R2Rf+RL時，可認時，可認為流過為流過Rf和和RL的電流相等，都為的電流相等，都為i0，可以推得電流，可以推得電流i0與輸入電壓的關(guān)系為與輸入電壓的關(guān)系為 可見可見i0與輸入電壓成正比，與與輸入電壓成正比，與 RL 無關(guān)，具有恒流特性。無關(guān)，具有恒流特性。2101fRuiRR 16.6 16.6 電壓和電流放大變換技術(shù)電壓和電流放大變換技術(shù) 傳感器的輸出電壓或電流一般來說都比

41、較小，電壓為毫伏級或微伏級，傳感器的輸出電壓或電流一般來說都比較小，電壓為毫伏級或微伏級，電流為微安級或毫安級。通常采用集成運算放大器（電流為微安級或毫安級。通常采用集成運算放大器（Operation Amplifier）構(gòu)成的放大電路將其放大或變換到伏級電壓輸出。構(gòu)成的放大電路將其放大或變換到伏級電壓輸出。 通常傳感器的輸出包括共模（通常傳感器的輸出包括共模（Common mode）信號和差模）信號和差模（Differential mode）信號，如果將傳感器的輸出等效為電壓源，則應包括）信號，如果將傳感器的輸出等效為電壓源，則應包括共模電壓和差模電壓。通常共模電壓是無用的信號，必須進行抑制

42、，而差共模電壓和差模電壓。通常共模電壓是無用的信號，必須進行抑制，而差模電壓是需要進行放大的有用信號。在一些場合，共模信號往往比差模信模電壓是需要進行放大的有用信號。在一些場合，共模信號往往比差模信號大許多倍，因此，要求放大器有極大的差模放大倍數(shù)和極小的共模放大號大許多倍，因此，要求放大器有極大的差模放大倍數(shù)和極小的共模放大倍。換言之，有極大的共模抑制比倍。換言之，有極大的共模抑制比CMRR（Common mode repression ratio）。）。CMRR定義為：定義為：2 0 lgDCAC M R RA 集成運算放大器是內(nèi)部具有差分放大器的集成電路，有兩個輸入端和集成運算放大器是內(nèi)部

43、具有差分放大器的集成電路，有兩個輸入端和一個輸出端，一個輸出端，“+”端為同相輸入端，表示輸出信號與輸入信號相位相同，端為同相輸入端，表示輸出信號與輸入信號相位相同，“-”端為反相輸入端，表示輸出信號與輸入信號相位相反，符號表示如圖所端為反相輸入端，表示輸出信號與輸入信號相位相反，符號表示如圖所示。理想運算放大器具有如下特點：（示。理想運算放大器具有如下特點：（1）共模抑制比為無窮大。（）共模抑制比為無窮大。（2）輸）輸入阻抗為無窮大。（入阻抗為無窮大。（3）對差模信號的開環(huán)放大倍數(shù)為無窮大。）對差模信號的開環(huán)放大倍數(shù)為無窮大。 實際的集成運算放大器是高增益（實際的集成運算放大器是高增益（10

44、4107）、高輸入阻抗（幾千歐）、高輸入阻抗（幾千歐姆姆幾十兆歐姆）、低輸出阻抗（幾十兆歐姆）、低輸出阻抗（10MHz）,多采用多點并聯(lián)接地。另外，要想使接地阻抗進一步降低，可多采用多點并聯(lián)接地。另外，要想使接地阻抗進一步降低，可以通過表面電鍍的方法。以通過表面電鍍的方法。1231()AVIII Z1231232()()BVIII ZII Z123123233()()CVIII ZII ZI Z 2屏蔽接地問題屏蔽接地問題 對于屏蔽，只有當屏蔽與恒定電壓相連時，導體的屏蔽才有效。對于屏蔽，只有當屏蔽與恒定電壓相連時，導體的屏蔽才有效。對放大器進行屏蔽時，不管封閉電路接地與否，屏蔽必須與封閉電路對