常見模擬量信號的檢測方法

關(guān)于常見模擬量信號的檢測方法1.電壓類信號的檢測3.電阻型信號的檢測

重點(diǎn)：2.頻率及周期型信號的檢測返回第2頁,共36頁，2024年2月25日，星期天3.1概述

智能儀器中起控制作用的微處理器所處理的信號是二進(jìn)制的數(shù)字信號，但物理世界中大量的信號都是連續(xù)變化的模擬量，智能儀器能夠?qū)λ鼈冞M(jìn)行處理的前提，先要能把模擬信號變換為數(shù)字信號，完成這種變換的電路叫模-數(shù)變換器（A/D變換器，簡稱ADC）。

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對于常見的各類A/D變換器，盡管工作的方式有很大的差異，都能夠完成將直流電壓信號變換為數(shù)字信號的功能，因此各類模擬量信號只要能夠通過某種方式變換為電壓信號，就可以進(jìn)而變換為數(shù)字信號送到智能儀器中進(jìn)行處理。其一般原理框圖如圖3.1所示：

第4頁,共36頁，2024年2月25日，星期天3.2電壓類信號的檢測

從測量的觀點(diǎn)看，測量的主要參量是電壓，因?yàn)樵跇?biāo)準(zhǔn)電阻兩端若測出電壓值，那么就可通過計(jì)算求得電流與功率，此外，包括測量儀器在內(nèi)的電子設(shè)備，它們的許多工作特性均可視為電壓的派生量，如調(diào)幅度、非線性失真系數(shù)等，可以說，電壓測量是其它許多電參量，也包括非電參量的基礎(chǔ)。下頁上頁返回第5頁,共36頁，2024年2月25日，星期天1.對電壓測量的基本要求下頁上頁返回頻率范圍寬：被測電壓的頻率可以是直流、超低頻、低頻、高頻或超高頻，其頻率范圍為0Hz到幾百M(fèi)Hz，甚至達(dá)到GHz量級。電壓測量范圍廣：被測電壓值可以小到微伏，甚至毫微伏級，而大到幾千伏，幾十千伏。輸入阻抗高：電子測量儀器的輸入阻抗就是被測電路的額外負(fù)載，為了使儀器接入電路時(shí)，盡量減小它的影響，要求儀器具有高的輸入阻抗。測量準(zhǔn)確度高：由于電壓測量的基準(zhǔn)是直流標(biāo)準(zhǔn)電池，同時(shí)，在直流測量中，各種分布性參量的影響極小，直流電壓的測量可獲得極高的準(zhǔn)確度。抗干擾能力強(qiáng)：當(dāng)測量儀器工作在高靈敏度時(shí)，干擾會(huì)引入測量誤差，故要有高的抗干擾能力。第6頁,共36頁，2024年2月25日，星期天2.交流電壓的測量

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電壓類信號又可分為直流電壓和交流電壓兩類，比較簡便的方法是將直流電壓和交流電壓分別對待，對直流電壓直接處理，對交流電壓，依據(jù)不同的響應(yīng)變換為直流電壓再進(jìn)行處理。一個(gè)交流電壓的大小，可以用它的峰值，平均值，有效值v及波形因數(shù)、波峰因數(shù)來表征。峰值定義：任何一個(gè)交變電壓在所觀測的時(shí)間或一個(gè)周期內(nèi)，其電壓所能達(dá)到的最大值。2.平均值定義：T為該交流電壓的周期。3.有效值U定義：該交流電壓在一個(gè)周期內(nèi)通過某純阻負(fù)載所產(chǎn)生的熱量與一個(gè)直流電壓在同樣條件下產(chǎn)生的熱量相等時(shí)，該直流電壓的數(shù)值。第7頁,共36頁，2024年2月25日，星期天下頁上頁返回4.波形因數(shù)交流電壓的波形因素定義為該電壓的有效值與平均值之比。5.波峰因數(shù)交流電壓的波峰因數(shù)定義為該電壓的峰值與有效值之比。

進(jìn)行交流/直流變換,根據(jù)上述交流電壓的三種表征，分別有峰值響應(yīng)、平均值響應(yīng)和有效值響應(yīng)三種檢波器電路，對應(yīng)能夠得到交流電壓的峰值、平均值、有效值的數(shù)值。

以有效值為例，可以采用熱電變換和模擬計(jì)算電路兩種方法來實(shí)現(xiàn)其測量。熱電變換就是根據(jù)有效值的定義，將交流電壓通過某純阻負(fù)載所產(chǎn)生的熱量通過熱電偶變換為直流信號。模擬計(jì)算可以采用圖3.2的電路進(jìn)行計(jì)算。第8頁,共36頁，2024年2月25日，星期天3.3電流信號的檢測1.傳統(tǒng)的手動(dòng)分檔測量方法

測量電流的基本原理是將被測電流通過已知電阻（取樣電阻），在其兩端產(chǎn)生電壓，這個(gè)電壓與被測電流成正比。下頁上頁返回第9頁,共36頁，2024年2月25日，星期天

圖3.3為一種用數(shù)字電壓表分檔測量直流電流的基本電路，該電路將輸入電流分為20A、200mA、20mA、2mA四個(gè)量程，轉(zhuǎn)換電阻用0.01Ω、0.99Ω、9Ω、90Ω四個(gè)電阻串連，將四種量程的電流接入電路的不同點(diǎn)，使得每種量程的電流在滿量程時(shí)得到的電壓都是0.2V（盡量選取數(shù)字電壓表電壓量程的最低檔，以便做到盡可能小的電流測量的內(nèi)阻），從而用0.2V的數(shù)字電壓表配合不同的顯示單位及小數(shù)點(diǎn)位置指示被測電流的大小。這種方法是數(shù)字多用表常用的測量方法。

下頁上頁返回第10頁,共36頁，2024年2月25日，星期天2.自動(dòng)分檔測量方法

在自動(dòng)測試系統(tǒng)中一般以電流信號的最大值確定所需電阻，如最大值為100mA，A/D的輸入最大值為10V，可選電阻為0.1KΩ，如果將自動(dòng)量程分為四個(gè)檔位，可用4個(gè)25歐的電阻串聯(lián)，通過模擬開關(guān)引出不同的信號，電路如圖3.4所示，圖中運(yùn)算放大器起輸入緩沖作用。這種方法對于直流電流和交流電流的測量都適用。下頁上頁返回第11頁,共36頁，2024年2月25日，星期天下頁上頁3.4相位型信號的檢測

在檢測系統(tǒng)中相位定義為同頻的兩路信號之間的相位之差，嚴(yán)格來講是指兩路正弦信號的相位差，但如果是方波、三角波等均勻波形時(shí)也可求其基波的相位差。

1.軟件分析法返回

如圖3.5a所示，假如被測信號是不含直流分量的標(biāo)準(zhǔn)的正弦波X1和X2，用同步采樣的方法將兩路信號量化，對其進(jìn)行分析，求得X1的兩個(gè)同類過零點(diǎn)、求得X2的一個(gè)同類過零點(diǎn)（這里同類過零點(diǎn)是指都是由正到負(fù)或都是由負(fù)到正的過零點(diǎn)），由采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)通過X1的兩個(gè)同類過零點(diǎn)求得信號的周期T，通過X1的過零點(diǎn)與X2的過零點(diǎn)之間的時(shí)間差ΔT。

第12頁,共36頁，2024年2月25日，星期天下頁上頁返回

這種方法是借助數(shù)據(jù)采集來完成的，其精度受采樣點(diǎn)數(shù)和采樣頻率的限制，但在需要同步采樣的場合可以兼而求得，如圖3.5b為一種對相位信號進(jìn)行檢測的采集電路，圖中SHA為采樣保持放大器，AD為A/D轉(zhuǎn)換器，μP為微處理器。第13頁,共36頁，2024年2月25日，星期天下頁上頁2.過零比較器法返回

設(shè)X1、X2為不含直流分量的正弦波或三角波，將X1、X2分別經(jīng)過兩個(gè)過零比較器變?yōu)榉讲?，利用兩個(gè)方波的上升沿或下降沿的時(shí)間差和其中一個(gè)方波的周期可求得相位，算法如上。圖3.6a為用中斷法通過過零比較器輸出的下降沿求相位的電路，所采用運(yùn)算放大器無特殊要求.

第14頁,共36頁，2024年2月25日，星期天下頁上頁2.過零比較器法返回

過零比較器的整形過程見圖3.6b。這里要求單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器的計(jì)數(shù)頻率與被測信號頻率相比足夠高，例如相位測試分辨率為0.1o，定時(shí)器的時(shí)鐘頻率應(yīng)為被測信號頻率的3600倍。第15頁,共36頁，2024年2月25日，星期天3.5時(shí)間型信號的檢測

時(shí)間型信號的檢測又稱為時(shí)間間隔的測量，它可以包括一個(gè)周期信號波形上，同相位兩點(diǎn)間的時(shí)間間隔；也可以包括同一信號波形上兩個(gè)不同點(diǎn)之間的時(shí)間間隔；還可以包括兩個(gè)信號波形上，兩點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。一個(gè)周期信號波形上，同相位兩點(diǎn)間的時(shí)間間隔的測量其實(shí)就是波形周期的測量，而上一節(jié)中相位差的測量也是兩個(gè)信號波形上，兩點(diǎn)之間的時(shí)間間隔測量的一種情況，只不過是要將計(jì)算的時(shí)間距離差值通過信號角頻率換算為相位差。

1.定義下頁上頁返回第16頁,共36頁，2024年2月25日，星期天

時(shí)間間隔的基本測量模式如圖所示，兩個(gè)獨(dú)立的輸入通道（B和C）可分別設(shè)置觸發(fā)電平和觸發(fā)極性（觸發(fā)沿）。輸入通道B為起始通道，用來開通主門，而來自輸入通道C的信號為計(jì)數(shù)器的終止信號，計(jì)數(shù)脈沖（時(shí)標(biāo)）通過主門計(jì)數(shù)。2.基本方法下頁上頁返回

這種測量模式有兩種工作方式：當(dāng)跨接于兩個(gè)輸入端的選擇開關(guān)S斷開時(shí)，兩個(gè)通道是完全獨(dú)立的，來自兩個(gè)信號源的信號分別作為起始觸發(fā)和結(jié)束觸發(fā)控制主門的開閉，來控制計(jì)數(shù)器工作；當(dāng)S閉合時(shí)，兩個(gè)輸入端并聯(lián)，僅一個(gè)信號加到計(jì)數(shù)器，但可獨(dú)立地選擇觸發(fā)電平和觸發(fā)極性的設(shè)置，以完成起始和結(jié)束控制的功能。

第17頁,共36頁，2024年2月25日，星期天工作波形如圖3.8所示。例如測量脈沖寬度，只需要接入一個(gè)信號，將觸發(fā)電平設(shè)置為50%的脈沖幅度，觸發(fā)極性在起始觸發(fā)一路中設(shè)置為上升沿，在結(jié)束觸發(fā)一路中設(shè)置為下降沿，則在上升沿、脈沖幅度50%電平處開始計(jì)數(shù)，在下降沿、脈沖幅度50%電平處結(jié)束計(jì)數(shù)，所計(jì)時(shí)標(biāo)數(shù)為脈沖寬度所經(jīng)歷的時(shí)間。2.基本方法下頁上頁返回第18頁,共36頁，2024年2月25日，星期天

在智能儀器中，可以將被測信號經(jīng)電平轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娖竭m合于微處理器處理的信號，如果待測時(shí)間適合微處理器的定時(shí)器處理，可直接利用微處理器的定時(shí)器求得。如圖3.9的電路可以用查詢的方式采樣電平求取時(shí)間：在信號的上升沿啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器，在信號的下降沿關(guān)閉定時(shí)器，最后用定時(shí)器的計(jì)數(shù)值和時(shí)基確定所求的時(shí)間值。

3.利用智能儀器的特點(diǎn)進(jìn)行測量的方法下頁上頁返回第19頁,共36頁，2024年2月25日，星期天

設(shè)測試的時(shí)間為變量test_time，時(shí)間單位為MS，單片機(jī)選用89C52，使用C語言測得時(shí)間的程序如下：頭文件定義：#include<AT89X52.h>sbitbit_v=P3^2;unsignedintT1_flow_counter;floattest_time; bitdatatest_begin=0;3.利用智能儀器的特點(diǎn)進(jìn)行測量的方法下頁上頁返回第20頁,共36頁，2024年2月25日，星期天該程序用Timer1作為定時(shí)計(jì)數(shù)器，為了防止溢出設(shè)置一個(gè)軟件計(jì)數(shù)器T1_flow_counter，Timer1每中斷一次T1_flow_counter就自動(dòng)加1，在Timer1中斷程序中完成。主程序部分：voidmain(void){//------------------通用初始化-------------------- TH1=0x64; //主頻12MHz時(shí)，T1方式2作0.1ms秒定時(shí)TL1=0x64;//TC=12000000/12/100(64h)=10000HZ,自動(dòng)裝載 TMOD=0x20; //T1方式2EA=1;下頁上頁返回第21頁,共36頁，2024年2月25日，星期天while(1) {//-----------------------主循環(huán)--------------------- if(bit_v&&!test_begin) {TR1=1; //開始Timer1 test_begin=1; } if(test_begin&&!bit_v) {TR1=0; //停止Timer1 test_time=(T1_flow_counter*65536+TH1*256+TH1)/10.0; test_begin=0;} }//-----------------------主循環(huán)結(jié)束-----------------------}//Timer1中斷程序voidT1_int(void)interrupt3{T1_flow_counter++;}下頁上頁返回第22頁,共36頁，2024年2月25日，星期天

3.6頻率及周期性信號的檢測

1.頻率及周期型信號的特點(diǎn)下頁上頁

由于頻率和周期互成倒數(shù)關(guān)系，對于智能檢測系統(tǒng)來說，計(jì)算倒數(shù)之類問題不需要作為主要問題考慮，主要考慮測量精度要高，電路盡可能要簡單。使用電子計(jì)數(shù)器可以直接按照f=N/T所表達(dá)的頻率的定義進(jìn)行測量，考慮到電子計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)時(shí)必然存在的±1誤差，測量低頻信號時(shí)不宜采用直接測頻的方法，否則±1誤差帶來的影響比較顯著甚至?xí)荏@人。此時(shí)可以改為先測量信號的周期，然后計(jì)算其倒數(shù)得到頻率值，稱之為測周的方法。測周的方法同樣不具有普遍的適用性，它可以用在測量較低頻率的信號，而不適用在測量較高頻率信號的場合。返回第23頁,共36頁，2024年2月25日，星期天下頁上頁

頻率量和周期量是數(shù)字脈沖型信號，其幅值的大小與被測值無關(guān)，但幅值過小達(dá)不到TTL電平時(shí)微處理器將不能識別，幅值過大時(shí)又會(huì)損傷測量電路，所以該類信號也要有前置放大及衰減電路，以使測量儀器具有較寬的適應(yīng)性，此外被測型號也可能帶有一定的干擾信號，因此加適當(dāng)?shù)牡屯V波也是必需的。返回第24頁,共36頁，2024年2月25日，星期天2.頻率測量基本電路

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圖3.11為基本的頻率測量電路，適合于測量頻率適中的頻率量，將被測信號Vf經(jīng)過放大、衰減、濾波及整形電路后變成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的TTL信號，直接加在微處理器的計(jì)數(shù)端，用被測脈沖作為時(shí)鐘觸發(fā)微處理器內(nèi)部計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，微處理器內(nèi)部另設(shè)一個(gè)定時(shí)器，在規(guī)定的時(shí)間根據(jù)計(jì)數(shù)數(shù)目，求得被測信號的頻率，設(shè)規(guī)定時(shí)間為T0，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值為N，則被測信號的頻率為f，則：F=N/T0（Hz）。

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當(dāng)被測信號的頻率較高時(shí)，如f>20MHZ，有可能單片機(jī)的速度不能支持計(jì)數(shù)器正常工作，此時(shí)可采用圖3.12電路，將被測信號經(jīng)過一個(gè)針對高頻信號設(shè)計(jì)的放大、衰減、濾波及整形電路后，先進(jìn)入一個(gè)高速分頻器（如10分頻）后再進(jìn)入單片機(jī)計(jì)數(shù)端，選擇合適的分頻數(shù)可處理較高的頻率信號。

返回第26頁,共36頁，2024年2月25日，星期天3.周期測量基本電路下頁上頁

當(dāng)被測信號頻率較低時(shí)，如果還測其頻率不但刷新時(shí)間長而且測量精度也將變低，比如50HZ的頻率在1秒鐘只能計(jì)50個(gè)數(shù)，按1秒的刷新一次的設(shè)置其測試精度只有±1HZ。所以當(dāng)被測信號的頻率較低時(shí)我們應(yīng)該反過來測信號的周期。這樣才能提高測量精度和刷新頻率。無論要得到頻率值還是周期值，都可以遵循高頻則測頻率，低頻則測周期的原則，這樣做的結(jié)果是不管被測信號在什么頻段內(nèi)都可以達(dá)到要求的測量精度。

返回第27頁,共36頁，2024年2月25日，星期天3.周期測量基本電路下頁上頁返回

圖3.13為測量周期的基本電路，信號Vt經(jīng)過放大、衰減、濾波及整形電路后變?yōu)門TL電平Vt1，然后Vt1再經(jīng)過2分頻變?yōu)?0%占空比的對稱方波Vt2，Vt2接入微處理器的中斷口如INT1時(shí)，VT2的正脈沖寬度正好是被測信號的周期值，微處理器可用INT1上升沿啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，再用INT1下降沿結(jié)束計(jì)數(shù)器，由此計(jì)算被測信號周期，設(shè)內(nèi)部計(jì)數(shù)器時(shí)鐘周期為Tc，計(jì)數(shù)值為N，則被測信號的周期。如果要得到被測信號的頻率求其倒數(shù)圖3.13較低頻頻率測量電路即可。第28頁,共36頁，2024年2月25日，星期天4.通用頻率計(jì)（計(jì)數(shù)器）的一般電路下頁上頁返回

圖3.14為一個(gè)通用頻率計(jì)或計(jì)數(shù)器的基本電路示意圖，該方案可測頻率也可測周期，也可做計(jì)數(shù)器，通過鍵盤選擇，顯示用數(shù)碼管顯示?？深A(yù)置數(shù)高速分頻器由I/O1口控制；程控放大、衰減電路由I/O2口控制；鍵盤及顯示由微處理器的I/O3控制；操作指令由鍵盤人工給定。輸入信號經(jīng)放大、衰減、濾波及整形電路后先通過可預(yù)置數(shù)的高速分頻器再進(jìn)入微處理器的T1和INT1的并聯(lián)口，在檢測時(shí)微處理器用試探法初步判斷信號頻率的高低，然后決定是用測頻法還是用測周法求出頻率或周期。

第29頁,共36頁，2024年2月25日，星期天3.7電阻型信號的檢測1.恒流法測電阻

測量電阻的最簡單的方法是根據(jù)歐姆定理利用一個(gè)恒定電流通過電阻先變成電壓再求之。圖3.15為恒流法測電阻的基本電路，Rx為被測電阻，Ic是已知的恒流源。圖3.16為常見的恒流源產(chǎn)生電路之一，圖中Ve為基準(zhǔn)電壓源，Ro為標(biāo)準(zhǔn)電阻，Tc為流過負(fù)載的電流，

下頁上頁返回第30頁,共36頁，2024年2月25日，星期天2.恒壓法測電阻

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如圖3.17電路所示，設(shè)Vref為恒定的電壓，R0為標(biāo)準(zhǔn)電阻，則：

用恒壓法測電阻時(shí)，參考電壓、標(biāo)準(zhǔn)電阻的誤差會(huì)直接反映在測量值中。第31頁,共36頁，2024年2月25日，星期天3.恒阻法測電阻