检测信号的处理第三章.ppt

1,第三章 检测信号的处理,在非电量测量系统中，传感器将被测物理量转换成与其有一定函数关系的电信号（电压、电流、电荷）或电参量（如电阻、电容等）。通常，电信号的需通过信号处理电路将其变换为标准电压、电流信号之后供显示仪器、记录仪器使用。对于电参量信号，必须先转换成相应的电信号之后才能加以放大。,2,第一节 放大器,一、概述 传感器直接输出的信号有：电压、电势、电位 电流、电荷 电阻、电容、电感 光、磁,3,标准电压信号：15V 标准电流信号：420mA 其他标准电压信号 方便对被测信号的后续变换、处 理、记录、分析,信号放大的目的：,4,放大电路主要用途,电桥放大器：阻抗式传感器差动放大器：电势式、电位式传感器高输入阻抗放大器：电位、电势、电荷式电荷放大器：电荷式传感器仪表放大器：电位差、电势差隔离放大器：噪声隔离、光电、磁电、电感比例放大器：通用型,5,一、电桥放大电路,1、特点：灵敏度高 线性好 测量范围宽 容易实现温度补偿,分类：直流电桥 交流电桥,6,2、电桥的接法,7,3、典型电桥放大电路,反相输入,8,电源浮置的电桥放大器,差分输入式电桥放大器,9,二、比例放大电路,10,1、同相比例放大电路,增益,11,2、反相比例放大电路,12,三、电荷放大电路,典型应用：压电传感器,13,四、差动放大电路,增益,特点：提高电路共模抑制比，减小温度漂移,14,五、仪表放大器,适用于电势差、电位差输出型传感器,15,六、隔离放大器,隔离放大器：隔离放大器电路的输入、输出与电源电路之间没有直接的电路连接，即信号在传输过程中没有公共的接地端。,应用场合：隔离放大器电路主要用于噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。,16,原理框图：,变压器耦合,光电耦合,17,组成及符号：,适用于电感式、磁电式、电涡流式、光电式、霍尔式等传感器的信号调理与放大。,18,七、高输入阻抗放大器,应用：适用于电荷式传感器前置放大。,19,第二节 滤波器,一、概述 滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。,20,二、滤波器分类,根据滤波器的选频作用分类,从0f2频率之间，幅频特性平直，它可以使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f2的频率成分受到极大地衰减。,21,与低通滤波相反，从频率f1，其幅频特性平直。它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于f1的频率成分将受到极大地衰减。,22,带通滤波器它的通频带在f1f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分可以不受衰减地通过，而其它成分受到衰减。,带阻滤波器与带通滤波相反，阻带在频率f1f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。,23,三、理想滤波器,理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器，其通带和阻带之间有明显的分界线。也就是说，理想滤波器在通带内的幅频特性应为常数，相频特性的斜率为常值；在通带外的幅频特性应为零。,理想低通滤波器的频率响应函数为:,24,其幅频及相频特性曲线为：,25,四、实际滤波器,1、实际滤波器的基本参数,理想滤波器是不存在的，在实际滤波器的幅频特性图中，通带和阻带之间应没有严格的界限。在通带和阻带之间存在一个过渡带。在过渡带内的频率成分不会被完全抑制，只会受到不同程度的衰减。当然，希望过渡带越窄越好，也就是希望对通带外的频率成分衰减得越快、越多越好。因此，在设计实际滤波器时，总是通过各种方法使其尽量逼近理想滤波器。,26,由图中可见，理想滤波器的特性只需用截止频率描述，而实际滤波器的特性曲线无明显的转折点，两截止频率之间的幅频特性也非常数，故需用更多参数来描述。,27,（1）截止频率fc通带与过渡带边界点的频率称为通带截频，在该点信号衰减到规定的下限。幅频特性值等于0.707A0所对应的频率称为滤波器的截止频率，若以信号的幅值平方表示信号功率，则所对应的点正好是半功率点。,（2）通带增益Kp对于低通滤波器，通带增益一般指0时的增益；高通滤波器一般指时的增益；带通滤波器一般指中心频率处的增益；带阻滤波器，一般给出阻带衰减，定义为增益的倒数。,（3）品质因素Q与阻尼系数品质因素Q定义为谐振频率与带宽之比，常用于评价带通滤波器与带阻滤波器的选频特性。阻尼系数用来表征滤波器对频率为f0的信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰减的一项指标。阻尼系数与品质因素互为倒数关系，即=1/Q。,28,五、模拟滤波器,在测试系统中，常用RC滤波器。因为在这一领域中，信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干扰性强，有较好的低频性能，并且选用标准的阻容元件，所以在工程测试的领域中最经常用到的滤波器是RC滤波器。,29,1、一阶RC低通滤波器RC低通滤波器的电路及其幅频、相频特性如下图所示,其幅频、相频特性公式为：,30,2、一阶RC高通滤波器RC高通滤波器的电路及其幅频、相频特性如下图所示,其幅频、相频特性公式为：,31,3、一阶RC有源低通滤波器,其传递函数为：,32,3、二阶RC有源低通滤波器,其传递函数为：,33,4、二阶压控电压源型RC低通滤波器,34,5、二阶RC有源高通滤波器,其传递函数为：,35,六、模拟数字转换原理,微电子技术和信号处理技术的发展，数字信号处理方法得到广泛应用，成为测试系统中的重要部分。从传感器获取的测试信号中大多数为模拟信号，进行数字信号处理之前，需要对信号作预处理和数字化处理。,36,测试中的数字信号处理系统,37,(1)预处理是指在数字处理之前，对信号用模拟方法进行的处理，变成适于数字处理的形式。如对输人信号的幅值进行处理，使信号幅值与AD转换器的动态范围相适应；衰减信号中不感兴趣的高频成分，减小频混的影响；隔离被分析信号中的直流分量，消除趋势项及直流分量的干扰等。(2)AD转换是将预处理以后的模拟信号变为数字信号，其核心是A/D转换器。信号处理系统的性能指标与其有密切关系。(3)对采集到的数字信号进行分析和计算，可用数字运算器件组成信号处理器完成，也可用通用计算机。目前分析计算速度很快，已近乎达到“实时”。(4)结果显示一般采用数据和图形显示结果。,38,1、数字信号处理的优势,(1)可以用数学计算和计算机显示代替复杂的电路和机械结构,39,(2)计算机软硬件技术的发展,40,41,2、A/D转换,把连续时间信号转换为与其相对应的数字信号的过程称之为AD（模拟-数字）转换过程，反之则称为DA（数字-模拟）转换过程，它们是数字信号处理的必要程序。,42,AD转换包括了采样、量化、编码等过程，其工作原理如图所示,43,采样,又称为抽样，是利用采样脉冲序列，从连续时间信号x(t)中抽取一系列离散样值，使之成为采样信号x(nTs)的过程。1Ts=fs 称为采样频率。,44,由于后续的量化过程需要一定的时间，对于随时间变化的模拟输入信号，要求瞬时采样值在时间内保持不变，保证转换的正确性和转换精度，这个过程就是采样保持。,45,量化又称幅值量化，把采样信号x（nTs）经过舍入或截尾的方法变为只有有限个有效数字的数，这一过程称为量化。,若取信号x（t）可能出现的最大值A，令其分为D个间隔，则每个间隔长度为R=AD，R称为量化增量或量化步长。当采样信号x（nTs）落在某一小间隔内，经过舍入或截尾方法而变为有限值时，则产生量化误差。,46,编码将离散幅值经过量化以后变为二进制数字的过程。信号x(t)经过上述变换以后，即变成了时间上离散、幅值上量化的数字信号。,47,（4）AD转换器的分辨力,AD转换器的分辨力用其输出二进制数码的位数来表示。位数越多，则量化增量越小，量化误差越小，分辨力也就越高。常用的有8位、10位、12位、16位、24位、32位等。,例如，某 AD转换器输入模拟电压的变化范围为-10V+10V，转换器为8位，若第一位用来表示正、负符号，其余 7位表示信号幅值，则最末一位数字可代表80mV模拟电压（10V12780mV），即转换器可以分辨的最小模拟电压为80mV。而同样情况，用一个10位转换器能分辨的最小模拟电压为20mV（10V12920mV）。,48,（4）AD转换器的转换精度 具有某种分辨力的转换器在量化过程中由于采用了四舍五入的方法，因此最大量化误差应为分辨力数值的一半。如上例8位转换器最大量化误差应为40mV（80mVO.5=40mV），全量程的相对误差则为0.4（40mV10V100）。可见，AD转换器数字转换的精度由最大量化误差决定。,由于含有AD转换器的模数转换模块通常包括有模拟处理和数字转换两部分，因此整个转换器的精度还应考虑模拟处理部分（如积分器、比较器等）的误差。一般转换器的模拟处理误差与数字转换误差应尽量处在同一数量级，总误差则是这些误差的累加和。,49,（4）AD转换器的转换速度 转换速度是指完成一次转换所用的时间，即从发出转换控制信号开始，直到输出端得到稳定的数字输出为止所用的时间。转换时间越长，转换速度就越低。转换速度与转换原理有关，如逐位逼近式AD转换器的转换速度要比双积分式AD转换器高许多。除此以外，转换速度还与转换器的位数有关，一般位数少的（转换精度差）转换器转换速度高。,由于转换器必须在采样间隔Ts内完成一次转换工作，因此转换器能处理的最高信号频率就受到转换速度的限制。,50,3、D/A转换过程和原理,D/A转换器是把数字信号转换为电压或电流信号的装置,51,若D7-D0为ox00时，I=VREF/R,I7=1/2I;I6=1/2I7.此时反向端无电流输入即：I01=0；若D7=1,即D7-D0=0 x80时，I01=I7=1/2I；以此类推：当D7-D0=0 xff时，I01=I(1/2+1/22+1/23+1/24+1/25+1/26+1/27+1/28)=I/28(27+26+25+24+23+22+21+20)于是Vo=RfbVREF/R/28(27+26+25+24+23+22+21+20),52,采样定理,采样定理说明了一个问题，即当对时域模拟信号采样时，应以多大的采样周期（或称采样时间间隔）采样，方不致丢失原始信号的信息，或者说，可由采样信号无失真地恢复出原始信号。,53,54,为了保证采样后的信号能真实地保留原始模拟信号的信息，采样信号的频率必须至少为原信号中最高频率成分的2倍。这是采样的基本法则，称为采样定理。需要注意的是：在对信号进行采样时，满足了采样定理，只能保证不发生频率混叠，保证对信号的频谱作逆傅里叶变换时，可以完全变换为原时域采样信号xs(t)；而不能保证此时的采样信号能真实地反映原信号x(t)。工程实际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的3到5倍。,