《檢測系統(tǒng)設計》PPT課件

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1、機電一體化系統(tǒng)設計,學院：揚州大學機械學院 主講：曾 勵 2011.912,第2章 檢測系統(tǒng)設計,2.1 概述 2.2 機電一體化常用傳感器 2.3 信號放大電路 2.4 信號變換電路 2.5 信號調制與解調電路 2.6 信號的濾波電路 2.7 數(shù)字式傳感器信號檢測電路,2.1 概述,檢測系統(tǒng)是用于檢測有關外界環(huán)境及自身狀態(tài)的各種物理量及其變化，并將這些信號轉換成電信號，然后再通過相應的電路將所需要的信號檢測出來，反饋給控制裝置并顯示。 實現(xiàn)上述功能的傳感器及相應的信號檢測與處理電路，就構成了機電一體化系統(tǒng)中的檢測系統(tǒng)。 檢測系統(tǒng)檢測的有關物理量有：力、溫度、距離、變形、位置、功率等。 檢測系

2、統(tǒng)中應用了變換、放大、調制與解調、濾波、運算等電路。,,2.1 概述,檢測系統(tǒng)有：模擬傳感檢測系統(tǒng)、數(shù)字傳感檢測系統(tǒng) 模擬式傳感器檢測系統(tǒng)采用輸出信號為模擬信號的傳感器（如磁電式、電阻式、電感式、熱電式等）構成的檢測系統(tǒng)。電參量式傳感器，則需通過基本轉換電路將其轉換為電量(電壓、電流、電荷等)。傳感器的輸出已是電量，則不需要基本轉換電路。 數(shù)字式傳感器檢測系統(tǒng)采用輸出信號為增量碼信號的傳感器（如光柵、磁柵、容柵、感應同步器等）構成的檢測系統(tǒng)。傳感器的輸出經(jīng)放大、整形后形成數(shù)字脈沖信號。為了提高儀器分辨率，常常采用細分的方法，使傳感器的輸出變化1/n周期時計一個數(shù)，稱為n細分數(shù)。細分電路還常同時

3、完成整形作用。,,典型模擬式傳感器檢測系統(tǒng),數(shù)字式傳感器檢測系統(tǒng),2.1 概述,對檢測系統(tǒng)的基本要求: 精度、靈敏度和分辨率高， 線性、穩(wěn)定性和重復性好， 抗干擾能力強， 靜、動態(tài)特性好。 為了適應機電一體化產(chǎn)品的特點并滿足機電一體化設計的需要，還對傳感器及其檢測系統(tǒng)提出了一些特殊要求，如體積小、質量輕、價格便宜、便于安裝與維修、耐環(huán)境性能好等。,,2.2 機電一體化常用傳感器,1.傳感器的組成 一般由敏感元件、轉換元件和基本轉換電路三部分組成。 （1）敏感元件 直接感受被測量，并以確定關系輸出某一物理量。（2）轉換元件 將敏感元件輸出的非電物理量（如位移、應變、光強等）轉換成電參量（如電阻、

4、電感、電容等）。（3）基本轉換電路 將電參量轉換成便于測量的電量。,,一、傳感器的組成及基本特征,,,2.傳感器的基本特性 （1）傳感器的靜態(tài)特性 1）線性度 將傳感器實際測出的輸出-輸入校準曲線與某一選定擬合直線不吻合程度的最大值稱為傳感器的線性度，計算公式為,一、傳感器的組成及基本特征,,（1）傳感器的靜態(tài)特性,2）靈敏度 傳感器的靈敏度是傳感器在穩(wěn)定條件下，輸出量增量與被測輸入量增量之比。即 3）遲滯 遲滯表明傳感器輸入量增大行程期間（正行程）、輸入量減小行程期間（反行程），輸出-輸入曲線不重合的程度。遲滯誤差（也叫回程誤差）一般以滿量程輸出的百分數(shù)表示，由實驗方法確定，其表達式為,,,

5、（1）傳感器的靜態(tài)特性,4）重復性 重復性表示傳感器在同一工作條件下，被測輸入量按同一方向做全程連續(xù)多次重復測量時，所得輸出值的一致程度。 它是反映傳感器精度的一個指標，常用絕對誤差表示，由實驗方法來確定。重復性誤差用滿量程輸出的百分數(shù)表示，即,,（1）傳感器的靜態(tài)特性,5）分辨力 傳感器能檢測到的最小輸入增量稱分辨力，在輸入零點附近的分辨力稱為閾值。 6）零漂 傳感器在零輸入狀態(tài)下，輸出值的變化稱零漂，零漂可用相對誤差表示，也可用絕對誤差表示。 7）精度（精確度） 表示測量結果與被測“真值”的接近程度，精度一般用極限誤差來表示，或用極限誤差與滿量程之比按百分數(shù)給出。,（2）傳感器的動態(tài)特性,

6、1）時域性能指標 時間常數(shù)：輸出值上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所需的時間； 上升時間：輸出值從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%所需的時間； 響應時間：輸出值到達穩(wěn)態(tài)值的95%或98%所需的時間； 超調量： 在過渡過程中，若輸出量的最大值y(tp)y()，則響應無超調；若y(tp)y() ，則響應有超調，且,,（2）傳感器的動態(tài)特性,2）頻域性能指標 通頻帶：對數(shù)幅頻特性曲線上幅值衰減 3dB 時所對應的頻率范圍； 工作頻帶或：幅值誤差為 5% 或 10% 時所對應的頻率范圍； 相位誤差：在工作頻帶范圍內相角應小于 5或 10，即為相位誤差的大小。,2.2 機電一體化常用傳感器,1位移傳感器 （1）電感式傳感

7、器 電感式傳感器是基于電磁感應原理，能將被測非電量的變化轉換為電感量變化的一種結構型傳感器。 按其轉換方式的不同，可分為 1）自感型電感式傳感器 2）互感型電感式傳感器,,二、常用傳感器,1）自感型電感式傳感器,（A）可變磁阻式電感傳感器 可變磁阻式電感傳感器由線圈、鐵心和活動銜鐵等所組成。在鐵心和活動銜鐵之間保持一定的氣隙。 當線圈通以激磁電流時，其自感量L與磁路的總磁阻Rm有關，即 L=W 2/Rm 若不考慮磁路的鐵損，并忽略鐵心的磁阻，則總磁阻為 故,,,（B）電渦流式傳感器 高頻反射式渦電流傳感器的工作是利用金屬導體在交變磁場中的渦電流效應進行的。 實驗分析得出原線圈等

8、效阻抗Z 值由于渦電流的影響，其大小與金屬導體的電導率、磁導率、厚度h、金屬板與線圈的距離、激勵電流角頻率等有關，可建立單值函數(shù)關系。,2）互感型電感式傳感器,互感型電感傳感器是利用互感系數(shù)M的變化來反映被測量的變化。其實質是一個變壓器。當變壓器初級線圈輸入穩(wěn)定交流電源后，次級線圈便有感應電壓產(chǎn)生并輸出，該電壓的大小隨被測量的變化而變化。 差動變壓器式電感傳感器是常用的互感型傳感器，結構形式多樣，其中以螺管型應用較為普遍。 差動變壓器式電感傳感器主要由線圈、鐵心和活動銜鐵三個部分組成。,工作原理：線圈包括一個初級線圈和兩個反接的次級線圈，當初級線圈中有交流激勵輸入時，次級線圈中將會產(chǎn)生感應電動

9、勢e1和e2。 由于兩個次級線圈采用極性反接，因此，傳感器的輸出電壓為兩者之差，即 ey=e1e2 活動銜鐵能改變線圈之間的耦合程度。輸出ey的大小隨活動銜鐵的位置而變，輸出特性如圖所示。 優(yōu)點：差動變壓器式電感傳感器具有精確度高（高達0.1m數(shù)量級）；線圈變化范圍大（可擴大到100mm）；穩(wěn)定度好和使用方便。,（2）電容式位移傳感器 電容式位移傳感器是將被測物理量轉換成電容量變化的裝置。 從物理學得知，由兩個平行板組成的電容器的電容量為 上式表明，當、或發(fā)生變化時，都會引起電容C的變化?？梢越⑵鹪搮?shù)和電容量變化之間的對應關系。 電容式傳感器分為極距變化型、面積變化型和介質變化型三類，前面

10、兩種應用較為廣泛，都可用作位移測量。,1）極距變化型 當極間介質和兩極板相互覆蓋面積保持不變時，電容量C與極距呈非線性關系，當極距有微小變化時，電容的變化量為 傳感器的靈敏度 極距變化型電容傳感器具有靈敏度高、對被測系統(tǒng)影響小，可用于動態(tài)非接觸式測量等的優(yōu)點。適用于小位移（數(shù)百微米以下）的精確測量。 這種傳感器有非線性特性，傳感器的雜散電容對靈敏度和測量精確度的影響較大，電子線路也比較復雜，使其應用范圍受到一定的限制。,2）面積變化型 面積變化型電容傳感器可用于線位移及角位移測量。 面積變化型電容傳感器的原理是：當動板沿x方向移動時，起相互覆蓋的面積變化，電容量也隨之變化。電容量為 傳感器的

11、靈敏度 面積變化型電容傳感器的優(yōu)點是輸出與輸入成線性關系，但其靈敏度低于極距變化型，適用于較大的直線位移和角位移的測量。,（3）光柵傳感器 1）光柵的結構原理 光柵是一種新型的位移檢測元件；具有精度高、響應速度較快的特點。被廣泛應用于大位移的精密測量與控制中。 光柵由標尺光柵和指示光柵組成。兩光柵的刻線密度相同，指示光柵平行并靠近標尺光柵，二者的刻線相互傾斜一個很小的角度。當平行光垂直照射光柵時，在光柵的另一面就會出現(xiàn)若干條與刻線垂直的、明暗相間的粗大條紋，稱之為莫爾條紋。莫爾條紋具有位移放大作用，通過光電元件讀出移動的莫爾條紋數(shù)目，就可以知道光柵移過了多少個柵距，從而確定了位移量。,光柵測量

12、原理 1.標尺光柵 2.指示光柵 3.4.光電元件,莫爾條紋,2)莫爾條紋的特點： 具有位移放大作用 越小，B越大，相當于把柵距放大了1/倍 。 存在平均效應 由于莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成的，光敏元件接收的光信號是進入指示光柵視場內兩光柵線條總數(shù)的綜合平均效果。因此當某光柵有局部或周期誤差時，由于平均效應，這些誤差的影響會大大地削弱。,光柵測量線位移原理 1.標尺光柵 2.指示光柵,播放中,圓弧莫爾條紋,單擊準備演示,,播放動畫,光閘莫爾條紋,播放動畫,播放中,,長光柵莫爾條紋,,播放動畫,長光柵光閘莫爾條紋,,播放動畫,圖2.56 光柵信號的四細分與辨向原理,（4）感應同步器 感應

13、同步器是一種電磁式的位移檢測元件。它有直線式和圓盤式兩種，直線式由定尺和滑尺組成；圓盤式由轉子和定子組成。前者用于直線位移測量，后者用于角度位移的測量，它們的工作原理相同。 1）感應同步器的結構和工作原理 感應同步器結構： 長尺叫定尺，短尺叫滑尺?；吆投ǔ呦鄬ζ叫邪惭b。 繞組在長度方向的分布周期稱為節(jié)距，又稱極距，用2表示。 尺上的繞組均為矩形繞組，其中定尺繞組是連續(xù)的，滑尺上分布著兩個勵磁繞組，分別為正弦繞組（sin繞組）和余弦繞組（cos繞組）。它們在長度方向相差1/4節(jié)距。,感應同步器工作原理： 當對滑尺上某一繞組施加給定頻率的交流電壓時，由于電磁感應作用，在定尺繞組中產(chǎn)生感應電勢。

14、定尺繞組中感應的總電勢是滑尺上正弦繞組和余弦繞組所產(chǎn)生的感應電勢的矢量和?；咛幱诓煌恢脮r定尺繞組中感應電勢會隨之變化。如果把兩尺繞組重合的位置定為位移的0點，則定尺繞組中感應電勢與位移的關系可表示為：,,2）感應同步器的工作方式 鑒相法 在感應同步器滑尺的sin、cos兩個繞組上分別施加頻率相同、幅值相同，但相位相差90的正弦電壓，即 它在定尺繞組中產(chǎn)生的感應電勢分別為 則定子繞組感應的電勢為 只要測出余弦繞組電壓和定子繞組感應電勢之間的相位差，就可得到位移。,鑒幅法 在感應同步器滑尺的sin、cos兩個繞組上分別施加頻率相同、幅值不同的正弦電壓。此兩個正弦電壓的幅值又分別與電氣角成正、余

15、弦關系，即 其在定子繞組中產(chǎn)生的感應電動勢為 它們在定尺繞組中感應的電勢是相減，則 若電氣角已知，那么只要測量出的幅值，便可間接地求出被測位移值的大小。,（5）旋轉變壓器 旋轉變壓器是一種將機械轉角變換為與該轉角呈某一函數(shù)關系的電信號的精密微電機。從原理上講它相當于一個將一、二次繞組分別放置在定子和轉子上的可轉動的變壓器。 1）旋轉變壓器的結構 旋轉變壓器的結構和兩相繞線式異步電機相似，可分為定子和轉子兩大部分。其繞組分別嵌入各自的槽狀鐵心內。定子繞組通過固定在殼體上的接線引出。 有刷式旋轉變壓器。它的轉子繞組是通過滑環(huán)和電刷直接引出的。 無刷式旋轉變壓器，它分為兩大部分，即旋轉變壓器本體和附

16、加變壓器。,有刷式旋轉變壓器 無刷式旋轉變壓器,2）旋轉變壓器的工作原理 旋轉變壓器在結構上保證了其定子和轉子之間空氣間隙內磁通分布符合正弦規(guī)律。因此，當勵磁電壓加到定子繞組時，通過電磁耦合，轉子繞組便產(chǎn)生感應電勢。,四極繞組旋轉變壓器,兩極旋轉變壓器電氣工作原理圖,鑒相式工作方式 鑒相式工作方式是根據(jù)旋轉變壓器轉子繞組中感應電動勢的相位來確定被測位移大小的檢測方式。當S1S2和K1K2中分別通以交流勵磁電壓 分別感應到轉子B1B2中的電壓為 根據(jù)線性疊加原理，在轉子繞組B1B2中的感應電動勢VB為,鑒幅式工作方式 鑒幅式工作方式是通過對旋轉變壓器轉子繞組中感應電動勢幅值的檢測來

17、實現(xiàn)的。設定子繞組S1S2和K1K2分別輸入以角速度隨時間t變化的交流勵磁電壓 分別感應到轉子B1B2中的電壓為 根據(jù)疊加原理，可以得出轉子繞組B1B2中的感應電動勢VB為,（6）光電編碼器 光電編碼器是一種光學式位置檢測元件，編碼盤直接裝在旋轉軸上，以測出軸的旋轉角度位置和速度變化，其輸出信號為電脈沖。 特點： 檢測方式是非接觸式的，無摩擦和磨損，驅動力矩??； 由于光電變換器性能的提高，可得到較快的響應速度； 由于照相腐蝕技術的提高，可以制造高分辨率、高精度的光電盤，母盤制作后，復制很方便，且成本低。 缺點是抗污染能力差，容易損壞。 按照編碼化的方式，可分為增量式和絕對值式兩種。,1）增量式

18、光電編碼器 增量式編碼器包括：等節(jié)距的輻射狀透光窄縫圓盤E ，光源Q1、Q2，光電元件DA、DB、DC ，DA與DB錯開90相位角安裝。 增量式編碼器工作原理 當圓盤旋轉一個節(jié)距時，在光源照射下，就在光電元件DA、DB上得到光電波形輸出，A、B信號為具有90相位差的正弦波，這組信號經(jīng)處理后得到方波輸出，利用A相與B相的相位關系可以判別編碼器的旋轉方向。 C相產(chǎn)生的脈沖為基準脈沖，又稱零點脈沖，它由光照盤上一單個的窄縫產(chǎn)生，旋轉一周只產(chǎn)生一個單獨的脈沖，可以用來定位。 A、B相脈沖信號經(jīng)頻率-電壓變換后，得到與轉軸轉速成比例的電壓信號，它就是速度反饋信號。,光學編碼器原理,增量式編碼器的輸出脈沖

19、,2）絕對值式光電編碼器 增量式編碼器的缺點是有可能由于噪聲或其他外界干擾產(chǎn)生計數(shù)錯誤，或因突然停電等事故后不能再找到事故前部件的正確位置。 絕對值式編碼器是通過讀取編碼盤上的圖案來表示數(shù)值的。圓盤上的每一環(huán)對應一個二進位，空白的部分透光，用“0”表示，涂黑的部分表示不透光，用“1”表示。隔著圓盤從后側用光源照射。編碼盤每一環(huán)配置的光電變換器對應相應的二進制位。,絕對值式光電編碼器的特點： 坐標值可直接從絕對編碼盤中讀出，不會有累積進程中的誤計數(shù)；運轉速度可以提高； 編碼器本身具有機械式存儲功能，即使因停電或其它原因，造成坐標值回零，通電后，仍可找到原坐標位置。 當轉角大于360時，需作特別處

20、理，而且必須用減速齒輪將兩個以上的編碼器連接起來，組成多級檢測裝置，使其結構較為復雜、成本也較高。(缺點),2速度、加速度傳感器 （1）測速發(fā)電機 測速發(fā)電機是一種測量轉速的信號元件，它將輸入的機械轉速變換為電壓信號輸出。其工作原理與電機原理相同。,,（2）差動變壓器式速度、加速度傳感器 利用差動變壓器測量速度時，其一次線圈同時供以交流和直流 當差動變壓器的磁芯以被測速度移動時，在兩個二次線圈中產(chǎn)生感應電動勢，將它們的差值通過低通濾波器濾除及以上的高頻分量后，可得到與速度相對應的電壓輸出,,,（3）光電式速度和轉速傳感器 物體以速度移過光電池前的遮蓋擋板時，光電池輸出階躍電壓信號，經(jīng)微分電路形

21、成兩個脈沖輸出，測出兩脈沖的時間間隔，則可測得速度為,,,3力、壓力和力矩傳感器 （1）測力傳感器 測力傳感器由膜片等能產(chǎn)生形變的結構部分和裝入盒內的應變桿及貼在應變桿上的應變片等組成。通過測量應變片的電壓輸出即可推斷受力大小。它能對數(shù)克到數(shù)噸重的載荷進行測量。,差動變壓器式力傳感器當力作用于傳感器時，彈性元件產(chǎn)生變形，從而導致銜鐵相對線圈移動。線圈電感量的變化通過測量電路轉換為輸出電壓，其大小反映了受力的大小。,微壓力傳感器在無壓力作用時，膜盒在初始狀態(tài)，與膜盒聯(lián)接的銜鐵位于差動變壓器線圈的中心部。當壓力輸入膜盒后，膜盒的自由端產(chǎn)生位移并帶動銜鐵移動，差動變壓器產(chǎn)生一正比于壓力的輸出電壓。,

22、（2）壓力測量傳感器 A. 膜式壓力傳感器 彈性元件為四周固定的等截面圓形薄板，又稱為平膜板或膜片。膜的一個表面上承受被測分布壓力，另一側面貼有應變計。應變計接成橋路輸出。,,,B. 筒式壓力傳感器 彈性元件為薄壁厚底圓筒。 特點：圓筒受壓后外表面各處的應變是相同的，所測得的應變值不受應變計的粘貼位置的影響。適用于較大壓力的測量。,,,或,（3）力矩傳感器 左圖驅動軸通過裝有應變片的腕部與手部聯(lián)接。當驅動軸回轉并帶動手部回轉而擰緊螺釘時，手部所受力矩的大小可通過應變片電壓的輸出測得。 右圖傳動軸的兩端安裝上磁分度圓盤，分別用磁頭檢測兩圓盤之間的轉角差，用轉角差與負荷成比例的關系，即可測量負荷力

23、矩的大小。,2.2 機電一體化常用傳感器,選擇傳感器應主要考慮： 1）輸入與輸出之間的線性關系，靈敏度； 2）動態(tài)特性； 3）滯后、漂移誤差； 4）內部噪聲和抗干擾能力； 5）橫向靈敏度和交叉靈敏度；,6）對被測對象的影響； 7）重復精度； 8）穩(wěn)定性； 9）功耗情況； 10）維修和校準，使用性能；,,三、傳感器的選用,1.傳感器的靜態(tài)特性 （1）選用傳感器時，應使被測量的變化范圍在傳感器的線性范圍以內，并保證線性誤差在允許范圍內； （2）傳感器分辨力或分辨率的選擇。對指針式儀表最小的一個分格所對應的輸出量叫分辨力；對數(shù)字式儀表數(shù)碼管最低位跳變一個數(shù)字所對應的輸出量叫分辨力。分辨力除以滿量程叫

24、分辨率，傳感器的分辨力或分辨率從數(shù)值上應小于測量要求的分辨力或分辨率； （3）精度或誤差應滿足測量要求。在滿足實際要求的條件下，精度要求不宜定得過高，因為精度每提高一級將導致價格成倍跳升，而且高精度的測量儀表通常易于損壞，難于修復。,2.傳感器的動態(tài)特性 用于動態(tài)測量的傳感器，都會給出動態(tài)特性指標。通常是頻率特性參數(shù)，如固有頻率或使用頻率。 在選用傳感器前，首先要分析被測信號的頻譜，確定信號的最高頻率或頻寬，按照所要求的測量精度，根據(jù)信號的最高頻率和頻寬選擇具有合適的固有頻率或使用頻率的傳感器。,3.工作環(huán)境和條件的要求 （1）需要長期連續(xù)運行的傳感器，其運行穩(wěn)定、可靠性高、維修方便是首要要求

25、，缺乏足夠運行實踐的不宜選用； （2）安裝空間受到限制時，應選用體積小，結構簡單的； （3）安裝傳感器會改變被測量狀態(tài)，即負載效應不容忽視時，應選用非接觸式傳感器。 （4）在高溫、高濕環(huán)境下工作，應考慮傳感器穩(wěn)定性和絕緣特性，選擇溫漂小，絕緣好的傳感器； （5）在電氣干擾較大的環(huán)境下工作時，應選用帶屏蔽等抑制干擾措施的傳感器。,2.3 信號放大電路,信號放大電路也稱放大器，用于將傳感器或經(jīng)基本轉換電路輸出的微弱信號不失真地加以放大，以便于進一步加工和處理。 對放大器的要求：具有高輸入阻抗共模抑制能力強失調及漂移小噪聲低閉環(huán)增益穩(wěn)定性高等性能。,,直流放大電路,1) 反相放大器 電壓增益: 反饋

26、電阻RF值不能太大，否則會產(chǎn)生較大的噪聲及漂移，一般為幾十千歐至幾百千歐。R1的取值應遠大于信號源Ui的內阻。,,同相放大器也是最基本的電路 ，其閉環(huán)電壓增益Av為: 同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點，廣泛用于前置放大級。,2)同相放大器,交流放大電路,若只需要放大交流信號，可采用圖示的集成運放交流電壓同相放大器。其中電容C1、C2及C3為隔直電容。 R1一般取幾十千歐。耦合電容C1、C3可根據(jù)交流放大器的下限頻率fL來確定。,,,2.3 信號放大電路,抑制放大器噪聲的措施： 1)壓縮放大器帶寬，濾除通帶以外的各種噪聲信號； 2)減小信號源電阻，盡量使其與放大器的等效噪聲電阻

27、相等，以實現(xiàn)噪聲阻抗匹配； 3)選用低噪聲放大元件，減小噪聲的產(chǎn)生； 4）減小接線電纜電容的影響及干擾因素的影響。,,1.同相輸入差動放大器 兩輸入信號均采用同相輸入以提高輸入阻抗。為保證共模抑制比，取 則放大器輸出為,一、高輸入阻抗放大器,2.高輸入阻抗反相放大器 如圖圖2.9所示，其中兩個運算放大器N1和N2的輸出與輸入關系分別為,1.差動放大器 圖a為兩被測信號Ui1和Ui2分別從運算放大器的兩端輸入，其輸出信號為,二、高共模抑制比放大器,高共模抑制比差動放大器,1.差動放大器,若取R1=R2，R3=Rf，則上式變?yōu)?共模信號輸時，Ui1= Ui2= Uic , 若使電路參數(shù)滿足匹配關系

28、R1=R2 ，R3=Rf ，則放大器共模增益為零，共模抑制比(差模增益與共模增益之比)為無窮大。,高共模抑制比差動放大器,1.差動放大器,若要改變差模增益Rf /R1，必須同時改變電阻R2和R3。為便于增益調整，且保持高共模抑制比，可采用圖b所示電路，其輸出信號為,高共模抑制比差動放大器,2.三運放測量放大器 下圖是一種同相輸入并串聯(lián)差動測量放大器，由三個運算放大器組成。 它具有高輸入阻抗、低失調電壓、低溫度漂移系數(shù)和穩(wěn)定的放大倍數(shù)、低輸出阻抗的特點。其中第一級是兩個對稱的同相放大器，它提高了輸入阻抗和共模抑制能力，將雙端輸入變?yōu)閱味溯斎搿?測量放大器的組成,差模增益為 共模增益為零。,測量放

29、大器的差模輸出為,電路的特點：具有高輸入阻抗、低失調電壓、低溫度漂移系數(shù)和穩(wěn)定的放大倍數(shù)、低輸出阻抗。 測量放大器的放大倍數(shù)由式為,在計算機控制系統(tǒng)中的問題：在惡劣環(huán)境下遠距離可靠傳送微弱電信號。小信號雙線變送器是解決這個問題的有效方法。小信號雙線變送器將現(xiàn)場的微弱信號轉化為420mA的標準電流輸出，然后通過一對雙絞線傳送信號，這對雙絞線能實現(xiàn)信號和電源一起傳送。 1.XTR101雙線變送器原理 如圖2.48所示，它由高精度測量放大器（IA）、壓控輸出電流源和雙匹配精密參考電流組成，它將加在引腳3和引腳4上的差動電壓變換為電流輸出，在輸入不變的前提下，電流輸出大小由 Rs 決定。XTR101可

30、用于電阻類傳感器測量電路。 2.鉑電阻溫度測量與傳送電路 如圖2.49所示。,三、小信號雙線變送器,,圖2.48 XTR101雙線變送器原理框圖 圖2.49 鉑電阻溫度測量傳送電路,測量放大器必須對輸入偏流提供一條返回通路，而且大的共模電壓會損壞輸入電路，因此在輸入電路和輸出電路要求彼此隔離時應采用隔離放大器。其信息傳遞是通過磁路和光路來實現(xiàn)的。 隔離放大器應用場合：1)測量處于高共模電壓下的低電平信號；2)消除由于信號源地網(wǎng)絡的干擾所引起的誤差；3)避免形成地回路及其寄生拾取問題（不需要對偏流提供返回通路）；4)保護應用系統(tǒng)電路不致因輸入端或輸出端大的共模電壓造成損壞；5)為儀器儀表提供安

31、全接口。,四、隔離放大器,圖2.17 Model 277隔離放大器電路框圖,1.變壓器耦合隔離放大器 AD公司生產(chǎn)的Model 277變壓器耦合隔離放大器結構框圖。,放大器的組成：高性能的輸入放大器、調制和解調器、信號耦合變壓器及輸出運算放大器，其工作過程如下：直流信號經(jīng)放大后由調制器變?yōu)榻涣?，通過耦合變壓器饋給輸出電路，解調器把輸入回路饋給的信號轉換為原信號并經(jīng)濾波器送至輸出運算放大器。輸入電路的電源由逆變器提供。 2.光耦合隔離放大器采用光路傳送信息的隔離放大器稱為光耦合隔離放大器。圖2.18是B-B公司生產(chǎn)的一種小型廉價的光耦合隔離放大器ISO100，它將發(fā)光二極管的光反向送回輸入端（負

32、反饋），正向送至輸出端，經(jīng)過加工處理和仔細配對來保證放大器的精度、線性度和時間溫度的穩(wěn)定性。,圖2.18 ISO100 電路原理圖,程控增益放大器可由測量放大器、模擬開關及電阻網(wǎng)絡來實現(xiàn)，也可采用集成程控測量放大器，如PGA200/201、PGAl02、PGA100、AD612/614等。 PGA100是B-B公司生產(chǎn)的8級二進制可編程增益控制運算放大器。 PGA100的8個二進制增益1，2，4，8，16，32，64，128及相應的8個模擬通道，由A2A1A0選擇模擬通道，由A5A4A3選擇增益，選擇方法如表2.1所示。,五、程控增益放大器,,,圖2.19 PGA100管腳與接法,表2.1程控

33、增益放大器的增益和通道選擇,通道的數(shù)字輸入在時鐘CP的上升沿鎖存,2.4 信號變換電路,被測物理量經(jīng)傳感器變換后，往往成為電阻、電容、電感等電參數(shù)的變化，或電荷、電壓、電流等電量的變化。當傳感器的輸出信號是電參數(shù)形式時，需采用基本轉換電路將其轉換成電量形式，然后送入后續(xù)檢測電路。,,2.4 信號變換電路,1差分電路 差分電路主要用于差分式傳感器信號的轉換。常用的有四種差分電路。,,一、基本轉換電路,,,,,2.非差分橋式電路,,,,3.調頻電路 右圖是一種適用于電容式傳感器的調頻電路。 由傳感器電容C和標準電感L構成諧振電路并接入振蕩器中，振蕩器輸出信號的頻率隨傳感器電容C的變化關系為,4.脈

34、沖調寬電路 右圖是一種將傳感器的電容C或電阻R的變化轉換成輸出信號U0的脈沖寬度變化的電路。 其工作原理是電源Ui通過R對C充電。當C上的充電電壓超過參考電壓UR時，比較器N翻轉，使U0發(fā)生階躍變化，同時通過開關控制電路控制開關S使C放電。輸出信號U0的脈寬B隨電容C或電阻R的變化而變化，即,1過零比較器 過零比較器可用于判斷輸入信號是高于零電平還是低于零電平。這種電路具有信號整形功能。 （1）無回差的過零比較器,二、電平檢測及轉換電路,無回差的過零比較器,（2）有回差的過零比較器,具有回差的零值比較器,2差動型電平檢測器 輸入差值電壓U =Ui -UR大于零時，即Ui大于UR時，運算放大器輸

35、出低電平通過R使齊納管Dz正向導通，輸出低電平為-0.7V。 當U 小于零時，即時，運算放大器輸出高電平將通過R使齊納管Dz反相擊穿，輸出高電平為Uz。,差動型電平檢測器電路,,1.電流與電壓間的變換電路 （1）電流-電壓（I-U）變換電路 最簡單的電流-電壓變換電路采用高輸入阻抗運算放大器組成的電流-電壓變換器。在理想條件下,三、模擬信號變換電路,帶差分放大器的大電流-電壓變換電路利用小阻值的取樣電阻Rs把電流轉變?yōu)殡妷汉螅儆貌罘址糯笃鞣糯?。輸入電流?.11A范圍內，變換精度為0.5%。,只要選用R1=R2=RF，R3=R4=R5=R6=Rf，則差分放大倍數(shù)為 由上式可見，R7越小，Kd

36、越大。,（2）電壓-電流（U-I）變換電路 1)具有電流串聯(lián)負反饋的U/I變換電路 具有電流串聯(lián)負反饋的U/I變換電路，在理想條件下， 又因 ib2=0 ,所以,2)具有電流并聯(lián)負反饋的U/I變換電路 具有電流并聯(lián)負反饋的U/I變換電路，在理想條件下 得,2.絕對值檢測電路 （1）絕對值電路原理 絕對值電路就是全波整流電路。 其特點是將交變的雙極性信號轉變?yōu)閱螛O性信號。 右圖是由線性集成電路和二極管一起組成的絕對值電路。,,當輸入信號Ui為正極性時，因A1是反向輸入，因此D2截止， D1導通。若選配R1=R2、R6=R4=2R5，則輸出電壓U0+為 當輸入信號Ui為負極性時，D1截止，D2導

37、通，則U01被D1切斷，不能輸入到A2的輸入端，則輸出電壓U0-為,（2）絕對值電路的性能改善 1）提高輸入阻抗 在前面的絕對值電路中，由于采用了反相輸入結構，其輸入電阻較低。當信號源內阻較大時，在信號源與絕對值電路之間就不得不接入緩沖級，從而使電路復雜化。為了使電路盡可能簡單而輸入阻抗又高，可將圖中的運算放大器改成同相輸入形式，改進后的絕對值電路的輸入電阻約為兩個運算放大器的共模輸入電阻并聯(lián)，可高達10M以上。 其工作原理與前面的絕對值電路基本相同。,,2）減小匹配電阻的絕對值 上述兩電路若要實現(xiàn)高精度絕對值轉換，就必須精確選配電阻。 右圖是經(jīng)改進后的絕對值電路。這個電路只需精確選配一對電阻

38、，即R1=R2，就可滿足高精度絕對值轉換的要求。,3.電壓保持電路 （1）采樣保持電路 A/D轉換器的孔徑時間在對模擬信號進行模數(shù)轉換時，從啟動變換到變換結束的數(shù)字量輸出，需要一定的時間。 采樣保持器由于孔徑時間的存在，當輸入信號頻率提高時會造成較大的轉換誤差。要防止這種誤差的產(chǎn)生，必須在A/D 轉換開始時將信號電平保持住，而在A/D轉換后又能跟蹤輸入信號的變化，完成這種功能的器件叫采樣保持器。 在模擬量輸出通道，為使輸出得到一個平滑的模擬信號，或對多通道進行分時控制，也常采用采樣保持器。,,采樣/保持器由存儲器電容C、模擬開關S 等組成。 當S接通時，輸出信號跟蹤輸入信號，稱采樣階段。 當S

39、斷開時，C兩端一直保持S斷開時的電壓，稱保持階段。 為使采樣/保持器具有足夠的精度，一般在輸入級和輸出級均采用緩沖器，以減少信號源的輸出阻抗，增加負載的輸入阻抗。在電容選擇時，使其大小適宜，以保證其時間常數(shù)適中，并且其漏泄要小。,隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，目前已生產(chǎn)出多種集成采樣/保持器。為了使用方便，有些采樣/保持器的內部還設有保持電容。 常用集成采樣/保持器有可用于一般目的：AD582 、 AD583 、 LF198 系列等；用于高速場合的：HTS-0025 , HTS-0010 , HTC-0300 等；用于高分辨率場合的：SHAll44 等。 集成采樣/保持器的特點是： l）采樣速

40、度快、精度高，一般在 22.5s，即達到0.01%0.003%。 2）下降速度慢，如AD585 , AD348為0.5mV/ms，AD389為0.1 mV/ms。,LF398內部由輸入緩沖級、輸出驅動級和控制電路只部分組成。控制電路中A3主要起到比較器的作用；其中7腳為控制邏輯參考電壓輸入端，8腳為控制邏輯電壓輸入端。 當輸入控制邏輯電平高于參考端電壓時，A3輸出一個低電平信號驅動開關S閉合，此時輸入經(jīng)A1后跟隨輸出到A2，再由A2的輸出端跟隨輸出，同時向保持電容（接6端）充電； 而當控制端邏輯電平低于參考電壓時， A3輸出一個正電平信號使開關S斷開，以達到非采樣時間內保持器仍保持原來輸入的目

41、的。因此A1、A2是跟隨器，其作用主要是對保持電容輸入和輸出端進行阻抗變換，以提高采樣保持器的性能。,（2）峰值保持電路 1）峰值保持電路原理 峰值保持電路是一種模擬存儲電路。當加以有輸入信號時，它自動跟蹤輸入信號的峰值，并將該峰值保持下來。 當輸入電壓為正信號時，二極管導通，電容被充電到輸入電壓的峰值； 當輸入信號過峰值而下降時，二極管截止，電容上的電荷因無放電回路而保持下來。只有當輸入信號上升到大于電容上的電壓后，二極管才導通，使輸出跟蹤輸入直到新的峰值并將其保持下來。,2）峰值保持電路,電壓與脈沖量之間的變換電路主要有電壓-頻率（V/F）變換器、頻率-電壓（F/V）變換器以及電壓-脈寬（

42、U/H）變換器。 1.電壓-頻率（V/F）變換器和頻率-電壓（F/V）變換器 電壓-頻率（V/F）變換器是輸出信號頻率正比于輸入信號電壓的線性變換裝置，其傳輸函數(shù)可表示為 頻率-電壓（F/V）變換器是輸出信號電壓正比于輸入信號頻率的線性變換裝置，其傳輸函數(shù)可表示為 由于上述兩種變換器不需要同步時鐘，因此，其成本比A/D（模數(shù)轉換器）和D/A（數(shù)模轉換器）低得多，與計算機連接時特別簡單。它們都可以用運算放大器加上一些元件組成。,四、電壓與脈沖量間的變換電路,頻率-電壓（F/V）變換器,用于增量式光電編碼器能測可逆轉向的頻壓轉換電路： 該電路由一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器MT，一個D觸發(fā)器DT、一個異或門EX-

43、OR和一直流差動放大器A 組成。 設DT、MT、EX-OR輸出的高電平均為usV，低電平均為0V，MT的暫態(tài)時間為 。 當光電編碼器正轉，輸出方波頻率f代表轉速的大小，此時MT輸出的直流分量為usf，而DT輸出為0，故EX-OR輸出的直流分量亦為usf，經(jīng)R1、R2分壓加到差動放大器同相輸入的電壓為usf /2，而加到反相輸入端的電壓為0，故放大器A的輸出電壓為,當光電編碼器反轉時，MT輸出直流分量仍為usf (其中f代表轉速大小)，DT輸出為us，EX-OR輸出直流分量為us(1-f )。此時加到放大器A同相輸入端的電壓為us(1-f )/2、加到反相輸入端的電壓為us/2 。故放大器A輸出

44、電壓,2.電壓-脈寬（U/H）變換電路,1）三角波發(fā)生器原理 三角波發(fā)生器由具有正反饋的運算放大器A1及阻容元件R4、C組成。若設A1起始時輸出為正向限幅電壓UW，它一方面通過R1、 R2正反饋電路使同相端的電壓為,同時，UW通過R4對電容充電，使UF（= UC）逐漸增大。 A1實質上是一個比較器，當UF= U1時， A1翻轉，輸出由正向限幅電壓突變?yōu)樨撓蛳薹妷?UW ，同相端的電壓變?yōu)?與此同時，電容C通過R4放電，使UF 逐漸減小。當UF= U2時， A1再次翻轉，輸出由-UW又跳回UW， UW由U2跳回U1 ， UW又開始向電容C充電。如此循環(huán)，形成自激振蕩，在三角波發(fā)生器輸出端（即電

45、容C兩端）得到近似三角波如圖所示。,2）三角波振蕩周期計算 因為充電與放電回路相同，充電及放電電壓對稱于零點，所以充、放電的持續(xù)時間相同，均為振蕩周期的一半。要計算三角波的周期，只需計算其中的一個放電過程然后乘以2即可。,3）輸出脈沖寬度計算 輸出的三角波信號經(jīng)過電壓比較器整形變換為脈沖信號，其工作原理是將輸入電壓與三角波電壓進行比較。當 時，輸出正向飽和電壓； 時，輸出負向飽和電壓。的輸出是矩形脈沖波，如圖2.75所示，矩形波的周期等于恒定的三角波周期值。矩形波的脈沖寬度可根據(jù)圖2.76利用相似三角形的關系求得,圖2.76 H與Ui的關系,圖2.75 比較器A2的輸出波形圖,為了使U

46、/H變換器的量程及零點滿足設計要求，常在,的同相端引入一負的偏置電壓,，此時，,為保證三角波的良好線性，通常,2.5 信號調制與解調電路,調制利用載波信號給所需傳送的信號賦以某種特征頻率，使與其它信號相區(qū)別，以提高傳送效率和抗干擾能力。 機電一體化檢測系統(tǒng)中采用調制的兩種情況： 經(jīng)傳感器變換后的信號常是緩變的微弱電信號，直接傳輸易受干擾且信號損失大，因此調制成變化較快的交流信號，經(jīng)交流放大后傳輸。 傳感器的電參量在變換成電壓量的過程中用調制和解調的方法進行變換。 解調最終從已調制波中恢復出調制信號的過程。解調的目的則是為了恢復原信號。,,2.5 信號調制與解調電路,解決微弱緩變信號的放大以及信

47、號的傳輸問題。,,,種類,a) 幅度凋制(AM),b) 頻率調制(FM),c) 相位調制(PM),1.調幅原理 調幅就是用調制信號x去控制高頻振蕩（載波）信號的幅度。 常用的方法是線性調幅，即讓調幅波的幅值隨調制信號x按線性規(guī)律變化。調幅波的表達式可寫為： 式中，c 為載波信號的角頻率； Um 為原載波信號的幅度； m 為調制靈敏度或調制深度,一、信號的調幅與解調,,調 幅,（1）相乘型幅值調制電路 為了進行幅值調制，需要獲得調制信號與載波信號的相乘項。,半波相乘調制電路,全波相乘調制電路,調制原理： 圖中，VF1和VF2是場效應管開關，其柵極分別加以Uc 和Uc ，使它們交替導通和截止。在U

48、c為高電平的半周期，VF1導通，VF2截止， 輸出信號uo = ui ；在另一半周期內，VF1截止，VF2導通，輸出端接地， uo = 0。,1）半波調幅,串并聯(lián)幅值調制,調制原理： 1）在載波信號Uc為高電平時，VF1導通，VF2截止，A點電位等于輸入端電位，同時VF4導通，VF3截止，B點接地，則輸出電壓Uo=UAB=Ui； 2）在Uc的另半周期內，情況正好與上述相反，B點電位等于輸入端電位，A點接地，于是Uo=UAB=-Ui 。,全波相乘調制電路,2）全波調幅,（2）相加型幅值調制電路,圖為一種典型的相加型幅值調制電路。圖中，加到 VD1、VD2 的電壓分別為 與 ，故稱

49、相加型調幅電路。由于 的幅值遠大于 的幅值， 控制 VD1 、VD2 的通斷，使兩臂分別輸出 與,,由于電路接成差動形式，它使 相消，得到 ，靠變壓器 T3 （起高通濾波器作用）將 項隔離。含 及更高次諧波項靠低通濾波器濾除，獲得 項，即調幅信號。,2.調幅波的解調 解調（檢波）：從已調信號中檢出調制信號的過程。 （1）包絡檢波 原理： 利用二極管等具有 單向導電性能的器 件，截去調幅信號 的下半部，再用濾 波器濾除其高頻成 分，從而得到按調 幅波包絡線變化的 調制信號。,,包絡檢波,1)二極管整流 圖2.82是采用二極管VD作為整流元件的包絡

50、檢波電路，輸出信號波形如圖2.81c所示。,包絡檢波,圖2.82 二極管包絡檢波,2)晶體管整流 圖2.83是采用晶體管VT作為整流元件實現(xiàn)平均值檢波的電路，輸出信號波形如圖2.81d所示。,包絡檢波,圖2.83 晶體管包絡檢波,（2）相敏檢波,1）調幅信號波形的特點 由下圖可見：1）當調制信號為零時，調幅信號的幅值也為零；2）無論調制信號是正值還是負值，調幅信號的幅值都是正值；3）當調制信號由正值變?yōu)樨撝禃r，調幅信號的相位變化180。,2.相敏檢波電路 工作原理為： 當Uc=1時，VF導通，放大器的同相輸入端接地，us只從反相輸入端輸入，放大器增益為1，其輸出信號u0us，如圖b、c中實線所

51、示。當Uc0時，VF截止，us同時從同相和反相輸入端輸入，放大器增益為+1，輸出信號u0us ，如圖b、c中虛線所示。 圖b、c分別表示了us與Uc同相和反相的情形。由于Uc相位不變，而us在調制信號過零時反相，因此，在us與Uc同相或反相時，得到的輸出信號u0極性相反，從而實現(xiàn)了相敏檢波。,開關控制式相敏檢波,1.頻率調制 頻率調制是讓一個高頻振蕩的載波信號的頻率隨被測量 (調制信號)而變化，則得到的已調制信號中就包含了 的全部信息。對于線性調頻： 式中，Um和c分別是載波信號幅值和中心角頻率， 稱調制深度。,二、信號的調頻與解調,調頻信號的波形,,調頻方法：傳感器調頻、電參數(shù)調頻、電壓調

52、頻等。 （1)振弦式調頻 用于測量力的振弦式傳感器的原理圖，其中振弦3的一端與支承4相連，另一端與膜片l相連。在外加激勵作用下，振弦3按固有頻率c振動，且隨張力FT變化而變化。振弦3在磁場2內振動時產(chǎn)生感應電勢，是張力FT調制的調頻信號。,圖2.31 振弦式調頻傳感器,( 2）電參數(shù)調頻 由電容C和電感L構成諧振電路并接入振蕩器中，若該電容(或電感)為振蕩器的諧振回路中的一個調諧參數(shù)，那么電路的諧振頻率將受制于電容或電感傳感器的參數(shù)變化，諧振頻率為,在被測量小范圍變化時，以電容(或電感)作為調諧參數(shù)，對上式進行線性化可得,調頻電路,頻率解調又稱鑒頻或頻率檢波，常用的方法有微分鑒頻、斜率鑒頻和相

53、位鑒頻三種。以微分鑒頻為例。,調頻波是以正弦波頻率的變化來反映被測信號的幅值變化。因此調頻波的解調是先將調頻波變換成調頻調幅波，然后進行幅值檢波。調頻波的解調由鑒頻器完成。通常鑒頻器由線性變換電路與幅值檢波器構成。即,顯然，調頻信號us的微分是一個調頻調幅信號，利用包絡檢波器可檢出其幅值Um(c+mx)，再通過零點和靈敏度標定，即可獲得調制信號x。,(1)微分鑒頻電路 如圖4-36所示，其中電容CD與晶體管VT的發(fā)射結正向電阻re構成微分電路，VT又與電阻RL構成包絡檢波電路；二極管VD一方面為VT提供直流偏壓，另一方面又為CD提供放電回路；輸出端電容C用來濾除包絡檢波后的高頻載波信號。該微分

54、鑒頻電路結構簡單，但其靈敏度較底，為正確實現(xiàn)微分，要求CD<<1/（ere），導致輸出信號較小。,圖4-36 微分鑒頻電路,,鑒頻：,,(2)窄脈沖鑒頻電路 窄脈沖鑒頻電路如圖所示，采用單穩(wěn)電路形成窄脈沖以代替微分。us的瞬時頻率越高，窄脈沖越密，經(jīng)低通濾波后輸出的電壓u0越大；窄脈沖寬度 大，靈敏度高，但 必須小于調頻信號的最小瞬時周期。,圖4-37 窄脈沖鑒頻電路原理,1、相位調制是讓一個具有特定角頻率c的高頻載波信號的相位隨被測量x而變化，則已調制信號中就包含了x的全部信息。線性調相的一般表達式為 調相信號us的瞬時角頻率為 因此，對調相信號進行放大時，放大器的通頻帶應按上式所確

55、定的的變化范圍來選擇。,三、信號的相位調制與解調,1)傳感器調相 圖4-29是扭矩傳感器調相原理圖，其中彈性軸1上裝有兩個完全相同的齒輪2，在軸1和齒輪2轉動時，在傳感器3、4中產(chǎn)生交變的感應電動勢。 當彈性軸上無扭矩作用時，兩個傳感器中的交變信號相位差為零； 當有扭矩作用時，彈性軸產(chǎn)生扭矩變形，兩個齒輪相對位置發(fā)生變化，兩路傳感器信號的相位差也發(fā)生變化，且相位差與扭矩成線性關系。如果將一路傳感器信號作為基準信號，另一路傳感器信號就是調相信號，其載波頻率為軸1的轉速與齒輪2的齒數(shù)之積。,圖4-29 輸出調相信號的扭矩傳感器,2)調相電橋 圖4-30所示調相電橋可用于對電容式、應變片式、壓阻式等

56、傳感器的輸出信號進行相位調制。當傳感器電容C或電阻R改變時，Uc或UR隨之改變，但兩者的合成電壓U卻不變，因而A點電位在一個直徑為U的半圓上變動，即輸出信號Us的幅值保持不變，相位卻隨C或R的變化而變化，從而得到電容C或電阻R的調相輸出信號。,圖4-30 調相電橋,（2）相位解調 相位解調又稱鑒相或比相，常用的方法有異或門鑒相、RS觸發(fā)器鑒相、脈沖采樣鑒相等。 1)異或門（又稱半加器）鑒相 基本電路如圖4.31所示，兩個輸入信號分別是參考信號Uc和調相信號Us，輸出信號U0是脈寬B與相位差 相等的脈沖信號，如圖b所示。,圖4.31 異或門鑒相,經(jīng)低通濾波器濾除U0中的交變分量后，就可得到與

57、成比例的平均電壓u0。還可以將U0作為門控信號去控制一個與門的開或關，以決定時鐘脈沖的通過數(shù)量，如圖c所示。,在U0為高電平時，通過與門的時鐘脈沖數(shù)與脈寬B成正比。U0的下跳沿產(chǎn)生寄存指令，將計數(shù)器所計的脈沖數(shù)N送入寄存器，并在延時片刻后將計數(shù)器清零。設時鐘頻率和調相信號頻率分別為f和fc，則,2) RS觸發(fā)器鑒相電路 圖4-32是RS觸發(fā)器鑒相原理圖。,圖4-32 RS觸發(fā)器鑒相,2.6 信號的濾波電路,濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分。,,一、濾波器的分類和基本參數(shù),,(1)濾波器的分類 根據(jù)濾波器的選頻作用，分為：低通、高通、帶通和帶阻濾波器；

58、 根據(jù)構成濾波器的元件類型分為:RC、LC或晶體諧振濾被器； 根據(jù)構成濾波器的電路性質分為:有源濾波器和無源濾波器； 根據(jù)濾波器所處理的信號性質，分為：模擬濾波器與數(shù)字濾波器。,(1)濾波器的分類,低通濾波器：f2為截止頻率，0f2頻率之間為其通頻帶； 高通濾波器：截止頻率f1以上（即f1）為通頻帶；,低通,高通,,帶通濾波器：f1和f2分別為下、上截止頻率，通頻帶為f1f2； 帶阻濾波器：下截止頻率f1和上截止頻率f2之間頻率范圍。,帶通,帶阻,(1)濾波器的分類,,理想濾波器是指能使通帶內信號的幅值和相位都不失真，阻帶內的頻率成分都衰減為零的濾波器。,理想濾波器,實際濾波器,理想濾波器

59、是不存在的，實際濾波器幅頻特性中通帶和阻帶間沒有嚴格界限，存在過渡帶。,低通濾波器和高通濾波器是濾波器的兩種最基本的形式，其它的濾波器都可以分解為這兩種類型的濾波器。,濾波器的串/并聯(lián),(2)濾波器的基本參數(shù),1)截止頻率 幅頻特性值等于 所對應的頻率稱為濾波器的截止頻率。 為濾波器在通頻帶內的增益，對應于衰減-3dB點。若以信號的幅值平方表示信號功率，則所對應的點正好是半功率點。 2)帶寬B和品質因數(shù)Q值 上下兩截止頻率之間的頻率范圍稱為濾波器帶寬，或-3dB帶寬，單位為Hz。帶寬決定著濾波器分離信號中相鄰頻率成分的能力頻率分辨力。 通常把中心頻率f0和帶寬B之比稱為濾波器的品質因數(shù)Q，

60、即,,,,,3)倍頻程選擇性 指在上截止頻率f2與2f2之間，或者在下截止頻率f1與f1/2之間幅頻特性的衰減量，即頻率變化一個倍頻程時的衰減量，以dB為單位。顯然，衰減越快，濾波器選擇性越好。,二、一階濾波器,,一階濾波器傳遞函數(shù)的一般形式為,(1)一階RC低通濾波器 RC低通濾波器的典型電路如圖。電路的頻率特性為 其截止頻率為,,,1一階低通濾波器,,,（2）一階有源低通濾波器 一階有源低通濾波器的電路形式如圖所示。,2一階高通濾波器,(1)一階RC高通濾波器 一階RC高通濾波器如圖。令RC，濾波器頻率特性、幅頻特性和相頻特性分別為,,(2)一階有源高通濾波器,傳遞函數(shù)為 幅頻特性和相頻特

61、性分別為 串聯(lián)所得的帶通濾波器上、下截止頻率為 分別調節(jié)高、低通環(huán)節(jié)的時間常數(shù) 、 ，就可得到不同的上、下截止頻率和帶寬的帶通濾波器。,圖2.36 RC帶通濾波器,式中， 是阻尼比, 是固有頻率。,有源濾波器采用RC網(wǎng)絡和運算放大器組成，其中運算放大器既可起到級間隔離作用，又可起到對信號的放大作用，而RC網(wǎng)絡則通常作為運算放大器的負反饋網(wǎng)絡。二階有源濾波器的傳遞函數(shù)的普遍形式為,（1）二階有源低通濾波器 1）基本特性 令 ， ,得二階有源低通濾波器的傳遞函數(shù)標準形式為,三、二階濾波器,在穩(wěn)態(tài)情況下令 ，則頻率特性為 幅頻與相頻特性為,圖2.36

62、 低通濾波器幅頻特性,取不同阻尼系 數(shù)值的幅頻特性曲線如下圖所示。,2.37b的性能參數(shù)為： 通頻帶增益 固有角頻率 阻尼比,2）參數(shù)計算 圖2.37是二階有源低通濾波器的電路原理圖。,圖2.37 二階低通有源濾波器,圖2.37a的性能參數(shù)為： 通頻帶增益 固有角頻率 阻尼比 式中 ； 是低通濾波器的時間常數(shù)。,（2）二階高通有源濾波器 1)基本特性 ， ，得二階高通有源濾波器為 對于穩(wěn)態(tài)情況， ，即有 ，則二階高通濾波器的頻率特性為 幅頻特性與相頻特性分別為,取不同阻尼系 數(shù)值的幅頻特性

63、曲線如下圖所示。,圖2.38 高通濾波器幅頻特性,圖2.39a的性能參數(shù)為： 通頻帶增益 固有角頻率 阻尼比,2）參數(shù)計算,圖2.39 二階高通有源濾波器,2）參數(shù)計算,圖2.39 二階高通有源濾波器,圖2.39b的性能參數(shù)為： 通頻帶增益 固有角頻率 阻尼比,（3）二階帶通有源濾波器 1）基本特性 ， 可得帶通濾波器傳遞函數(shù)為 穩(wěn)態(tài)情況下， 并將 代入，得頻率特性,幅頻特性和相頻特性為 上式取不同品質因數(shù) 時，幅頻特性如圖2.40所示。 式中， 是中心頻率， 是帶寬。其表示式為,圖2.4

64、0 帶通濾波器幅頻特性,2）參數(shù)計算,圖2.41 二階有源帶通濾波器,圖2.41a的性能參數(shù)為： 通頻帶增益 固有角頻率 阻尼比,2）參數(shù)計算,圖2.41 二階有源帶通濾波器,圖2.41b的性能參數(shù)為： 通頻帶增益 固有角頻率 阻尼比,（4）二階帶阻有源濾波器 1)基本特性 當 時，為帶阻濾波器，其傳遞函數(shù)為 在穩(wěn)態(tài)情況下， 則頻率特性為,幅頻特性和相頻特性分別為 取不同 值時的幅頻特性如圖2.42所示。,,圖2.42 帶阻濾波器幅頻特性,2）參數(shù)計算,圖2.42 二階有源帶通濾波器,二階有源濾波器的設計 根據(jù)對濾波器提出

65、的特性要求，選擇適當?shù)耐◣г鲆鍷、固有頻率n、阻尼系數(shù)或品質因素Q和帶寬B特性參數(shù)； 然后根據(jù)這些特性參數(shù)與無源元件之間的關系計算無源元件的具體數(shù)值。 由于已知條件比未知數(shù)少，通常預選電容器C1及取電容C2與C1的比例系數(shù)m。固有頻率n=2fn的確定可按表求取。,四、二階有源濾波器的設計,,,例2.1,已知K=10，fn=1000Hz，=0.707，計算如圖所示二階有源低通濾波器的無源元件的數(shù)值。,濾波器的應用,案例：旅游索道鋼纜檢測,由案例提煉的典型實驗：鋼管無損探傷,濾除信號中的零漂和低頻晃動，便于門限報警,案例：機床軸心軌跡的濾波處理,,,,,,,案例：機床軸心軌跡的濾波處理,濾除信號中

66、的高頻噪聲，以便于觀察軸心運動規(guī)律,,2.7 數(shù)字式傳感器信號檢測電路,為了提高增量碼儀器的分辨率，常將增量碼傳感器信號的每一周期再細分為若干區(qū)間，每個區(qū)間計一個數(shù)，變向電路用于辨別測量部件的運動方向。 利用多個傳感元件對同一被測量同時采集多路相位不同的信號而實現(xiàn)的細分方法稱多路信號采集細分。 例如沿莫爾條紋運動方向在莫爾條紋寬度的范圍內等間距地放置個光電元件P1、P2、、Pn ，則在柵尺移動時，各光電元件將輸出n個相位差依次為360/n的光電信號。經(jīng)過信號處理后，光柵尺每相對移過一個柵距W，就可獲得n個等間隔的計數(shù)脈沖，從而實現(xiàn)細分。,,一、多路信號的細分與辨向,光柵信號的四細分與辨向原理,為了實現(xiàn)更高的細分數(shù)，可在多路信號采集細分的基礎上，利用細分電路對所獲得的信號進一步細分。采用電阻鏈移相細分可使細分數(shù)高達860。,二、電阻鏈移相細分與辨向,并聯(lián)電阻鏈移相細分電路,若需細分數(shù)為n，則電阻鏈中需采用n個電位器Wi（i=1，2，.，n），相應的輸出信號為ui。調整各電位器電刷兩端的阻值比，可使各輸出信號的相移為i=360(i1)/n。則經(jīng)過該電阻鏈移相電路后，可獲得n個相位差依次為3