第七章 信号的检测与交换

1、检测信号的放大 第七章 信号的检测与变换 模拟信号的数字化处理 采样数据的预处理 A/D转换器 概述 7.1 概述概述 检测技术研究的主要内容包括被测量的测量原理、测量方法、 测量系统和数据处理四个方面。 检测系统所需处理的物理量有电气量(电流、电压等)和非电量 (振动、温度、压力、流量、噪声等)两大类。 电气量通过各种变送器转换成适当大小的电信号；非电量需 要利用相应的传感器转换成电信号以便于测量处理。 信号通常可分为模拟信号和数字信号两大类。 本章重点讨论信号经传感器转换后怎样进一步转换成计算机 能接收的数字信号，即信号的各种变换技术。 7.1.1 数据采集系统的基本功能数据采集系统的基本

2、功能 数据采集 模拟信号处理 数字信号处理 开关信号处理 二次数据计算等 7.1.2 典型的数据采集系统结构典型的数据采集系统结构 典型的数据采集系统机构框图典型的数据采集系统机构框图 特点： l系统结构简单，容易实现 l对环境要求不高 l价格低廉 l其数据采集系统可作为集散型数据采集系统的一个组成部分 l微型计算机的各种I/O模板及软件都比较齐全 2)集散型数据采集系统。 集散型数据采集系统集散型数据采集系统 特点： l系统的适应能力强 l可靠性高 l实时响应性好 l对系统硬件要求不高 7.2 模拟信号的数字化处理模拟信号的数字化处理 7.2.1 信号预处理信号预处理 传感器得到的各种信号，

3、有些并不是我们所需要的信号，因此要将这部 分影响排除，也就是对信号进行预处理。 信号预处理主要包括以下几种设备、仪器或电路：解调器、放大器(或衰 减器)、滤波器、隔直电路 其中，滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大 地衰减其他频率成分。 1 1、 目的目的 解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。 调制 解调 基带信号 载波信号 已调信号 调制与解调调制与解调 先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器进 行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。 例：交流电桥 Vin Vo R1 R3 R2 R4 调制过程是一个频谱搬移的过程，它是将低

4、频信号的频谱搬移到载频位 置。而解调是将位于载频的信号频谱再搬回来，并且不失真地恢复出原 始基带信号。 缓变信号 调制 高频信号 放大 放大高 频信号 解调 放大缓 变信号 2、 种类种类 调制信号 x(t) 0t 载波信号 )2cos()(ftAtz z(t) 0t 正弦、脉冲 a) 幅度调制(AM) ( )( )cos(2)y tAx tft b) 频率调制(FM) ( )cos(2 ( )y tAfx t t c) 相位调制(PM) )(2cos()( 0 txftAty 线性调制 非线性调制 非线性调制 调幅过程的波形及频谱调幅过程的波形及频谱 调幅过程(AM) 幅度调制与解调过程（波

5、形分析波形分析） 乘法器 放大器 x(t) z(t) x m(t) 乘法器 滤波器 z(t) x(t) 幅度调制与解调过程（频谱分析） 乘法器 放大器 x(t) z(t) x m(t) 乘法器 滤波器 z(t) x(t) 幅度调制与解调过程（数学分析数学分析） 乘法器 放大器 x(t) z(t) x m(t) 乘法器 滤波器 z(t) x(t) )(tx )2cos()()(tftxtx zm )(tz )(tz tftxty zm 2cos)()( 2 )22cos()()( 2 1 tftxtx z 实验：同步调治与解调实验 上述调制方法，将信号x(t)直接与 载波z(t)相乘这种调幅波具

6、有极性 变化，解调时必须再乘与z(t)相位相 同的z(t) 方能复原出原信号，故称 同步解调 非抑制调幅非抑制调幅 若对信号x(t)进行偏置，叠加一个直流分量D，使偏置后的信号都具有 正电压。 )2cos()()(fttxDtxm )()( txDtx )(tx 调幅调幅 解调解调 二极管检波 低通滤波 调幅波的波形失真调幅波的波形失真 a）过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏置必须足够大，否则 x(t)的相位将发生180。 b)重叠失真：调幅波是由一对每边为fm的双边带信号组成当载波频率 fz较低时，正频端的下边带将与负频端的下边带相重叠要求: fzfm 低通 高通 1 滤波器分类（根据滤

7、波器的选频作用分）滤波器分类（根据滤波器的选频作用分） 滤波器滤波器 带通带通 带阻带阻 2 滤波器的串滤波器的串/并联并联 低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，其它的 滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器。 低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器。 低通滤波器与高通滤波器的串联为带通滤波器。 3 理想滤波器理想滤波器 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。 fc H(f) f Q(f) 理想滤波器的物理不可实现理想滤波器的物理不可实现 理想滤波器在时域内的脉冲响应函数 h(t)为 sin函数。脉冲响应的 波形沿横坐标左、右无限

8、延伸。 给理想滤波器一个脉冲激励，在t=0时刻单位脉冲输入滤波器之前， 滤波器就已经有响应了。故物理不可实现。 fc H(f) 4 实际滤波器实际滤波器 理想滤波器是不存在的，实际滤波器幅频特性中通带和阻带间没有严 格界限,，存在过渡带。 0 f A 0 ffc1fc2 A0 0.707A0 1)截止频率fc：0.707A0所对应的频率 d 2)纹波幅度d：绕幅频特性均值A0波动值 3)带宽B和品质因数Q：下两截频间的频率范围称为带宽。中心频率 和带宽之比称为品质因数 。 B Q=W0 / B 4)倍频程选择性W 指在上截止频率fc2与2fc2之间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍 频程时的衰

9、减量。 倍频程衰减量以dB/oct表示（倍频程）。衰减越快（即W值越大），滤 波器的选择性越好。 5 恒带宽、恒带宽比滤波器恒带宽、恒带宽比滤波器 实际滤波器频率通带通常是可调的，根据实际滤波器中心频率与带宽 之问的数值关系，可以分为两种。 2) 恒带宽比带通滤波器 1) 恒带宽带通滤波器 1/3倍频程滤波器倍频程滤波器 6 RC无源滤波器 在测试系统中，常用RC滤波器。因为这一领域中信号频率相对来说不 高。而RC滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选用 标准阻容元件 。 1) 一阶RC低通滤波器 2) 一阶RC高通滤波器 3) RC带通滤波器 可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串

10、联 产品产品 LineDa: LTC1564 MAXIM: MAX74xx 6 滤波器的应用滤波器的应用 超门限报警 案例：旅游索道钢缆检测 由案例提炼的典型实验：钢管无损探伤 滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警 案例：机床轴心轨迹的滤波处理 案例：机床轴心轨迹的滤波处理 滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律 思考题： 1 信号调理的内容和目的 ？ 2 信号放大电路的种类，如何根据传感器输出 特性选择合适的放大电 路 ？ 3 信号调制与解调的种类 ？ 4 幅度调制与解调的原理 ？ 5 调幅波的失真，如何消除 ？ 6 信号滤波器的种类 ？ 7 如何根据测试信号中有用成分和干扰成分的

11、 频谱来选择滤波器种类和 设定其参数 ？ 7.2.2 采样采样 一、采样一、采样 采样又称抽样，是按照采样脉冲序列p(t)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(nt)的过程，即将时间连续的信 号变成时间不连续的信号。 X(0), X(1), X(2), , X(n) 最少2点: 每周期应该有多少采样点 ？ 二、采样频率的确定二、采样频率的确定 香农采样定理：如果信号本身的频带是有限的，而采样频率 又大于等于信号所包含的最高频率两倍（fs2 fmax， fmax为原 信号中最高频率成分的频率），则可以根据其离散采样值完 全恢复出原始信号。(这相当于在信号最高频率时，每

12、一周期 至少提取两个采样值) 7.2.3 频率混淆及其消除措施频率混淆及其消除措施 如果采样频率取得过小，使fmax fs / 2时，将会发生x(t)中的高频成分 (f fs / 2)被叠加到低频成分(f fs / 2)上去的现象，这种现象称为频率 混淆。 一、频率混淆一、频率混淆 0 t0f 0 t0f t 0 0f 频域解释频域解释 ： 为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信息，信号采样频率 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。 Fs 2 Fmax 需注意，满足采样定理，只保证不发生频率混叠，而不能保证此时 的采样信号能真实地反映原信号x(t)。工

13、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。 频混现象实验：频混现象实验： FsFs FsFs 频混 Fs/2 工程处理： 混迭频率=Fs-信号频率 频混计算：频混计算： 二、二、 消除频率混淆的措施消除频率混淆的措施 对于频率衰减较快的信号对于频率衰减较快的信号 采用提高采样频率的方法解决，但采样频率过大会使频域的频率分辨率 下降过多。 对于频率衰减较慢的信号对于频率衰减较慢的信号 采用消除频混滤波器解决，比较理想的有多阶有源RC巴特沃斯滤波器。 在信号分析中，常把上述两种方法联合使用，先经消除频混滤波器滤波 后，将采用频率fs 提高到截止频率fc 的3-5倍，再对信号进行采样与

14、处理。 7.3 信号的检测与放大信号的检测与放大 一、放大电路的要求：一、放大电路的要求： 输入阻抗应远大于信号源内阻 抗共模电压干扰能力强 在预定的频带宽度内有稳定准确的增益、良好的线性，输入漂移和噪声 应足够小以保证要求的信噪比 能附加一些适应特定要求的电路 在实际工程系统中，被检测的参量各异，经传感器或敏感元件转换后输 出的大多数信号电平较低，难以直接用来显示、记录、控制或进行A/D 转换。为此，测量电路中常设有模拟放大环节。 二、分类二、分类 放大器 直流放大器 交流放大器 直流电桥 交流电桥 电荷放大器 特点 1 直流放大电路直流放大电路 1) 反相放大器反相放大器 电压增益: 反馈

15、电阻RF值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几 十千欧至几百千欧。R1的取值应远大于信号源Ui的内阻。 烟雾报警器酒精传感器二氧化碳传感器 1 R R A F V 同相放大器也是最基本的电路 ，其闭环 电压增益Av为: 1 1 R R A F v 同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用 于前置放大级。 2)同相放大器同相放大器 2 交流放大电路交流放大电路 R1一般取几十千欧。耦合电容C1、C3可根据交流放大器的下限频率 fL来确定。 )2/()103( 31LL fRCC 1 1 R R A F v 若只需要放大交流信号，可采用图示的集成运放交流电压同相放大 器。

16、其中电容C1、C2及C3为隔直电容。 3 直流电桥直流电桥 平衡条件 4231 RRRR V E R1 R3 R2 R4 E RRRR RRRR V )( 4321 4231 令： RR 1 dRRR 4 RR 2 RR 3 E dRRRRR dRRRRR V )( )( R dRE 4 4 交流电桥交流电桥 电感电容 传感器传感器 平衡条件： 4231 ZZZZ 电桥的接法：电桥的接法： 单臂 半桥全桥 5 电荷放大器电荷放大器 fyiicai CeeCCCeq)()( ff y KCCC Kq e )( F + 7.5 A/D 转换器转换器 A/D 转换器的功能是将一个模拟量转换成为若干位

17、二进制数字量，即微机 能够接收的信号。 一、一、 A/D 转换的主要性能指标转换的主要性能指标 分辨率：分辨率为A/D 的输出数码变动一个LSB时输入模拟量的最小变 化量。用输出二进制数码的位数表示。位数越多，量化误差越小，分辨 力越高。常用有8位、10位、12位、16位等。 转换时间(或转换速度)：A/D 从启动转换到转换结束所需的时间。 转换误差(或精度)：A/D 转换结果的实际值与真实值之间的偏差，包括 量化误差、偏移误差、量程误差、非线性误差等。 因误差的存在，确定分辨率指标时，应留有一定余量。 二、二、 A/D 转换器的主要类型转换器的主要类型 A/D 转换器 比较型(直接型) 积分

18、型(间接型) 并联比较型 反馈比较型 逐次比较型 单积分型 双积分型 四积分型 计数型 电压-频率型 特点：转换速度 快 特点：抗干扰能 力强 三、模数三、模数(A/D)和数模和数模(D/A) 采样利用采样脉冲序列，从信号中抽取一系列离散值，使之成为采 样信号x(nTs)的过程 编码将经过量化的值变为二进制数字的过程。 量化把采样信号经过舍入变为只有有限个有效数字的数，这一过程 称为量化 1、A/D转换转换 4位A/D: XXXXX(1) 0101 X(2) 0011 X(3) 0000 实验：实验： 2、D/A转换过程和原理转换过程和原理 D/A转换器是把数字信号转换为电压或电流信号的装置。

19、 A/D、D/A转换过程中的量化误差实验：转换过程中的量化误差实验： 7.6 采样数据的预处理采样数据的预处理 测量数据预处理包括包括： 零点漂移、 标度漂移消除、 标度变换、 测量通道线性化处理、 数据去除均值、 提取或剔除趋势项 信噪比改进等。 检测系统在采集数据时，由于传感器的非线性、采集过程中环境温度变 化以及电磁干扰等因素影响，使得系统采集到的数据偏离其真实值，该 数字量一般不能直接使用，而是根据需要先用软件对采样数据做预处理， 使采样数据尽可能接近其真实值。 7.6.1 采样数据的标度转换采样数据的标度转换 标度转换：将无量纲的数码转换成有量纲的数值，以进行分析、运算等。 线性变换

20、： )( 0 0 0 0 NN NN YY YY X m m 简化变换： )( 00 YY N N YY m m X 式中，Y0为被测量量程的下限；Ym为被测量量程的上限；Y为标度变换 后所得到的被测量的实际值；N0为Y0对应的A/D转换后的数字量；Nm为 Ym对应的A/D 转换后的数字量；Nx为被测量实际值Y所对应的A/D 转换 后的数字量。 7.6.2 测量通道非线性补偿测量通道非线性补偿 对非线性关系的线性化处理：1)硬件补偿，2)软件实现 一、公式变换法一、公式变换法 如果传感器(或变送器)的输出信号与被测信号之间的关系可以用解析式 表达，则可以通过解析式推导出所需要的参量，这一类参量

21、称为导出参 量。 如果测量通道特性曲线很难用一个具体精确的数学函数逼近，则可把特 性曲线分成若干段，每一段用一个简单的函数(线性函数)来逼近，求出 各段的标度转换公式。 在数据采集与处理系统设计时，希望系统的输入与输出呈线性关系，以 便于测量数据后续处理。但由于系统所用传感器多数具有非线性特性， 因此需要对非线性造成的误差进行补偿和修正，即线性化处理，以提高 测量精度。 具体执行过程：具体执行过程： 1)用实验法测出被测量与传感器输出之间的关系曲线，反复测量多次，以 便求出比较精确的关系曲线。 2)将上述曲线进行分段，选取各个差值样点。主要方法为等距分段法和非 等距分段法。 3)确定并计算相邻

22、样点之间拟合直线的斜率ki，将分段后的n组数据xi， yi(i=0,1,2, ，n)和各段对应的斜率ki ，以表格形式存放在存储器中。 4)每当接收到一个数据x时，就查表一次，找出x所在区间(xi+1,xi)，取出对 应区间的斜率ki 。 5)计算y=yi+ki(x-xi)，得出A/D转换数字量的值y。 二、表格法二、表格法 线性差值的方法是把曲线按照一定的要求分成若干段，把相邻点用直线 连接起来，用此直线代替相应曲线段，即可按照线性关系求出输入值x 所对应的输出值y。 区间的线性差值公式： y=yi+ki(x-xi) 三、抛物线插值法三、抛物线插值法 针对传感器的特性曲线斜率变化较大，线性差值可能引起较大误差，可 采用分段抛物线插值来拟合整条非线性曲线。过程如下： 1)精确测量传感器特性曲线 2)根据具体要求，把整条曲线分成若干段(等间隔或非等间隔) 3)在每段上取三个点，过三点作一抛物线，函数关系为： y=a0+a1