传感器的信号调理

1、Agenda信号调理信号调理信号调理的概念信号调理的作用信号调理分类信号调理分类电平调整线性化信号形式变换滤波及阻抗匹配Agenda信号调理信号调理信号调理的概念信号调理的作用信号调理分类信号调理分类电平调整线性化信号形式变换滤波及阻抗匹配信号调理的概念这种电信号：这种电信号：受敏感元件及检测电路的特点限制在形式、幅值等方面一般无法直接用来实现对被测量的进一步分析、显示、记录及控制。因此，就需要进行信号调理。信号调理信号调理(Signal Conditioning)对信号进行操作，将其转换成适合后续测控单元接口的信号被测量传感器传感器电信号Agenda信号调理信号调理信号调理的概念信号调理的作

2、用信号调理分类信号调理分类电平调整线性化信号形式变换滤波及阻抗匹配信号调理的作用数字式数据获取系统数字式数据获取系统 (Data AcQuisition System, DAQS)趋势：越来越多的测量系统多采用数字电路对传感器信号进行处理策略：传感器的信号调理更多针对后续的数字式数据获取系统 ，即通过对传感器输出信号进行适当的调理，使之更适合转换为使之更适合转换为离散数据流离散数据流。信号调理的作用DAQS的输入信号的要求的输入信号的要求输入信号必须是电压信号；输入信号的动态范围应符合或接近DAQS的动态范围，以充分利用A/D转换器的分辨率；输入信号源的内阻应足够低，DAQS的输入电阻不至于对

3、输入信号产生显著影响；输入信号的带宽应限制在A/D采样频率的一半以下，防止混叠。信号调理的作用满足模拟传感器与数字满足模拟传感器与数字DAQS之间的接口要求之间的接口要求信号隔离信号隔离：大部分应用需要将传感器与计算机的电源系统隔离开来。手段：磁隔离用于防止计算机与传感器电源之间的耦合用变压器实现光隔离用于将传感器信号与DAQS输入端隔离一般采用LED-PD联合的方式实现这两个功能可集成在同一个器件中信号调理的作用满足模拟传感器与数字满足模拟传感器与数字DAQS之间的接口要求之间的接口要求信号的预处理信号的预处理：在采集信号之前对传感器信号进行预处理。具体内容取决于具体应用，一般应达到如下功能

4、：降低计算机处理时间开销降低系统采样频率简化整个DAQS结构信号调理的作用满足模拟传感器与数字满足模拟传感器与数字DAQS之间的接口要求之间的接口要求去除无用信号去除无用信号：大量传感器的输出信号中包含许多不同的信号成分，在对信号进行采集之前，甚至需要必须去除信号中的某些成分，如50Hz的工频成分。Agenda信号调理信号调理信号调理的概念信号调理的作用信号调理的分类信号调理的分类电平调整线性化信号形式变换滤波及阻抗匹配信号调理的分类电平调整电平调整线性化线性化信号形式变换信号形式变换滤波及阻抗匹配滤波及阻抗匹配Agenda信号调理信号调理信号调理的概念信号调理的作用信号调理的分类信号调理的分

5、类电平调整线性化信号形式变换滤波及阻抗匹配电平调整无源电平调整电路无源电平调整电路最简单的电平调整电路R1和R2的精度和稳定性直接影响电平调整的效果；R1和R2的选取需要综合考虑：电平调整电路作为传感器电路输出的负载，希望输入阻抗高一些；作为后一级电路的输入端，希望输出阻抗小一些；大阻值（M 级）电阻在阻值精度及噪声方面都较差；一般应用于要求不高的场合iOVRRRV212电平调整有源电平调整电路有源电平调整电路反相放大电路：是最常见的有源电平调整电路，电压增益为：电路的输入阻抗约为Ri ，输出阻抗接近于0；不仅实现了传感器输出与后续电路之间的电压调整，而且满足了阻抗匹配的要求.ifRRG电平调

6、整有源电平调整电路有源电平调整电路反相放大电路：是最常见的有源电平调整电路，电压增益为：电路的输入阻抗约为Ri ，输出阻抗接近于0；不仅实现了传感器输出与后续电路之间的电压调整，而且满足了阻抗匹配的要求.ifRRG电平调整有源电平调整电路有源电平调整电路注意：电路的输出范围受运放供电电源电压的限制可能出现削波；运放的带宽有限：增益带宽积（如增益带宽积为30MHz，100倍增益，意味着带宽仅为300kHz)运放噪声运放本身引入噪声；运放中的电阻器件会引入热噪声。失调电压失调电流Agenda信号调理信号调理信号调理的概念信号调理的作用信号调理的分类信号调理的分类电平调整线性化信号形式变换滤波及阻抗

7、匹配线性化传感器的线性特性：传感器的线性特性：有利于后续电路的设计；可简化传感器的标定工作。但是，现实中大量的传感器特性从原理上就是非线性的。数字电路、单片机技术、嵌入式系统的介入，能在某种程度上补偿传感器的非线性，但此方式的适用范围有限，尤其受A/D采样速度及运算处理速度限制，在需要动态测量的场合难以满足要求。线性化传感器线性化的目的：传感器线性化的目的：若传感器输入输出特性的非线性不严重，不会引起显著误差时，可用切线或割线等直线近似代表局部实际曲线，如拟合直线。传感器线性化的目的在于，通过在信号调理电路中加入非线性环节，使传感器的线性范围最大化。线性化传感器线性化的分类：传感器线性化的分类

8、：按所用元件分类：无源线性化有源线性化线性化传感器线性化的分类：传感器线性化的分类：根据线性化所处阶段分类：模拟线性化：在数字化以前进行的线性化；数字线性化：在数字化以后进行的线性化。线性化采用硬件方法对传感器特性进行线性化，在实时性、采用硬件方法对传感器特性进行线性化，在实时性、简便、经济等方面具有软件方法难以替代的优势。简便、经济等方面具有软件方法难以替代的优势。在许多应用中，采用模拟电路对传感器的输出进行线在许多应用中，采用模拟电路对传感器的输出进行线性化是最佳的。性化是最佳的。无源线性化电路无源线性化电路无源线性化电路无源线性化电路比较简单，性能可靠，成本低廉。在某些应用场合，通过合理

9、设计电路结构及元件参数，可获得满意的精度，是一种广泛应用的线性化方法。一种简单的无源线件化电路是用固定参数元件与敏感器件并联或串联。对有些非线性传感器，简单地用固定电阻器与传感元件串、并联，只要电阻值选取合适，即可将非线性校正到满意的程度。无源线性化电路无源线性化电路无源线性化电路典型例子：Dunmore式湿敏传感器的非线性校正。湿敏电阻的非线性特性曲线 无源线性化电路湿敏传感器的电阻值RH与相对湿度RH的关系曲线是非线性的。 根据具体测量需要，选择A、B、C三点，且Ha-HbHb-Hc。用一个固定电阻R与RH并联。无源线性化无源线性化电路无源线性化电路并联后的总电阻值为：为使A、B、C三点成

10、线性关系，应有：即HHRRRRRHHcHbHbHaRRRRHcHcHbHbHbHbHaHaRRRRRRRRRRRRRRRR无源线性化电路无源线性化电路无源线性化电路运算后可得：HbHcHaHcHaHcHaHbRRRRRRRRR22)(无源线性化电路无源线性化电路无源线性化电路经修正后的特性曲线呈S形，线性度得到改善，各点 值与直线(图中虚线)关系对应值的偏差 如图b所示 ：HRR无源线性化电路若想直接进行输出电压线性化，则可采用串联电路若想直接进行输出电压线性化，则可采用串联电路对于前图对于前图(上右上右)中的中的A、B、C三点，应有三点，应有得出固定电阻仍为得出固定电阻仍为iHcHciHbH

11、biHbHbiHaHaVRRRVRRRVRRRRVRRRHbHcHaHcHaHcHaHbRRRRRRRRR22)(从固定电阻R上取电压是为了得到随相对湿度增加而增加的电压关系无源线性化电路线性化后的电压输出曲线如下图所示，也是一个线性化后的电压输出曲线如下图所示，也是一个S形形曲线。曲线。无源线性化电路热敏电阻的非线性校正也常采用类似的方法热敏电阻的非线性校正也常采用类似的方法热敏电阻的阻值与温度呈指数关系，实践中可用温度系数很小的金属电阻与其串联或并联或同时串、并联，构成电阻网络，代替单个热敏电阻。只要金属电阻的阻值选择合适，可使其等效电阻值与温度的关系在一定温度范围内呈线性。无源线性化电路

12、热敏电阻的非线性校正也常采用类似的方法。热敏电阻的非线性校正也常采用类似的方法。一般情况下，取回路电流作输出量时选用串联形式，在电桥测量电路中则选用并联形式或串、并联形式。电阻串、并联法可使热敏电阻最大非线性误差在040范围内校正为0.15，在0l00内为1.5。热电阻(如铂、铜电阻)等特性曲线一般为二次或三次多项式，可用这种方法校正，且校正效果较好。无源线性化电路上述非线性校正法上述非线性校正法优点：成本低，简便缺点：校正范围一般较窄、准确度不是很高主要应用：被测量变化范围不大的场合被测量变化范围较大的场合怎么处理？被测量变化范围较大的场合怎么处理？采用更复杂的无源电路无源线性化电路思路思路

13、将工作于不同敏感区的敏感元件组合，使特性曲线弯曲部分互补，可消除高次项误差，获得宽线性范围。不同敏感区的敏感元件进行组合 湿敏电阻的线性化效果 有源线性化电路无源线性化方法的特点：无源线性化方法的特点：电路简单，易实现；引入固定参数元件串并联，使变换灵敏度降低。有源线性化：有源线性化：没有上述缺点；利用运放、场效应管或三极管等有源元件实现函数变换。运放有很高的增益、极高的输入阻抗、灵活多变的接法，可获得各种各样的函数变换特性。 从原理上讲，任何敏感器件的变换特性都可校正为足够好的直线特性。随着运放性价比的不断提升，实际应用中被越来越多地采用。无源线性化的共同缺点！有源线性化电路有源线性化：有源

14、线性化：缺点：线路复杂、调整不便，成本相对高。一种简单有源线性化电路是利用非线性反馈，使反馈支路的非线性和原有敏感器件变换特性的非线性相互抵消，从而得到线性化。目前有多种使用方便的函数运算电路可选。也可采用运算放大器搭建函数运算器进行线性化。有源线性化电路实例：对数实例：对数/指数运算电路指数运算电路有相当多的敏感元件的特性曲线呈指数或对数形式，如硅光电池传感器的输出电压为利用由运算放大器组成的对数电路，使电路输出为：即可得到线性的输出：IoIeVv)ln(IAVKv I 为光强K 为常数KIVKvoA)ln(硅光电池的非线性特性曲线Agenda信号调理信号调理信号调理的概念信号调理的作用信号

15、调理的分类信号调理的分类电平调整线性化信号形式变换滤波及阻抗匹配信号形式变换定义：定义：将信号从一种形式转换为另一种形式的调整。信号形式变换为使传感器输出信号便于处理、显示、传输，要对不同类型信号进行相互转换。例如:电压/电流变换：将电压信号变成不易受干扰的电流源信号。电压/频率变换：将电压信号进行频率调制以便于电气隔离和数字化；交流/直流变换：将输入信号的交流参数如峰值、绝对平均值、有效值提取出来；信号的调制与解调（包括相敏解调）在信号传输中的电气隔离和抗干扰方面具有重要作用。信号形式变换进行信号转换时，需考虑如下因素：转换电路应有良好线性；要求信号转换电路具有一定的输入阻抗和输出阻抗，以便

16、与之相联的器件或电路阻抗匹配。信号形式变换 -电压电流转换电路在成套仪表和计算机测控系统中，传感器和仪表之间、仪表和仪表之间的信号传送都采用标准信号，即05V直流电压或010mA、420mA直流电流。信号形式变换 -电压电流转换电路传感器测量系统中，常用电压/电流转换电路进行电压、电流信号间的转换。例如：在远距离测量系统中，必须把监控电压信号转换成电流信号传输，以减小传输导线阻抗对信号的影响。对电流信号进行测量时，先需要将电流信号转换成电压信号，再由数字电压表测量，或经过A/D转换后由计算机进行测控。信号形式变换 -电压电流转换电路在进行信号转换时，为保证足够的转换精度和较宽的适应范围，要求：

17、I/V转换电路：要有较低的输入阻抗和输出阻抗V/I转换电路：要有较高的输入阻抗和输出阻抗。信号形式变换 -电压电流变换电压-电流变换定义：输出负载中的电流正比于输入电压的电路称为电压-电流变换器。由于传输系数是电导，又称转移电导放大器。输入电压恒定时，负载中的电流为恒定值，与负载无关，构成恒流源电路。（集成）运算放大器是内部具有差分放大器的集成电路，符号表示如图所示。运算放大器的符号中有三个引线端，两个输入端，一个输出端。一个称为同相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号+表示；另一个称为反相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相反，用符号“-”表示。输出端在输入端的另一侧，

18、在符号边框内标有+号。信号形式变换 - 运算放大器 运算放大器外形图信号形式变换 - 运算放大器理想运算放大器的条件1.差模电压放大倍数Avd= ，实际上Avd80dB即可。2.差模输入电阻Rid= ，实际上Rid比输入端外电路的电阻大23个量级即可。3.输出电阻Ro= 0 ，实际上Ro比输入端外电路的电阻小12个量级即可。 4.带宽足够宽。5.共模抑制比足够大。实际上在做一般原理性分析时，运算放大器都可以视为理想的。只要实际的运用条件不使运算放大器的某个技术指标明显下降即可。理想运算放大器的特性理想运算放大器具有“虚短”和“虚断”的特性，这两个特性对分析线性运用的运放电路十分有用。为了保证线

19、性运用，运放必须在闭环(负反馈）下工作。 理想运算放大器的特性(1)虚短由于运放的电压放大倍数很大，一般都在80 dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在10 V14 V。因此运放的差模输入电压不足1 mV，两输入端近似等电位，相当于 “短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。“虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。理想运算放大器的特性(2)虚断由于运放的差模输入电阻很大，一般都在1M以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1A，远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路，且

20、输入电阻越大，两输入端越接近开路。 “虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。同相放大器根据虚断， I-= I+ 0根据虚短，解上述方程，可以得到增益在同相放大器中，可以用虚短的概念，不能用虚地的概念，因为在反相端有反馈电流流过，电位不为零。saPNVVVV431osVRAVR40331RVVIRVIaa反相放大器图为反相放大器电路，根据基尔霍夫电流定律及虚地的概念，可以得到下式：解上述方程，可以得到增益式中负号表示输出信号与输入信号的相位相反。1212sNNoVVVVIIRR0NV 21osVRAVR差动放大

21、器图为差动放大器电路，根据理想运放条件及虚短的概念，可以得到下式： 通常取 ， ，又 ，所以根据上面两式可以得到电路的增益可见，差动放大器的输出电压与输入电压差成正比，通常取1121211()soNVVVRRRR212111()sPVVRRR11RR22RRPNVV2211ossVRAVVR 图为对数放大器原理电路，设Is为二极管反向饱和电流，VT为二极管参数，室温条件下，VT=26mV，VD为二极管的管压降，ID为流过二极管的电流，根据二极管方程 当VDVT时，上式可近似为 可得 /(1)DTVVDsII e/DTVVDsIIel nDDTsIVVI对数放大器 根据虚地的概念： 所以 可见输

22、出电压信号与输入电压信号成对数关系。实际的对数放大器在反馈中常使用三极管。oDVV 11sDVIIR1(lnln )soTsVVVIR对数放大器 反对数放大器原理电路如图所示。设三极管基极和射极间的电压为Vbe，Is为三极管饱和电流，则 根据虚地的概念 则 可见输出电压信号V0与输入电压信号Vs成反对数关系。/1beTVVsII ebesVV2oVI R 121lnsosTVVI RI RRIV 反对数放大器 图图为仪用放大器原理电路，它由三个运放组成。为仪用放大器原理电路，它由三个运放组成。R RG G为增益调节为增益调节电阻，仪用放大器中，只有电阻，仪用放大器中，只有R RG G为外接电阻

23、。运放为外接电阻。运放A A3 3是增益为是增益为1 1的的差动放大器。仪用放大器的增益为差动放大器。仪用放大器的增益为11212OssGVRAVVR仪表放大器信号形式变换 -电压电流变换1、浮地负载电压-电流变换电路将负载接到反相放大器和同相放大器的反馈电路中，则构成最简浮地负载电压-电流变换电路。按理想运放条件可导出这两种电路负载中的电流为：1RVIiL信号形式变换 -电压电流变换1、浮地负载电压-电流变换电路图(c) 所示电压-电流变换电路浮地负载中的电流具有放大特性。图中电阻R4上的电压为:负载RL中的电流为:与 相比，放大了 倍。124RRVVi142424)1 (/RRRVRRVI

24、iL1RVIi)1 (42RR信号形式变换 -电压电流变换1、浮地负载电压-电流变换电路图(d)所示同相型变换电路中，电阻R4上的电压为因此负载中的电流为:与 相比，放大了 倍。1224RVRIRVVii14212144)1 (/RRRRVRRRVIiL121124RRRVRVRVViii1RVIi4211RRR 信号形式变换 -电压电流变换a和c为反相型电路，其输入阻抗为R1，是低输入阻抗型b和d为同相型变换电路，其输入阻抗与同相放大器相同，为高输入阻抗型。信号形式变换 -电压电流变换接地负载电压接地负载电压-电流变换电路电流变换电路差动式电压差动式电压- -电流变换电路电流变换电路信号形式

25、变换 -电流电压变换 I/V转换电路用于将输入电流信号转换为与之成线性转换电路用于将输入电流信号转换为与之成线性关系的电压信号。关系的电压信号。信号形式变换 -电流电压变换利用反相输入型运算放大器实现I/V转换。设运放A为理想运放。在图中有： i=is ； u0-iR1= -isR1 。电流源is的内阻必须很大，否则，输入失调电压将被放大(1+ R1 /Rs)倍，产生很大误差。此外，电流is 必须远大于运放输入偏置电流Ib 。信号形式变换 -电流电压变换电流-电压变换最典型的应用就是光电检测。用光电池、光敏二极管做检测时，由于其输出电阻很高，且其短路电流与光强线性好，因此可看成电流源，通常其电

26、流很小(A级)。所以光电池、光敏二极管的检测实际上是一种微电流测量。为获得高精度微电流放大，必须选用高输入阻抗、极低偏置电流的FET输入型运放，如CA3140，OPAl28等，但FET运放输入偏置电流将随温度升高而成倍增加，而晶体管输入型反倒好些。信号形式变换 -电流电压变换采用T型反馈电路组成的微电流放大器可取得较好效果，如图所示。理想情况下：is =u /R2 +(u-uo)/ R3其中， u= - is R1 ，代入上式，得 u0= - isR3 +R1 (1+ R3 /R2)通过改变R2值可改变放大倍数。信号形式变换 -电流电压变换在远程监控系统中，电流信号经长距离导线传送到数据采集接

27、口，需电流电压成比例转换转换后再作A/D转换。电流-电压转换电路将输入电流成比例地转换成输出电压。信号形式变换 -电流电压变换图a为传感器的长线电流输入的情况。图b输入电流I直接流过基准电阻R，输出电压为Vo=IiR 。当工作范围为-10VIiR+10V时，一般根据Ii适当选取R，而对Ii的大小无限制。当R值很小时，Ii可取很大的值。如当R=10 时， Ii 最大值可能取1A。此时应注意R的发热情况。R为电路的输入阻抗，因此当主信号源内阻不太大时，电流值将产生误差。信号形式变换 -电流电压变换当输入电流很小时，可使用下图所示电压放大电路，则有iioRIRRRRIV100221信号形式变换 -电

28、压频率(V/F)转换定义：V/F是指把电压信号转换成与之成正比的频率信号。特点：V/F转换过程实质上是对信号进行频率调制，频率信息可远距离传递并有优良的抗干扰能力，采用光电隔离和变压器隔离时不会损失精确度；V/F转换器应用简单，对外围器件性能要求不高，其A/D转换速度不低于双积分型A/D转换器件，且价格较低。 信号形式变换 -电压频率(V/F)转换V/F转换器常用电荷平衡转换方法，原理如图a所示。运放Al 、电阻R1 、积分电容CINT组成积分器。Al的输入端A和输出端B分别接电流开关S的两个选择端。当电流开关S受单稳态触发器控制在A、B点交替切换时，积分器相应地工作于两种不同状态：复位和积分

29、。信号形式变换 -电压频率(V/F)转换当uBUR时，A2的输出电平翻转，触发单稳触发器脱离稳态进入暂态。这时单稳触发器控制输出电平uO翻转；同时控制电流开关S把A点接恒流源IR。此时，积分电容CINT流过的电流iC=IR-iI ，设在复位时间TR内，积分电容CINT的电压变化为uC，积累的电荷变化量为式中，TR为复位时间，即单稳触发器的暂态维持时间，由定时电容COS决定。 RIRRCINTCCTiITiCuq)(信号形式变换 -电压频率(V/F)转换当单稳触发器脱离暂态，回到稳态时，uO再次翻转；同时电流开关S接B点。积分器脱离复位状态，进入积分状态。此时CINT的电流iC仅受输入电流iI的

30、影响，此时有: 式中，TI为积分时间，取决于输入电压的大小。CINTCIIICqCuTiTi信号形式变换 -电压频率(V/F)转换由于转换器的积分电容在积分和复位过程中的电荷变化量平衡，即 ，故称电荷平衡式转换器。V/F转换器的输出频率为：式中，RI为V/F转换器的输入端内部电阻；IR为V/F转换器内部恒流源电流值。 IIRIRCTiTiIq)(RRIIRRIRIoTIRuTIiTTf1信号形式变换 -交流/直流转换电路 检测中有时需知道传感器的交流输出信号的幅值或功率。例如：磁电式振动速度传感器或电涡流式振动位移传感器，在其信号处理电路中都需进行交流-直流变换，即将交流振幅信号变为与之成正比

31、的直流信号输出。根据被测信号的频率不同或要求测量精度不同，可采用不同变换方法。目前常用的变换方法有线性检波电路（半波整流电路）、绝对值电路（全波整流电路）、有效值变换电路（方均根/直流变换电路）。信号形式变换 -交流/直流转换电路 1线性检波电路最简检波电路为二极管检波电路。因二极管存在死区电压，当输入信号幅值较低时，会带来严重的非线性误差。实用方法：二极管置于运放反馈回路，以实现精密整流。采用反相放大结构的常用半波整流电路及其波形。当输入电压uI为正极性时，放大器输出uO1为负，VD2导通，VD1截止，输出电压uO为零。uI为负极性时，放大器输出为正，VD1导通，VD2截止，电路处于反相比例

32、运算状态。信号形式变换 -交流/直流转换电路 由上述分析可得显然，只要运放的输出电压|uO1|的值大于整流二极管的正向导通电压，VD1和VD2中总有一个导通，另一个截止，此时电路能正常检波。0,0, 01IIfIOuuRRuu信号形式变换 -交流/直流转换电路 电路能检波的最小输入电压为VD/AUO。其中VD为二极管的正向压降AUO为运算放大器的开环电压增益。可见二极管正向压降的影响被削弱了AUO倍，使检波特性大大改善。如果需要输出的是负电压，只要把电路中的两个二极管同时反接即可。信号形式变换 -交流/直流转换电路 2绝对值转换电路采用绝对值转换电路，可把输入信号转换为单极性信号，再用低通滤波

33、器滤去交流成份，得到的直流信号称为绝对平均偏差(MAD)。在半波整流电路的基础上，加一级加法器，构成简单的绝对值电路。右图为简单绝对值电路及其波形。图中A1组成线性检波器，在R1=R2，R3=R1/R2的条件下，u1与输入电压uI的关系为信号形式变换 -交流/直流转换电路 2绝对值转换电路图中A1组成线性检波器，在R1=R2，R3=R1/R2的条件下，u1与输入电压uI的关系为A2组成带权加法器：R4=2R5=R6，R7=R4/R5/R6，其输出：需注意，这里一些电阻需要匹配，即R1=R2，R4=2R5=R6。0001IIIuuuu00)2(1IIIIIOuuuuuuu信号形式变换 -交流/直

34、流转换电路 3有效值转换电路交流信号有效值的测量方法较多。如果已知被测信号波形，可采用峰值检测法、绝对平均法分别测出交流信号的峰值或绝对平均值，再进行换算即可；若输入信号波形不确定，则可采用热功率法或硬件运算法。信号形式变换 -交流/直流转换电路 3有效值转换电路图示为一种峰值检测电路，其输出电压uO等于交流信号的峰值up。正弦波的信号有效值URMS=UP/1.414；三角波的URMS=UP/1.73；方波的URMS=UP。A1A2VD1VD2RCuIuO信号形式变换 -交流/直流转换电路 3有效值转换电路有效值转换电路绝对平均法利用绝对值转换和低通滤波电路，得到输入信号的MAD（绝对平均偏差

35、）值，再换算成RMS(均方根)值。绝对平均法比峰值法测量精度高，抗干扰能力强，但不适于复杂波形的信号。热功率法利用交流信号加在电阻上的功率即温度变化测量有效值，输出不受波形影响，但响应慢。信号形式变换 -交流/直流转换电路 3有效值转换电路目前较理想的方法是利用集成器件实现有效值的实时运算，其电路框图如图所示。由 , 得故有TIRMSdttuTU02)(1TIRMSdttuTU022)(1TRMSIRMSdtUtuTU02)(1信号形式变换 -交流/直流转换电路 3有效值转换电路有效值转换电路常用集成有效值转换器：AD536，AD636，AD637等。AD637为高精度宽带方均根/直流转换器。

36、当输入信号均方根值在02V范围时，最大非线性仅0.02，输入均方根值在2V和100mV时，相应的-3dB带宽分别达8MHz和600kHz。当波峰系数较大时，晶体管的对数一致性误差会导致非线性误差。波峰系数为3时，附加误差为0.1。信号形式变换 滤波 滤波是选取信号中感兴趣的成分，抑制或衰减掉其它不需要的成分。能实施滤波功能的装置是滤波器。从信号的输入和输出角度，滤波可分为两类：对输入量滤波（简称输入滤波）和对输出量滤波（简称输出滤波）。从选频的方式，滤波可分为四类：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器如图。信号形式变换 滤波 结合低通滤波器，下面介绍滤波器常用的一些技术指标的含义。（

37、1）建立时间：输出从零（图中a点）到稳定值A0 (b点)经过的时间。输入信号突变处必然包含有丰富的高频分量，低通滤波器阻挡住了高频分量。通带越宽，衰减的高频分量便越少，信号便有较多的分量更快通过，因此导致较短的建立时间；反之则长。一个低通滤波器的阶跃响应的建立时间Te和它的带宽B成反比，即BTe=常数。（2）带宽：表示它的频率分辨能力，通带窄，则分辨力高。这一结论表明：滤波器的高分辨力与测量时快速响应是矛盾的。 对于带通滤波器，有下列一些常用的技术指标。(1)截止频率：幅频特性值等于 所对应的频率点。(2)带宽：上下两截止频率之间的频率范围，又称-3dB带宽。(3)纹波幅度：通带中幅频特性值的

38、起伏变化值，图中用d表示。(4)品质因子：中心频率f0与带宽B之比，即 。(5)倍频程选择性：上截止频率fc2与2fc2之间或下截止频率fc1与2fc1间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程的衰减量，以dB表示。 (6)滤波器因数：也称为矩形系数，滤波器幅频特性的-60dB带宽与-3dB带宽的比，即 ，对理想滤波器有=1。对普通使用的滤波器， 一般为15。 0( 3)2AdB0fQB6 03d Bd BBB典型的滤波器电路 1.无源滤波器的电路组成 用电阻、电容、电感等无源器件组成的滤波器称为无源滤波器。无源滤波器具有结构简单、噪声小、动态范围大等优点。缺点是：（1）存在损耗电阻，信号在传递

39、过程中能量损耗大。（2）当外接负载电阻改变时，对滤波器的通带增益、截止频率等的特性参数影响较大。（3）在低频应用时，由于电容元件较大，增大了滤波器的体积。最简单的一阶无源低通和高通滤波器如图所示，称为RC无源滤波器。 信号形式变换 滤波 对RC无源滤波器的上述缺点，可借助于RC有源滤波器解决。RC有源滤波器由电阻、电容和集成运算放大器组成。利用有源器件的放大和隔离作用，使滤波器在通带内有一定的增益和很强的负载能力。下一部分将介绍有源滤波器。 2.有源滤波器 常见的有源滤波器包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。 图为一阶低通滤波器，设上限截止频率为fH，通带放大倍数为Ap，传递函数为L(s

40、)，则2112HfR C21pRAR2121( )1RL sRR Cs-信号形式变换 滤波 图为一阶高通滤波器，设下限截止频率为fL，通带放大倍数为AP，传递函数为H(s)，则21( )1R C sHsR C s1112LfR C21pRAR信号形式变换 滤波 图为带通滤波器，设上限截止频率为fH，下限截止频率为fL，通带放大倍数为AP，传递函数为B(s)，则21112221211221122( )(1)(1)()1R C sB sRC sR C sR C sRC R C sRCR C s2112HfR C1112LfRC21pRAR信号形式变换 滤波 自动检测系统结构框图Agenda数据采集装置的组成数据采集装置的组成数据采集装置的结构配置数据采集装置的结构配置数据采集装置的技术性能数据采集装置的技术性能数据采集装置的发展数据采集装置的发展一、数据采集系统的组成典型的数据采集系统(DAQS)主要包括多路模拟开关（MUX）、信号滤波与放大电路（IA）、采样/保持电路（S/H）、 模/数转