检测电路设计调制检波方法(珍藏)

1、第四章 检测系统设计第一节 概 述· 字体大小：· 小· 中· 大二、机电一体化对检测系统的基本要求1.精度、灵敏度和分辨率高；2.线性、稳定性和重复性好；3.抗干扰能力强；4.静、动态特性好。其它要求：体积小、质量轻、价格便宜、便于安装与维修、耐环境性能好等。 四章 检测系统设计第一节 概 述· 字体大小：· 小· 中· 大三、检测系统设计的任务、方法和步骤检测系统设计的主要任务：根据使用要求合理选用传感器，并设计或选用相应的信号检测与处理电路以构成检测系统，对检测系统进行分析与调试，使之在机电一体化产品中实现预

2、期的计测功能。 检测系统设计的主要方法是实验分析法，即理论分析和计算与实验测试相结合的方法。由于检测系统中所用到的传感器及各种电子元器件的物理或化学性能的复现性和复制性，往往难于保证实际设计出的系统的性能与理论分析和计算结果的一致性，而且检测系统在工作中会受到来自周围环境的各种各样的干扰，这些干扰是很难通过理论分析和计算而预先确定的，因而必须通过实验测试为理论分析提供依据，并对所设计的检测系统进行修正，以满足其性能指标要求。检测系统设计的一般步骤如下：（1）设计任务分析在具体设计开始之前，必须对设计任务进行充分的了解和分析，其中包括对机电一体化产品整体功能、性能和应用场合的了解，以及

3、产品对检测系统具体性能要求的分析，如对被测量及其变化范围、检测精度、信号输出形式、系统安装条件等的分析。（2）系统方案选择系统方案选择包括传感器及信号加工、处理方法的选择。对应于同一个设计任务，往往存在多种不同的实现方案，如可以选用不同的传感器，因而有不同的信号加工、处理方法，即使选用同样的传感器，也可以选用不同的信号加工、处理方法。因此，这一步应在大量调查研究的基础上，进行充分的方案论证，甚至做一些必要的原理性模拟试验，以保证所选定的方案是最佳的或较佳的方案。（3）系统构成框图设计当方案选定之后，就要对系统构成框图进行设计，并同时确定对各构成环节的要求，如变换特性、参数指标等。（4）环节设计

4、与制造环节设计与制造依据所选定方案进行。各环节结构应尽量选用现有的各种功能电路甚至集成电路芯片，当不完全满足要求时，可进行适当的参数修改或补充设计。各环节电路制作完成后，应进行必要的调试，以达到设计指标要求。（5）总装调试及实验分析各环节分别制造、调试完成后，进行总装，构成所需要的检测系统，并进行整体调试。通过调试如发现问题，应及时进行分析和解决。（6）系统运行及考核检测系统最终要纳入到机电一体化产品中与其它系统统一、协调地运行，因此其性能还要在整个产品的运行过程中进行考核，并考虑与其它系统的匹配关系进行修改和完善。上述仅是检测系统设计的一般方法及步骤，实际的设计过程是很复杂的，涉及到较深的传

5、感器、电路及信息处理方面的理论知识，而且往往要经过多次反复才能完成。本章不可能对检测系统设计过程中所用到的全部理论和方法进行系统、详细的介绍，因而仅在已有传感器知识的基础上，介绍一些机电一体化设计中经常用到的模拟式和数字式传感器信息的检测和处理方法及功能电路，以及信息的计算机采集和预处理方法。第四章 检测系统设计第二节 模拟式传感器信号的检测· 字体大小：· 小· 中· 大一、模拟信号检测系统的组成模拟式传感器是目前应用最多的传感器，其输出是与被测物理量相对应的连续变化的电信号。典型的模拟信号检测系统如图4-1所示。 振荡器用于对传感器信号进行调制，并为

6、解调提供参考信号；量程变换电路的作用是避免放大器饱和并满足不同测量范围的需要；解调器用于将已调制信号恢复成原有形式；滤波器可将无用的干扰信号滤除，并取出代表被测物理量的有效信号。 可对信号进行各种处理，以正确获得所需的物理量，其功能也可在对信号进行模数转换后，由数字计算机来实现；计算机对信号进行进一步运算处理后，可获得相应的控制信号去控制执行机构，而在不需要执行机构的智能化量仪中，计算机则将有关信息送去显示或打印输出。一体化产品的检测系统中，也可能没有图41中的某些部分或增加一些其它部分，如有些传感器信号可不进行调制与解调，而直接进行阻抗匹配、放大和滤波等。第四章 检测系统设计第二节

7、 模拟式传感器信号的检测· 字体大小：· 小· 中· 大二、基本转换电路被测物理量经传感器变换后，往往成为电阻、电容、电感等电参数的变化，或电荷、电压、电流等电量的变化。当传感器的输出信号是电参数形式时，需采用基本转换电路将其转换成电量形式，然后再送入后续检测电路。（一）分压电路式中:是交流电源角频率；M2是变压器互感。 （二）差动电路差动电路主要用于差动式传感器信号的转换。 当被测量发生变化时，传感器阻抗也随之变化，设变化量为Z，则Z1Z0+Z，Z2Z0-Z，于是采用了对称电源供电，在传感器处于平衡位置时，电路输出为零；当传感器失衡

8、后，输出电压与阻抗的变化成正比，即：桥式差动电路，主要用于直流电桥中，两个阻抗元件Z的中点接地，构成对称供电形式。当传感器处于平衡位置时，输出电压为零；当传感器失衡后，输出电压为：采用变压器配成桥式差动电路，通过具有中间抽头的变压器二次线圈对传感器的一对差动阻抗对称供电，其输出电压与传感器阻抗变化之间的关系为：（三）非差动桥式电路若传感器的基准阻抗为Z0，并取ZZRZ0，传感器阻抗随被测量的变化为Z，则当电容传感器的电容C或电阻传感器的电阻R变化时，输出电压的幅值U0Ui2不变，但相位角却随之变化，其输出特性表达式为：输出信号相位随传感器电感L或电阻R的变化关系为：（四）调频电路传感器电容C和

9、标准电感L构成谐振电路并接入振荡器中，振荡器输出信号的频率f随传感器电容C的变化关系为：（五）脉冲调宽电路输出信号U0的脉宽占随电容C或电阻R的变化而变化，即：B = kRC式中，k是与URUi有关的常数。第四章 检测系统设计第二节 模拟式传感器信号的检测· 字体大小：· 小· 中· 大三、信号放大电路信号放大电路，亦称放大器，用于将传感器或经基本转换电路输出的微弱信号不失真地加以放大，以便于进一步加工和处理。（一）减小噪声和提高稳定性的方法放大电路中常见的噪声：热噪声、散粒噪声和低频噪声等，对于这些噪声必须采取措施加以抑制，以免有用信号被淹没

10、在噪声中。常用的抑制放大器噪声的措施有：1.压缩放大器带宽，滤除通带以外的各种噪声信号。2.减小信号源电阻，并尽量使其与放大器的等效噪声电阻相等，以实现噪声阻抗匹配。3.选用低噪声放大器件，以减少噪声的产生。4.减小接线电缆电容的影响及各种干扰因素的影响。放大器的稳定性是指其在环境、输入信号或电路中某些参数发生变化时能够稳定工作的能力。提高放大器稳定性的措施有：1.采用具有高稳定度的无源元件或引入直流负反馈来稳定静态工作点。2.采用电容和电阻进行相位补偿，以消除由寄生电容或其它寄生耦合所引起的自激振荡。3.妥善接地与屏蔽，以减小寄生电容、寄生耦合等因素的影响。4.采取散热与均热措施，以保证温度

11、稳定，减小热漂移。(二)高输入阻抗放大器为了与传感器电路或基本转换电路相匹配，希望放大器具有较高的输入阻抗。最简单和常用的高输入阻抗放大器是同相输入放大器，其输出电压U0和输入阻抗Z分别为：式中: Ad是运算放大器的差模放大倍数；Zi是开环输入阻抗。为保证共模抑制比，取R1Rf1Rf2R4，则放大器输出为两个运算放大器N1和N2的输出与输入关系分别为U0(R2R1)Ui和U01(2R1R2)U02Ui，信号源的输出电流为：（三）高共模抑制比放大器对两被测信号的差值进行放大的同时，抑制来自环境的共模干扰。若取R1R2，R3Rf，则上式变为：U0 = Rf / R1(

12、 Ui2 - Ui1 )若只有共模信号输入，即Uil=Ui2=Uic若使电路参数满足匹配关系R1R2，R3Rf，有U0=0,即放大器共模增益为零，共模抑制比(差模增益与共模增益之比)为无穷大。当R1R2，及Rf1=Rf2=Rf时，电路输出为：（四）参量放大器（1）电容参量放大器C是传感器电容Co是标准电容ui是标准输入电压式中，是电容传感器的介电常数；S是极板工作面积；是极板之间的距离，或称气隙。（2）电阻式传感器用于将单臂传感器的电阻变化R转换成输出电压uo的变化。取R1=R2，R3=R （R是传感器电阻公称值）用于将差动式传感器的电阻变化转换成电压变化。传感器电阻R3和

13、R4分别为R3RR，R4R+R。若取及R1R2R，Rf>>R ，则：（五）线性化放大器线性化放大器是指通过放大器的作用，使包括传感器及信号检测电路在内的整个检测系统的输出与输入之间具有良好的线性。许多情况下，放大器前、后各环节都可能具有非线性特性，由于作为中间环节的放大器的特性最容易调节和控制，因而常要求其具有按给定规律变化的增益特性，以补偿或校正整个系统的线性。设传感器具有非线性特性uif(x)，要求系统输出uo与输入x之间具有线性关系uokx。若放大器开环增益为Ao，则Ao足够大时，上式可简化成：（只要反馈环节具有与传感器相同形式的非线性特性，检测系统就能获得良好的线性）要精确

14、实现任意函数关系f(x)的反馈补偿是很困难的，一般是先用一组折线来代替f(x) ，然后用分段折线反馈来实现线性化补偿。当反馈网络的输入电压uo较小时，P点电位uPUD+E1UD+E2 (UD是稳压管VSlVS3的压降)，且输出电压ufUD+E3，则VSlVS3均不导通，反馈网络增益较小，输出电压对应着直线段OA。当uo1uouo2时，适当选择E1E3和UD，可使UD+E1upUD+E2，且ufUD+E3，则VS1导通，VS2、VS3仍截止，从而增加了反馈电阻，使得反馈网络增益加大，输出电压uf对应着直线段AB。当uo2uouo3时，UD+E1upUD+E2，但ufUD+E3，则VSl

15、、VS3导通，VS2截止，相当于在RL上并联一个电阻R8，使反馈网络增益减小，uf对应着直线段BC。当uo3uouo4时，upUD+E2UD+El，且ufUD+E3，则VS1VS3全部导通，使反馈电阻增加，负反馈减小，反馈网络增益增加，uf对应直线段CD。（六）放大器增益切换当UoUc时，通过量程切换电路控制继电器或模拟开关动作，使适当的分压电阻接通，从而对不同的输入信号Ui实现不同程度的衰减，以保证放大器工作在线性范围内。第四章 检测系统设计第二节 模拟式传感器信号的检测· 字体大小：· 小· 中· 大四、信号调制与解调电路在机电一体化产品中常采用调制

16、与解调的方法对信号进行检测，以防止干扰信号对检测精度的影响。 例如：采用特定频率的交流电源对电感传感器供电，或对由应变片、热敏电阻等组成的桥路供电，其目的都是为了对信号进行调制。经过调制的信号在经过放大后，还需通过解调(或称检波)的方法将其还原成原始信号，以获得被测物理量及其变化的信息。信号调制的方法有幅值调制、相位调制、频率调制和脉宽调制等，其中前三种又分别简称为调幅、调相和调频。对应不同的信号调制方法需采用不同的方法来解调。（一）幅值调制与解调1.幅值调制（让一个具有特定角频率c的高频信号的幅值随被测量x而变化）高频信号称为载波信号，被测量x称调制信号，载波信号经被测量x调制后所得到的幅值

17、随x变化的信号称已调制信号或调幅信号。最简单的幅值调制是线性调制，即让高频振荡信号的幅值为被测信号x的线性函数，所得到的调幅信号的一般表达式为：Us=(Um+mx)cosct式中，c是载波信号角频率；Um是载波信号幅度；x是调制信号；m称调制深度。信号的幅值调制可直接在传感器内进行，也可在电路中进行。在电路中对信号进行幅值调制的方法有相乘调制和相加调制，下面仅就相乘调制的方法加以介绍。串并联幅值调制电路，用于将缓变的调制信号ui与矩形高频载波信号Uc和Uc非相乘。将Uc按傅里叶级数展开得：将ui与Uc相乘后，再用带通滤波器滤除直流分量和频率高于3c的高频分量，就得到相乘调制信号。2.包络检波包

18、络检波是一种对调幅信号进行解调的方法，其原理是利用二极管等具有单向导电性能的器件，截去调幅信号的下半部，再用滤波器滤除其高频成分，从而得到按调幅波包络线变化的调制信号。当要求检波精度较高时，常采用由运算放大器构成的精密整流器来实现包络检波。取R'32R3，在不考虑电容C的滤波作用时，N2的输出为：3.相敏检波Uc：与载波信号同频率的参考信号（作为场效应管VF的开关控制信号），从而实现调幅信号US与参考信号UC相乘。在设计调幅及其解调电路时，应注意合理选择各参数。如果调制信号的最大角频率为m ，则要求载波频率c10 m，否则会给滤波器设计带来困难或降低信号检测精度。为了保证调幅

19、信号顺利通过并被放大，放大器的通频带应按c±m选取。在相敏检波后，滤波器应保留频率在m以下的信号。在包络检波后，滤波器应滤除频率在c-m或2c-m以上的信号。（二）相位调制与解调1.相位调置基本思想是：让一个具有特定角频率c的高频载波信号的相位随被测量x而变化，则已调制信号中就包含了x的全部信息。最常用的是线性调相，即使调相信号的相移角为J的线性函数，其一般表达式为：Us=Umcos(ct+mx)式中，Um是载波信号幅值；m称调制深度。调相信号us的瞬时角频率为：对调相信号进行放大时，放大器的通频带应按上式所确定的的变化范围来选择。当弹性轴上无扭矩作用时，两个传感器中的交变信号相位差

20、为零；当有扭矩作用时，弹性轴产生扭转变形，两个齿轮相对位置发生变化，两路传感器信号的相位差也发生变化，且相位差与扭矩成线性关系。如果将一路传感器信号作为基准信号，另一路传感器信号就是调相信号，其载波频率为轴1的转速与齿轮2的齿数之积。2.相位解调相位解调又称鉴相或比相，常用的方法有异或门鉴相、RS触发器鉴相、脉冲采样鉴相和相敏检波器鉴相等。设时钟频率和调相信号频率分别为f和fc，则：异或门鉴相器的鉴相范围为0180，且要求输入信号为占空比50的方波。对于正弦信号，需先整形成方波。此外，异或门鉴相器不能鉴别相位的超前或滞后，因而无辨向功能。RS触发器鉴相电路原理：首先可通过微分电路或单稳电路等，

21、将参考信号Uc和调相信号Us变成窄脉冲Uc和Us，然后分别加到触发器的R、S端，则Q端输出信号的脉宽与相位差成正比。Q端的输出信号可通过滤波器获得平均电压uo，或采用计数电路对脉冲宽度计数，还可将触发器的Q和Q非端分别接滤波器，然后用差动放大器求差。RS触发器的鉴相范围是360-，其中是窄脉冲U'c或U's的相位宽度。（三）频率调制与解调1.频率调置基本思想是：让一个高频振荡的载波信号的频率随被测量x(调制信号)而变化，则得到的已调制信号中就包含了x的全部信息。在线性调频中，调频信号可表达成：Us=Umcos(c+mx)t式中，Um和c分别是载波信号的幅值和中心角频率；m称调制

22、深度。常用的调频方法有传感器调频、电参数调频、电压调频等。2.频率解调频率解调又称鉴频或频率检波，常用的方法有微分鉴频、斜率鉴频和相位鉴频三种。微分鉴频方法：将us对时间t求导得：调频信号us的微分是一个调频调幅信号，利用包络检波器可检出其幅值Um(c+mx)，再通过零点和灵敏度标定，即可获得调制信号x。微分鉴频电路：1）电容CD与晶体管VT的发射结正向电阻re构成微分电路。2）VT又与电阻RL构成包络检波电路；3）二极管VD一方面为VT提供直流偏压，另一方面又为CD提供放电回路；4）输出端电容C用来滤除包络检波后的高频载波信号。 第四章 检测系统设计第二节 模拟式传感器信号的检测&

23、#183; 字体大小：· 小· 中· 大五、滤波器（一）滤波器的功用、分类及基本参数功用是：滤除在信号放大和传输过程中引入的噪声和干扰。滤除在信号调制过程中的载波等无用信号。将不同频率的有用信号分开。对系统频率特性进行补偿。分类：按照所处理信号形式的不同，可将滤波器分为模拟式滤波器和数字式滤波器，其中模拟滤波器又有机械式和电气式两类；按照所采用元器件的不同，又可分为无源滤波器和有源滤波器；按照所选通的信号频率范围的不同，还可分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种；此外还可根据滤波器传递函数的阶次将其分为一阶、二阶、高阶滤波器。描述滤波器性能的基本参数：1.截止频率若

24、滤波器在通频带内的增益为K，则当其增益下降到(即下降了3dB)时所对应的频率被称为截止频率。2.带宽B对于低通或带通滤波器，带宽是指其通频带宽度，对于高通或带阻滤波器，带宽是指其阻带宽度。带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力。3.品质因数QQ定义为带通或带阻滤波器的中心频率fc与带宽B之比，即品质因数Q的大小反映了滤波器频率选择能力的高低。4.倍频程选择性是指在f02与2f02之间，或在f01与f01/2之间，幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时幅频特性的衰减量，用dB表示，它反映了滤波器对通频带以外的频率成分的衰减能力。（二）无源RC滤波器 1.RC低通滤波器适当改变电

25、路中R或C的取值，可改变截止频率。设计低通滤波器时，应使截止频率大于有用信号的频率。2.RC高通滤波器3.RC带通滤波器当R2>>R1时，后面的低通滤波器对前面的高通滤波器影响较小，因此带通滤波器的传递函数可看成是高通滤波器和低通滤波器的传递函数之积。无源RC滤波器主要作为一阶滤波器使用，其缺点是频率选择性较差。若将RC滤波器串联起来，虽然可提高阶次(传递函数分母中s的幂次)，但受级间耦合的影响，效果较差。（三）有源滤波器有源滤波器采用RC网络和运算放大器组成，其中运算放大器既可起到级间隔离作用，又可起到对信号的放大作用，而RC网络则通常作为运算放大器的负反馈网络。1.有源低通滤波

26、器RC网络实现滤波作用，运算放大器用于隔离负载的影响，提高增益和带负载能力。RC高通滤波器作为运算放大器的负反馈网络而构成的一阶有源低通滤波器二阶有源低通滤波器 为了在低频区获得比较平坦的幅频特性，常取0.707，则0n，倍频程选择性为7.4dB。通过多路负反馈以削弱Rf在调谐频率附近的负反馈作用，使滤波器的特性更接近理想的低通滤波器。2.有源高通滤波器将两个RC高通滤波器串联接在运算放大器的同相输入端有源高通滤波器图b信号从运算放大器的反相端输入，并通过多路负反馈来抑制元件参数变化的影响，保证在任何参数情况下阻尼比总是正值，滤波器总是工作在稳定状态。3.有源带通滤波器由一个RC低通

27、滤波器和一个RC高通滤波器串接在运算放大器的同相输入端构成传递函数为：该带通滤波器的中心角频率c就等于其固有角频率n。设上、下截止角频率分别为02= n+， 01= n- ，则带宽为B2。4.有源带阻滤波器传递函数为：滤波器的通带增益K、阻带宽度B及品质因数Q分别为：在设计或选用这类滤波器时，运算放大器的增益不宜选得过大，以保证阻尼比为正值，使滤波器工作在稳定状态。第四章 检测系统设计第二节 模拟式传感器信号的检测· 字体大小：· 小· 中· 大六、运算电路运算电路是能对信号运算处理的电路，根据信号形式的不同可分为模拟和数字运算电路两种。由于计算机的普及

28、和许多众所周知的优点，数字运算电路的应用越来越广。但模拟运算电路具有直接、简单、运算速度快等特点，对于一些比较简单的运算，仍常采用模拟运算电路宋实现。这里仅介绍一些常用的模拟运算电路。（一）线性加、减运算电路反相输入相加放大器RfRi可看作是各输入信号Ui的权。同相输入加法运算电路，其输出与各输入之间的关系为：减法运算(又称差动运算)电路若取R1=R2=R3=R4=Rp=Rf=R，则电路的输出与各输入信号之间的关系为：U0=(U3+U4)-(U1+U2)同相积分电路，输出电压为：式中，RC是微分时间常数。该电路的主要缺点：是对干扰信号敏感，易产生自激振荡，在输入信号ui突变时易产生阻塞现象。在

29、输入回路中引入电阻R1，以限制输入端噪声和突变电压的影响，同时增大了电路的阻尼系数，有利于抑制自激振荡。在反馈电阻R上并联一个校正电容Cl，并取RClR1C，在Rp旁并联电容Cp，以实现相位补偿。R上还并联了两个稳压管，以限制输出幅度，防止进入饱和状态。(二)参量控制式乘除运算电路利用场效应管的特性，由于1/rDS与UGS之间有着良好的线性关系，即UGSUxk/rDS，其中k为比例系数，则电路输出Uo为：(三)峰值运算电路（1）信号Ui从N1同相端输入，N2接成跟随器。（2）在运算开始时，Uk瞬时接高电平，使场效应管VF的栅极电位为零，开关导通，电容C通过VF放电。随后Uk降为低电平，VF截止

30、。（3）当UiUc时，N1输出为正，VD1导通，VD2截止，使电容C迅速充电，直至UOUCUi。只要Ui略小于Uo，则VD1截止，VD2导通，C停止充电，从而将Ui的正峰值保持在电容C上，并由跟随器输出。当Ui0时，Nl输出正电平，VD1导通，C充电，N2的输出UO随Ui的减小而增加。当Ui变到最小值，即负峰值时，C充电到最高电位，UoUc|Ui|。一旦Ui离开负峰值而增加时，N1的输出电位将低于C上存储的电位Uc，因而VD1截止，VD2导通，C停止充电，从而将Ui的负峰值保持在电容C上，并通过跟随器输出。在下一次运算开始前，应将UK与高电平瞬时相接，让电容C通过场效应管开关VF放电，为下一次

31、运算作好准备。第四章 检测系统设计第三节 数字式传感器信号的检测· 字体大小：· 小· 中· 大一、数字信号检测系统的组成由于近年来微型机的普及应用，在机电一体化产品中许多复杂的信号处理都采用微型机来完成，因此模拟信号往往需先经模数转换后，再采入微型机进行处理，这无疑将增加系统的复杂性和成本，而且模拟信号的检测精度较低，易受干扰影响，不便于远距离传输。数字式传感器可直接将被测量转换成数字信号输出，既可提高检测精度、分辨率及抗干扰能力，又易于信号的运算处理、存储和远距离传输。因此，尽管目前数字式传感器品种还不很多，但却得到了越来越多的应用。最常见的数字式传

32、感器有光栅、磁栅、容栅、感应同步器、光电编码器及激光干涉仪等，主要用于几何位置、速度等的测量。增量码信号：指信号变化的周期数与被测位移成正比的信号。传感器的输出多数为正弦波信号，需先经放大、整形后变成数字脉冲信号。在精度要求不高和无需辨向时，脉冲信号可直接送入计数器和计算机，但在多数情况下，为提高分辨率，常采用细分电路使传感器信号每变化1局个周期计一个数。辨向电路用于辨别被测量的变化方向。当脉冲信号所对应的被测量不便于读出和处理时，需进行脉冲当量变换。计算机可对信号进行复杂的运算处理，并将结果直接送去显示或打印输出，或求取控制量去控制执行机构。第四章 检测系统设计第三节 数字式传感器信号的检测

33、· 字体大小：· 小· 中· 大二、多路信号采集细分与辨向a.ui0时，uo-(Uz+UD)b.ui0时，uo Uz+UD第四章 检测系统设计第四节 检测信号的采集和预处理· 字体大小：· 小· 中· 大在机电一体化产品中，控制和信息处理功能多数采用计算机来实现，因此检测信号一般都要被采集到计算机中作进一步处理，以便获得所需的信息。信号的采集是按一定方式和通过适当的接口电路实现的。信号被采入计算机后往往要先进行适当的预处理，其目的是去除混杂在有用信号中的各种干扰，并对检测系统的非线性、零位误差和增益误差等进行补偿和

34、修正。关于接口电路的选择和设计方法已在第三章中作了介绍，这一节主要介绍模拟量的转换输入方式及检测信号的预处理方法等。一、模拟量的转换输入方式模拟量的转换输入方式主要有四种。图a是最简单的一种方式，但仅适用于只有一路检测信号的场合。第二种方式如图b所示，多路检测信号共用一个A/D转换器，通过模拟多路开关依次对各信号进行采样，其特点是电路简单，节省元器件，但信号采集速度低，不能获得同一瞬时的各路信号。第三种方式如图c所示，它与第二种方式的主要区别是信号的采样/保持电路在多路开关之前，因而可获得同_瞬时的各路信号。图d所示为第四种方式，其中各路信号都有单独的采样/保持电路和A/D转换通道，可根据检测

35、信号的特点，分别采用不同的采样/r保持电路或不同精度的A/D转换器，因而灵活性大，抗干扰能力强，但电路复杂，采用的元器件较多。第四章 检测系统设计第四节 检测信号的采集和预处理· 字体大小：· 小· 中· 大二、模拟多路开关模拟多路开关(多路转换开关，简称多路开关)作用：分别或依次把各路检测信号与AD转换器接通，以节省AD转换器件。对多路开关的基本要求是：导通电阻小。开路电阻大，交叉干扰小。开关的切换速度快。传输信号的线性度好。多路开关：电力机械开关和电子开关两类。电力机械开关如：继电器等，由于其体积大、开关速度慢，因而不适于信号采集。电子开关是以：二极

36、管、双极型晶体管、MOS场效应晶体管等作开关元件而构成的开关电路，以MOS场效应管集成开关电路应用最多。用SA、SB两个开关组合成的一个相当于单刀双掷的开关，可用于选通两路输入信号中的一路，实现信号的切换。将四个开关组合起来构成的一个四选一模拟多路开关，它要求在任何时刻，控制信号UCAUCD中只能有一个是高电平，否则各路输入信号将互相干扰。为了采用较少的控制信号选通多路开关，可在各控制信号UCAUCD之前加上译码电路。集成电路芯片CC4051就是带有译码电路的八选一多路开关。(1NOUT)0(1NOUT)7，分别是八路信号的输入或输出端；OUTIN是公共输出或输入端；A、B、C是各开关的数字控

37、制信号输入端，当CBA000111时，可分别选通开关通道07；INH是禁止端，当其为高电平时，各通道均被关闭，只有当该引脚上的信号为低电平时，各开关才能在控制信号的控制下正常通断。如果信号分别从(1NOUT)0(1NOUT)7八个引脚输入，并从公共端OUTIN输出时，该芯片是一个模拟多路开关。如果信号从公共端输入，并向八个引脚分配输出时，该芯片可作为信号分配器使用。说明：在CC4051芯片中除电源引脚UDD和接地引脚Uss外，还有另一电源引脚UEE，供电平移位时使用，以便传输具有正、负极性的模拟信号。例如，当UDD+5V，Uss0V，UEE-5V时，该芯片可传输幅度范围为-5V+5V的模拟信号

38、。该芯片可传输信号的最大峰值为15V。第四章 检测系统设计第四节 检测信号的采集和预处理· 字体大小：· 小· 中· 大三、信号采样与保持（一）信号采样采样:把时间连续的信号变成一连串不连续的脉冲时间序列的过程。采样开关S每隔时间间隔T闭合一次，每次闭合持续时间。T称为采样周期，其倒数fs称为采样频率；称为采样时间或采样宽度。为了保证在采样过程中不丢失原来信号中所包含的信息，采样频率必须按香侬(Shannon)采样定理来确定，即要求：式中，fmax是原信号f(t)的最高频率。在实际应用中，取：（二）采样保持A/D转换过程需要一定时间，为防止产生误差，要求

39、在此期间内保持采样信号不变。实现这一功能的电路称采样/保持电路。典型的采样/保持电路由模拟开关、保持电容和运算放大器组成单片集成的LF198采样/保持电路的原理图在S断开期间，若ui发生变化，N1的输出u'o可能变化很大甚至超过开关电路所能承受的电压，这时由二极管构成的保护电路可将u'o嵌位在ui+UD范围内(UD为二极管正向压降)第四章 检测系统设计第四节 检测信号的采集和预处理· 字体大小：· 小· 中· 大四、数字信号的预处理目的：去除混杂在有用信号中的各种干扰信号。干扰信号有周期性干扰和随机性干扰两类。 典型的周期性干扰是50Hz的工频干扰，采用积分时间为20ms整数倍的双积分型A/D转换器，可有效地消除其影响。对于随机性干扰，可采用数字滤波的方法予以削弱或消除。数字滤波实质上是一种程序滤波，与模拟滤波相比具有如下优点：不需要额外的硬件设备，不存在阻抗匹配问题，可靠性高，稳定性好。可以对频率很低或很高的信号实现滤波。可根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数。(一)中值滤波中值滤波方法对缓慢变化的信号中由于偶然因素引起的脉冲干扰具有良好的滤除效果