机电一体化第六章检测系统设计

1、贾彦伯贾彦伯 2013050201420130502014机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化6.1 概述6.2 模拟式传感器信号的检测6.3 数字式传感器信号的检测6.4 检测信号的采集与预处理6.5 传感器的非线性补偿6.6 零位误差和增益误差补偿6.1.1 检测系统的功能、分类与组成 检测系统是机电一体化产品的必备组成之一，要使机电一体化系统有效地发挥功能，必须首先获得各种各样的信息。检测系统的功能便是对系统运行中所需要的本身和外界环境的各个参数及状态进行检测，变成可识信号，传输到信息处理单元。像我们人类这样生物系统中，动作控制过程如图6-1所示。a 生物系统b 机电一体化系统图

2、 6-1 检测的作用 由上述可看出，传感器与人体的感觉器官相对应，计算机与大脑相对应，执行器与人体的运动器官行对应。这种从外界获取信息，并从中提取有用信息的过程成为检测。按输出信息的性质可将检测装置分类如下： 检测装置开关式模拟式数字式接触式（微动开关，接触开关）非接触式（光电开关，接近开关）电阻式（电位器，电阻应变片）电压，电流式（热电偶、电压元件）电感，电容式（电感，电容式位移传感器）计数式（光栅等）代码式（编码器等） 尽管检测仪器和检测系统种类繁多，但都是用于各种物理化学等参量的检测。其组成单元按信号传递的流程来分，通常由各种传感器将物理等成分转为电信号，然后经信号调理、数据采集、信号处

3、理后显示并输出，由以上设备以及系统所需要的交、直流电源和必须的输入设备组成一个完整检测系统，如图6-2所示。传感器信号调理电路被测对象信号处理执行器稳压电源输入设备控制及功率放大信号显示信号传输数据采集信号记录图6-2 传感器：直接作用于被测量，并能按一定规律将被测量转换成同种或 别种量值输出。这种输出通常是电信号。 信号处理：把来自传感器的信号转换成更合适传输和处理的形式。 数据采集：在检测系统中的作用是对信号处理后的连续模拟信号进行离散化并转换成与模拟信号电压幅相对应的信息，同时把这些转化数据传递给处理器或依次自动存储。 信号处理：信号模块是现代检测仪表、检测系统进行数据处理和各种控制的中

4、枢环节，其作用和人的大脑相似。 信号显示：记录信号显示。 应当指出，并非所有的检测环节都具有图6-2中所有环节。6.1.2机电一体化对检测系统的基本要求 为了获得准确的测量结果，机电一体化对监测系统在性能方面的基本要求是 精度、灵敏度和分辨率高。 线性、稳定性和重复性好。 抗干扰能力强，静动态性能好。 体积小、质量轻、价格便宜，便于安装与维修，耐环境性能好等。6.1.3 检测系统的设计 检测系统设计的主要任务是：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，对监测系统进行分析与调试，使之在机电一体化产品中实现预期的计测功能。 检测系统设计的主要方法是实验分析法

5、，即理论分析和计算与实验测试相结合的方法。 检测系统设计的一般步骤如下图6-3所示。 设计步骤设计任务分析系统方案选择系统构成框图设计环节设计与制造总装调试及实验分析系统运行及考核图6-3设计任务分析：对机电一体化产品整体功能、性能和应用场合的了解，以及产品对检测系统具体性能要求的分析。系统方案的选择：系统方案的选择包括传感器及信号加工、处理方法的选择。系统构成框图设计：当方案选定后，就要对系统构成框图进行设计，同时确定对各构成环节的要求。如变化特性、参数指标等。环节设计与制造：环节设计与制造依据所选定的方案进行。总装调试及试验分析：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

6、，并进行总体调试。系统运行及考察：检测系统最终要纳入到机电一体化产品中 与其他系统统一，协调地运行，因此其性能还要在整个产品 运行中进行考核，进行修复和完善。 以上仅是监测系统设计的一般方法步骤，实际设计过程是很复杂的，涉及到较深的传感器。6.2 模拟式传感器信号的检测6.2.1 模拟信号检测系统的组成模拟信号检测系统的组成 模拟式传感器的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所示：传感器传感器量程变换量程变换放大器放大器解调器解调器滤波器滤波器运算电路运算电路A/D计算机计算机 显示、显示、执行机构执行机构 振荡器振荡器模拟信号检测系统的典型组成6.2.2 基

7、本转换电路基本转换电路 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。（1）分压电路iUZZZU1000iURRRU1000iURCjLjMjU120式中式中:是交流电源角频率；是交流电源角频率；M2是变压器互感。是变压器互感。 C)1 ()1 ()(20RCjrLjRLCULjrUi 并联谐振式分压电路，其中L、C、r分别为传感器电感、电容和内阻。输出电压U0随L、C的变化规律 图（b)、(c)两种分压电路都可用于L或C发生变化的场合，且应通过参

8、数配置使电路工作在谐振点附近，以获得较高的精度。iXURRRU0 d） 图（d）光电分压电路，传感器是一种光敏元件，电阻为Rx。当照射到传感器上的光通量发生变化时，Rx也随之变化，则电路的输出电压为：（2 2）差动电路）差动电路 差动电路主要用于差动式传感器信号的转换。该电路的输入端是两个信号的输入，这两个信号的差值，为电路的有效输入信号，电路的输出是对这两个输入信号之差的放大。（如果存在干扰信号，会对两个输入信号产生相同的干扰，通过二者之差，干扰信号的有效输入为零，这就达到了抗共模干扰的目的） 如图所示给出了四中常见用的差动电路： 图（a）利用传感器的一对差动阻抗Z1和Z2构成分压器，在平衡

9、状态，Z1=Z2=Z0；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 Z1=Z0+Z，Z2=Z0-Z于是 iiUZZZUZZZU0021202阻抗的变化转换成了输出电压的变化。 图（b）采用对称电源供电，在传感器处于平衡位置时，电路输出为零；当传感器失衡后，输出电压与阻抗的变化成正比，即:iUZZU00 图（c）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:iUZZU002C） 图（d）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：iUZZU

10、002（d） 图（a）中的传感器是差动式的，其阻抗为Z1，采用标准电阻ZR作为电桥的另一臂，若传感器的基准阻抗为Z0，并取Z1=ZR=Z0,传感器阻抗随被测量的变化为Z，则：（3）非差动桥式电路iUZZZU2400 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：CR1arctan2b） 图（c）阻感相位电桥，其输出信号相位随传感器电感L和电阻R的变化关系为LRarctan2LCf21(4)调频电路 传感器电容C和标准电感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

11、信号U0的脉宽占随电容C或电阻R的变化而变化，即: kRCB 式中，k是与URUi有关的常数。6.2.3 6.2.3 信号信号放大电路放大电路 信号放大电路（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。i1F0RR-UU 特点：放大倍数可大于1也可小于1；输出与输入相位相反；输入阻抗低；不承受共模信号。（1）反相放大器基本电路其放大倍数只取决于RF与R1的比值UoR3UiR1RF-+N1UoR3UiR1RF-+N1（2）同相放大器。 其放大倍数，只取决于RF与R1的比值，放大倍数大于1；输入阻抗高。基本电路i1F0RR1UU输出电压：RFUoR

12、3U2R1-+N1R2U1（3）差动放大器基本电路 优点：抑制共模信号，抗干扰能力极强121F0U-URRU 输出电压：（4）电荷放大器 利用压电式传感器进行测量时，压电元件输出的信号是电荷量的变化。 电荷放大器是一种带电容负反馈的高输入阻抗、高放大倍数的运算放大器，其优点在于可以避免传输电缆分布电容的影响。K为运算放大器的开环差模放大倍数，Cf为反馈电容，RF为反馈电阻，Ca为压电传感器的等效电容，C0为电缆分布电容，Ci为电荷放大器的输入电容，Ra为电压传感器的等效电阻 如果忽略较高的输入电阻后，电荷放大器的输出电压为：ffCQCKQKU1-0 此式表明，电荷放大器输出电压U0只与电荷Q和

13、反馈电容Cf有关，与传输电缆的分布电容无关，说明电荷放大器的输出不受传输电缆长度的影响电荷放大器等效电路 滤波器是一种具有选频功能的装置，在机电一体化产品中应滤波器是一种具有选频功能的装置，在机电一体化产品中应用非常广泛。其具体功用是：滤除在信号放大和传输过程用非常广泛。其具体功用是：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。行补偿。6.2.46.2.4滤波器滤波器 滤波器种类繁多，对应地也有多种分类方法。

14、按照所处理信滤波器种类繁多，对应地也有多种分类方法。按照所处理信号形式不同，可将滤波器分为模拟式滤波器和数字式滤波号形式不同，可将滤波器分为模拟式滤波器和数字式滤波器，其中模拟式滤波器又有机械式和电气式两类；按照所器，其中模拟式滤波器又有机械式和电气式两类；按照所采用的元器件不同，又可分为无源滤波器和有源滤波器；采用的元器件不同，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、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、二阶和高阶滤波器

15、。的阶次将其分为一阶、二阶和高阶滤波器。 如图所示（如图所示（a）、（）、（b）、（）、（c）、（）、（d）分别是低通、高通）分别是低通、高通、带通和带阻滤波器的幅频特性曲线。、带通和带阻滤波器的幅频特性曲线。 称为截止频率，称为截止频率， 和和 分别称为下、上截止频率。分别称为下、上截止频率。 、 、 分别分别为（为（a）、（）、（b）、（）、（c）的通频带；对于（）的通频带；对于（d）来说）来说 和和 之间的频率范围称为阻带之间的频率范围称为阻带0f01f02f00f0f0201 ff01f02f图图6-18 6-18 各种滤波器的幅频特性各种滤波器的幅频特性u 截止频率截止频率 若滤波器

16、在通频带内的增益为若滤波器在通频带内的增益为 ，则当其增益下，则当其增益下降到降到 （即下降了（即下降了3dB）时所对应的频率被称为戒指频率）时所对应的频率被称为戒指频率u 带宽带宽 对于低通或带通滤波器，带宽是指其通频带宽度，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，带宽是指阻带的宽度。带宽决定对于高通或带阻滤波器，带宽是指阻带的宽度。带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力。着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力。u 品质因数品质因数 定义为带通或带阻滤波器的中心频率定义为带通或带阻滤波器的中心频率 与带与带宽宽 之比，即之比，即u 倍频程选择性倍频程选择性 是指

17、在是指在 和和 之间，或在之间，或在 与与 之间，幅频之间，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，用量，用dB表示，它反映了滤波器对通频带以外的频率成分表示，它反映了滤波器对通频带以外的频率成分的衰减能力。的衰减能力。K2KBQQ0fB02010201021ffffBfQ02f022f01f201fu 无源无源RC滤波器滤波器 用电阻用电阻R和电容和电容C构成的无源滤波器，因电路简单、抗干扰能构成的无源滤波器，因电路简单、抗干扰能力强、有较好的低频特性等优点，而在检测系统中有较多力强、有较好的低频特性等优点，而在检测系统中有

18、较多的应用。的应用。图图6-19 RC6-19 RC低通滤波器低通滤波器RC低通滤波器低通滤波器 图图6-19（a）是一典型）是一典型RC低通滤波器。根据基低通滤波器。根据基尔霍夫定律，可列出电路的微分方程式：尔霍夫定律，可列出电路的微分方程式： 式中，式中， ，称为电路的时间常数。对上式进行拉氏变换，得电路，称为电路的时间常数。对上式进行拉氏变换，得电路的传递函数为：的传递函数为： 用用 代替式中的代替式中的s，得幅频及相频特性为：，得幅频及相频特性为：根据式（根据式（6-24）和（）和（6-25）可绘出该滤波器的幅频和相频特性曲）可绘出该滤波器的幅频和相频特性曲线，如图线，如图6-19（b

19、）所示。显然这是一个低通滤波器，其截止角）所示。显然这是一个低通滤波器，其截止角频率为频率为 ，对应的截止频率为：，对应的截止频率为： oooooiudtduudtduRCuiRu226RC11ssUsUsGiO236j2211A246 arctan256RC110RCf2121200266RC高通滤波器高通滤波器 图图6-20（a）是一典型）是一典型RC高通滤波器，其微高通滤波器，其微分方程和传递函数分别为：分方程和传递函数分别为： 用用 代替式代替式 中的中的s，得到幅频和相频特性为：，得到幅频和相频特性为：对应的幅频及相频特性曲线如图对应的幅频及相频特性曲线如图 所示。显然，这是一个所示

20、。显然，这是一个高通滤波器，期截止频率的计算公式与式（高通滤波器，期截止频率的计算公式与式（6-26）相同）相同dtuudtuRCuuuuoooocoi11276 sssUsUsGio1286j286221A296 1arctan306 b206图图6-20 RC6-20 RC高通滤波器高通滤波器RC带通滤波器带通滤波器 如果将图如果将图6-19（a）和图）和图6-20（a）的两个电）的两个电路串联起来，可构成一路串联起来，可构成一RC带通滤波器，如图带通滤波器，如图6-21所示。当所示。当 时，后面的低通滤波器对前面的高通滤波器影响较小，因时，后面的低通滤波器对前面的高通滤波器影响较小，因此

21、带通滤波器的传递函数可看成是高通滤波器和低通滤波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。若记器的传递函数之积。若记 和和分别为高通和低通滤波器的幅频和相频特性，则带通滤波器的分别为高通和低通滤波器的幅频和相频特性，则带通滤波器的幅频和相频特性分别为：幅频和相频特性分别为：其下截止频率其下截止频率 和上截止频率和上截止频率 分别为：分别为：12RR 11,A 22,A 21AAA316 2132601f02f110121CRf336220221CRf346图图6-21 RC6-21 RC带通滤波器带通滤波器u 有源滤波器有源滤波器 无源无源RC滤波器主要作为一阶滤波器

22、使用，其缺点是频率选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。若将择性较差。若将RC滤波器串联起来，虽然可以提高滤波器串联起来，虽然可以提高s的阶次的阶次，但受级间耦合的影响，效果较差。，但受级间耦合的影响，效果较差。有源滤波器采用有源滤波器采用RC网络和运算放大器组成，其中运算放大器即网络和运算放大器组成，其中运算放大器即可起到级间隔离作用，又可起到对信号的放大作用，而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。网络则通常作为运算放大器的负反馈网络。图图6-22 6-22 一阶有源低通滤波器一阶有源低通滤波器有源低通滤波器有源低通滤波

23、器 图图6-22（a）是将简单的低通滤波器接到运）是将简单的低通滤波器接到运算放大器的同相输入端而构成的一阶有源低通滤波器，其算放大器的同相输入端而构成的一阶有源低通滤波器，其中中RC网络实现滤波作用，运算放大器用于隔离负载的影响网络实现滤波作用，运算放大器用于隔离负载的影响，提高增益和带负载能力。该滤波器的截止频率为，提高增益和带负载能力。该滤波器的截止频率为增益为增益为 6-22（b） 是将一是将一RC高通滤波器作为运算放大器的负反馈网络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，其截止频率为而构成的一阶有源低通滤波器，其截止频率为增益为增益为 一阶滤波器的倍频程选择性

24、仅为一阶滤波器的倍频程选择性仅为4dB，说明其频率，说明其频率选择能力较差。为提高频率选择能力，使通频带以外的频选择能力较差。为提高频率选择能力，使通频带以外的频率成分尽快衰减，应提高滤波器的阶次。率成分尽快衰减，应提高滤波器的阶次。RCf21011RRfCRff2101RRf图图6-23是二阶有源低通滤波器的电路原理，其中图是二阶有源低通滤波器的电路原理，其中图6-23（a）可看作是图）可看作是图6-22（a）、（）、（b）所示的两个一阶低通滤波器的简单组合，其传递函数为：）所示的两个一阶低通滤波器的简单组合，其传递函数为：式中，式中， 分别是前后两个低通滤波器的传递函数；分别是前后两个低通

25、滤波器的传递函数；分别是两个低通滤波器的时间常数；分别是两个低通滤波器的时间常数； ，是二阶滤波器的通频带增益；，是二阶滤波器的通频带增益；是二阶滤波器的固有角频率；是二阶滤波器的固有角频率； ，是二阶滤波器的阻尼比。，是二阶滤波器的阻尼比。图图6-23 6-23 二阶有源低通滤波器二阶有源低通滤波器 222212212111nnnfiossKssRRsGsGUUsG356 ,sRRsG,ssGf111122211,CR,CRf221112RRKf211n2121n 222222nnnKA366 222nnarctan24421242nc376386检测系统设计检测系统设计为了在低频区获得比较

26、平坦的幅频特性，常取为了在低频区获得比较平坦的幅频特性，常取 =0.707，则，则 ，倍频程选择为，倍频程选择为7.4dB，显然高于一阶低通滤波器的倍频程，显然高于一阶低通滤波器的倍频程选择性，因为二阶滤波器比一阶滤波器具有较强的选频特选择性，因为二阶滤波器比一阶滤波器具有较强的选频特性。性。图图6-23（b）所示电路是对）所示电路是对6-23（a）所示电路的改进，其中通）所示电路的改进，其中通过多路负反馈以削弱过多路负反馈以削弱 在调谐频率附近的负反馈作用，使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频滤波器。该二阶滤波器的滤波器的特性更接近理想的低频滤波器。该二阶滤波器的传递

27、函数传递函数 、幅频特性、幅频特性 、相频特性、相频特性 、截止角频率、截止角频率 、分别与式（、分别与式（6-35）（6-38）具有相同的表达式，但其中）具有相同的表达式，但其中的参数的参数 、 、 不同，这里分别为不同，这里分别为 ， ， 0nfR sG A 00K1RRKf21201CCRRf21122111RRRCCRRff有源高通滤波器有源高通滤波器 图图6-24（a）是一个二阶有源高通滤波器的电路原理，它）是一个二阶有源高通滤波器的电路原理，它将两个将两个RC高通滤波器串联在运算放大器的同相输入端，其传递函数为高通滤波器串联在运算放大器的同相输入端，其传递函数为式中式中分别为通频带

28、增益、固有角频率和阻尼比。该高通滤波器的截止角频率的计分别为通频带增益、固有角频率和阻尼比。该高通滤波器的截止角频率的计算公式同式（算公式同式（6-38） 2222nnssKssG39611RRKf21321CCRRn213222122321CCRRCRCRCRK图图6-24 6-24 二阶有源高通滤波器二阶有源高通滤波器图图6-24（b）是另一二阶有源高通滤波器的电路原理，其中信）是另一二阶有源高通滤波器的电路原理，其中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元件参数变化的影响，保证在

29、任何参数情况下阻尼比 总总是正值，滤波器总是工作在稳定状态。该滤波器的传递函是正值，滤波器总是工作在稳定状态。该滤波器的传递函数具有与（数具有与（6-39）相同的表达形式，但其中各参数应按厦门）相同的表达形式，但其中各参数应按厦门的公式来确定的公式来确定可见，无论电路中各元件参数取值如何，阻尼比可见，无论电路中各元件参数取值如何，阻尼比 永远是正值永远是正值，该二阶系统总是稳定的。该滤波器的截止角频率也可按，该二阶系统总是稳定的。该滤波器的截止角频率也可按式（式（6-38）计算。）计算。31CCK3221CCRRfn3213212CCRRCCCf有源带通滤波器有源带通滤波器 图图6-25所示二

30、阶有源带通滤波器是由一个所示二阶有源带通滤波器是由一个RC低通滤波器和低通滤波器和一个一个RC高通滤波器串联在运算放大器的同相输入端构成的，其传递函数为高通滤波器串联在运算放大器的同相输入端构成的，其传递函数为式中式中222nnsssKsG4061211CRRRRKf42213111RRCCRn4132123111121RRRRRCCRfn 22222nnKA416nKK2426nB22436212nQ446图图6-25 6-25 二阶有源带通滤波器二阶有源带通滤波器有源带阻滤波器有源带阻滤波器 图图6-26是二阶有源带阻滤波器的电路原是二阶有源带阻滤波器的电路原理，滤波器的传递函数为理，滤波

31、器的传递函数为式中式中滤波器的通带增益滤波器的通带增益 、阻带宽度、阻带宽度 及品质因数及品质因数 分别为分别为 22222nnnssssG456211RRCn21RRKBQ1KCRB2221221RRBQn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。由于计算机的普及和许多众所分为模拟和数字运算电路。由于计算机的普及和许多众所周知的优点，数字运算电路的应用越来越广泛。但模拟运周知的优点，数字运算电路的应用越来越广泛。但模拟运算电路具有直接、简单、运算速度快等优点，对于一些比算电路具有直接、简单、运算速度快等

32、优点，对于一些比较简单的运算，仍可采用模拟运算电路来实现。本节仅简较简单的运算，仍可采用模拟运算电路来实现。本节仅简单介绍一些常用的模拟运算电路。单介绍一些常用的模拟运算电路。6.2.56.2.5运算电路运算电路加减混合运算电路加减混合运算电路u 线性加、减运算电路线性加、减运算电路图图6-27输出输出 是输入是输入 的线性相加，即的线性相加，即图图6-28是一减法运算电路，两个输入信号分别从同相和反相输入端输入，其是一减法运算电路，两个输入信号分别从同相和反相输入端输入，其输出信号输出信号 为为实现了对信号的减法运算及差值的比例运算实现了对信号的减法运算及差值的比例运算图图6-27 6-27

33、 加法运算电路加法运算电路图图6-28 6-28 减法运算电路减法运算电路332211RURURURUfooU321 ,iUi46612UURRUfOOU476 图图6-29所示电路可实现对输入信所示电路可实现对输入信 号的加减混合运算。若取号的加减混合运算。若取 则电路的输出与各输入信号之间的则电路的输出与各输入信号之间的 关系为关系为图图6-296-29加减混合运算电路加减混合运算电路RRRRRRRfP4321 2143UUUUUO积分与微分电路积分与微分电路图图6-30是采用运算放大器和电阻、电容构成的基本积分运算电路，是采用运算放大器和电阻、电容构成的基本积分运算电路，其输出电压其输出

34、电压 为：为：图图6-31是一基本微分运算电路，可实现下述微分运算。是一基本微分运算电路，可实现下述微分运算。图图6-30 6-30 积分运算电路积分运算电路图图6-316-31微分运算电路微分运算电路oudtuRCdtiCuuicoo11486dtduRCdtduRCRIuicco4966.4.16.4.1模拟量的转换输入方式模拟量的转换输入方式 图6-50 模拟量转换输入方式 模拟量的转换输入方式主要有四种，如图6-50所示。图6-50(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6-50(b)所示，多路检测信号共用一个AD转换器，通过模拟多路开关依次对各信号进

35、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6-50(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，因而可获得同一瞬时的各路信号。图6-50(d)所示为第四种方式，其中各路信号都有单独的采6.3 数字式传感器信号的检测 数字传感器是指将传统的模拟式传感器经过加装或改造A/D转换模块，使之输出信号为数字量(或数字编码)的传感器，主要包括：放大器、A/D转换器、微处理器（CPU）、存储器、通讯接口电路等。 数字式传感器可直接将被测量转换成数字信号，既可提高检测精度、分辨率和抗干扰能力，又易于信号的运算处理、存储和远距离传

36、输 最常见的数字式传感器有光栅、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 6.3.1 数字信号检测系统的组成 数字式传感器的特点： 1）具有较高的测量精度和分辨率,测量范围大； 2）抗干扰能力强，稳定性好； 3）信号易于处理、传送和自动控制； 4）便于动态和多路测量，读数直观； 5）安装方便，维护简单，工作可靠性高。 传感器放大器整形电路细分电路脉冲当量变换电路计数器寄存器 计算机显示、执行机构变相电路数字信号系统的典型组成 6.3.2 多路采集细分与辩向 当两块光栅靠近放置，并让其刻线面平行，且刻线方向形成一个很小的夹角时，在与光栅刻线垂直的方向上可形

37、成明暗交替的莫尔条纹。标尺光栅指示光栅光栅测量线位移原理透过莫尔条纹光通量的变化 这种利用多传感元件对同一别测量同时采集多路相位不同的信号而实现的细分方法称为多路信号采集细分钨合金的光栅运用原理光栅信号的四细分与辩向电路 信号的整形功能还常采用集成化的过零比较器或具有回差的零值比较器来实现，采用具有回差的零值比较器可防止在信号过零时由于干扰的影响而使比较器来回翻转，但会存在相位偏差。 6.3.3 电阻链移相细分与辩向 由于受到结构尺寸的限制，多路信号采集细分的方法一般仅用于四细分，如果采用光电管阵列和电耦合器件，最高可实现十细分。为了实现更高的细分数，可在多路信号采集细分的基础上，利用细分电路

38、对所获得信号进一步细分。电阻链移相细分就是这样一种细分方法，其细分数可达8-60。cos,sin21mmUuUu电阻链移相细分原理其中根据叠加原理，输出信号u0为 并联电阻链移相细分电路6.3 数字式传感器信号的检测 各路细分信号Ui在经整形、微分或单稳电路变成窄信号后，可送入右图所示的顺序式辩向电路进行辩向。为简化分析，途中仅示出了细分数n=4的辩向电路。若实际应用中n4，只需按同样原理对该电路稍加修改即可。 顺序式辩向电路6.4.16.4.1模拟量的转换输入方式模拟量的转换输入方式 图6-50 模拟量转换输入方式 模拟量的转换输入方式主要有四种，如图6-50所示。图6-50(a)是最简单的

39、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6-50(b)所示，多路检测信号共用一个AD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6-50(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，因而可获得同一瞬时的各路信号。图6-50(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AD转换通道，可根据检测信号的特点，分别采用不同的采样保持电路或不同精度的AD转换器，因而灵活性大，抗干扰能力强，但电路复杂，采样的元器件多。 上述四种方式，除第一种外，其他三种都可

40、用于对多路检测信号进行采集，因此对应的系统常被称为多路数据采集系统。6.4.2 模拟多路开关模拟多路开关 模拟多路开关又称多路转换开关，简称多路开关，其作用是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。多路开关还常在电路中用于信号通路的切换，如量程切换等。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。 多路开关主要有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。电子开关是以二极管、双极型晶体管、MOS(金属一氧化物一半导体)场效应管等作开关元件而构成的开关电路，其中又以MO

41、S场效应管集成开关电路应用最多。 图6-51 CC4066端子功能表 图6-51是CC4066型四双向模拟开关的端子功能图。该集成电路芯片中共有四个双向模拟开关，分别标为SASD。UDD和Uss分别为电源和接地端子，UCAUCD分别是模拟开关的控制信号端子。当控制信号端子接高电平时，相应的开关闭合，即每一个模拟开关都相当于一个可控的单刀单掷开关。对CC4066中的四个双向模拟开关进行适当组合，可构成各种模拟多路开关。 图6-52 CC4066构成的模拟多路开关 图652(a)是用SA、SB两个开关组合成的一个相当于单刀双掷的开关，选通两路输入信号中的一路，从而实现信号的切换。图652(b)是将

42、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UCA UCD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来选通多路开关，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，其端子功能如图6-53所示，其中(INOUT)0(INOUT)7分别是八路信号的输入端或者输出端；OUT/IN是公共输出或输入端；A、B、C是各开关的数字控制信号输入端，当CBA=000111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，只有当该端子上的信号为低电平时，各开关才能在控制信号的

43、控制下正常通断。如果信号分别从(INOUT)0(INOUT)7八个端子输入，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，并向八个端子分配输出时，该芯片可以作为信号分配器使用。 图6-53 CC4051端子功能表 在CC4051芯片中除电源端子UDD和接地端子Uss外，还有另一电源端子UEE，供电移位时使用，以便传输具有正、负极性的模拟信号。例如，当UDD=+5V，USS=0V，UEE=-5V时，该芯片可传输幅度范围为-5+5V的模拟信号。6.3.4锁相倍频细分与变相l锁相倍频细分原理如果被检信号的变化频率为f1，通过锁相倍频电路使输出信号的频率为f0=nf1。若

44、对输出信号的周期进行计数，则输出信号每变化一个周期，在输出端可计n个数，从而实现n细分。原理图如下。计数器保持器虑波器n分频器倍频压控振荡器U1Udf0f0/nf0鉴相器 图6.3.41锁相倍频细分原理 为了使输出信号f0跟踪输入信号f1的变化，并试着保持f0=nf1，电路中对f0采用了闭环控制，首先将f0n分频，然后反馈回来与f1进行比较。当f0=nf1时，输入信号与反馈频率相同，相位差不变，因而鉴相器的输出保持不变，使倍频压控振荡器频率的输出f0也保持不变，当f0不等n倍f1时，输入信号与反馈信号的相位差发生变化，相应的，鉴相器的输出Ud也发生变化，并通过滤波器使加到振荡器的电压发生变化，

45、震荡频率f0发生变化，直至f0=nf1，重新达到稳定状态为止。 图6.3.42中的鉴相器可以采用相敏检波鉴相，RS触发器或脉冲采样鉴相等方法，其中以脉冲采样鉴相应用最广。A是一种带有积分环节的脉冲采样式鉴相器，其中频率为f1的输入信号u1经比较器N1后变为方波信号u01，u01经R1和C1构成的积分电路对C1充电。由于积分时间常数R1C1很大，因而C1上的充电电压u01为一近似三角波，并通过耦合电容C2加到场效应管VF的极源。锁相细分电路中频率为f0/n的反馈信号经微分或单稳电路后形成采样脉冲Ub，并加到VF的栅极。当Vb到来时，VF瞬时导通，该瞬时电压ub存储到电容C3上。由运算放大器N2接

46、成的跟随器具有很高的输入阻抗用以减慢C2的放电，从而减小由此产生的误差。N2的输出即为鉴相器的输出Ud，它与U1和Ub的相位差成线性关系。b图为各信号的波形图。6.3.42鉴相器原理图压控振荡器是一种用加在控制端的电压来控制振荡频率变化的振荡器，它实质上是一种电压/频率变换器。如图，晶体管VT1和VT2各自的电极电压分别通过射极跟随器VT3、VT4和电容C1、C2耦合到另一振荡管的基极，形成方形振荡；振荡信号ud从VT2的集电极输出。设在某一时刻，VT1由导通变截止，VT2由截止变导通，这时各点电位大致如图中所注，输出信号uv为低电平，随后+12v电源通过Rb1及由VT3，Rc3至VT3两条回

47、路向C2反向充电。当C2反向充电到一定电位后，使VT1导通，VT3、VT5截止，输出信号u0变为高电平。与此同时，VT 2和VT6导通，+12v电源又2通过Rb2和由VT4和Rv6至VT6两条回路向C1反向充电，直至VT2再次变为导通，VT1再次变为截止。上述过程重复进行，就可从VT2的集电极输出一定频率的脉冲信号u0.图6.3.43压控振荡器原理图6.3.45 74LS393四位二进制计数器逻辑图N分频器实质上是一种计数电路，可采用上图所示的集成电路74LS393来实现。它是一种双四位二进制计数器芯片，每片上有两个独立的四位二进制计数器，每个计数器由四个T触发器构成。计数脉冲有CP上横岗端输

48、入，输出脉冲可取自Qa、Qb、Qc、Qd端，频率分别是输入计数脉冲频率的1/2、1/4、1/8或1/16，即实现对输入信号的2、4、8、16分频。若将一片74LS393上的两个计数器互联，可构成一个八位二进制计数器实现32,64,128,256分频。 锁相倍频细分电路还可以用于相位调制信号的细分，如图所示，来自光栅或感应器的调相信号Umsin（t+）与参考信号Umsint分别n分频后，由差值计数器求取两路信号变化周期数之差。由于0=2x/，其中x是光栅尺或感应同步器的位移，W是栅距，如果信号不经倍频电路，则x每变化W，变化2，两路信号相差一个周期；在信号经过n分频后，x每变化，两路信号相差n个

49、周期，差值计数器将计n个数，从而实现n细分。锁相倍频器锁相倍频器差值计数器UmsintUmsin（t+）图6.3.46调相信号的锁相倍频细分原理 由于调相信号的频率很高，由位移X而引起的频率变化相对很小，经n倍频后两路信号的频率非常接近，因而有许多脉冲在时间上是重叠或紧挨着的，若采用可逆计数器实现差值计数，很容易出现差错。为了防止出错，可对两路信号分别计数，然后求取差值，或采用对顶脉冲与交错脉冲来求取差值。 对顶脉冲与交错脉冲消除电路如图，其中U1与U2分别是锁相倍频器的输出信号u1和u2经整形后的到的方波；At1和At2是整步双稳触发器，即D触发器，其Q端的输出状态有时钟脉冲CP到来前的D端

50、状态决定，且状态的转换出现在CP脉冲的上升沿。图6.3.47对顶脉冲与交错脉冲消除电路Q1和Q2分别送入单稳态触发器AT1和AT2，得到两组脉宽r1=r2的窄脉冲B1和B2，他们具有如下特点：B1和B2的个数分别与U1和U2的变化周期数相同；B1和B2的前沿出现在U1和U2下降后的下一个Cp脉冲的上升沿处，如果B1和B2有同一个脉冲整步产生那么他们在时间上完全重叠，称为对顶脉冲；如果B1、B2由不同的CP脉冲产生，在时间上互相错开，在顺序上交替出现，则称为交错脉冲。图6.3.48对顶脉冲与交错脉冲消除电路波形图将B1、B2分别送入单稳态触发器AT5，AT6，形成宽度进一步缩小的两路脉冲，再经反

51、相器DN1、DN2后得到两路窄正脉冲B3、B4，其脉宽t3=t4t1=t2。对于对顶脉冲，正脉冲B3完全落在AT1输出的负脉冲B2区间内，因而与非门DAN1被关闭，没有脉冲输出。同样道理，负脉冲B1也将与非门DAN2关闭，使与之对顶的脉冲B4不能输出，因而消除了对顶脉冲。对于交错脉冲，因DN1输出B3期间，B2处于高电平而将DAN1打开，让B3通过并反向，再经DN3得到一个与B3同样宽度的正脉冲B5。同样道理，在DN2输出B4期间，通过DAN2和DAN4也可得到一个与B4同样宽度的正脉冲B6。这样，经过对顶脉冲消除电路后对顶脉冲被消除，而交错脉冲将全部保留。然后，将保留下来的脉冲送入交错脉冲消

52、除电路。假设某时刻B5到来，经DN5反向及AT7延迟后，将AT0置为0态，因而关闭DAN4开启DAN3.若下一刻到来的是B6脉冲，它将受到DAN0的阻塞而不能通过，在P2端无脉冲输出；若下一刻到来的是仍B5脉冲，则将通过DAN3从P1端输出一个加法计数脉冲，标志着U1比U2多变化了一个周期。同样道理，B6脉冲到来后，它经DN6，AT8将AT0置于1态，关闭DAN3开启DAN4，使紧跟着到来的B5被DAN5阻塞，而B6可以通过DAN4，并从P2端输出一个减法计数脉冲，表明信号U1和U2少变化了一个周期。这样，通过交错脉冲消除电路后，只有那些既非对顶也非交错的脉冲被保留了下来。6.3.5脉冲填充细

53、分与变相 脉冲填充细分方法可用于调相信号的细分处理，其工作原理如下图。图6.3.51脉冲填充细分工作原理将调相信号，Umsinwt（wt+ ）作为门电路的开门信号，参考信号Umsinwt作为关门信号，则门电路的开启时间与两路信号的相位差0及传感器中动尺相对于定尺的位移x成正比。为了实现n细分，采用频率为f=nw/2的时钟脉冲作为关门信号，则门电路开启期间，时钟脉冲通过门电路进入计数器。在调相信号的每个周期内，计数器所计的脉冲数N=n0/2，与相位差成正比。在关门脉冲的到来前，门电路被关闭，阻止时钟脉冲通过，同时发出寄存指令，将计数器的值n锁存到寄存器中并在延迟片刻后将计数器清零，为下一周期的计

54、数做好准备。由寄存器中的数值N可确定相位差，继而位移x。脉冲填充法细分主要用于被检测信号相位变化较小，即2时，可先将两路信号送入对顶脉冲与交错脉冲消除电路，求出整周期数之差，然后再通过脉冲细分电路求单周期内相位差所对应的计数值及相位差、位移量。6.5传感器的非线性补偿 造成非线性的原因主要有两个： (1)许多传感器的转换原理是非线性，例如温度测量时，热电阻的阻值与温度、热电偶的电动势与温度都是非线性关系；流量测量时，孔板输出的差压信号与流量输入信号之间也是非线性关系。 (2)采用的测量电路也是非线性的，例如，测量热电阻用四臂电桥，电阻的变化引起电桥失去平衡，此时输出电压与电阻之间的关系为非线性。6.5传感器的非线性补偿 对于这类问题的解决，在模