第5章-数字化测量技术

第5章数字化测量技术第2

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概述

滤波器模拟信号放大器

集成模拟多路开关A/D转换器微控制器D/A转换器人机交互设计抗干扰设计数据预处理内容提纲厚德弘毅博学笃行第3

页数字化测量技术的主要内容是对传感器输出信号进行调理，将模拟量转换成相应的数字量，通过微处理器对数据进行处理，进而传输、显示或直接驱动执行机构。数字化测量技术在整个测试系统中起着十分关键的作用，本章将从信号的滤波、放大、预处理及其在测试系统中的典型应用等方面进行介绍。5.1概述厚德弘毅博学笃行第4

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滤波器RC滤波器运算放大器作为滤波器设计的一部分LC滤波器

高通和低通特性增益不陡峭，当被滤去的信号频率远离通带时，这种RC滤波器足以满足要求

各级滤波器的输出阻抗与截止频率无关具有陡峭的频率响应，并且可以获得通带内平坦，过渡带尖锐，带外下降陡峭等特性；但电感体积庞大，成本高，且又存在“损耗”，而偏离理想特性5.2滤波器厚德弘毅博学笃行第5

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频域特性上升时间tr指达到最终值的90%所需的时间；峰值时间tp指响应超过其终值到达第一个峰值所需的时间；稳定时间ts指维持在最终值的某指定数量级内所需的时间时域特性LOGO其增益随频率变化而变化，滤波器相对未衰减的频率范围称为通带，通常认为通带延伸到-3dB点，截至频率fc是通带的结束点厚德弘毅博学笃行第6

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根据幅频特性或相频特性的不同阻带位于两个有限非零上下限频率之间通带从截止频率fc到无穷大低通滤波器，通带从零到某一截止频率fc通带位于两个有限非零的上下限频率之间厚德弘毅博学笃行第7

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根据截止频率附近的幅频特性和相频特性巴特沃斯滤波器通带部分响应最为平坦，从通带到阻带的特性优于Bessel切比雪夫滤波器贝塞尔滤波器在通带内的响应在一定范围内有起伏，但带外衰减速率较大，具有较好的频率选择特性频率特性一般每一种特性下还有低通、高通、带通、带阻等不同类型，以低通滤波器为例厚德弘毅博学笃行第8

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有源滤波器：由无源元件和有源元件（双极型管、单极型管、集成运放）共同组成。具有体积小、性能好、可放大信号和调整方便等优点，但因受运放本身有限带宽的限制，目前适用于低频范围无源滤波器：由无源元件(RLC)组成电路简单，但对通带信号有一定的衰减，因此电路性能较差是否采用有源器件厚德弘毅博学笃行第9

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在电气测试技术中，常用到的滤波器以二阶为主。根据二阶RC有源滤波器传递函数零点的不同，也可分为低通、高通、带通和带阻等几种类型：（1）二阶低通有源滤波器C1接到集成运放的输出端，形成正反馈，电压放大倍数在一定程度上受输出电压控制，输出电压近似为恒压源，又称之为二阶压控电压源低通滤波器，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。当时，可求得其传递函数为：式表明时，电路才能稳定工作，若，电路将自激振荡厚德弘毅博学笃行第10

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二阶高通有源滤波器二阶高通滤波器和二阶低通滤波器几乎具有完全的对偶性，将二阶低通有源滤波器电路中的R和C的位置互换，厚德弘毅博学笃行第11

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滤波器的最大输出电压峰值出现在中心频率fo的频率点上。带通滤波器的带宽越窄，选择性越好，也就是电路的品质因数Q越高。二阶带通有源滤波器为了方便计算，设，，，可导出带通滤波电路的传递函数为

令得式中为中心角频率，当时，电路具有最大电压增益Aup，这就是滤波器的通带电压增益，同样要求,电路才能稳定工作。厚德弘毅博学笃行第12

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5.3模拟信号放大器Diagram输出维持在规定的电平时，两个输入端流进电流的差值。大小主要取决于运放输入端结构输入失调电压失调电压漂移输入偏置电流输入失调电流运算放大器的主要指标输入失调电压随自变量变化的比值，称为失调电压漂移。一般以温度漂移为主，范围从0.002µV/°C到几十µV/°C当输出维持在规定的电平时，两个输入端流进电流的平均值。范围从20fA~100µA，数量级相差巨大。主要取决于运放输入端结构当运放接成跟随器且正输入端接地时，输出存在的非0电压，1µV以下属于极优秀的，100µV以下属于较好的，最大的有几十mV。厚德弘毅博学笃行第13

页其特点为：a输入阻抗高、失调电压低、温度漂移小、增益高，具有很强的共模抑制能力b复杂的环境下仍可以保持优良的性能,在数据采集系统中得到广泛应用。c仪表放大器内部通常具有两个或者更多的运放，最典型的是三运放结构仪用放大器其增益为：输入管脚有工作限制：第一不得悬空，第二不能承载太高的电压。厚德弘毅博学笃行第14

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将两个输入信号分别接到运算放大器的同相和反相端，然后在输出端取出两个信号的差模成分，抑制两个信号的共模成分。差动放大器则若：，厚德弘毅博学笃行第15

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有些传感器的输出阻抗很高，可达108Ω以上，这就要求测量放大电路具有很高的输入阻抗a采用高输入阻抗集成运算放大器组成自举电路

b采用MOSFET作为输入级的集成运算放大器

c采用FET作为输入级的集成运算放大器，输入阻抗为106MΩ，性能稳定且不易损坏高输入阻抗放大器厚德弘毅博学笃行第16

页常采用增益可变化的放大器，可以实现放大器量程的自动切换程控增益放大器当开关均接通时时，厚德弘毅博学笃行第17

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可用作输入、输出隔离的有光、超声波、无线电波和电磁等方式，常采用的耦合方式有变压器耦合和光耦合两种

隔离放大器Avd和vid分别为输入级的差模增益和输入端的差模电压，vic为对输入端公共地的输入级共模电压，vis为隔离电压，指隔离器两端能承受的共模电压，对误差影响较大，CMRR为输入级的共模抑制比，IMRR为输入端公共地到输出端公共地的隔离层抑制比。厚德弘毅博学笃行第18

页为了提高微弱电信号（电压或电流）和低频信号的测量精度，减小漂移，常采用调制解调式放大器。实现方法上，直流电源首先经振荡器变成交变信号，通过变压器或光耦合器耦合到输入回路，然后再整流和滤波、稳压作为输入回路和输出回路的直流电源，输入回路的调制开关信号和输出回路的解调开关信号通过变压器或光耦合器耦合过来，输入回路和输出回路之间的信号联系也用变压器或光耦合器来实现。集成隔离放大器厚德弘毅博学笃行第19

页5.4集成模拟多路开关Diagram开关速度导通电阻断开电阻开关耐压泄漏电流泄漏电流越小越好5.常见的有3.3V、5V、12V、15V等最大耐压值1.与A/D转换的速度综合考虑2.一般从几欧姆到几百欧姆之间3.开关断开时电阻为一个有限值开关最大电流一般在几百毫安以内厚德弘毅博学笃行第20

页N沟道管导通的条件为（VT为开启电压）

并且在较高的情况下，MOS管工作在恒流区，随着的升高iD增加，而输出随之下降。当输入继续升高以后，MOS管的导通内阻RON变得很小，只要RD>>RON，则开关电路的输出端将为低电平，且，这时MOS管的D-S间相当于一个闭合的开关。增强型MOSFET开关电路N沟道增强型MOSFET开关电路当时，MOS管工作在截止区。只要负载电阻RD远远小于截止内阻ROFF，则在输出端为高电平厚德弘毅博学笃行第21

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CMOS开关电路

当控制电压，两管均导通两管均截止N沟道和P沟道增强型MOSFET电阻变化特性相反，两管互补，其等效电阻基本恒定，与输入信号无关厚德弘毅博学笃行第22

页单端16通道

集成模拟开关AD7506是利用多路信号通过选择不同的开关而分时共享一个A/D转换器，CMOS工艺单片是集成16选1多路模拟开关，信号从S端输入，通过开关由OUT端输出信号从S端输入，通过开关由OUT端输出。在某一时刻，16路输入通道中只有一路与输出端接通，其他各路均与输出端断开，选通通道根据地址A0、A1、A2、A3及一个使能信号EN编码而得。当EN=“0”时，所有开关都断开。厚德弘毅博学笃行第23

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差动8通道在选通地址相同情况下，在同一时刻有两路被选中，共有两个输出端，16个输入端厚德弘毅博学笃行第24

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由地址译码和多路双向模拟开关组成，可以通过外部地址输入信号经内部地址译码器译码，选通相应的开关，从多路模拟输入信号中选取某一路传送到输出端。模拟多路开关电路

以差分4通道数字控制模拟开关CD4052为例，当输入端INH=“1”时，所有通道截止。2位二进制输入信号选通4对通道中的一通道，可连接该输入至输出。厚德弘毅博学笃行第25

页5.5A/D转换器将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小，而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。

A/D转换器的发展经历了多次技术革新，从最初并行比较型、流水线型、逐次逼近型、积分型到最近几年新发展起来的Σ-∆型、折叠插值型、混沌型等能满足不同的应用场合。常见的几个典型转化器有并行比较型A/D转换器、流水线型A/D转换器、逐次逼近型A/D转换器、积分型A/D转换器及Σ-Δ型A/D转换器。厚德弘毅博学笃行第26

页积分非线性分辨率输出数字量的最低位变化1个数码时，对应输入模拟量的变化量微分非线性相邻两刻度之间最大的差异偏移误差满刻度误差输出数值偏离线性最大的距离，单位是LSB

静态参数

转换误差实际输出想输出数字量之间的最大差值厚德弘毅博学笃行第27

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转换时间动态参数完成1次转换所需要的时间，即从转换开始到输出端出现稳定的数字信号所需要的时间。转换时间越小，转换速度越高信噪比信号功率对噪声功率的比值，反映了转换器的噪声背景厚德弘毅博学笃行第28

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从数字输出分类，A/D转换器分并行ADC和串行ADC，随着SPI等串行总线迅速发展，串行数据输出的ADC具有体积小、功耗低，性价比高等特点，从而被广泛应用于数据采集系统，如16位的串行A/D转换器AD7705、AD7706等AD7705是AD公司生产的分辨率可达16位的逐次逼近型A/D转换芯片，只需2.7~3.3V单电源供电，其CMOS结构确保器件具有极低功耗，3V电压时最大功耗为1mW，掉电模式等待时的功耗减少至20W。对输入信号可分为单极性或双极性，带有1个差分基准输入，并且内部通过寄存器增益可调集成A/D转换器及应用厚德弘毅博学笃行第29

页5.6微控制器

将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的微型计算机。微控制器诞生于20世纪70年代中期，经过20多年的发展，其生产成本越来越低，而性能却越来越强大，尤其是最近几年随着科学技术不断发展和革新，应用已经无处不在，遍及各个领域。现阶段主流的微控制器典型代表有单片机、DSP、ARM以及FPGA等等。厚德弘毅博学笃行第30

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采用超大规模集成电路技术把中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在电气测试领域有着广泛的应用。单片机DSP用数值计算的方式对信号进行加工处理，能够轻松地对数字信号进行变换、滤波等处理，还可以进行各种复杂的数学运算。已广泛应用于电气测试系统，如数字滤波器、傅里叶变换实现、谱分析、语音、图像、振动等信号处理。厚德弘毅博学笃行第31

页ARM

体积小、低功耗、成本低、性能高，支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，很好地兼容8位/16位器件，大量使用寄存器，指令执行速度更快，寻址方式灵活简单，执行效率高等优点。FPGA

作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。采用逻辑单元阵列，内部包括可配置逻辑模块、输入输出模块和内部连线三个部分；利用硬件并行的优势，打破了顺序执行的模式，能够在每个时钟周期内完成更多的处理任务，超越了DSP的运算能力，同时软件工具提供了编程环境，基于处理器的系统往往包含了多个抽象层，可在多个进程之间计划任务、共享资源。厚德弘毅博学笃行第32

页5.7D/A转换器把数字量转变成模拟量的器件，是微型计算机与输出装置之间的接口，是数字化电气测试系统中的重要组成部分。DAC是指将数字量转换成模拟量的集成电路，它的模拟量输出（电流或电压）与参考量（电流或电压）以及二进制数成比例，可用下面的式子表示模拟量输出、参考量和二进制数的关系：

其中，v0为模拟量输出，K为比例常数，VREF为参考量（电压或电流），B为待转换的二进制数，通常B的位数为8位、12位等。

D/A转换器的主要指标：（1）分辨率：；（2）线性度；（3）转换精度：；（4）建立时间；（5）温度系数。集成D/A转换器及应用：

如图所示，给出了两个TLV5616同时挂接在MSP430上的接口电路，TLV5616与MSP430之间通过SPI进行通信，通过片选信号实现不同时刻器件的选中。在控制器开始数据转换之前，软件必须在FS引脚上产生一个下降沿，实现帧同步。厚德弘毅博学笃行第35

页5.8人机交互设计

人机交互技术是指通过计算机输入、输出设备，以有效的方式实现人与计算机对话的技术。其中包括键盘接口技术、LED显示技术、LCD显示技术。

键盘接口技术键盘是一组按键的组合，它是单片机最常用的输入设备，在单片机应用系统中，键盘是人机对话的主要设备，用于向单片机应用系统输入数据、程序和操作命令。LED发光二极管和数码管是单片机应用系统的主要显示设备，常用的LED显示器为8段发光二极管，可接成共阳极和共阴极两种，如图5-33（a）和（b）所示，数码管也可用于数字和字符的显示，其外形及引脚如图5-33（c）。（a）

共阴极

（b）

共阳极

（c）外形及引脚

图5-33LED数码管

LED显示技术：LCD液晶显示器是一种被动式的显示器，其基本结构如图5-34所示，它与LED不同，液晶本身并不发光，而是利用液晶在电压作用下，能改变光线通过方向的特性，而达到显示白底黑字或黑底白字的目的。图5-34液晶显示器基本结构LCD显示技术5.9抗干扰设计

干扰又称电路噪声，是电磁兼容设计中的“服务对象”。它的来源主要由空间电磁波、电力线终端负载、以及控制系统本身引起的大电流变化、高频辐射等。电路噪声是正常控制中不希望存在却又不可避免的电信号。抗干扰，又称电磁兼容设计，是针对电路噪声（干扰）的一种应对统称，目的是为了抑制甚至消除电路噪声。内部干扰：内部干扰主要是指电气设备和测试系统内部各种电路或器件自身产生的噪声干扰。外部干扰：外部干扰主要是指从外部侵入电子装置和设备的干扰。厚德弘毅博学笃行第39

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干扰的抑制（1）接地技术

接地一般指为了使电路、设备或系统与“地”之间建立通路，而将电路、设备或系统连接到一个作为参考电位点或参考电位面的良导体的技术行为。主要有单点接地、多点接地、混合接地。（2）电磁滤波技术

电磁干扰滤波器，是抑制传导干扰最有效的手段，它包括信号线滤波器和电源线滤波器。信号线滤波器允许有用信号无衰减通过，同时大大衰减杂波干扰信号。电源线滤波器又称电网滤波器，它以较小的衰减将直流、50Hz、400Hz电源功率传输到设备上，大大衰减了电磁干扰信号，保护设备免受其害。同时，它又能抑制设备本身产生的电磁干扰信号，防止它进入电网，污染电磁环境，危害其他设备。（3）电磁屏蔽

屏蔽是用导电或导磁材料将需要防护的区域封闭起来，以抑制和控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射；屏蔽技术用来抑制电磁噪声沿着空间的传播，即切断电磁波辐射（和场耦合）的传输途径。（4）隔离措施

隔离主要有光耦隔离、电感隔离、变压器隔离、二极管隔离、三极管电路隔离等方式。（5）PCB抗干扰措施主要有器件布局、信号线布线方法、电源和接地线处理。电源干扰的抑制常见的电源干扰抑制方法：（1）滤波法主要抑制交流进线上共模和差模干扰噪声，防止电源受到干扰。（2）隔离法

防止噪声干扰最简单且有效的方法是使用隔离变压器加以隔离。（3）吸收法

对电源浪涌电压的干扰可采用压敏电阻、固体放电管或瞬间电压抑制二极管来吸收。

电源回路是电磁干扰最容易进入的通道，因此要采用比其他回路更多的抗电磁干扰措施。电网干扰串入测试系统主要通过供电线路的阻抗耦合产生，经过供电电源耦合进入。5.10数据预处理在电气测试系统中，数据采集是最基本的一种模式。一般是通过传感器、变送器把生产过程的各种物理参数转换为电信号，然后经A/D通道，把数字量送入处理器中。处理器在对这些数字量进行显示和控制之前，还必须根据需要进行相应的数据处理。1.数字滤波方法

常用的数字滤波方法有：平均值滤波、中值滤波、限幅滤波、惯性滤波、限幅平均滤波法、加权递推平均滤波法、消抖滤波法、限幅消抖滤波法。（1）平均值滤波

平均值滤波就是对多个采样值进行平均算法，这是消除随机误差最常用的方法。具体可分为：算术平均滤波、去极值平均滤波、加权平均滤波、滑动平均滤波。数据预处理（2）中值滤波

中值滤波是将信号y的连续m次采样值按大小进行排序，取其中间值作为本次的有效采样值。（3）限幅滤波

限幅滤波就是把两次相邻的采样值相减，求其增量的绝对值，再与两次采样所允许的最大差值

y进行比较，如果小于或等于

y，表示本次采样值y(k)是真实的，则取y(k)为有效采样值；反之，y(k)是不真实的，则取上次采样值y(k-1)作为本次有效采样值。（4）惯性滤波

惯性滤波是模拟硬件RC低通滤波器的数字实现。常用的RC滤波器的传递函数为：

其中，Tf=RC是滤波器的滤波时间常数，其大小直接关系到滤波效果。

数据的平滑处理

一般来说，数据采集系统采集到的数据中，往往叠加有噪声。噪声有两大类：一类为周期性的，另一类为不规则的。数据平滑处理的原则是：通过数据平滑处理，既要削弱干扰成分，又要保持原有曲线的变化特性。消除奇异项（1）判断奇异项及替代值的选择

判断奇异项的准则：给定一个误差上限W，若t时刻的采样值为t，预测值为

，当

时，则认为此采样值是奇异项，应予以剔除，而以预测值取代采样值。

预测值用下一阶差分方程推算：

由公式可知，t时刻的预测值可以用t-1和t-2时刻的采样值来推算，当采样频率大于物理量变化的最高频率时，这种算法有足够的精度。（2）确定连续替代的方法

在连续替代两个奇异项之后，后面的其他点均要再加以判断，看是否满足：

如果该点满足下式：

则认为该点必然是干扰点，继续用

取代

。一旦

找到的点，就应该自动选择新的起点，然后重复上述过程。若找不到这一点，当连续处理的点数已达到6个，也自动选择新的起点，再次重复上述过程。（3）起始点的寻找

在应用中存在一种可能，就是起始点恰恰是被干扰产生的奇异点。因此，一开始就必须先去寻找满足一阶差分预测关系的3个连续点，即满足下式：

此时所找到的3个点