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1、河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院第第3章章 信号转换与调理信号转换与调理本章学习要求：本章学习要求：1.掌握信号转换电路和放大电路的原理及作用；掌握信号转换电路和放大电路的原理及作用；2.掌握电桥的测量原理和接桥方法；掌握电桥的测量原理和接桥方法；3.理解信号调制与解调的原理及目的；理解信号调制与解调的原理及目的；4.掌握滤波器的原理及作用。掌握滤波器的原理及作用。1.根据被测对象的特点、现场工况条件和对测试信号的要求，根据被测对象的特点、现场工况条件和对测试信号的要求，制定合理的测试方案，确定信号转换与调理电路的总体方案；制定合理的测试方案，确定信号转换与调理电路的总体方案；2.根据
2、测试系统的要求，恰当选择转换与调理电路的核心元根据测试系统的要求，恰当选择转换与调理电路的核心元器件，构建并调试配套的外围电路。器件，构建并调试配套的外围电路。本章能力培养目标：本章能力培养目标：机械工程测试技术机械工程测试技术河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院便于信号的传输与处理便于信号的传输与处理信号转换与调理的目的：信号转换与调理的目的：第第3章章 信号转换与调理信号转换与调理1.传传感感器器输输出出信信号号很很微微弱弱，无无法法直直接接驱驱动动显显示示记记录录仪仪表表，需需要进行放大。要进行放大。4.能量转换型传感器输出的是电信号，但混杂有干扰噪声，能量转换型传感器输出的是电信号
3、，但混杂有干扰噪声，需要进行滤波，提高信噪比。需要进行滤波，提高信噪比。2.传感器输出信号不仅微弱，而且变化缓慢传感器输出信号不仅微弱，而且变化缓慢(频率低频率低)，若用，若用交流放大器放大，需要进行调制解调处理。交流放大器放大，需要进行调制解调处理。3.能量控制型传感器输出的是电参量，需要转换成电信号才能量控制型传感器输出的是电参量，需要转换成电信号才能进行处理能进行处理(电桥电桥)。5.传感器输出信号若送给计算机进行分析与处理时，必须进传感器输出信号若送给计算机进行分析与处理时，必须进行行A/D转换；为了实现远距离传输，必须进行转换；为了实现远距离传输，必须进行V/I或或V/F转换。转换。
4、河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院1.电压电压-电流转换电流转换作用：减小传输导线阻抗对信号的衰减作用：减小传输导线阻抗对信号的衰减（1）负载浮地型）负载浮地型V/I转换电路转换电路优点：优点：与负载电阻与负载电阻RL无关，具无关，具有恒流特性。有恒流特性。缺点：缺点：负载必须悬浮，不能接负载必须悬浮，不能接地，不适用于某些应用场合。地，不适用于某些应用场合。3.1 信号转换与放大信号转换与放大 3.1.1 信号转换信号转换第第3章章 信号转换与调理信号转换与调理河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院（2）负载接地型）负载接地型V/I转换电路转换电路(取取 )3.1.1 信号转换信号转
5、换河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院案例：案例：AD694在啤酒发酵温度控制系统中的应用在啤酒发酵温度控制系统中的应用 LM35温度传感器对发酵罐内温度进行采样，信号放大温度传感器对发酵罐内温度进行采样，信号放大后经后经A/D转换送至微处理器。微处理器根据模糊积分控制算转换送至微处理器。微处理器根据模糊积分控制算法的运算结果将控制信号输出至法的运算结果将控制信号输出至D/A转换器，再放大为转换器，再放大为0-10V的电压信号，最后利用的电压信号，最后利用AD694进行进行V/I转换，得到转换，得到4-20mA的的电流信号，自动调节冷却阀门的开度，使冷却夹套内的冷媒电流信号，自动调节冷却阀
6、门的开度，使冷却夹套内的冷媒带走多余的反应热，实现发酵罐温度的控制。带走多余的反应热，实现发酵罐温度的控制。3.1.1 信号转换信号转换河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院利用利用AD694进行进行V/I转换的电路：转换的电路：输入量程选择引脚输入量程选择引脚4悬空，表示输入电压范围为悬空，表示输入电压范围为0-10V，4mA偏置电流选择引脚偏置电流选择引脚9接地，表示输出电流范围接地，表示输出电流范围4-20mA。由于感性负载电流输出引脚由于感性负载电流输出引脚11与地之间跨接与地之间跨接0.01F的电容，的电容，二极管二极管VD1和和VD2防止负载电压过高或过低时损坏防止负载电压过高或
7、过低时损坏AD694。3.1.1 信号转换信号转换河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院要求要求:（1）电流源内阻）电流源内阻RS很大，减小输入失调电压影响；很大，减小输入失调电压影响；（2）ISIb运放的输入偏置电流。运放的输入偏置电流。2.电流电流-电压转换电压转换 简单方法：在输出电路中串接精密电阻，通过测量电阻简单方法：在输出电路中串接精密电阻，通过测量电阻两端的电压即可完成转换，但对后续电路会产生负载效应。两端的电压即可完成转换，但对后续电路会产生负载效应。（1）反相输入型）反相输入型Uo-+A+IS RSR2R1I3.1.1 信号转换信号转换河南科技大学机电学院河南科技大学机电学
8、院（2）同相输入型）同相输入型要求要求：R4=R2/R3例如例如：420mA 010V 取取R1=250，I=420mA Ui=15VUo=010V ，Uo-+A+UbR3R1I R4R2Ui3.1.1 信号转换信号转换河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院3.电压电压-频率转换频率转换 当当Uo1=0UREF时，输出时，输出Uo为高电平，为高电平，V1截止，积分器对截止，积分器对Ui积分，使积分，使Uo1减小。当减小。当Uo10时，时，V1截止，截止，V2导通，运算放大器导通，运算放大器A2的的反相输入端接地，调幅波反相输入端接地，调幅波xm(t)从从A2同相输入端输入。同相输入端输入。3
9、.3.1 调幅及其解调调幅及其解调河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院 当当y(t)0时，调幅时，调幅波波xm(t)与载波与载波y(t)同同频同相，相敏检波器频同相，相敏检波器输出输出xo(t)为正。为正。当当x(t)0，电容，电容C充充电，反相积分器电，反相积分器A2的的输出输出U2减小。当减小。当U2-UD时，正反馈放大器时，正反馈放大器A1翻转，翻转，Uy=-UD；当当Uy=-UD时，乘法器输出时，乘法器输出Uz+UD时，正反馈放大器时，正反馈放大器A1又翻转，又翻转，Uy=+UD。由此可见，压控振荡器的输出信号由此可见，压控振荡器的输出信号Uy为方波，其频为方波，其频率与被测信号率
10、与被测信号Ux成正比。成正比。设设Ux是恒值正电压，则是恒值正电压，则 3.3.2 调频及其鉴频调频及其鉴频河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院2.鉴频原理鉴频原理 采用变压器耦合的谐振回路进行鉴频，把频率变化转换采用变压器耦合的谐振回路进行鉴频，把频率变化转换为电压幅值的变化。为电压幅值的变化。鉴频实质是频率鉴频实质是频率-电压转换的过程电压转换的过程。3.3.2 调频及其鉴频调频及其鉴频河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院 频率电压线性变换频率电压线性变换部分将等幅的调频波部分将等幅的调频波uf转换为幅值转换为幅值随频率变化的调频调幅波随频率变化的调频调幅波ua。幅值检波幅值检波部
11、分检测幅值的变化，部分检测幅值的变化，得到叠加了偏置电压的调制波得到叠加了偏置电压的调制波uo，去掉，去掉uo中的直流偏置电压中的直流偏置电压即可获得原被测信号即可获得原被测信号(调制信号调制信号)。3.3.2 调频及其鉴频调频及其鉴频河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院调频优点：调频优点：抗干扰能力强抗干扰能力强 调频波通常要求频带很宽，为调幅所要求带宽调频波通常要求频带很宽，为调幅所要求带宽的的20倍；调频电路比调幅电路复杂，因为频率调制倍；调频电路比调幅电路复杂，因为频率调制是一种非线性调制。是一种非线性调制。因为调频波所携带的信息包含在频率变化中，因为调频波所携带的信息包含在频率变
12、化中，并非幅值变化，而干扰波的干扰作用则主要表现在并非幅值变化，而干扰波的干扰作用则主要表现在幅值中。幅值中。调频缺点：调频缺点：要求频带宽、电路复杂要求频带宽、电路复杂3.3.2 调频及其鉴频调频及其鉴频河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院案例：案例：旋转机械扭矩测量旋转机械扭矩测量(调幅调幅)3.3 调制与解调调制与解调河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院案例：案例：铁路机车调度铁路机车调度 信号检测信号检测(调频调频)调制频率调制频率8.5Hz，绿灯绿灯调制频率调制频率23.5Hz，红灯红灯3.3 调制与解调调制与解调河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院3.4 滤波器滤波器
13、滤波器是一种选频装置，使信号滤波器是一种选频装置，使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分。其他频率成分。工件表面粗糙工件表面粗糙度测量，滤掉度测量，滤掉表面形状误差表面形状误差。第第3章章 信号转换与调理信号转换与调理河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院3.4.1 滤波器的分类滤波器的分类(按所选频率分按所选频率分)3.4 滤波器滤波器高通高通c1低通低通c2河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院带阻带阻c1c2带通带通c1c23.4.1 滤波器的分类滤波器的分类河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院3.4.2 滤波器的特性滤波器的特性 理理
14、想想滤滤波波器器是是指指在在通通带带内内信信号号的的幅幅值值为为一一常常数数A0，相相位位与与频频率率成成线线性性关关系系。阻阻带带区区的的频频率率成成分分都都衰衰减减为为零零，其其通带和阻带之间有竖直分界线。通带和阻带之间有竖直分界线。A(f)fcf-fcoA0ffc-fco其他其他1.理想滤波器理想滤波器 3.4 滤波器滤波器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院2.实际滤波器实际滤波器 理想滤波器是不存在的，实际滤波器的幅频特理想滤波器是不存在的，实际滤波器的幅频特性性并非为常数并非为常数，通带和阻带之间也没有严格界限，通带和阻带之间也没有严格界限，存在过渡带。存在过渡带。ofA(f)
15、3.4.2 滤波器的特性滤波器的特性河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院（1）波纹幅度）波纹幅度d：通带内通带内幅频特性的波动量；幅频特性的波动量；offc1fc2A00.707A0BQ=f0/B2dA(f)f0（2）截止频率）截止频率fc：A(f)=0.707A0所对应的频率；所对应的频率；3.4.2 滤波器的特性滤波器的特性河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院（4）倍频程选择性）倍频程选择性W：频率变化一倍幅值的衰减量。频率变化一倍幅值的衰减量。（5）滤波器因数）滤波器因数 ：-60dB带宽与带宽与-3dB带宽的比值。带宽的比值。（3）带宽）带宽B和品质因数和品质因数Q：上下截止频
16、率之差称为带上下截止频率之差称为带宽。中心频率宽。中心频率 和和-3dB带宽带宽B之比称为品质因数之比称为品质因数。3.4.2 滤波器的特性滤波器的特性河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院3.4.3 RC有源滤波器有源滤波器 RC有源滤波器由有源滤波器由RC无源滤波网络和运算放大无源滤波网络和运算放大器组成。运算放大器的作用：器组成。运算放大器的作用：（1）放大信号；（）放大信号；（2）减小负载效应）减小负载效应(级间隔离级间隔离)3.4 滤波器滤波器1.一阶有源低通滤波器一阶有源低通滤波器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院3.4.3 RC有源滤波器有源滤波器当当 时，时，理想状态理
17、想状态当当 时，时，积分环节积分环节上截止频率：上截止频率：通带增益：通带增益：河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院上截止频率：上截止频率：通带增益：通带增益：通带外侧的高频衰减率为通带外侧的高频衰减率为-20dB/十倍频程。十倍频程。3.4.3 RC有源滤波器有源滤波器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院2.二阶有源低通滤波器二阶有源低通滤波器通带外侧的高频衰减率为通带外侧的高频衰减率为-40dB/十倍频程。十倍频程。（1）由两个一阶低通滤波器的简单组合）由两个一阶低通滤波器的简单组合 3.4.3 RC有源滤波器有源滤波器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院（2）压控电压源型低通
18、滤波器）压控电压源型低通滤波器 由运算放大器由运算放大器A和电阻和电阻Rf、R3组成的电压源受组成的电压源受控于同相端电压，故称为压控电压源型滤波器。控于同相端电压，故称为压控电压源型滤波器。3.4.3 RC有源滤波器有源滤波器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院（3）无限增益多路反馈型低通滤波器）无限增益多路反馈型低通滤波器 该电路以高增益的运算放大器和多反馈回路为该电路以高增益的运算放大器和多反馈回路为核心，故称为无限增益多路反馈型滤波器。核心，故称为无限增益多路反馈型滤波器。3.4.3 RC有源滤波器有源滤波器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院3.二阶有源带通滤波器二阶有源带通
19、滤波器3.4.3 RC有源滤波器有源滤波器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院 当当 ，时，时，K1闭合，闭合，K2断开，断开，ui向向C充电，充电，充电电荷为：充电电荷为：4.开关电容滤波器开关电容滤波器利用开关和电容代替电路中与频率有关的电阻。利用开关和电容代替电路中与频率有关的电阻。（1）开关电容单元电路）开关电容单元电路 当当 ，时，时，K1断开，断开，K2闭合，闭合，C向外放电，向外放电，放电电荷为：放电电荷为：3.4.3 RC有源滤波器有源滤波器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院 在一个时钟脉冲周期在一个时钟脉冲周期TCLK内电容单元转移的电荷为：内电容单元转移的电荷为：
20、流过电容单元的平均电流为：流过电容单元的平均电流为：当当TCLK很小时，开关电容单元的等效电阻为：很小时，开关电容单元的等效电阻为：3.4.3 RC有源滤波器有源滤波器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院（2）开关电容低通滤波器）开关电容低通滤波器由等效电路可得上截止频率为：由等效电路可得上截止频率为：改变时钟脉冲频率改变时钟脉冲频率fCLK即可调节滤波器的截止频率。即可调节滤波器的截止频率。3.4.3 RC有源滤波器有源滤波器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院恒带宽与恒带宽比滤波器：恒带宽与恒带宽比滤波器：实际滤波器的中心频率是可调的，根据中心频实际滤波器的中心频率是可调的，根据中
21、心频率与带宽之间的数值关系，可分为两种。率与带宽之间的数值关系，可分为两种。（1）恒带宽比带通滤波器）恒带宽比带通滤波器(高频分辨率低高频分辨率低)（2）恒带宽带通滤波器）恒带宽带通滤波器(分辨率高分辨率高)3.4 滤波器滤波器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院 若将低通滤波器中的若将低通滤波器中的RC互换位置，则变为高通滤波器，互换位置，则变为高通滤波器，低通滤波器和高通滤波器是最基本的形式，其它滤波器都低通滤波器和高通滤波器是最基本的形式，其它滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器。可以分解为这两种类型的滤波器。滤波器的串联并联：滤波器的串联并联：低通滤波器和高通滤波器并联为带阻滤波器
22、低通滤波器和高通滤波器并联为带阻滤波器3.4 滤波器滤波器低通滤波器和高通滤波器串联为带通滤波器低通滤波器和高通滤波器串联为带通滤波器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院产品：产品：LineDa:LTC1564MAXIM:MAX74xx3.4 滤波器滤波器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院超门限报警超门限报警 案例：案例：旅游索道钢缆检测旅游索道钢缆检测3.4 滤波器滤波器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院由案例提炼的典型实验：由案例提炼的典型实验：钢管无损探伤钢管无损探伤 滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警3.4 滤波器滤波器河南
23、科技大学机电学院河南科技大学机电学院案例：案例：机床轴心轨迹的滤波处理机床轴心轨迹的滤波处理 3.4 滤波器滤波器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院案例：案例：机床轴心轨迹的滤波处理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滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律3.4 滤波器滤波器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院3.5 项目设计实例项目设计实例磁粉探伤原理：磁粉探伤原理：被磁化后的铁磁性被磁化后的铁磁性工件若不存在缺陷，工件若不存在缺陷，则磁力线均匀分布；则磁力线均匀分布；若其表面或近表面若其表面或近表面存在与磁力线存在与磁力线不平不平行行的裂纹、
24、气孔等缺陷，则部分磁力线会绕过缺陷而逸出的裂纹、气孔等缺陷，则部分磁力线会绕过缺陷而逸出工件表面，并在缺陷周围形成漏磁场。如果在工件表面喷工件表面，并在缺陷周围形成漏磁场。如果在工件表面喷洒导磁率很高且粒度很小的磁粉，则部分磁粉就会被缺陷洒导磁率很高且粒度很小的磁粉，则部分磁粉就会被缺陷处的漏磁场吸附并形成磁痕。即可判断工件是否存在缺陷。处的漏磁场吸附并形成磁痕。即可判断工件是否存在缺陷。第第3章章 信号转换与调理信号转换与调理河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院磁化原理：磁化原理：3.5 项目设计实例项目设计实例 周向磁化电源为降周向磁化电源为降压变压器，将压变压器，将380V6V左右的
25、交流电，然后通左右的交流电，然后通过夹头接至工件的两端，过夹头接至工件的两端，则工件内就会建立交变则工件内就会建立交变的周向磁场。纵向磁化的周向磁场。纵向磁化电源的核心是全波整流电源的核心是全波整流电路，整流后的脉动直电路，整流后的脉动直流电接至两个磁化线圈，流电接至两个磁化线圈，产生交变的纵向磁场。这样工件内的周向磁场和纵向磁场交产生交变的纵向磁场。这样工件内的周向磁场和纵向磁场交互作用，可反映出表面或近表面的缺陷，实现复合磁化。互作用，可反映出表面或近表面的缺陷，实现复合磁化。河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院3.5.1 磁化电流自动调节原理磁化电流自动调节原理 交流电流变送器将变压
26、器的初级电流按线性比例转换为交流电流变送器将变压器的初级电流按线性比例转换为标准的直流标准的直流4-20mA信号，该信号经信号，该信号经I/V转换后输出转换后输出0-5V的直的直流电压，并通过流电压，并通过A/D转换送入微处理器转换送入微处理器AT89S51。3.5 项目设计实例项目设计实例河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院 纵向磁化电流是小于纵向磁化电流是小于5A的脉动直流电，磁补偿式霍尔电的脉动直流电，磁补偿式霍尔电流变送器用于检测纵向磁化电流的大小，并输出流变送器用于检测纵向磁化电流的大小，并输出0-5V的直流的直流电压信号，也通过电压信号，也通过A/D转换送入微处理器转换送入微处
27、理器AT89S51。3.5 项目设计实例项目设计实例河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院可控硅调压原理：可控硅调压原理：两个单向可控两个单向可控硅反向并联，对应硅反向并联，对应控制极短接，施加控制极短接，施加触发脉冲电压触发脉冲电压ug，则两个可控硅分别则两个可控硅分别在正弦波的正负半在正弦波的正负半周导通。改变触发周导通。改变触发脉冲脉冲ug的相位即可的相位即可改变可控硅的导通角，控制负载两端的电压改变可控硅的导通角，控制负载两端的电压u，进而达到调，进而达到调节电流的目的。节电流的目的。R和和C用于保护可控硅，可控硅后续负载为降用于保护可控硅，可控硅后续负载为降压变压器，属于强感性负载压变压器，属于强感性负载。3.5 项目设计实例项目设计实例河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院3.5.2 I/V转换电路转换电路 由由RCV420构成的构成的I/V转换电路，将转换电路，将4-20mA的电流信号的电流信号转换成为转换成为0-5V电压信号，其关系为：电压信号，其关系为：3.5 项目设计实例项目设计实例河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院3.5.3 A/D转换电路转换电路3.5 项目设计实例项目设计实例