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1、第五章第五章 检测系统设计检测系统设计 5.1 5.1 模拟信号的检测模拟信号的检测 5.1.1 5.1.1 基本转换电路基本转换电路 5.1.2 5.1.2 振荡器振荡器 5.1.3 5.1.3 量程切换电路量程切换电路 5.1.4 5.1.4 放大器放大器 5.1.5 5.1.5 信号调理与解调信号调理与解调 5.1.6 5.1.6 滤波器滤波器 5.1.7 5.1.7 运算电路运算电路5.2 5.2 数字信号的检测数字信号的检测 5.2.1 5.2.1 数字信号检测系统的组成数字信号检测系统的组成 5.2.2 5.2.2 信号的细分与辩向信号的细分与辩向 5.2.3 5.2.3 脉冲当量
2、变换电路脉冲当量变换电路5.3 5.3 检测信号的采集方法检测信号的采集方法 5.3.1 5.3.1 模拟信号的采集方法模拟信号的采集方法 5.3.2 5.3.2 采样采样/保持电路保持电路5.4 5.4 检测信号的处理方法检测信号的处理方法 检测系统是控制系统的一个重要环节，它是利用检测系统是控制系统的一个重要环节，它是利用传感器从被测对象中提取所要求的信号，并把该信号传感器从被测对象中提取所要求的信号，并把该信号转变成电信号，再经过中间变换电路将信号进行放大、转变成电信号，再经过中间变换电路将信号进行放大、转换、传输等，以便进行显示记录或处理，因此检测转换、传输等，以便进行显示记录或处理，
3、因此检测系统一般由下列几部分组成系统一般由下列几部分组成(见图见图51)。图图5 51 1 检测系统组成框图检测系统组成框图 传感器处于被测对象与测试系统的接口位置，是传感器处于被测对象与测试系统的接口位置，是一个能量变换器。它直接从对象中提取被测量的信息，一个能量变换器。它直接从对象中提取被测量的信息，感受其变化，并变换成便于测量的其他量，如变换成感受其变化，并变换成便于测量的其他量，如变换成电压、电阻等信号。无疑传感器的优劣，直接影响检电压、电阻等信号。无疑传感器的优劣，直接影响检测装置的质量，是检测系统的重要部件。测装置的质量，是检测系统的重要部件。信号调理器又称中间转换器信号调理器又称
4、中间转换器，它依据所处理的信，它依据所处理的信号形式不同而相应的组成也不同。其作用是将传感器号形式不同而相应的组成也不同。其作用是将传感器的输出信号进行传输、放大、转换等。使其适合于显的输出信号进行传输、放大、转换等。使其适合于显示、记录、数据处理或控制，如放大器、调制解调器示、记录、数据处理或控制，如放大器、调制解调器等。等。检测系统可分为以下几种类型。检测系统可分为以下几种类型。(1)(1)按输入通道结构划分按输入通道结构划分 单通道信号采集系统。单通道信号采集系统。多通道信号采集系统。多通道信号采集系统。(2)(2)按系统性能划分按系统性能划分 高速数据采集检测系统和中低速数据采集系统高
5、速数据采集检测系统和中低速数据采集系统 集中式微机检测系统和分布式微机检测系统。集中式微机检测系统和分布式微机检测系统。智能化系统和非智能化系统。智能化系统和非智能化系统。(3)(3)按被检测信号的特性划分按被检测信号的特性划分 电压检测和电流检测。电压检测和电流检测。高电压信号输入和低电平信号输入。高电压信号输入和低电平信号输入。单端输入方式和差动输入方式。单端输入方式和差动输入方式。单极性输入和双极性输入。单极性输入和双极性输入。数字信号和模拟信号。数字信号和模拟信号。测量电路的组成首先与传感器输出的测量信号形测量电路的组成首先与传感器输出的测量信号形式与仪器的功能有关，并由此决定测量电路
6、的类型。式与仪器的功能有关，并由此决定测量电路的类型。5.1 5.1 模拟信号的检测模拟信号的检测 模拟式传感器输出模拟信号，电阻式、电感式、模拟式传感器输出模拟信号，电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式、热电式及一些光电传感器电容式、压电式、磁电式、热电式及一些光电传感器均输出这类信号。检测系统的基本组成如图均输出这类信号。检测系统的基本组成如图5 52 2所示。所示。如果传感器为电参量式的，即被测信号的变化引起传如果传感器为电参量式的，即被测信号的变化引起传感器的电阻、电感或电容等参数变化，则需通过基本感器的电阻、电感或电容等参数变化，则需通过基本转换电路将其转换成电量转换电路将其转换成
7、电量(电压、电流、电荷等电压、电流、电荷等)。若若传感器的输出已是电量，则不需要基本转换电路传感器的输出已是电量，则不需要基本转换电路。图图5-2 5-2 模拟信号检测系统的基本组成模拟信号检测系统的基本组成 为了使测量信号具有区别于其他杂散信号的特征，为了使测量信号具有区别于其他杂散信号的特征，以提高其抗干扰能力，常采用对信号进行以提高其抗干扰能力，常采用对信号进行“调制调制”的方的方法。信号的调制常在传感器或基本转换电路中进行，也法。信号的调制常在传感器或基本转换电路中进行，也可以转换成电量后再调制。经放大，再通过调解器使信可以转换成电量后再调制。经放大，再通过调解器使信号恢复原有形式，通
8、过滤波器选取代表被测量的有效信号恢复原有形式，通过滤波器选取代表被测量的有效信号。不进行调制时，可不要调解器，也不需要振荡器提号。不进行调制时，可不要调解器，也不需要振荡器提供调解载波信号和调解参考信号。供调解载波信号和调解参考信号。为适应不同测量范围的参数需要，引入量程切换电为适应不同测量范围的参数需要，引入量程切换电路。不少被测参数，需经计算获得。为了获得数字显示路。不少被测参数，需经计算获得。为了获得数字显示，或连接计算机的，或连接计算机的A AD D卡，或采用单片机和卡，或采用单片机和A AD D芯片组芯片组成的数据模数转换系统，由单片机直接驱动显示或由单成的数据模数转换系统，由单片机
9、直接驱动显示或由单片机作为下位机，微机作为上位机显示。片机作为下位机，微机作为上位机显示。5.1.15.1.1基本转换电路基本转换电路 (1)(1)差动电路差动电路 图图5 53 3为差动变压器示意图，它由一次线圈和二为差动变压器示意图，它由一次线圈和二次线圈及可动铁芯组成，是一种交流型位移传感器。次线圈及可动铁芯组成，是一种交流型位移传感器。图图5 53 3 差动变压器示意图差动变压器示意图(2)(2)调频电路与脉冲调宽电路调频电路与脉冲调宽电路 调频电路工作原理是电容传感器的电容调频电路工作原理是电容传感器的电容C C与标准电与标准电感感L L构成谐振回路，接入振荡器振荡器的频率随传感器构
10、成谐振回路，接入振荡器振荡器的频率随传感器的电容而变化。的电容而变化。输出为输出为 从原理上说也可用于电感式传感器，但实际上主要从原理上说也可用于电感式传感器，但实际上主要用于电容传感器，因为这时可形成较高频率振荡；也可用于电容传感器，因为这时可形成较高频率振荡；也可用多频振荡器，这时可适用于电阻式传感器。用多频振荡器，这时可适用于电阻式传感器。脉冲调宽电路工作原理是电源脉冲调宽电路工作原理是电源U U通过电阻通过电阻R R对传感器对传感器电容电容C C充电，当电容充电，当电容C C上充电电压超过参考电压上充电电压超过参考电压URUR时比较时比较器翻转，通过模拟开关器翻转，通过模拟开关S S使
11、电容器使电容器C C放电，输出电压放电，输出电压U U的的脉宽脉宽B B随电容随电容C C变化变化(图图5-4)5-4)。图图5-4 5-4 调频电路与脉冲调宽电路调频电路与脉冲调宽电路 5.1.2 5.1.2 振荡器振荡器 振荡电路是依靠本身的振荡电路是依靠本身的“自激自激”产生信号的输产生信号的输出。常用的振荡器有出。常用的振荡器有正弦振荡器、振荡器以及石英正弦振荡器、振荡器以及石英晶体振荡器晶体振荡器。(1)LC(1)LC振荡器振荡器 选频网络由选频网络由L L、C C元件构成的振荡电路，元件构成的振荡电路，LCLC称为称为振荡器。振荡器。LCLC振荡器主要用于产生高频信号。振荡器主要用
12、于产生高频信号。变压器反馈式变压器反馈式LCLC振荡器电路如图振荡器电路如图5 55 5所示。左所示。左边部分用边部分用LCLC振荡回路作为晶体管的负载，组成选频振荡回路作为晶体管的负载，组成选频放大器。振荡频率由下式决定放大器。振荡频率由下式决定 图图5-5 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡器振荡器(2)(2)方波发生器方波发生器 用运算放大器或比较器组成的方波发生器如图用运算放大器或比较器组成的方波发生器如图5 56 6所示。所示。R1R1、R2R2组成的正反馈网络，是为了加速组成的正反馈网络，是为了加速比较器的转换过程，同时，在比较器的同相端提供比较器的转换过程，同时，在比较器的同相端提
13、供一个参考电压一个参考电压URUR。RCRC组成负反馈网络，组成负反馈网络，UOUO通过反对通过反对电容电容C C充电放电，在充电放电，在C C上获得一个三角波电压上获得一个三角波电压UCUC。比。比较器较器UCUC与与URUR进行比较，根据比较结果，决定输出状进行比较，根据比较结果，决定输出状态。方波频率由下式决定态。方波频率由下式决定图图5-6 方波发生器方波发生器(3)(3)石英晶体振荡器石英晶体振荡器 石英晶体在其两极加上交变电压，晶片会产生机石英晶体在其两极加上交变电压，晶片会产生机械振动，同时，晶片的机械振动又会产生交变电场。械振动，同时，晶片的机械振动又会产生交变电场。一般情况下
14、，晶片振动的幅度和交变电场的幅度都很一般情况下，晶片振动的幅度和交变电场的幅度都很微小，只有在某一特定的频率上，振幅才会突然加大，微小，只有在某一特定的频率上，振幅才会突然加大，这种现象称为压电谐振。这一特定频率成为晶体的固这种现象称为压电谐振。这一特定频率成为晶体的固有频率或谐振频率。有频率或谐振频率。图图5-7 5-7 石英晶体石英晶体 5.1.35.1.3量程切换电路量程切换电路(1)(1)量程切换原理量程切换原理 为适应测量不同范围的被测量值的需要，测量放大为适应测量不同范围的被测量值的需要，测量放大器的增益往往需要能够切辣。增益切换可以用将输入信器的增益往往需要能够切辣。增益切换可以
15、用将输入信号通过分压器衰减的方法实现，如图号通过分压器衰减的方法实现，如图5 58(b)8(b)所示，也所示，也可以通过改变反馈系数的方法实现，如图可以通过改变反馈系数的方法实现，如图5 58(a)8(a)所示。所示。图图5-8 5-8 量程切换基本原理量程切换基本原理 (2)(2)可编程运算放大器可编程运算放大器 可编程运算放大器的增益可在外加数字信号的控制可编程运算放大器的增益可在外加数字信号的控制下，按所需规律变化。图下，按所需规律变化。图5 59 9是是HAHA24002400可编程运算放可编程运算放大器原理图。输入信号大器原理图。输入信号uiui同时送到同时送到1 14 4四个前置放
16、大器。四个前置放大器。在数字编码在数字编码D1D1、D0D0控制下，只有一个放大器被选通，其控制下，只有一个放大器被选通，其输出经输出放大器输出经输出放大器(跟随器跟随器)输出。增益输出。增益A A变化的规律由变化的规律由RlRlR4R4阻值确定。阻值确定。图图5 59 HA-24009 HA-2400可编可编程运算放大器程运算放大器 5.1.45.1.4放大器放大器（1 1）基本放大器）基本放大器 图图5-105-10为由晶体管组成的基本放大电路，在集成电为由晶体管组成的基本放大电路，在集成电路问世以前，一般常采用三极管作为基本放大器件，在路问世以前，一般常采用三极管作为基本放大器件，在某些
17、需高输入阻抗场合，也常使用场效应作为基本放大某些需高输入阻抗场合，也常使用场效应作为基本放大器件。器件。图图5 510 10 晶体管组成的基本放大电路晶体管组成的基本放大电路 随着半导体微电子技术的迅速发展，集成运算放随着半导体微电子技术的迅速发展，集成运算放大器以其精度高、体积小、重量轻、呼唤性好等优越大器以其精度高、体积小、重量轻、呼唤性好等优越的性能，已逐渐取代了传统的晶体管放大器，目前，的性能，已逐渐取代了传统的晶体管放大器，目前，除了在需高额大功率或某些特殊需要的场合，人们已除了在需高额大功率或某些特殊需要的场合，人们已习惯于用集成运放来完成信号的放大、滤波等一系列习惯于用集成运放来
18、完成信号的放大、滤波等一系列处理。处理。(2)(2)集成运算放大器集成运算放大器 集成运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和集成运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路，内部结构如图低输出电阻的多级直接耦合放大电路，内部结构如图5 511(a)11(a)所示。所示。图图5 511 11 集成运算放大器集成运算放大器 同相放大器同相放大器 图图5 512(b)12(b)为同相放大器电路，并由上为同相放大器电路，并由上述分析可知，其同相端和反相端输入电压近似相等，即述分析可知，其同相端和反相端输入电压近似相等，即引入共模电压，这是同相放大器闭环工作的重要特征。引入
19、共模电压，这是同相放大器闭环工作的重要特征。实际上真正的输入电压为所加电压与反馈电压之差。实际上真正的输入电压为所加电压与反馈电压之差。图图512 集成运算放大器基本电路集成运算放大器基本电路 同时值得注意的是，由于同相放大器引入共模电压，因同时值得注意的是，由于同相放大器引入共模电压，因此需要高共模抑制比的运算放大器才能保证精度，从减少误此需要高共模抑制比的运算放大器才能保证精度，从减少误差的角度来看，同相放大器的应用不如反相放大器的广泛，差的角度来看，同相放大器的应用不如反相放大器的广泛，但其输入电阻增加，输出电阻减少。但其输入电阻增加，输出电阻减少。作为同相放大器的特例，图作为同相放大器
20、的特例，图5 511(c)11(c)为电压跟随器，在为电压跟随器，在低频情况下，其放大倍数接近低频情况下，其放大倍数接近1 1，故称为电压跟随器，其重要，故称为电压跟随器，其重要特点是具有高输入阻抗和低输出阻抗，因此常在信号处理中特点是具有高输入阻抗和低输出阻抗，因此常在信号处理中用作阻抗变换器，在使用中需注意其输入电压幅度不能超过用作阻抗变换器，在使用中需注意其输入电压幅度不能超过其共模电压的输入范围。其共模电压的输入范围。利用同相和反相放大器，可实现比例、加减、积分、微利用同相和反相放大器，可实现比例、加减、积分、微分等一系列应用。分等一系列应用。5.1.55.1.5信号的调制与解调信号的
21、调制与解调(1)(1)信号调制的概念信号调制的概念 传感器输出的信号，常常是一种频率不高的弱小传感器输出的信号，常常是一种频率不高的弱小信号，要进行放大后才能向下传输。从信号放大的角信号，要进行放大后才能向下传输。从信号放大的角度来看，直流信号度来看，直流信号(传感器传出的信号有许多是近似传感器传出的信号有许多是近似于直流的缓变信号于直流的缓变信号)的放大比较困难。因此，需要把的放大比较困难。因此，需要把传感输出缓变信号先变成具有较高频率的交流信号，传感输出缓变信号先变成具有较高频率的交流信号，再进行放大和传输，最后，再还原成原来频率的信号再进行放大和传输，最后，再还原成原来频率的信号(信号已
22、被放大信号已被放大)，这样一个过程，称为信号的调制和，这样一个过程，称为信号的调制和解调。解调。所谓调制就是利用缓变信号来控制高频振荡的过所谓调制就是利用缓变信号来控制高频振荡的过程，即是人为地产生一个高频信号程，即是人为地产生一个高频信号(它由频率、幅度、它由频率、幅度、相位三个参数而定相位三个参数而定)，使这个高频信号的三个参数中，使这个高频信号的三个参数中的一个，随着需要传输的信号的变化而变化。这样，的一个，随着需要传输的信号的变化而变化。这样，原来变化缓慢的信号，就被这个受控制的高频振荡信原来变化缓慢的信号，就被这个受控制的高频振荡信号所代替，进行放大和传输，以达到最好的放大和传号所代
23、替，进行放大和传输，以达到最好的放大和传输效果。输效果。所谓调解就是从已被放大和输出的，且有原来信号信息所谓调解就是从已被放大和输出的，且有原来信号信息的高频信号中，把原来信号取出的过程。调制的过程的高频信号中，把原来信号取出的过程。调制的过程有三种：有三种：高频振荡的幅度受缓变信号控制时，称为幅值调解，以高频振荡的幅度受缓变信号控制时，称为幅值调解，以AMAM表示。表示。高频振荡的频率受缓变信号控制时，称为频率调制，以高频振荡的频率受缓变信号控制时，称为频率调制，以FMFM表示。表示。高频振荡的相位受缓变信号控制时，称为相位调制，以高频振荡的相位受缓变信号控制时，称为相位调制，以PMPM表示
24、。表示。并称控制高频振荡的缓变信号为调制信号；载送缓变并称控制高频振荡的缓变信号为调制信号；载送缓变信号的高频振荡为载波；已被缓变信号调制的高频振信号的高频振荡为载波；已被缓变信号调制的高频振荡称为调制波，调制波相应地有调幅波、调频波和调荡称为调制波，调制波相应地有调幅波、调频波和调相波三种，常见的是调幅和调相两种。相波三种，常见的是调幅和调相两种。(2)(2)信号幅值的调制与调解信号幅值的调制与调解调幅又称幅值调制，是利用调制信号去控制高频载波信调幅又称幅值调制，是利用调制信号去控制高频载波信号的振幅，使载波的振幅随调制信号的变化而变化。号的振幅，使载波的振幅随调制信号的变化而变化。电桥调幅
25、的原理电桥调幅的原理 半桥单臂接法时半桥单臂接法时半桥双臂接法时半桥双臂接法时全桥接法时全桥接法时 电桥输出电压电桥输出电压uYuY的幅值随输入信号的幅值随输入信号R(tR(t)变化，或变化，或者说者说uYuY的幅值受的幅值受R(tR(t)的控制。从信号调制的角度说，的控制。从信号调制的角度说，电桥激励电压电桥激励电压uouo是调制过程的载波，电桥的输入是调制过程的载波，电桥的输入RR是调制过程的调制信号，电桥的输出是调制过程的调制信号，电桥的输出uYuY是调制过程的是调制过程的调制波。因此，电桥就是一个调幅器，它的原理和输调制波。因此，电桥就是一个调幅器，它的原理和输出输入的关系，如图出输入
26、的关系，如图5 51818所示。所示。图图518 电桥调幅的输出电桥调幅的输出输入关系输入关系 电桥调幅波的解调电桥调幅波的解调 电桥调幅波的解调，常用相敏检电桥调幅波的解调，常用相敏检波器波器(或称相敏解调器或称相敏解调器)。常见的二极管相敏检波器的常见的二极管相敏检波器的结构和它输出输入的关系如图结构和它输出输入的关系如图5 52020所示。它是一种所示。它是一种能够辨别调制信号极性能够辨别调制信号极性(相位相位)的一种解调器。调幅波的一种解调器。调幅波经过相敏检波后，既能反映出调制信号的幅值，又能经过相敏检波后，既能反映出调制信号的幅值，又能反映调制信号的极性。它由反映调制信号的极性。它
27、由4 4个特性相同的二极管个特性相同的二极管VDlVDl、VD2VD2、VD3VD3、VD4VD4沿同一方向串联在一个回路中，四个沿同一方向串联在一个回路中，四个端点分别接在变压器端点分别接在变压器A A和和B B的次级线圈上。变压器的次级线圈上。变压器A A的的初级线圈中接入电桥调幅器输出的调幅波初级线圈中接入电桥调幅器输出的调幅波uYuY，变压器，变压器B B的初级线圈中接人与电桥调幅器载波一样的参考电的初级线圈中接人与电桥调幅器载波一样的参考电压压uouo，作为辨别电桥输出的调幅波相位，作为辨别电桥输出的调幅波相位(极性极性)的标准。的标准。RlRl是解调器的负载电阻，解调器的输出电压从
28、是解调器的负载电阻，解调器的输出电压从RfRf上引上引出。出。图图5 519 19 调幅波在调制调幅波在调制和解调时的各瞬时波形和解调时的各瞬时波形 图图5-20 5-20 二极管相敏检波器的结构和输出输入关系二极管相敏检波器的结构和输出输入关系 图图5 52l 2l 二极管相敏检波解调原理二极管相敏检波解调原理 电桥输出的调幅波经相敏检波后，可以得电桥输出的调幅波经相敏检波后，可以得到一随原调制信号的幅值与相位的变化而变化到一随原调制信号的幅值与相位的变化而变化的高频波，再通过适当频带的低通滤波器，即的高频波，再通过适当频带的低通滤波器，即可得到与信号一致的、但已放大了的信号，达可得到与信号
29、一致的、但已放大了的信号，达到了解调的目的。图到了解调的目的。图5 52222为动态应变仪调制过为动态应变仪调制过程各环节的波形。程各环节的波形。图图5 522 22 动态应变仪调制过程各环节的波形动态应变仪调制过程各环节的波形(3)(3)信号频率的调制与解调信号频率的调制与解调 频率调制频率调制 频率调制是利用调制信号去控制一个高频率调制是利用调制信号去控制一个高频振荡的载波信号，使载波信号的频率，随调制信频振荡的载波信号，使载波信号的频率，随调制信号的变化而变化。常用的调频方法有电压调频、传号的变化而变化。常用的调频方法有电压调频、传感器调频等。感器调频等。(4)4)信号的相位调制与解调信
30、号的相位调制与解调 5.1.6 5.1.6 滤波器滤波器 经传感器转换和放大后的电信号，由于测量现场经传感器转换和放大后的电信号，由于测量现场的电磁干扰、传感器本身以及放大电路等的影响，往的电磁干扰、传感器本身以及放大电路等的影响，往往含有多种频率成分的噪声信号，严重情况下，这种往含有多种频率成分的噪声信号，严重情况下，这种噪声信号会淹没待提取的有用信号，造成系统无法获噪声信号会淹没待提取的有用信号，造成系统无法获取被测信号。在这种情况下，需采取滤波措施，将不取被测信号。在这种情况下，需采取滤波措施，将不需要的杂散信号抑制掉，使系统的信噪比需要的杂散信号抑制掉，使系统的信噪比(S(SN)N)增
31、加，增加，完成这种功能的电路称为滤波电路，或将具有这一功完成这种功能的电路称为滤波电路，或将具有这一功能的组件称为滤波器。能的组件称为滤波器。滤波器的作用是选出有用的频率信号，抑制杂散滤波器的作用是选出有用的频率信号，抑制杂散的无用频率信号，使一定频率范围内的信号通过，衰的无用频率信号，使一定频率范围内的信号通过，衰减很少减很少(使用有源滤波器还可使信号放大使用有源滤波器还可使信号放大)，而在此频，而在此频率范围外的信号衰减很大，从而提高系统的信噪比。率范围外的信号衰减很大，从而提高系统的信噪比。通常称可以通过的频率范围为通带，不能通过的频率通常称可以通过的频率范围为通带，不能通过的频率范围为
32、阻带，通带与阻带的界限频率为截止频率，其范围为阻带，通带与阻带的界限频率为截止频率，其频率特性用频率特性用Q Q值来衡量，值来衡量，Q Q值越高，即灵敏度越高，频值越高，即灵敏度越高，频率选择特性越好，通带越窄。率选择特性越好，通带越窄。按滤波器是否使用有源器件按滤波器是否使用有源器件(放大器放大器)来分，可分来分，可分为无源滤波器和有源滤波器两大类。为无源滤波器和有源滤波器两大类。(1)(1)无源滤波器无源滤波器无源滤波器是指用无源器件，如电感无源滤波器是指用无源器件，如电感(L)(L)、电容、电容(C)(C)和和电阻电阻(及及)组成的滤波电路，如图组成的滤波电路，如图5 52828即为一最
33、简单的即为一最简单的RCRC低通滤波器电路，其传递函数为低通滤波器电路，其传递函数为 图图5-28 简单的无源滤波器比较简单的无源滤波器比较 它随输入信号频率的增它随输入信号频率的增高而幅值呈下降趋势。高而幅值呈下降趋势。(2)(2)有源滤波器有源滤波器有源滤波器是指利用放大器、电阻和电容等组成的滤有源滤波器是指利用放大器、电阻和电容等组成的滤波电路，在低频波电路，在低频(1MHz)(1MHz)中使用，比无源滤波器有更优中使用，比无源滤波器有更优越的性能，表越的性能，表5 52 2为无源滤波器和有源滤波器的性能为无源滤波器和有源滤波器的性能比较。表比较。表5-2 5-2 无源滤波器与有源滤波器
34、比较无源滤波器与有源滤波器比较 无源滤波器常采用无源滤波器常采用LCLC谐振电路或谐振电路或RCRC网络作为滤网络作为滤波器件。波器件。LCLC滤波器谐振电路，其能量形式是每半周滤波器谐振电路，其能量形式是每半周期中静电能量期中静电能量(1(12CV2)2CV2)与磁场能量与磁场能量(1(12LI2)2LI2)相互相互转换，作为虚功率积蓄存在，损失小，因此转换，作为虚功率积蓄存在，损失小，因此Q Q值较高，值较高，选择性好，但在低频场合作用，需要选择性好，但在低频场合作用，需要LCLC的值很大，的值很大，而大电感不仅体积大、笨重，而且价格昂贵，因而而大电感不仅体积大、笨重，而且价格昂贵，因而不
35、适合在低频滤波电路中使用。不适合在低频滤波电路中使用。有源滤波器则是利用有源器件不断补充由有源滤波器则是利用有源器件不断补充由R R造成造成的损耗，因而等效能耗极小，也就提高了电路的的损耗，因而等效能耗极小，也就提高了电路的Q Q值，值，改善了选择性。并且，有源滤波器还具有无源滤波改善了选择性。并且，有源滤波器还具有无源滤波器无法做到的信号放大功能；其电路器无法做到的信号放大功能；其电路Q Q值的提高不受值的提高不受电感电感Q Q值的限制，因为有源滤波器电路中一般不使用值的限制，因为有源滤波器电路中一般不使用电感，输入输出阻抗很容易匹配；这些都使有源滤电感，输入输出阻抗很容易匹配；这些都使有源
36、滤波器具有优良的性能。波器具有优良的性能。有源滤波器的缺点是：由于有源滤波器的缺点是：由于采用有源件，需使用电源；功耗较大；由于受有源采用有源件，需使用电源；功耗较大；由于受有源件有限带宽的限制，一般不能用于高频场合；受元件有限带宽的限制，一般不能用于高频场合；受元件的容差和漂移影响较大，相对来讲灵敏度较高。件的容差和漂移影响较大，相对来讲灵敏度较高。由于滤波器的频率选择电路，只允许通过带内由于滤波器的频率选择电路，只允许通过带内的频率通过，因而按通带来分，滤波器可分为低通、的频率通过，因而按通带来分，滤波器可分为低通、高通、带通、带阻和全通五类。高通、带通、带阻和全通五类。低通滤波器低通滤波
37、器 低通滤波器的功能是：低通滤波器的功能是：让直流到指让直流到指定截止频率的低频分量顺利通过定截止频率的低频分量顺利通过，而使高频分量受，而使高频分量受到很大的衰减，理想的低通滤波器的幅频特性如图到很大的衰减，理想的低通滤波器的幅频特性如图5 529(a)29(a)，其中，其中cc为截止频率；但这种幅频特性实为截止频率；但这种幅频特性实际上是无法实现的，图际上是无法实现的，图5 529(c)29(c)为实际的一种低通为实际的一种低通滤波器的幅频特性，该低通滤波器的通带为滤波器的幅频特性，该低通滤波器的通带为0c0c。图图5-29 低通滤波器低通滤波器 高通滤波器高通滤波器 高通滤波器的功能是：
38、高通滤波器的功能是：让高于指定让高于指定频率频率cc的频率分量顺利通过的频率分量顺利通过，而使自直流到指定阻，而使自直流到指定阻带频率带频率ss，的频率分量受到衰减；同样，与低通滤，的频率分量受到衰减；同样，与低通滤波器的情况类似，没有理想的幅频呈跃式的高频滤波器的情况类似，没有理想的幅频呈跃式的高频滤波器，图波器，图5 530(b)30(b)为某一实际的高通滤波器的幅频为某一实际的高通滤波器的幅频特性曲线。理论上来讲，高通滤波器在特性曲线。理论上来讲，高通滤波器在处也处也应是通带，但实际上由于寄生参数的影响以及有源应是通带，但实际上由于寄生参数的影响以及有源器件带宽的限制，当频率增高到一定值
39、，幅值也将器件带宽的限制，当频率增高到一定值，幅值也将下降。下降。图图530 高通滤波器高通滤波器 带通滤波器带通滤波器 带通滤波器的功能是：带通滤波器的功能是：让有限带宽让有限带宽(LHLH)内的频率分量顺利通过内的频率分量顺利通过，而且此频，而且此频率范围处的其他频率分量衰减率范围处的其他频率分量衰减(图图5 531)31)。带通滤。带通滤波器有两个阻带，一般并不要求上下两个阻带衰减波器有两个阻带，一般并不要求上下两个阻带衰减特性相同，即可以不对称，不过一般对称的带通滤特性相同，即可以不对称，不过一般对称的带通滤波器较易设计。波器较易设计。图图5 531 31 带通滤波器带通滤波器 带阻滤
40、波器带阻滤波器 带阻滤波器的作用是：带阻滤波器的作用是：抑制某个频抑制某个频率范围的频率分量率范围的频率分量，使其衰减，而让此频率带外的，使其衰减，而让此频率带外的频率分量顺利通过，频率分量顺利通过，幅频特性对称的带阻滤波器因幅频特性对称的带阻滤波器因而也被称为而也被称为“陷波陷波”器器。图图5 532 32 四阶带阻滤波器四阶带阻滤波器5.1.7 5.1.7 运算电路运算电路(1)加法电路 加法器的功能是对若干输入信号求和。图加法器的功能是对若干输入信号求和。图5 53333是对三个输入量求和的加法电路。电路在反相端是对三个输入量求和的加法电路。电路在反相端对各输入电流求和，由理想模型概念有
41、对各输入电流求和，由理想模型概念有 图图5-33 加法电路加法电路(2)(2)积分电路积分电路 积分电路能对输入信号实现积分运算，电路如图积分电路能对输入信号实现积分运算，电路如图5-34(a)5-34(a)所示。该电路与反相放大器类似，但用一电所示。该电路与反相放大器类似，但用一电容器代替了反馈电阻。容器代替了反馈电阻。由电路理想模型知，因为，流过由电路理想模型知，因为，流过R R的电流与流过的电流与流过C C的的电流相等，即，所以电流相等，即，所以 输出电压与输入电压的积分成比例。输出电压与输入电压的积分成比例。当当uiui为一阶跃电压时，则当阶跃电压突然加入为一阶跃电压时，则当阶跃电压突
42、然加入的瞬间，电容的瞬间，电容C C相当于短路，运算放大器的闭环放大相当于短路，运算放大器的闭环放大倍数为零，故倍数为零，故uouo0 0。以后随着电容的充电，。以后随着电容的充电，uouo的幅的幅值逐步增加，直到达到饱和值为止。如加到输入端值逐步增加，直到达到饱和值为止。如加到输入端的是一串方波，则输出电压将是一串锯齿波，如图的是一串方波，则输出电压将是一串锯齿波，如图5-34(b)5-34(b)所示。所示。(3)(3)微分电路微分电路 微分电路能对输入信号进行微分运算，电路如图微分电路能对输入信号进行微分运算，电路如图5-355-35所示。所示。输入信号输入信号IiIi经电容加到反相输入端
43、，根据理想模经电容加到反相输入端，根据理想模型，有型，有 故故图图5-35 5-35 微分电路微分电路 可见，输出电压正比于输入电压的变化率。若加可见，输出电压正比于输入电压的变化率。若加到微分电路输入端是一串方波信号，因只在跃变时才到微分电路输入端是一串方波信号，因只在跃变时才会有输出，故输出电压为一串尖顶脉冲，其幅值为运会有输出，故输出电压为一串尖顶脉冲，其幅值为运算放大器的输出饱和值或受电源电压的限制。算放大器的输出饱和值或受电源电压的限制。5.2 5.2 数字信号的检测数字信号的检测 数字信号检测系统的组成数字信号检测系统的组成在机电一体化产品中许多复杂的信号处理都采在机电一体化产品中
44、许多复杂的信号处理都采用微机来完成，因此模拟信号往往需先经模数转用微机来完成，因此模拟信号往往需先经模数转换后，再在采入微机进行处理，这无疑将增加系统换后，再在采入微机进行处理，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，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、存储和远距离的传输。因此，尽管目前数字处理、存储
45、和远距离的传输。因此，尽管目前数字式传感器品种还不是很多，但却得到了越来越多的式传感器品种还不是很多，但却得到了越来越多的应用。应用。最常见的数字式传感器有光栅、磁栅、容栅、最常见的数字式传感器有光栅、磁栅、容栅、最常见的数字式传感器有光栅、磁栅、容栅、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，主要用感应同步器、光电编码器及激光干涉仪等，主要用感应同步器、光电编码器及激光干涉仪等，主要用感应同步器、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。这些传感器所输出的于几何位置、速度等的测量。这些传感器所输出的于几何位置、速度等的测量。这些传感器所输出
46、的于几何位置、速度等的测量。这些传感器所输出的信号都是增量码形式的数字信号。所谓增量码信号信号都是增量码形式的数字信号。所谓增量码信号信号都是增量码形式的数字信号。所谓增量码信号信号都是增量码形式的数字信号。所谓增量码信号是指信号变化的周期数与被测位移成正比的信号。是指信号变化的周期数与被测位移成正比的信号。是指信号变化的周期数与被测位移成正比的信号。是指信号变化的周期数与被测位移成正比的信号。这类数字信号检测系统的典型组成如图这类数字信号检测系统的典型组成如图这类数字信号检测系统的典型组成如图这类数字信号检测系统的典型组成如图5-365-365-365-36所示。所示。所示。所示。图图5-3
47、6 5-36 数字信号检测系统典型组成框图数字信号检测系统典型组成框图 5.3 5.3 检测信号的采集方法检测信号的采集方法 5.3.1 5.3.1 模拟信号的采集方法模拟信号的采集方法(1)(1)单通道输入单通道输入(图图5 548)48)(2)多路分时采集单端输入结构多路分时采集单端输入结构 多个被测信号分别由各自的传感器和信号变换电多个被测信号分别由各自的传感器和信号变换电路组成的多通道，经多路转换电路切换进入共用的采路组成的多通道，经多路转换电路切换进入共用的采样保持电路和样保持电路和A AD D转换电路，输入主机，图中转换电路，输入主机，图中C C、L L为控制逻辑部分。为控制逻辑部
48、分。它的特点是它的特点是多个被测信号共同使用一个多个被测信号共同使用一个S SH H电路和电路和A AD D电路，简化了电路结构，降低了成本电路，简化了电路结构，降低了成本。但是，它对被测信号的采集是由转换开关分时轮但是，它对被测信号的采集是由转换开关分时轮流切换选通的，因而在时间上不能获得多个信号流切换选通的，因而在时间上不能获得多个信号在同一时刻的数据，尽管这种在同一时刻的数据，尽管这种“时间差时间差”是很短是很短的，但对要求严格同步采集的高速采集检测系统，的，但对要求严格同步采集的高速采集检测系统，这种时间偏移误差也是不能允许的。因而这种结这种时间偏移误差也是不能允许的。因而这种结构较广
49、泛用于多路中速和低速微机检测系统。构较广泛用于多路中速和低速微机检测系统。(3)多路同步采集分时输入结构 图图5 55050是多路同步采集分时输入电路，它是在图是多路同步采集分时输入电路，它是在图5 54949所所示结构的基础上加以改进的输入通道电路，其特点是在多路分示结构的基础上加以改进的输入通道电路，其特点是在多路分时采集各信号通路中加一个时采集各信号通路中加一个S SH H电路，使多路信号的采集在同电路，使多路信号的采集在同一时刻进行，实现了同步采集。然后由各自的保持器保持着采一时刻进行，实现了同步采集。然后由各自的保持器保持着采集到数据，等待多路转换开关分时切换与共用的集到数据，等待多
50、路转换开关分时切换与共用的S SH H电路和电路和A AD D电路接通，输入主机。这样可消除上述结构产生的时间偏电路接通，输入主机。这样可消除上述结构产生的时间偏移误差。这种结构既可满足同步采集的要求，又使电路结构不移误差。这种结构既可满足同步采集的要求，又使电路结构不太复杂。但是仍存在不足之处，特别是对于被测信号的数目较太复杂。但是仍存在不足之处，特别是对于被测信号的数目较多的系统，由于同步采得的数据在保持器中保持的时间会因转多的系统，由于同步采得的数据在保持器中保持的时间会因转换路数增多而加长，而且保持器总是有一些电荷泄漏，致使信换路数增多而加长，而且保持器总是有一些电荷泄漏，致使信号值有