第十一章信號的處理、變換及抗干擾技術(shù)信號的處理與變換

信號的輸出、顯示和記錄裝置抗干擾技術(shù)本章內(nèi)容§1§3§2§1信號的處理與變換一、電橋電路

電路可以提供穩(wěn)定度為0.01%的電源，作為遠(yuǎn)端驅(qū)動(dòng)的電橋電源。由于運(yùn)算放大器的高輸入阻抗，反饋導(dǎo)線上的電流近似為零，而電橋反饋的激勵(lì)電壓是從電橋處取出的，它與驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線的長短（電阻）無關(guān)，所以克服了遠(yuǎn)端驅(qū)動(dòng)的導(dǎo)線影響以及環(huán)境變化的影響

高穩(wěn)定度遠(yuǎn)端驅(qū)動(dòng)的電橋激勵(lì)電路二、模擬開關(guān)

模擬開關(guān)的基本功能和結(jié)構(gòu)如左圖所示，它應(yīng)能接通或斷開模擬輸入信號，在導(dǎo)通時(shí)輸出信號即輸入信號而無失真，而斷開時(shí)輸出信號應(yīng)為零。三、放大器

放大器的輸入電壓是傳感器輸出在它的內(nèi)阻、電纜電阻和放大器的輸入阻抗上的分壓，而負(fù)載RL上的輸出電壓則是放大器輸出在輸出阻抗和RL上的分壓。

四、信號轉(zhuǎn)換電路

（一）調(diào)制和解調(diào)

1．?dāng)夭ㄕ{(diào)幅斬波調(diào)制器結(jié)型場效應(yīng)管是目前普遍采用的開關(guān)器件

環(huán)形調(diào)制器為了保證二極管的有效導(dǎo)通，要求Uc>Ui。2．相敏解調(diào)當(dāng)與同相時(shí)輸出為正；反之，當(dāng)UC與反相時(shí)輸出為負(fù)。因此，輸出電壓的極性與輸入信號的相位有關(guān)，亦即具有相敏特性。

（二）模-數(shù)（A/D）和數(shù)-模（D/A）轉(zhuǎn)換器

1．模-數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換

A/D轉(zhuǎn)換器的輸入-輸出關(guān)系可以表示為：

A—輸入模擬量；D—輸出的數(shù)字編碼；Q—量化單位。2．?dāng)?shù)-模（D/A）轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器的精度主要取決于基準(zhǔn)電壓UR和網(wǎng)絡(luò)電阻的精確度。

基準(zhǔn)電壓較普遍的采用恒流源-齊納二極管穩(wěn)壓方式，如圖b），它的溫度穩(wěn)定性可以做到更高性能的基準(zhǔn)電壓電路如右圖所示。五、線性化

在非電量電測系統(tǒng)中，大多數(shù)傳感器的輸出電信號與被測量之間的關(guān)系是非線性的，其原因之一是傳感器轉(zhuǎn)換原理的非線性。另一個(gè)原因是接口電路的非線性。

（一）模擬量的非線性校正

1．電橋電路的線性化圖中電橋的激勵(lì)電壓

輸出信號電壓U0’為這方法可以應(yīng)用于類似的傳感器電路。2．熱敏電阻的非線性校正已知熱敏電阻的阻值與溫度的關(guān)系為

如果采用恒流源激勵(lì)時(shí)，它的輸出為：將這信號接入對數(shù)放大器就可以得到它的輸出電壓的關(guān)系式：即Uo與Φ

呈線性關(guān)系。3．折線逼近法將傳感器的輸出特性曲線根據(jù)線性度的要求用有限的線段來近似，然后根據(jù)各線段的斜率和轉(zhuǎn)折點(diǎn)來設(shè)計(jì)電路。對于任意曲線，運(yùn)用折線逼近法可以寫出如下關(guān)系式式中k為折線的斜率，表示

時(shí)x有效

基本的電路單元是一個(gè)比例放大器。與普通放大器的區(qū)別是輸入量大于某一定值時(shí)有效，具體電原理圖§2信號的輸出、顯示和記錄裝置一、電測量指示儀表

1．電測量指示儀表的組成及其基本原理

（1）組成測量機(jī)構(gòu)能夠直接接受的量Y一般是較微弱的電流，如果被測量X是較大的電流或者是其它量（例如電壓或電阻等），則必須通過一定的電路將被測量X變換為測量機(jī)構(gòu)能夠直接接受的中間量Y（2）測量機(jī)構(gòu)的工作原理測量機(jī)構(gòu)是電測量指示儀表的核心，它的任務(wù)是將與被測量呈一定函數(shù)關(guān)系的中間量Y變換為活動(dòng)部分的角位移α

，并能準(zhǔn)確而迅速地指示出被測量的大小。因此，任何測量機(jī)構(gòu)都必須包括以下四個(gè)基本部分：1）驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)裝置一般由固定的磁路系統(tǒng)（永久磁鐵或固定線圈）及可動(dòng)的線圈或鐵磁元件組成。

2）控制裝置測量機(jī)構(gòu)中，對活動(dòng)部分產(chǎn)生反作用力矩的裝置稱之為控制裝置。反作用力矩一般由彈性元件—游絲或張絲產(chǎn)生。

3）阻尼裝置

測量機(jī)構(gòu)中，對活動(dòng)部分產(chǎn)生阻尼力矩的裝置稱為阻尼裝置。阻尼力矩用表示，它的特點(diǎn)是：其大小與活動(dòng)部分的偏轉(zhuǎn)速度成正比，而方向總是與該速度方向相反。

4）指示裝置指示裝置包括指示器和標(biāo)度盤。

（二）指示儀表的主要技術(shù)特性

1．儀表的靈敏度和儀表常數(shù)

儀表指示器偏轉(zhuǎn)變化量與被測量之比，稱為儀表的靈敏度，用表示。即：如果儀表的標(biāo)尺分度是均勻的，則：x為被測量數(shù)值；L為儀表指示器的偏轉(zhuǎn)量；m為儀表指示器的偏轉(zhuǎn)分格數(shù)。因此，當(dāng)標(biāo)尺分格數(shù)均勻時(shí)，靈敏度等于單位被測量引起指示器偏轉(zhuǎn)的分格數(shù)。儀表靈敏度的倒數(shù)稱為儀表常數(shù)或分度常數(shù)，用C表示。即：儀表的靈敏度和儀表常數(shù)反映了儀表對被測量的分辨力。如果儀表的靈敏度愈高，儀表常數(shù)愈小，對被測量分辨力愈強(qiáng)。

二、記錄裝置

（一）顯式記錄儀器

1．光線示波器

它利用磁電式振動(dòng)子將輸入的電流信號轉(zhuǎn)換成光點(diǎn)的橫向移動(dòng)，然后在等速移動(dòng)的感光記錄紙上將被測信號記錄下來。

2．筆試記錄儀（1）檢流計(jì)式筆錄儀其最高工作頻率可達(dá)125Hz。另外，由于筆尖與紙觸所引起的摩擦力矩較大，因而造成較大的誤差。（2）函數(shù)記錄儀是一種自動(dòng)平衡儀表，它能高精度地自動(dòng)顯示和記錄已轉(zhuǎn)化成電壓的信號，最常用的是閉環(huán)零位平衡系統(tǒng)的伺服記錄儀。

若待記錄的直流信號電壓ur與電位計(jì)的比較電壓u0不相等，則有ue輸出，電壓ue經(jīng)調(diào)制、放大、解調(diào)后驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)通過皮帶（或鋼絲）等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)記錄筆作直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)信號的記錄，同時(shí)與記錄筆相聯(lián)的電位計(jì)電刷也隨著移動(dòng)，從而改變著u0的值。

系統(tǒng)中采用零位平衡原理，記錄的幅值準(zhǔn)確性高，一般誤差小于全量程的±2%。但是因傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械慣性大，頻率響應(yīng)通常在10Hz以下如果將記錄紙固定不動(dòng)，記錄筆用兩個(gè)互相垂直的、且分別由兩套零位平衡伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，那么在記錄紙上便描繪出兩個(gè)被測量的關(guān)系曲線，這就是x-y函數(shù)記錄儀的工作原理。其結(jié)構(gòu)方框圖如圖所示。

（二）隱式記錄儀器

磁記錄器有磁帶式、磁盤式和磁鼓式等，又叫磁表面存貯器，它們都是利用磁介質(zhì)的剩余磁化現(xiàn)象來存貯信息的。

1．磁帶記錄器的構(gòu)成

（1）記錄器放大和重放放大器（2）磁頭

磁頭相當(dāng)于在環(huán)形鐵芯上繞有一個(gè)線圈的電磁鐵，在與磁帶貼近的前端有一很窄的縫隙，一般為幾個(gè)微米，稱為工作間隙，如圖

（3）磁帶和磁帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

磁帶是一種堅(jiān)韌的聚脂薄膜塑料帶，厚約50μm，一面涂有鐵磁性材料粉末，涂層厚約10μm。

磁帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)等。該機(jī)構(gòu)必須帶速穩(wěn)定，啟動(dòng)和停止迅速可靠

2．磁帶記錄器的記錄方式(1)直接記錄方式（DR式）如直接輸入一個(gè)正弦信號，則磁帶上的磁化波形將是一個(gè)畸變的鐘形波，

為解決這一非線性畸變，可以采用偏磁技術(shù)，常用的是交流偏磁技術(shù)。即將一個(gè)高頻振蕩信號和欲記錄信號疊加(不是調(diào)幅)后供給記錄磁頭，使疊加后的信號幅值能和磁帶的剩磁曲線段相對應(yīng)，如圖10-24所示，高頻振蕩上的低頻信號是不失真的，它表現(xiàn)為疊加后信號的上下包絡(luò)線。(2)頻率調(diào)制（FM）記錄方式輸入信號經(jīng)過FM調(diào)制器，將幅值變化變?yōu)轭l率的變化，其頻率偏移正比于輸入信號的幅值。當(dāng)輸入正的信號時(shí)，載波頻率增加，當(dāng)輸入負(fù)的信號時(shí)，載波頻率減小。

(3)數(shù)字記錄方式數(shù)字式記錄是把待記錄信號放大后，經(jīng)過采樣、保持、A/D轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼脈沖，并由磁帶記錄。重放時(shí)再將該信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換還原為模擬信號，從而恢復(fù)被記錄的波形FM記錄方式的優(yōu)點(diǎn)是可以記錄低頻及靜態(tài)過程，信號跌落小，頻率變更對相位偏移的影響小。

FM記錄方式的工作頻帶上限受到限制，只有0～100kHz，

§3抗干擾技術(shù)一、電子測量裝置的兩種干擾

（一）差模干擾

差模干擾是使信號接收器的一個(gè)輸入端子電位相對另一個(gè)輸入端子電位發(fā)生變化，即干擾信號與有用信號跌加在一起。

針對具體情況可以采用雙絞信號傳輸線、傳感耦合端加濾波器金屬隔離線屏蔽等措施來消除差模干擾。（二）共模干擾共模干擾是相對于公共的電位基準(zhǔn)地（接地點(diǎn)），在信號接收器的兩個(gè)輸入端子上同時(shí)出現(xiàn)的干擾。

為了消除供模干擾可采用對稱的信號接收器的輸入電路和加強(qiáng)導(dǎo)線絕緣的辦法。對于工頻共模干擾的防護(hù)。

二、外來干擾的防止及抑制

（一）屏蔽與接地

測量電路的信號線不與屏蔽罩相連接，信號線及信號屏蔽線相接在信號源的同一接地點(diǎn)(一點(diǎn)接地)，屏蔽線必須與零信號基準(zhǔn)電位相接，而零信號基