1、1,8 檢測電路、檢測算法 及抗干擾技術(shù),8.1 檢測電路設計 8.2 檢測算法 8.3 檢測系統(tǒng)抗干擾技術(shù),2,8.1 檢測電路設計,1）信號放大電路 2）信號變換電路 3）信號分離電路（濾波） 4）信號調(diào)制電路,3,8.2 檢測算法,1） 數(shù)字濾波技術(shù) 2） 克服系統(tǒng)誤差的軟件算法 3） 量程自動切換及標度變換,4,8.3 檢測系統(tǒng)抗干擾設計,1） 干擾的類型及產(chǎn)生 2） 常用的抑制干擾措施 3） 其他抑制干擾的措施,5,8.1 檢測電路設計 1）信號放大電路,標準電信號： 420mA ，1 5V 其它標準電壓、電流信號 方便對被測信號的后續(xù)變換、處理、記錄、分析,電壓、電勢、電位 電流、

2、電荷 電阻、電容、電感 光、磁信號,信號放大的目的：,傳感器直接輸出的信號：,6,放大電路的主要類型,比例放大器：通用型 差動放大器：電勢、電位式傳感器 電橋放大電路：電阻應變、電感、差動變壓器、電容式傳感器 電荷放大器：電荷式傳感器 儀用放大器：電位差、電勢差 隔離放大電路：噪聲隔離、光電、磁電、電容,7,同相比例放大電路,同相比例放大器是指輸出信號與輸入信號相比，相位相同，幅值成一定比例。 增益 輸入阻抗,其中： A為運放的開環(huán)增益； F為電路的反饋系數(shù)； ri為運放的開環(huán)輸入阻抗。,8,反相比例放大電路,反相比例放大器是指輸出信號與輸入信號相 比，相位相反，幅值成一定比例。,9,交流電壓

3、跟隨電路,交流電壓跟隨電 路是同相放大電路的 特例。為減小失調(diào)電 流，常取R3=R2,10,差動放大電路,差動放大是把二個輸入信號分別輸入到運算放大器的同相端和反相端，然后在輸出端取出二個信號的差模成分，而盡量抑制二個信號的共模成分。 特點：提高電路共模抑制比，減小溫漂。,11,而 VTVF 則 V01 = 2（Vi VS）,可列出兩輸入節(jié)點的電流方程：,DDZ-調(diào)節(jié)器的輸入電路,12,電橋放大電路,特點：,靈敏度高； 線性好； 測量范圍寬； 容易實現(xiàn)溫度補償。,直流電橋（電阻應變式測力稱重傳感器） 交流電橋（電感式、差動變壓器式、電容式傳感器）,分類：,13,直流電橋,直流電橋的橋臂為純電阻

4、，如圖所示，圖中UB為電橋電源電壓。電橋輸出接運放輸入端，電橋的平衡條件為：R1R4=R2R3 。 電橋輸出為：,令 R1=R2=R3=R，R4=R+dR（單臂工作）有：,14,交流電橋,或,交流電橋的結(jié)構(gòu)與工作原理和直流電橋基本相同。不同的是輸入輸出為交流，其平衡條件應為Z1Z3=Z2Z4 由于 式中Ri、Xi為各橋臂電阻和電抗； zi、 為各橋臂復阻抗的模和輻角。 因此，式中的平衡條件必須同時滿足：,輸出,15,電荷放大電路,特點：把壓電器件高內(nèi)阻的電荷源變換為傳感器低內(nèi)阻的電壓源，實現(xiàn)阻抗匹配，并使其輸出電壓與電荷成正比。 電荷放大電路可用于壓電式傳感器、CCD傳感器,圖（b）電荷放大器

5、等效電路,圖（a）電荷放大器電路原理框圖,輸出,回路電容,16,儀用放大器,儀用放大器又稱測量放大器，為抑制共模輸入電壓與增益調(diào)節(jié)和阻抗匹配之間互相牽連和矛盾而設計，電路如圖所示。 左邊部分由運放A1、A2構(gòu)成同相放大器，右邊部分由運算放大器A3和電阻R3R6組成減法器。設R1=R2=R，R3=R4=R5=R6，則有,儀用放大器僅調(diào)Rg即可調(diào)整放大器增益，不需多電位器聯(lián)動，不影響電路的對稱性，輸入阻抗高、對稱性好、共模抑制比高、增益設定調(diào)整方便，適用于電勢差、電位差輸出型傳感器。,17,隔離放大器,隔離放大器能在輸入與輸出信號之間保持電氣隔離的同時，實現(xiàn)輸出與輸入電壓的線性傳輸。其組成及符號如

6、下圖所示。隔離放大器主要用于噪聲環(huán)境下以高阻抗、高共模抑制能力傳送信號，適合于電感式、磁電式、電渦流式、光電式、霍爾式等傳感器的信號調(diào)理與放大。,18,隔離放大器,隔離的媒介主要有電磁隔離（變壓器隔離）、光電隔離和電容隔離。,a）變壓器隔離放大器原理框圖,b）光電隔離放大器原理框圖,19,變壓器隔離放大器：因變壓器體積大，成本高，功耗 大，無法集成，使器件價格高，體積大，一般為非標準 集成電路封裝；但一般把隔離電源也固化在器件內(nèi)，甚 至可實現(xiàn)三端隔離，且通過引腳將電源輸出，可外接負 載，不需另配隔離DC-DC變換器，使用方便。 光電耦合隔離放大器：全由半導體器件構(gòu)成，便于集 成，成本低，體積小

7、，性能穩(wěn)定，不需外接任何器件， 使用方便。但器件本身不帶隔離電源，需另接隔離DC- DC變換器。 電容耦合隔離放大器：引出線少，使用方便，但需使用調(diào)制解調(diào)技術(shù)，頻帶寬度不及光電耦合型隔離放大器。,三種隔離放大器的特點,20,2） 信號變換電路,電壓-電流轉(zhuǎn)換電路 交流-直流轉(zhuǎn)換電路 電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路 電壓-脈寬轉(zhuǎn)換電路,21,電壓-電流轉(zhuǎn)換電路,在成套儀表和計算機測控系統(tǒng)中，傳感器和儀表之間、儀表和儀表之間的信號傳送都采用標準信號，即1-5V直流電壓或4-20mA直流電流。 在傳感器測量系統(tǒng)中，常用電壓/電流轉(zhuǎn)換電路進行電壓、電流信號間的轉(zhuǎn)換。例如，在遠距離測量中，把電壓信號轉(zhuǎn)換成電流傳輸，

8、以減小傳輸導線阻抗對信號的影響。測電流信號時，先將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓，再由數(shù)字電壓表測量，或經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后由計算機測控。,22,電壓-電流(V/I)變換,輸出負載中的電流正比于輸入電壓的電路，稱為電壓-電流變換器。 （1）浮地負載的V-I變換電路 一個簡單的V-I變換電路如 圖(1)所示。流過RL兩端的電流與 輸入電壓的關(guān)系為,圖(1) 簡單的V-I變換器電路,23,U/ I 轉(zhuǎn)換電路,圖(2) 帶三極管驅(qū)動的V-I變換器電路,由上式可知，調(diào)節(jié)Rw可改變輸入電壓與輸出電流之間的變換系數(shù)。 為降低運算放大器功耗，擴大輸出電流，在運算放大器的輸出端可加一個三極管驅(qū)動電路，如圖(2)所示。,24,接

9、地負載V-I變換電路,圖(3)中Al為同相加法器，A2為跟隨器，所以 V02=VL=ILRL A1的同相端電壓為： V+=ViR4/(R3+R4)+ILRLR3/(R3+R4) A1的同相端電壓經(jīng)放大后輸出為： Vol=V+(R1+R2)/R1=ILR5+ILRL 選擇元件參數(shù)值滿足： R3(Rl+R2)Rl(R3+R4)， 可得負載中的電流IL與負載RL無關(guān)。 為此選取R3R1，R4R2，則輸出負載中的電流為： IL=ViR2/(R1R5),圖(3)接地負載的V-I變換電路,25,差動式V-I變換電路,圖a：理想條件下：V-=V+=Vi2，RL中的電流：IL=(Vi1-Vi2)/R1 圖b：

10、若滿足條件：R3/R5=R1/(R2+R4)，則浮地負載中的總電流為： IL=IL1+IL2=(Vi2-Vi1)(R2+R4)/(R1R4) 圖c：負載中的電流為IL=I3-I4，為使負載的電流與RL無關(guān)，電阻選 擇須滿足：R1R4=R2R3，相應的接地負載電流為：IL=(Vi2-Vil)/R3,a） b） c）,圖(4)差動式V-I變換電路,26,電流-電壓轉(zhuǎn)換電路,在遠程監(jiān)控中，電流信號常常經(jīng)長距離導線傳送到數(shù)據(jù)采集接口，需I-V比例轉(zhuǎn)換后再進行A/D轉(zhuǎn)換。如圖(5)所示。 最簡單的電流-電壓變換電路如圖(6)所示。常用高輸入阻抗運放組成電流-電壓變換電路，一種簡單的方案如圖(7)所示。,

11、圖(5),圖(6),圖(7),27,交流-直流變換電路,把交流電壓變換成直流電壓亦稱AC-DC變換。圖(10)是使用 二極管的整流電路，利用半波整流把交流電變成直流電。 從圖(11)所示硅二極管的正向伏安特性可知，用硅二極管做半 波整流時，若Um 0.5V，則輸出電壓Uo 0。 該電路不能把峰值0.5V以下的交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓。,圖(10)簡單整流電路 圖(11) 硅二極管的正向伏安特性,28,交流-直流變換器,為此，可采用圖(12) 所示的由運放構(gòu)成的半波線性整流電路。這時Uo與Ui呈線性關(guān)系。實際應用中圖(12)a所示電路的輸出端對地還要接濾波電容，使輸出電壓Uo平滑。,當輸入uI為正

12、極性時，放 大器輸出uO1為負，D2通， D1截止，uO為零。uI為負 時，放大器輸出為正，D1 通，D2止，電路處于反相 比例運算狀態(tài)。 只要運放輸出|uO1|的值大于整流二極管的正向?qū)妷?，D1和D2中總有一個通，一個截止，此時電路能正常檢波。,圖(12)由運算放大器構(gòu)成的線性整流放大電路,29,實用交流電壓-直流電壓變換電路,圖(13) 實用交流電壓-直流電壓變換電路,圖(13)是一種實用的電路。該電路是由半波整流電路和平均值-有效值轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的線性變換電路，輸出端將得到與交流電壓的有效值相等的直流電壓輸出。,30,電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路,電壓-頻率轉(zhuǎn)換(簡稱V/f 轉(zhuǎn)換)是指把電壓信號轉(zhuǎn)

13、換成與之成正比的頻率信號，其轉(zhuǎn)換過程實質(zhì)上是對信號進行頻率調(diào)制。 V/f 轉(zhuǎn)換器（簡稱VFC）應用簡單，對外圍器件性能要求不高，其A/D轉(zhuǎn)換速度不低于雙積分型ADC。集成VFC不需同步時鐘，其成本比ADC和DAC低得多。 另外，電壓模擬量經(jīng)V/f變換成頻率信號后其抗干擾能力大為增強，適于遠距離傳輸及噪聲環(huán)境下工作。,31,單片集成VFC,單片集成VFC和模塊式VFC組件已大量商品化，它們只需外接極少元件就可構(gòu)成一個高精密的VFC電路，如LM331。 LM331是一種簡單、廉價的VFC單片集成電路。,32,3）信號分離電路,濾波器的基本知識 RC有源濾波電路 集成有源濾波器,33,濾波器的基本知

14、識,濾波器是具有頻率選擇作用的電路或運算處理系統(tǒng)。 功能：濾除噪聲和分離各種不同信號。 類型： 按處理信號形式分：模擬濾波器和數(shù)字濾波器 按功能分：低通、高通、帶通、帶阻 按電路組成分：LC無源、RC無源、由特殊元件構(gòu) 成的無源濾波器、RC有源濾波器 按傳遞函數(shù)的微分方程階數(shù)分：一階、二階、高階,34,濾波器的頻率特性示意圖,圖（1） 各種濾波器頻率特性示意圖,低通濾波器,高通濾波器,帶通濾波器,帶阻濾波器,35,濾波器的主要特性指標,特征頻率： 通帶截頻 fp = p/(2): 通帶與過渡帶邊界點的頻率，在該 點信號增益下降到一個規(guī)定下限； 阻帶截頻 fr= r/(2)： 阻帶與過渡帶邊界點

15、的頻率，在該點 信號衰耗(增益的倒數(shù))下降到一個規(guī)定的下限； 轉(zhuǎn)折頻率 fc= c/(2)：為信號功率衰減到0.707(約3dB)時的頻率， 在很多情況下，常以fc作為通帶或阻帶截頻； 固有頻率 f0= 0/(2)：電路沒有損耗時，濾波器的諧振頻率， 復雜電路往往有多個固有頻率。,36,增益與衰耗,濾波器在通帶內(nèi)的增益并非常數(shù)。 低通濾波器： 通帶增益Kp， 一般指w=0時的增益；高通指w時的增益； 帶通則指中心頻率處的增益。 帶阻濾波器： 應給出阻帶衰耗，衰耗定義為增益的倒數(shù)。 通帶增益變化量Kp： 指通帶內(nèi)各點增益的最大變化量，若Kp以dB為單位，則 指增益dB值的變化量。,37,阻尼系數(shù)

16、與品質(zhì)因數(shù),阻尼系數(shù)：表征濾波器對角頻率為0信號的阻尼作用，是 濾波器中表示能量衰耗的一項指標。 品質(zhì)因數(shù)：阻尼系數(shù)的倒數(shù)，是評價帶通與帶阻濾波器頻率 選擇特性的一個重要指標。 Q= 0/w。 式中，為帶通或帶阻濾波器的3dB帶寬， 0為中心 頻率，在很多情況下中心頻率與固有頻率相等。,38,靈敏度,濾波電路由許多元件構(gòu)成，每個元件參數(shù)值的變化都 會影響濾波器的性能。 濾波器某一性能指標y對某一元件參數(shù)x變化的靈敏度 記作Sxy，定義為： Sxy=(dy/y)/(dx/x)。 該靈敏度與測量儀器或電路系統(tǒng)靈敏度不是一個概 念，該靈敏度越小，標志著電路容錯能力越強，穩(wěn)定性也 越高。,39,群時延

17、函數(shù),當濾波器幅頻特性滿足設計要求時，為保證輸出信號 失真度不超過允許范圍，對其相頻特性()也應提出一定 要求。 在濾波器設計中，常用群時延函數(shù)d()/d評價信號 經(jīng)濾波后的相位失真程度。群時延函數(shù)d()/d越接近常 數(shù)，信號相位失真越小。,40,二階低通濾波器,二階低通濾波器的傳遞函數(shù)的一般形式為： 或 其固有頻率為0= a01/2，通帶增益Kp=b0/a0，阻尼系數(shù)1/0。 其幅頻特性與相頻特性分別為,41,二階低通濾波函數(shù)的頻率特性,圖（2） 二階低通濾波函數(shù)的頻率特性,42,二階高通濾波器,二階高通濾波器的傳遞函數(shù)的一般形式為 其幅頻特性與相頻特性分別為,43,二階高通濾波函數(shù)的頻率特

18、性曲線,二階高通濾波函數(shù)的頻率特性曲線,44,二階帶通濾波器,二階帶通濾波器的傳遞函數(shù)的一般形式為 其幅頻特性與相頻特性分別為,45,二階帶通濾波函數(shù)的頻率特性曲線,二階帶通濾波函數(shù)的頻率特性曲線,46,二階帶阻濾波器,二階帶阻濾波器的傳遞函數(shù)的一般形式為 其幅頻特性和相頻特性為,47,二階帶阻濾波函數(shù)的頻率特性曲線,二階帶阻濾波函數(shù)的頻率特性曲線,48,濾波器特性的逼近,理想濾波器要求幅頻特性A()在通帶內(nèi)為一常數(shù)，在 阻帶內(nèi)為零，沒有過渡帶，還要求群延時函數(shù)在通帶內(nèi)為 一常量，這在物理上是無法實現(xiàn)的。 實踐中往往選擇適當逼近方法，實現(xiàn)對理想濾波器的 最佳逼近。 測控系統(tǒng)中常用的三種逼近方法

19、為： 巴特沃斯逼近 切比雪夫逼近 貝賽爾逼近,49,巴特沃斯逼近,其基本原則是使幅頻特性在通帶內(nèi)最為平坦，并且單 調(diào)變化。其幅頻特性為： n階巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)為,50,巴特沃斯低通濾波器頻率響應,三種巴特沃斯低通濾波器頻率響應,a）幅頻特性,b）相頻特性,51,切比雪夫逼近與貝賽爾逼近,2）切比雪夫逼近 這種逼近方法的基本原則是允許通帶內(nèi)有一定的波動 量Kp。其幅頻特性為： 3）貝賽爾逼近 與前兩種不同，它主要側(cè)重于相頻特性，其基本原則 是使通帶內(nèi)相頻特性線性度最高，群時延函數(shù)最接近于常 量，從而使相頻特性引起的相位失真最小。,52,低通濾波器的頻率特性,圖（7）四種五階低通濾波器

20、的頻率特性,a）幅頻特性,b）相頻特性,1為貝賽爾濾波器；2為巴特沃斯濾波器；3為通帶波動為0.5dB的切比雪夫濾波器；4為通帶波動為2dB的切比雪夫濾波器,圖（8）三種二階低通 濾波器的單位階躍響應,1為貝賽爾逼近； 2為巴特沃斯逼近； 3為通帶波動為2dB的切比雪夫逼近,53,RC有源濾波電路,壓控電壓源型濾波電路,壓控電壓源型二階濾波電路基本結(jié)構(gòu),該電路壓控增益Kf=1+R0/R ，傳遞函數(shù)為,54,低通濾波電路與高通濾波電路,（1）低通濾波電路,（2）高通濾波電路,55,帶通濾波器與帶阻濾波器,3）帶通濾波器,4）帶阻濾波器,56,集成有源濾波器,單片集成通用有源濾波器MAX263/2

21、64： 28腳封裝的CMOS芯片； 內(nèi)含兩組Q值和通帶增益均相同的雙二階環(huán)電路； 可以實現(xiàn)四種不同的工作模式，如圖（23）所示； 利用計算機編程可實現(xiàn)非常豐富靈活的信號分離功能。,MAX263/264 引腳圖,57,4）信號調(diào)制電路,信號調(diào)制的目的 信號的調(diào)制與解調(diào) 調(diào)幅鑒幅電路 調(diào)頻鑒頻電路 調(diào)相鑒相電路 脈寬調(diào)制電路,58,信號調(diào)理的宗旨,輸出信號真實、不失真地反映被測信號。,59,信號的調(diào)制與解調(diào),調(diào)制解調(diào)的功用及目的： 從含噪的信號中分離出測量信號是檢測電路的任務。 主要功用： 為便于區(qū)別信號與噪聲，給被測量信號賦予一定特征。 方法： 先將微弱緩變信號加載到高頻交流信號中，然后用交流放

22、大器放大，再從放大器輸出中取出放大的緩變信號。 目的： 解決微弱緩變信號的放大以及信號傳輸問題，提高信號的抗干擾能力。,60,調(diào)制：用一個信號(稱調(diào)制信號)去控制另一個作為載體的信號 (稱載波信號)，使后者的某一特征參數(shù)按前者變化。 信號調(diào)制中常以一個高頻正弦信號作為載波信號。 調(diào)制信號：用來改變載波信號的某一參數(shù)，如幅值、頻率、相位的 信號，常用測量信號作調(diào)制信號。 已調(diào)信號： 經(jīng)過調(diào)制的載波信號。 解調(diào)：在將測量信號調(diào)制并與噪聲分離、放大等處理后，再 從已調(diào)信號中提取反映被測量值的測量信號的過程。,調(diào)制與解調(diào)的概念,61,調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相： 分別指對一個正弦信號（載波信號）的幅值、頻率、相

23、位參數(shù) 進行的調(diào)制。 脈沖調(diào)寬： 用脈沖信號作載波信號，對脈沖信號的不同特征參數(shù)作調(diào)制。 最常用的是對脈沖的寬度進行調(diào)制。,常用的信號調(diào)制方法,62,調(diào)幅原理與方法,調(diào)幅方式的特點：調(diào)制方法和解調(diào)電路簡單； 調(diào)幅： 用調(diào)制信號x去控制高頻載波信號的幅值，常用線性調(diào)幅， 即讓調(diào)幅信號幅值按調(diào)制信號x的線性函數(shù)變化； 調(diào)幅信號的一般表達式可寫為： 式中: c為載波信號的角頻率；Um為調(diào)幅信號中載波信號的 幅值；m為調(diào)制度。,63,調(diào)制信號x可按任意規(guī)律變化，為方便可假設調(diào)制信號x是角頻率為的余弦信號x=Xmcost，因此，式(1)調(diào)幅信號可寫為： 它含三個不同頻率的信號: 角頻率為c的載波信號和角

24、頻率分別為c的上下邊頻信號。載波信號中不含調(diào)制信號x的信息，因此可取Um=0，只保留兩個邊頻信號。這種調(diào)制稱為雙邊帶調(diào)制。其數(shù)學表達式為:,調(diào)幅鑒幅電路,64,圖(1) 雙邊帶調(diào)幅信號波形,雙邊帶調(diào)制的調(diào)幅波如圖(1)所示。 圖a為調(diào)制信號，圖b為載波信號，圖c為調(diào)幅信號。 雙邊帶調(diào)制可用調(diào)制信號與載波信號相乘來現(xiàn)。,雙邊帶調(diào)幅信號波形,65,為提高測量信號抗干擾能力，常要求從信號一形成就已經(jīng)是已調(diào)信 號，因此，常在傳感器中進行調(diào)制。 實例：用4個應變片測量梁的變形，由此確定作用在梁上的力F的大 小。4個應變片接入電橋，并采用交流電壓U供電。設4個應 變片在沒有應力作用的情況下它們的阻值R1=

25、R2=R3=R4=R， 電橋的輸出：,傳感器通過交流供電實現(xiàn)調(diào)制,66,調(diào)頻原理與方法,調(diào)頻：用調(diào)制信號x控制高頻載波信號的頻率； 常用線性調(diào)頻，即被調(diào)信號頻率按調(diào)制信號x的線性函數(shù)變化； 調(diào)頻信號us的一般表達式可寫為： 式中 wc為載波信號的角頻率；Um為調(diào)頻信號中載波信號 的幅度；m為調(diào)制度。 若x=Xmcos t, 則調(diào)頻信號的頻率可在wcmXm范圍內(nèi) 變化。為避免頻率混疊，要求 wcmXm。,67,調(diào)頻信號的波形,調(diào)頻信號的波形,68,優(yōu)點：抗干擾能力強。 調(diào)頻信號所攜帶的信息包含在頻率變化之中， 并非振幅之中，而干擾波的干擾作用則主要表 現(xiàn)在振幅之中。 缺點：占頻帶寬度大，復雜。

26、調(diào)頻波通常要求很寬的頻帶，甚至為調(diào)幅所要 求帶寬的20倍；調(diào)頻系統(tǒng)較之調(diào)幅系統(tǒng)復雜， 因為頻率調(diào)制是一種非線性調(diào)制。,調(diào)頻調(diào)制的特點,69,傳感器調(diào)頻電路實例,與調(diào)幅情況一樣，為提高測量信號抗干擾能力，常要求信號形成時已是已調(diào)信號。因此，常在傳感器中進行調(diào)頻。,測力或壓力的振弦式傳感器,實例：測力或壓力的振弦式傳感器 振弦3的一端與支承4相連，另一端與膜片1連接，振弦3的固有頻率隨張力T變化變化。振弦3在磁鐵2形成的磁場內(nèi)振動時產(chǎn)生感應電動勢，其輸出為調(diào)頻信號。,70,調(diào)相鑒相電路,調(diào)相：利用調(diào)制信號x控制高頻載波信號的相位。 常用方法：線性調(diào)相，即使得被調(diào)相信號的相位按調(diào)制 信號x的線性函數(shù)

27、變化。 調(diào)相信號us的一般表達式： us=Umcos(wc t +mx) 式中，wc為載波信號的角頻率；Um為調(diào)相信號中載波信號的幅度；m為調(diào)制度。,71,調(diào)相信號的波形,調(diào)相信號的波形,a）調(diào)制信號；b）載波信號；c）調(diào)相信號,72,同調(diào)幅、調(diào)頻的情況一樣，為提高測量信號抗干擾能力，常要求從信號剛一形成就已經(jīng)是已調(diào)信號，因此常在傳感器中進行調(diào)制。 實例：感應式扭距傳感器,傳感器調(diào)相電路實例,感應式扭距傳感器,73,影響鑒相誤差的主要因素：非線性、信號幅值、占空比、門電路 與時鐘脈沖頻率等。 RS觸發(fā)器鑒相精度最高，線性好，對Us和Uc的占空比沒有要求。 鑒相范圍接近2； 相敏檢波器或乘法器鑒

28、相原理上有非線性，信號幅值影響鑒相誤差。鑒相范圍為/2 ； 脈沖采樣鑒相中鋸齒波的非線性影響鑒相誤差。鑒相范圍接近2； 異或門鑒相中占空比影響鑒相誤差。鑒相范圍為0； 通過相位 - 脈寬變換鑒相：門電路的動作時間與時鐘脈沖頻率誤差對精度有影響，但一般誤差較小。,各種鑒相方法及其比較,74,脈沖調(diào)制指用脈沖作為載波信號的調(diào)制方法。 在脈沖調(diào)制中具有廣泛應用的一種方式是脈沖調(diào)寬。 脈沖調(diào)寬的數(shù)學表達式為：B=b+mx， 波形圖：,脈沖調(diào)制電路,脈沖調(diào)寬信號的波形,75,用電壓變化實現(xiàn)脈寬調(diào)制的電路,電壓調(diào)寬,用電壓變化實現(xiàn)脈寬調(diào)制的電路,ux為正使u+升高。u+升高使uo處于高電平的脈寬加大，uo

29、處于低電平的時間縮短； u+下降，使uo處于低電平 的脈寬加大，uo處于高電平的脈 寬減小，使脈寬受到調(diào)制。,76,8.2 檢測算法,1） 數(shù)字濾波技術(shù) 2） 克服系統(tǒng)誤差的軟件算法 3） 量程自動切換及標度變換,77,1）數(shù)字濾波技術(shù),優(yōu)點： （1）不需增加硬件，只是一個計算程序，可靠性高， 數(shù)字濾波可對頻率很高或很低的信號濾波； （2）用軟件算法實現(xiàn)，可以使多個輸入通道共享一個 軟件“濾波器”，降低硬件成本； （3）改變軟件濾波器程序和參數(shù)，即可改變?yōu)V波特 性，對于抑制低頻脈沖干擾、隨機噪聲特別有效。 不足：需要計算時間,78,數(shù)字濾波方法,程序判斷濾波（限幅濾波） 中（位）值濾波法 算術(shù)

30、平均濾波法 遞推平均濾波法 加權(quán)遞推平均濾波法 一階慣性濾波法 復合濾波法,79,程序判斷濾波（限幅濾波）,程序判斷濾波算法：,: 相鄰兩個采樣值之差的最大可能變化范圍,程序判斷濾波又稱限幅濾波，很容易用程序判斷方法實現(xiàn)。 過程的動態(tài)特性決定其輸出參數(shù)的變化速度，可根據(jù)檢測實踐經(jīng)驗或按參數(shù)可能的最大變化速度Vmax及采樣周期T來決定值，即：, =TVmax,80,對某一被測參數(shù)連續(xù)采樣n次(一般n取奇數(shù))，把n次采樣值按大小排隊，取中間值作為本次有效采樣值。 對溫度、液位等緩慢變化的被測參數(shù)采用此算法能收到良好濾波效果，能有效抑制脈沖干擾，但對于壓力等快變參數(shù)一般不宜采用。,中（位）值濾波法：

31、,連續(xù)取幾個采樣值進行算術(shù)平均，其數(shù)學表達式為,算術(shù)平均濾波法：,適用于一般有隨機干擾的信號的濾波，對信號的平滑程度完全取決于N。N大，平滑度高，靈敏度低；N小，平滑度低，靈敏度高。,中值濾波法與算術(shù)平均濾波法,81,只需一次測量，就能得到當前算術(shù)平均濾波值。此方法是把N個測量數(shù)據(jù)看成一個隊列。計算濾波值時，只要把隊列中的N個數(shù)據(jù)進行算術(shù)平均，就得到新的濾波值。,遞推平均濾波法：,加權(quán)遞推平均濾波法：,其中,設為對象的純滯后時間，且,則,遞推平均濾波與加權(quán)遞推平均濾波,82,以數(shù)字形式通過算法實現(xiàn)一階慣性（動態(tài)）RC濾波，能很好地克服上述模擬濾波器的缺點。適用于波動頻繁的參數(shù)濾波，但帶來了相位

32、滯后(取決于a值)，靈敏度低。,一階慣性濾波法：,復合濾波法：,如果yly2yn，其中，3n14 (y1和yn分別是采樣值中的最小值和最大值)，則,，其中,不能濾除頻率高于采樣頻率二分之一(奈奎斯特頻率)的干擾信號。高于奈奎斯特頻率的干擾信號，應采用模擬濾波器。,一階慣性濾波法與復合濾波法,a由實驗定，只要使被測信號不產(chǎn)生明顯紋波。,，Tf為濾波時間常數(shù)， T為采樣周期,83,校正系統(tǒng)誤差的關(guān)鍵是建立誤差模型。多數(shù)情況下誤差模型未知，只能通過測量數(shù)據(jù)建立反映測量值變化的近似數(shù)學模型，即校正模型。,系統(tǒng)誤差的模型校正法（非線性校正）,2）克服系統(tǒng)誤差的軟件算法,代數(shù)插值法：,設有n+1組離散點：

33、(x0，y0)，(xl，y1)，(xn，yn)，x a，b和未知函數(shù)f(x)，并有 f(x0)=y0 f(x1)=y1 f(xn)=yn，找到一個函數(shù)g(x)，使g(x)在xi(i=0，n)處與f(xi)相等。滿足這個條件的函數(shù)g(x)，稱為f(x)的插值函數(shù)，xi稱為插值節(jié)點。,用一個次數(shù)不超過n的代數(shù)多項式 Pn(x)=anxn+an-1xn-1+ +a1x+a0 去逼近f(x)，使Pn(x)在節(jié)點xi處滿足Pn(xi) = f(xi) = yi i=0,2, ,n,84,通常給出離散點總是多于求解插值方程所需的離散數(shù)，因此，用多項式插值法求解離散點的插值函數(shù)時，先必須根據(jù)所需的逼近精度決

34、定多項式次數(shù)，該次數(shù)與所要逼近的函數(shù)有關(guān)。一般最常用線性插值和拋物線(二次)插值。,線性插值：,在一組數(shù)據(jù)(xi , yi )中選取兩個具有代表性的點(x0 , y0), (x1 , y1)，然后根據(jù)插值原理求出插值方程：,其中,線性插值,85,非線性特性的直線方程校正圖,實際測量中，每采樣一個值，就用校正方程計算P1 (x)，并把P1 (x)當做被測量值的校正值。,當(x0 , y0)、(x1 , y1)為非線性特性曲線f (x)或數(shù)組的兩端點A、B時，如圖所示，線性插值是常用的直線方程校正法(端點連線法)。當擬合誤差小于允許的擬合誤差時，則直線方程是理想的校正方程。,線性插值,86,拋物線

35、插值是在數(shù)據(jù)中選取三點(x0，y0)、(x1，y1)、(x2，y2)，相應的插值方程為：,拋物線插值,87,當很難建立合適的誤差校正模型時，可用實驗手段求得校正曲線，然后把曲線上的各校正點的數(shù)據(jù)以表格形式存入內(nèi)存。一個校正點的數(shù)據(jù)對應一個(或幾個)內(nèi)存單元，以后實時測量時，通過查表來求得修正后的測量結(jié)果。,查表法,88,傳感器、測量電路等不可避免地存在溫度漂移和時間漂移，這給整個測量系統(tǒng)引入零位誤差和增益誤差。這類誤差均屬系統(tǒng)誤差。,零位誤差的校正方法：,在每個測量周期中或中斷正常的測量過程中，使輸入接地(輸入為零)，此時包括傳感器在內(nèi)的整個測量輸入通道的輸出即為零位輸出 (一般該值不為零)N

36、0；再把輸入接基準電壓VR測得數(shù)據(jù)NR，并將N0和NR存于內(nèi)存。然后輸入接Vx，測得Nx，則測量結(jié)果可用下式計算。 Vx =VR (Nx-N0) / (NR-N0) 即在正常測量過程中，每次測量后均從采樣值中減去原先存入的零位輸出值，實現(xiàn)零位校正。但在對溫度、流量、壓力等的工業(yè)測量中，很難提供零位輸入狀態(tài)，因此零位誤差很難補償。,系統(tǒng)零位誤差的校正方法,89,基本思想：系統(tǒng)開始工作后或每隔一定時間測一次基準參數(shù)，然后建立誤差校正模型，確定并存儲校正模型參數(shù)。正式測量時，根據(jù)測量結(jié)果和校正模型求取校正值，消除誤差。有兩種常用方法。,（1） 全自動校正,用這種方法測得的信號與放大器的漂移和增益變化

37、無關(guān)，可大大提高測量精度，降低對電路器件的要求。,電路的輸入部分有一個多路開關(guān)，由主機控制。校正時，先將開關(guān)接地，測出這時的輸入x0。然后把開關(guān)接VR，測出輸入x1，存放x0, x1，得校正方程 y=a1x+a0 式中，a1=VR/(x1-x0), a0=VRx0/(x0-x1)。,系統(tǒng)增益誤差的校正方法1,90,（2）人工自動校正,由人工在需要時接入標準參數(shù)進行校正測量，存放測得的數(shù)據(jù)，供以后使用。一般人工自動校正只測一個標準信號yR，零位信號的補償由數(shù)字調(diào)零完成。設數(shù)字調(diào)零后測得的數(shù)據(jù)分別為xR(接標準輸入yR時) 和x (接被測輸入y時)，則可計算出y。 y= yRx/xR 人工自動校正

38、特別適于傳感器特性隨時間變化的場合。例如常用的濕敏電容等濕度傳感器，其特性隨時間變化而變化。 全自動校正只適用于基準參數(shù)是電信號的場合，且不能校正由傳感器引入的誤差。,系統(tǒng)增益誤差的校正方法2,91,只需建立較精確的溫度誤差數(shù)學模型，就可實現(xiàn)完善的補償。 一個可行方法是在傳感器內(nèi)靠近敏感元件處，安裝一測溫元件，感受傳感器的工作環(huán)境溫度。常用測溫元件為PN二極管、熱敏電阻等，它們的某些特性隨溫度變化，經(jīng)測溫電路、A/D轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換為與溫度有關(guān)的數(shù)字量， 作為計算溫度誤差時的補償量。 對某些傳感器，可采用較簡單的溫度誤差校正數(shù)學模型 yC=y(1+a0)+a1 式中：y -未經(jīng)溫度誤差校正的測量

39、值； yC -經(jīng)校正后的測量值； -實驗工作環(huán)境溫度與標準溫度之差； a0、a1-溫度變化系數(shù)，a1用于補償零位漂移， a0用于補償傳 感器靈敏度的溫度變化（溫漂）。,傳感器溫度誤差的校正方法1,92,對環(huán)境溫度變化不大的場合，用上式補償可收到比較好的效果；對于環(huán)境溫度變化比較大，且補償精度要求很高的場合，這種補償會帶來很大誤差。為此，需采用更復雜的公式進行修正： yC = y(1+a0 + a1 2)+a2 +a3 2 式中， a0、a1用于補償傳感器靈敏度的變化； a2、a3用于補償零位漂移。 對于傳感器的靈敏度及零漂溫度呈非線性變化的情況，上式可收到較好的效果。,傳感器溫度誤差的校正方法

40、2,93,3）量程自動切換及標度變換,量程自動切換：,如果傳感器和顯示器的分辨率一定，而系統(tǒng)(儀表)的測量范圍很寬，為提高測量精度，系統(tǒng)應具有量程自動切換功能。自動切換量程有采用程控放大器和不同量程傳感器兩條途徑。,（1）采用程控放大,通過控制放大器增益，對小幅值信號用大增益，對大幅值信號用小增益，使A/D轉(zhuǎn)換器信號滿量程達到均一化，程控放大器的反饋回路中包含一個精密梯形電阻網(wǎng)絡或權(quán)電阻網(wǎng)絡，使增益可按二進制或十進制規(guī)律進行控制。,程控放大器量程切換原理圖,94,量程自動切換及標度變換,（2）采用不同量程傳感器,采用不同量程傳感器進行切換的方案，由微機通過多路轉(zhuǎn)換器進行切換。1#傳感器的最大測

41、量范圍為M1，2#為M2，且M1 M2，設它們的滿量程輸出相同。,啟動時，總是1#傳感器先接入工作，2#處于過載保護，待軟件判別確認量程后，再置標志位，選取M1或M2。,95,標度變換,實用中，被測模擬量被檢測出來并轉(zhuǎn)為數(shù)字量后，常需要轉(zhuǎn)換成操作員熟悉的工程量。因為被測對象的各種數(shù)據(jù)的量綱與A/D轉(zhuǎn)換的輸入值不同，這些參數(shù)經(jīng)傳感器和A/D轉(zhuǎn)換后得到一系列數(shù)碼，這些數(shù)碼并不等于原來帶有量綱的參數(shù)值，僅對應于參數(shù)大小，必須把它轉(zhuǎn)換成帶量綱的數(shù)值后才能運算、顯示或打印輸出，這種轉(zhuǎn)換是工程量變換，又稱標度變換。有線性系統(tǒng)標度變換和非線性參數(shù)標度變換。,在非線性參數(shù)的標度變換中，其變換式應根據(jù)具體問題分

42、析。首先求出其對應的標度變換公式，然后進行程序設計或在測量范圍內(nèi)實測一些典型數(shù)據(jù)制作一張數(shù)據(jù)表，再用查表程序?qū)崿F(xiàn)標度變換，對那些中間數(shù)據(jù)可用插值法計算得到。,96,標度變換-線性系統(tǒng),（1）線性系統(tǒng),標度變換公式 ：,式中：A0測量范圍最小值； Am測量范圍最大值； NmAm所對應的數(shù)字量； N0A0所對應的數(shù)字量； Nx被測量工所對應的數(shù)字量。,例：已知某熱處理爐溫度測量系統(tǒng)的量程為200800，在某一時刻計算機采樣并經(jīng)數(shù)字濾波后的數(shù)字量(8位)為0CDH，此時的溫度值是多少? 解：已知A0=200， Am=800，Nx =0CDH=205，Nm=0FFH=255，此時溫度Ax= Nx (A

43、m-A0 )/ Nm + A0=205(800-200)/255+200 = 628,97,標度變換-非線性參數(shù),（2）非線性參數(shù)的標度變換,被測量為非線性刻度時，則其變換式應根據(jù)具體問題分析，首先求出它所對應的標度變換公式，然后進行程序設計。 實例：在流量測量中，其流量和壓差的公式為,式中： Q - 流量； P - 節(jié)流裝置前后的差壓； K - 刻度系數(shù)，與流體的性質(zhì)及節(jié)流裝置的尺寸形狀有關(guān)。 流體的流量與被測流體流過節(jié)流裝置前后產(chǎn)生的壓差的平方根成正比，于是得到測量流量時的標度變換式為,98,標度變換-流量測量,上式中，Qx：被測液體的流量值； Qm：流量儀表的上限值； Q0：流量儀表的下

44、限值； Nx：差壓變送器所測得的差壓值(數(shù)字量)； Nm：差壓變送器上限所對應的數(shù)字量； N0：差壓變送器下限所對應的數(shù)字量。,對于流量儀表，一般下限皆為0，即Q0=0，所以上式可簡化為,99,標度變換-流量測量,若取流量表下限對應的數(shù)字量N0=0，則上式可進一步簡化為,前述三式即為不同初始條件下的流量標度變換公式。,與線性刻度標度變換公式一樣，由于Qm，Q0，Nm，N0都是常數(shù)，所以公式就可分別記作：,上述三式即為各種不同條件下的流量標度變換公式，同樣可以設計出流量標度變換程序。,100,8.3 檢測系統(tǒng)抗干擾設計,1） 干擾的類型及產(chǎn)生 2） 常用的抑制干擾措施 3） 其他抑制干擾的措施,

45、101,抗干擾技術(shù),由于干擾的普遍存在，任何檢測系統(tǒng)的檢測結(jié)果總是達不到百分之百的準確，嚴重的干擾甚至會使檢測系統(tǒng)不能正常工作。因此，在設計、制造和使用檢測系統(tǒng)的過程中，都不能回避干擾的影響，尤其是高精度的檢測系統(tǒng)，必須花很大的精力和成本去抑制干擾。,測量中,來自測量系統(tǒng)內(nèi)部和外部、影響測量裝置或傳輸環(huán)節(jié)正常工作和測試結(jié)果的各種因素的總和，稱為干擾(噪聲)。消除或削弱各種干擾影響的全部技術(shù)措施總稱為抗干擾技術(shù)或稱為防護。,形成干擾有三個要素: 干擾源、干擾通道和受感系統(tǒng)。,102,干擾的類型,根據(jù)干擾產(chǎn)生的原因，干擾通?？煞譃橐韵聨追N類型。,（1）電和磁干擾,電和磁的干擾對于傳感器或各種檢測儀

46、表來說是最為普遍和影 響最嚴重的干擾，必須認真對待這種干擾。,（2）機械干擾,對于機械干擾主要是采取減振措施來解決，例如采用彈簧減振、減振軟墊及隔板等措施。,（3）熱干擾,對于熱干擾，工程上通常采取熱屏蔽、恒溫法、對稱平衡結(jié)構(gòu)和溫度補償元件等方法進行抑制。,103,（4） 光干擾,對于具有光敏作用的元件，要注意光的屏蔽問題。,（5） 濕度干擾,通常采取的措施是避免將檢測裝置放置在潮濕處，儀器裝置定時通電加熱去潮，電子器件和印刷電路浸漆或用環(huán)氧樹脂封灌等。,（6） 化學干擾,必須根據(jù)使用環(huán)境對儀器設備采取必要的防腐措施，將關(guān)鍵的 元器件密封并保持儀器設備清潔。,（7） 射線輻射干擾,干擾的類型,

47、104,干擾的來源,（1） 自然干擾,由大氣層發(fā)生的自然現(xiàn)象所引起的干擾以及來自宇宙的電磁輻射干擾統(tǒng)稱為自然干擾，如雷電、大氣低層電場的變化，電離層變化，太陽黑子的電磁輻射等。,（2） 電氣設備干擾,電氣設備所產(chǎn)生的干擾包括放電干擾、工頻干擾、開關(guān)干擾及射頻干擾等。,（3） 內(nèi)部干擾,設備內(nèi)部由于設計不良或某些器件工作會形成干擾。內(nèi)部干擾有長期干擾和瞬時干擾之分。熱電動勢、熱噪聲、信號耦合、工頻紋波等造成的干擾屬于長期干擾，而轉(zhuǎn)接過程、微音干擾、壓電效應等干擾屬于瞬時干擾。,105,電子測量裝置的兩種干擾類型,根據(jù)干擾進入測量電路的方式不同，干擾可分為串模干擾與共模干擾。,（1） 串模干擾,串

48、模干擾：干擾電壓與有效信號串聯(lián)疊加后作用到系統(tǒng)上。 常見串擾：外部交變磁場對傳感器的一端進行電磁耦合；外部高壓交變電磁場對傳感器的一端進行漏電流耦合。,（2） 共模干擾,共模干擾：相對于公共的電位基準點(通常為接地點)，在信號接收器的兩個端子上同時出現(xiàn)的干擾。 它不直接影響結(jié)果，但是，當信號接收器的輸入電路不對稱時，它會轉(zhuǎn)為串模干擾，對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。,106,常用的抑制干擾措施,為保證檢測系統(tǒng)正常工作，必須削弱和防止干擾影響，例如消除或抑制干擾源、破壞干擾途徑以及削弱被擾對象(接收電路)對干擾的敏感性。通過采取各種抗干擾措施，使系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠工作，從而提高檢測精度。,（1）屏蔽技術(shù),利用銅

49、或鋁等低電阻值材料制成容器，將需要防護的部分包起來或者利用導磁性良好的鐵磁材料制成的容器將需要防護的部分包起來，這種防靜電或電磁的相互感應所采用的技術(shù)措施稱為屏蔽。 屏蔽的目的就是隔斷電、磁場的耦合通道。,107,屏蔽技術(shù),靜電屏蔽,靜電屏蔽就是利用與大地相連接的導電性良好的金屬容器，內(nèi)部無電力線，即各點電位相等。同時外部的電場也不影響其內(nèi)部。,電磁屏蔽,電磁屏蔽是采用導電良好的金屬材料做成屏蔽層，利用高頻干擾電磁場在屏蔽金屬內(nèi)產(chǎn)生渦流，再利用渦流磁場抵消高頻干擾磁場的影響，從而達到抗高頻電磁場干擾的效果。,低頻磁屏蔽,對低頻磁場干擾，要采用高導磁材料作屏蔽層，以便將干擾限制在磁阻很小的磁屏蔽

50、體內(nèi)，起到抗干擾的作用。,驅(qū)動屏蔽,驅(qū)動屏蔽就是用被屏蔽導體的電位，通過1：1電壓跟隨器來驅(qū)動屏蔽層導體的電位，實現(xiàn)等電位。,108,接地技術(shù),合理的接地方式是抑制電容性、電感性以及電阻耦合，減小或削弱干擾的重要措施； 電測裝置的地線： 保安接地：以安全防護為目的，將電測裝置的機殼、底盤等接地； 信號接地：信號接地是指電測裝置中的零電位(基準電位)接地線，但不一定真正接大地。信號地線分為模擬信號地線和數(shù)字信號地線。前者是指模擬信號的零電平公共線，后者是指數(shù)字信號的零電平公共線，兩種地線應分別設置。 信號源接地：信號源地線是傳感器本身的零電位電平基準公共線。 負載接地,109,電路一點接地準則,

51、(1)單級電路的一點接地,例如，單級選頻放大器的原理電路上有7條線需接地，如果只從原理圖的要求接線，則這7個線端可任意接在接地母線的不同位置上。這樣，不同點間的電位差就有可能成為這級電路的干擾信號，所以，這7個線端要接在接地母線的同一點上。,(2)多級電路的一點接地,多級電路的一點接地,a)多級電路的串聯(lián)接地,b)多級電路的并聯(lián)接地,110,電路一點接地準則,(3) 測量裝置的兩點接地 若一個系統(tǒng)在兩個不同點接地，例如傳感器在現(xiàn)場接地而檢測 部分在主控室接地，是把大地看作等電位體。實際上大地各處電位 不同，對兩點接地電路造成干擾。此時地電位差是一個共模干擾源。 下圖為兩點接地對測量裝置的影響。圖中VS、RS為信號電壓及其 內(nèi)阻，R1、R2為外傳輸線等效電阻，Ri為放大器的輸入電阻，VG、RG 為兩接地點之間的地電位差和地電阻。設VG=10