常見模擬量信號的檢測方法.ppt

1、a,1,第三章 常見模擬量信號的檢測方法,本章重點,a,2,1. 電壓類信號的檢測,3. 電阻型信號的檢測,重點：,2. 頻率及周期型信號的檢測,返 回,a,3,3.1 概述,智能儀器中起控制作用的微處理器所處理的信號是二進制的數(shù)字信號，但物理世界中大量的信號都是連續(xù)變化的模擬量，智能儀器能夠?qū)λ鼈冞M行處理的前提，先要能把模擬信號變換為數(shù)字信號，完成這種變換的電路叫模-數(shù)變換器（A/D變換器，簡稱ADC）。,下 頁,上 頁,返 回,a,4,下 頁,上 頁,返 回,對于常見的各類A/D變換器，盡管工作的方式有很大的差異，都能夠完成將直流電壓信號變換為數(shù)字信號的功能，因此各類模擬量信號只要能夠通過

2、某種方式變換為電壓信號，就可以進而變換為數(shù)字信號送到智能儀器中進行處理。其一般原理框圖如圖3.1所示：,a,5,3.2 電壓類信號的檢測,從測量的觀點看，測量的主要參量是電壓，因為在標準電阻兩端若測出電壓值，那么就可通過計算求得電流與功率，此外，包括測量儀器在內(nèi)的電子設(shè)備，它們的許多工作特性均可視為電壓的派生量，如調(diào)幅度、非線性失真系數(shù)等，可以說，電壓測量是其它許多電參量，也包括非電參量的基礎(chǔ)。,下 頁,上 頁,返 回,a,6,1.對電壓測量的基本要求,下 頁,上 頁,返 回,頻率范圍寬：被測電壓的頻率可以是直流、超低頻、低頻、高頻或超高頻，其頻率范圍為0HZ到幾百MHZ，甚至達到GHZ量級。

3、 電壓測量范圍廣：被測電壓值可以小到微伏，甚至毫微伏級，而大到幾千伏，幾十千伏。 輸入阻抗高：電子測量儀器的輸入阻抗就是被測電路的額外負載，為了使儀器接入電路時，盡量減小它的影響，要求儀器具有高的輸入阻抗。 測量準確度高：由于電壓測量的基準是直流標準電池，同時，在直流測量中，各種分布性參量的影響極小，直流電壓的測量可獲得極高的準確度。 抗干擾能力強：當測量儀器工作在高靈敏度時，干擾會引入測量誤差，故要有高的抗干擾能力。,a,7,2.交流電壓的測量,下 頁,上 頁,返 回,電壓類信號又可分為直流電壓和交流電壓兩類，比較簡便的方法是將直流電壓和交流電壓分別對待，對直流電壓直接處理，對交流電壓，依據(jù)

4、不同的響應變換為直流電壓再進行處理。 一個交流電壓的大小，可以用它的峰值 ，平均值，有效值v及波形因數(shù)、波峰因數(shù)來表征。 1. 峰值定義：任何一個交變電壓在所觀測的時間或一個周期內(nèi)，其電壓所能達到的最大值。 2. 平均值定義：數(shù)學上的定義為：, T為該交流電壓的周期。 3.有效值U定義：該交流電壓在一個周期內(nèi)通過某純阻負載所產(chǎn)生的熱量與一個直流電壓在同樣條件下產(chǎn)生的熱量相等時，該直流電壓的數(shù)值。,a,8,下 頁,上 頁,返 回,4.波形因數(shù) 交流電壓的波形因素定義為該電壓的有效值與平均值之比。 5.波峰因數(shù) 交流電壓的波峰因數(shù)定義為該電壓的峰值與有效值之比。 進行交流/直流變換，必須首先知道變

5、換電路的輸出與被測交流電壓大小的關(guān)系，根據(jù)上述交流電壓的三種表征，分別有峰值響應、平均值響應和有效值響應三種檢波器電路，對應能夠得到交流電壓的峰值、平均值、有效值的數(shù)值。 以有效值為例，可以采用熱電變換和模擬計算電路兩種方法來實現(xiàn)其測量。熱電變換就是根據(jù)有效值的定義，將交流電壓通過某純阻負載所產(chǎn)生的熱量通過熱電偶變換為直流信號。模擬計算可以采用圖3.2的電路進行計算。,a,9,3.3 電流信號的檢測,1.傳統(tǒng)的手動分檔測量方法,測量電流的基本原理是將被測電流通過已知電阻（取樣電阻），在其兩端產(chǎn)生電壓，這個電壓與被測電流成正比。,下 頁,上 頁,返 回,a,10,圖3.3為一種用數(shù)字電壓表分檔測

6、量直流電流的基本電路，該電路將輸入電流分為20A、200mA、20mA、2mA四個量程，轉(zhuǎn)換電阻用0.01、0.99、9、90四個電阻串連，將四種量程的電流接入電路的不同點，使得每種量程的電流在滿量程時得到的電壓都是0.2V（盡量選取數(shù)字電壓表電壓量程的最低檔，以便做到盡可能小的電流測量的內(nèi)阻），從而用0.2V的數(shù)字電壓表配合不同的顯示單位及小數(shù)點位置指示被測電流的大小。這種方法是數(shù)字多用表常用的測量方法。,下 頁,上 頁,返 回,a,11,2.自動分檔測量方法,在自動測試系統(tǒng)中一般以電流信號的最大值確定所需電阻，如最大值為100mA，A/D的輸入最大值為10V，可選電阻為0.1K，如果將自動

7、量程分為四個檔位，可用4個25歐的電阻串聯(lián)，通過模擬開關(guān)引出不同的信號，電路如圖3.4所示，圖中運算放大器起輸入緩沖作用。這種方法對于直流電流和交流電流的測量都適用。,下 頁,上 頁,返 回,a,12,下 頁,上 頁,3.4 相位型信號的檢測,在檢測系統(tǒng)中相位定義為同頻的兩路信號之間的相位之差，嚴格來講是指兩路正弦信號的相位差，但如果是方波、三角波等均勻波形時也可求其基波的相位差。,1. 軟件分析法,返 回,如圖3. 5a所示，假如被測信號是不含直流分量的標準的正弦波X1和X2，用同步采樣的方法將兩路信號量化，對其進行分析，求得X1的兩個同類過零點、求得X2的一個同類過零點（這里同類過零點是指

8、都是由正到負或都是由負到正的過零點），由采樣頻率和采樣點數(shù)通過X1的兩個同類過零點求得信號的周期T，通過X1的過零點與X2的過零點之間的時間差T。,a,13,下 頁,上 頁,返 回,這種方法是借助數(shù)據(jù)采集來完成的，其精度受采樣點數(shù)和采樣頻率的限制，但在需要同步采樣的場合可以兼而求得，如圖3. 5b為一種對相位信號進行檢測的采集電路，圖中SHA為采樣保持放大器，AD為A/D轉(zhuǎn)換器，P為微處理器。,a,14,下 頁,上 頁,2. 過零比較器法,返 回,設(shè)X1、X2為不含直流分量得正弦波或三角波，將X1、X2分別經(jīng)過兩個過零比較器變?yōu)榉讲?，利用兩個方波的上升沿或下降沿的時間差和其中一個方波的周期可求

9、得相位，算法如上。圖3. 6a為用中斷法通過過零比較器輸出的下降沿求相位的電路，所采用運算放大器無特殊要求.,a,15,下 頁,上 頁,2. 過零比較器法,返 回,過零比較器的整形過程見圖3.6b。這里要求單片機內(nèi)部定時器的計數(shù)頻率與被測信號頻率相比足夠高，例如相位測試分辨率為0.1，定時器的時鐘頻率應為被測信號頻率的3600倍。,a,16,3.5 時間型信號的檢測,時間型信號的檢測又稱為時間間隔的測量，它可以包括一個周期信號波形上，同相位兩點間的時間間隔；也可以包括同一信號波形上兩個不同點之間的時間間隔；還可以包括兩個信號波形上，兩點之間的時間間隔。 一個周期信號波形上，同相位兩點間的時間間

10、隔的測量其實就是波形周期的測量，而上一節(jié)中相位差的測量也是兩個信號波形上，兩點之間的時間間隔測量的一種情況，只不過是要將計算的時間距離差值通過信號角頻率換算為相位差。,1.定義,下 頁,上 頁,返 回,a,17,時間間隔的基本測量模式如圖所示，兩個獨立的輸入通道（B和C）可分別設(shè)置觸發(fā)電平和觸發(fā)極性（觸發(fā)沿）。輸入通道B為起始通道，用來開通主門，而來自輸入通道C的信號為計數(shù)器的終止信號，計數(shù)脈沖（時標）通過主門計數(shù)。,2.基本方法,下 頁,上 頁,返 回,這種測量模式有兩種工作方式：當跨接于兩個輸入端的選擇開關(guān)S斷開時，兩個通道是完全獨立的，來自兩個信號源的信號分別作為起始觸發(fā)和結(jié)束觸發(fā)控制主

11、門的開閉，來控制計數(shù)器工作；當S閉合時，兩個輸入端并聯(lián)，僅一個信號加到計數(shù)器，但可獨立地選擇觸發(fā)電平和觸發(fā)極性的設(shè)置，以完成起始和結(jié)束控制的功能。,a,18,工作波形如圖3.8所示。例如測量脈沖寬度，只需要接入一個信號，將觸發(fā)電平設(shè)置為50%的脈沖幅度，觸發(fā)極性在起始觸發(fā)一路中設(shè)置為上升沿，在結(jié)束觸發(fā)一路中設(shè)置為下降沿，則在上升沿、脈沖幅度50%電平處開始計數(shù)，在下降沿、脈沖幅度50%電平處結(jié)束計數(shù)，所計時標數(shù)為脈沖寬度所經(jīng)歷的時間。,2.基本方法,下 頁,上 頁,返 回,a,19,在智能儀器中，可以將被測信號經(jīng)電平轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娖竭m合于微處理器處理的信號，如果待測時間適合微處理器的定時器處理，可

12、直接利用微處理器的定時器求得。如圖3.9的電路可以用查詢的方式采樣電平求取時間：在信號的上升沿啟動內(nèi)部定時器，在信號的下降沿關(guān)閉定時器，最后用定時器的計數(shù)值和時基確定所求的時間值。,3.利用智能儀器的特點進行測量的方法,下 頁,上 頁,返 回,a,20,3.6 頻率及周期型信號的檢測,1.頻率及周期型信號的特點,下 頁,上 頁,由于頻率和周期互成倒數(shù)關(guān)系，對于智能檢測系統(tǒng)來說，計算倒數(shù)之類問題不需要作為主要問題考慮，主要考慮測量精度要高，電路盡可能要簡單。使用電子計數(shù)器可以直接按照f=N/T所表達的頻率的定義進行測量，考慮到電子計數(shù)器在計數(shù)時必然存在的1誤差，測量低頻信號時不宜采用直接測頻的方

13、法，否則1誤差帶來的影響比較顯著甚至會很驚人。此時可以改為先測量信號的周期，然后計算其倒數(shù)得到頻率值，稱之為測周的方法。測周的方法同樣不具有普遍的適用性，它可以用在測量較低頻率的信號，而不適用在測量較高頻率信號的場合。,返 回,a,21,下 頁,上 頁,頻率量和周期量是數(shù)字脈沖型信號，其幅值的大小與被測值無關(guān)，但幅值過小達不到TTL電平時微處理器將不能識別，幅值過大時又會損傷測量電路，所以該類信號也要有前置放大及衰減電路，以使測量儀器具有較寬的適應性，此外被測型號也可能帶有一定的干擾信號，因此加適當?shù)牡屯V波也是必需的。,返 回,a,22,2.頻率測量基本電路,下 頁,上 頁,圖3.11為基本

14、的頻率測量電路，適合于測量頻率適中的頻率量，將被測信號Vf經(jīng)過放大、衰減、濾波及整形電路后變成一個標準的TTL信號，直接加在微處理器的計數(shù)端，用被測脈沖作為時鐘觸發(fā)微處理器內(nèi)部計數(shù)器進行計數(shù)，微處理器內(nèi)部另設(shè)一個定時器，在規(guī)定的時間根據(jù)計數(shù)數(shù)目，求得被測信號的頻率，設(shè)規(guī)定時間為T0，計數(shù)器的計數(shù)值為N，則被測信號的頻率為f，則： F=N/T0（Hz）。,返 回,a,23,下 頁,上 頁,當被測信號的頻率較高時，如f20MHZ，有可能單片機的速度不能支持計數(shù)器正常工作，此時可采用圖3.12電路，將被測信號經(jīng)過一個針對高頻信號設(shè)計的放大、衰減、濾波及整形電路后，先進入一個高速分頻器（如10分頻）后

15、在進入單片機計數(shù)端，選擇合適得分頻數(shù)可處理較高的頻率信號。,返 回,a,24,3.周期測量基本電路,下 頁,上 頁,當被測信號頻率較低時，如果還測其頻率不但刷新時間長而且測量精度也將變低，比如50HZ的頻率在1秒鐘只能計50個數(shù)，按1秒的刷新一次的設(shè)置其測試精度只有1HZ。所以當被測信號的頻率較低時我們應該反過來測信號的周期。這樣才能提高測量精度和刷新頻率。 無論要得到頻率值還是周期值，都可以遵循高頻則測頻率，低頻則測周期的原則，這樣做的結(jié)果是不管被測信號在什么頻段內(nèi)都可以達到要求的測量精度。,返 回,a,25,3.周期測量基本電路,下 頁,上 頁,返 回,圖3.13為測量周期的基本電路，信號

16、Vt經(jīng)過放大、衰減、濾波及整形電路后變?yōu)門TL電平Vt1，然后Vt1再經(jīng)過2分頻變?yōu)?0%占空比的對稱方波Vt2，Vt2接入微處理器的中斷口如INT1時，VT2的正脈沖寬度正好是被測信號的周期值，微處理器可用INT1上升沿啟動內(nèi)部計數(shù)器開始計數(shù)，再用INT1下降沿結(jié)束計數(shù)器，由此計算被測信號周期，設(shè)內(nèi)部計數(shù)器時鐘周期為Tc，計數(shù)值為N，則被測信號的周期。如果要得到被測信號的頻率求其倒數(shù)圖3.13 較低頻頻率測量電路即可。,a,26,4.通用頻率計（計數(shù)器）的一般電路,下 頁,上 頁,返 回,圖3.14為一個通用頻率計或計數(shù)器的基本電路示意圖，該方案可測頻率也可測周期，也可做計數(shù)器，通過鍵盤選擇

17、，顯示用數(shù)碼管顯示?？深A置數(shù)高速分頻器由I/O1口控制；程控放大、衰減電路由I/O2口控制；鍵盤及顯示由微處理器的I/O3控制；操作指令由鍵盤人工給定。輸入信號經(jīng)放大、衰減、濾波及整形電路后先通過可預置數(shù)的高速分頻器再進入微處理器的T1和INT1的并聯(lián)口，在檢測時微處理器用試探法初步判斷信號頻率的高低，然后決定是用測頻法還是用測周法求出頻率或周期。,a,27,3.7 電阻型信號的檢測,1.恒流法測電阻,測量電阻的最簡單的方法是根據(jù)歐姆定理利用一個恒定電流通過電阻先變成電壓再求之。圖3.15為恒流法測電阻的基本電路，Rx為被測電阻，Ic是已知的恒流源。圖3.16為常見的恒流源產(chǎn)生電路之一，圖中V

18、e為基準電壓源，Ro為標準電阻，Tc為流過負載的電流，,下 頁,上 頁,返 回,a,28,2.恒壓法測電阻,下 頁,上 頁,返 回,如圖3.17電路所示，設(shè)Vref為恒定的電壓，R0為標準電阻，則：,用恒壓法測電阻時，參考電壓、標準電阻的誤差會直接反映在測量值中。,a,29,3.恒阻法測電阻,下 頁,上 頁,返 回,如圖3.18所示，Ic電流源,先讓Ic通過Ro產(chǎn)生電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得Do,再讓Ic通過要測電阻Rxi產(chǎn)生電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得Di,設(shè)A/D轉(zhuǎn)換的系數(shù)為K,即D=KVo，或Vo=D/K,設(shè)Voi為Ic流過Rx產(chǎn)生的電壓，Voo為Ic流過Ro產(chǎn)生的電壓,a,30,3.恒阻法測電阻,下 頁,上 頁,返 回,因 Ic*RxiVox，Ic*RoVoo 可見電阻的測試結(jié)果與電流源Ic無關(guān)而只與標準電阻有關(guān)，這是恒阻法測量的一個突出優(yōu)點，此外該方法測試結(jié)果與模擬開關(guān)的道通電阻也無關(guān)系，而且非常適用于同時檢測多個電阻。,a,31,4.積分法測電阻,下 頁,上 頁,返 回,積分法的基本原理是用同一