【導(dǎo)讀】了解金屬箔式電阻應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)。掌握全橋測量電路的工作原理與性能。電阻應(yīng)變式稱重傳感器工作對象;TS-INQ-8U多通道數(shù)據(jù)采集模塊;該平臺為學(xué)生提供一塊實驗主板和兩套實驗對象。讓學(xué)生自行搭建電路的散件。圖5-1所示為傳感器開放電路實驗?zāi)０鍖嶒炛靼濉?24V、+12V、-12V、+5V。這些電源都是通過一個5PIN的電源接口從外部的多。路輸出電源模塊引入,然后在實驗主板上統(tǒng)一管理。S5為該模塊的電源開關(guān)。電機轉(zhuǎn)速的控制。R28為脈寬調(diào)制電阻,改變該阻值及可改變信號高電平的持續(xù)。時間,進而改變功率管的開關(guān)速度。該電路精度高,穩(wěn)定性好。GND(第6、7腳、信號輸出(第12腳)。直插式元器件散件的使用方式是根據(jù)教材或說明書中。電阻應(yīng)變片是一種將被測件上的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成一種電信號的敏感器件。阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。保護片和引出線等部分組成。生改變,從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。

　　

【正文】 在進行 A/D 轉(zhuǎn)換之前 ,需要將模擬信號經(jīng)抗頻混濾波器預(yù)處理 ,變成帶限信號 ,再經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號 ,最后送入數(shù)字信號分析儀或數(shù)字計算機完成信號處理。如果需要 ,再由 D/A 轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號 ,去驅(qū)動計算機外圍執(zhí)行元件或模擬式顯示、記錄儀等。 A/D 轉(zhuǎn)換包括了采樣、量化、編碼等過程 ,其工作原理如圖 536 所示。 采樣是利用采樣脈沖序列 pt,從連續(xù)時間信號 xt 中抽取一系列離散樣值 ,使之成為采樣信號 x(nTs)的過程 .n 0,1Ts,2Ts 稱為采樣間隔 ,或采樣周期 ,1/Ts fs 稱為采樣頻率。 由于后續(xù)的量化過程需要一定的時間 ,對于隨時間變化的模擬輸入信號 ,要求瞬時采樣值在時間 內(nèi)保持不變 ,這樣才能保證轉(zhuǎn)換的正確性和轉(zhuǎn)換精度 ,這個過程就是采樣保持。正是有了采樣保持 ,實際上采樣后的信號是階梯形的連續(xù)函數(shù)。 量化又稱幅值量化 ,把采樣信號 x(nTs)經(jīng)過舍入或截尾的方法變?yōu)橹挥杏邢迋€有效數(shù)字的數(shù) ,這一過程稱為量化。若取信號 x(t)可能出現(xiàn)的 最大值 A,令其分為 D 個間隔 ,則每個間隔長度為 RA/D,R 稱為量化增量或量化步長。當(dāng)采樣信號 x(nTs)落在某一小間隔內(nèi) ,經(jīng)過舍入或截尾方法而變?yōu)橛邢拗禃r ,則產(chǎn)生量化誤差 ,如圖 537 所示。 編碼 將離散幅值經(jīng)過量化以后變?yōu)槎M制數(shù)字的過程。信號 xt 經(jīng)過上述變換以后 ,即變成了時間上離散、幅值上量化的數(shù)字信號。 本實驗采用軟件模擬的方法來演示不同等分情況下對數(shù)據(jù)采集的影響。 實驗方法 (1)啟動 LabVIEW 軟件 ,打開文件 采樣信號量化誤差分析 .vi。 (2)設(shè)置信號形式 ,選擇 正弦波 。 (3)設(shè)置信號幅值 ,拖動 幅值 按鈕。 (4)設(shè)置信號頻率 ,拖動 頻率 按鈕 , (5)設(shè)置“ AD 通道位數(shù)”為 2,等分數(shù) 2**(AD 通道位數(shù) )13。其中 :**表示乘方。 (6)單擊運行程序按鈕 ,觀察 量化信號波形 是否被均分成三段。 (7)增加 AD 通道位數(shù) ,繼續(xù)觀察量化信號波形的細分 。 (8)設(shè)置信號形式為 三角波 ,重復(fù)上述實驗步驟 ,保存波形數(shù)據(jù)。 四 .實驗內(nèi)容與要求 根據(jù)實驗中的數(shù)據(jù)結(jié)果分析采樣分辨率對信號轉(zhuǎn)換精度的影響。 完成實驗報告。 五 .思考題 常用的 A/D 轉(zhuǎn)換器件的位數(shù)有哪幾種 ,以輸入的模擬電壓的變化范圍為5V?+5V 之間 ,對于幾種不同的位數(shù) ,其分辨率和轉(zhuǎn)換精度分別為多少 ? 實際測量中是否 A/D 轉(zhuǎn)換器件的位數(shù)越高越好 ,如何合理的選擇一個 A/D 轉(zhuǎn)換器件 ? 實驗五 頻率混疊和采樣定理實驗 一 .實驗?zāi)康? 熟悉信號采樣過程 ,并通過本實驗觀察欠采樣 時信號頻譜的混迭現(xiàn)象 。 了解采樣前后信號頻譜的變化 ,加深對采樣定理的理解 ,掌握采樣頻率的確定方法。 二 .實驗設(shè)備和工具 PC 機一臺 。 以上版本 。 LabVIEW 程序 頻率混疊和采樣定理 .vi 三 .實驗原理與方法 基本原理 模擬信號經(jīng)過 A/D 變換轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程稱之為采樣 ,信號采樣后其頻譜產(chǎn)生了周期延拓 ,每隔一個采樣頻率 s,重復(fù)出現(xiàn)一次。 (1)頻混現(xiàn)象 頻混現(xiàn)象又稱為頻譜混疊效應(yīng) ,它是由于采樣信號頻譜發(fā)生變化 ,而出現(xiàn)高、低頻成分發(fā)生混淆的一種現(xiàn)象 ,如圖 538 所示。信號 xt 的傅里葉變換為 X,其頻帶范圍為 m?+m。采樣信號 xt 的傅里葉變換是一個周期譜圖 ,其周期為 s,并且 :s2/Ts。 Ts 為時域采樣周期 .當(dāng)采樣周期 Ts 較小時 ,s2m,周期譜圖相互分離如圖 538 中 (b)所示 。當(dāng) Ts 較大時 ,s2m,周期譜圖相互重疊 ,即譜圖之間高頻與低頻部分發(fā)生重疊 ,如圖 538 中 c 所示 ,此即為頻混現(xiàn)象 ,這將使信號復(fù)原時丟失原始信號中的高頻信息。 下面從時域信號波形來看這種情況。圖 539a 是頻率正確的情況 ,以及其復(fù)原信號 。b 是采樣頻率過低的情況 ,復(fù)原的是一個虛假的低頻信號。 當(dāng)采樣信號的頻率低于被采樣信號的最高頻率時 ,采樣所得的信號中混入了虛假的低頻分量 ,這種現(xiàn)象叫做頻率混疊。 采樣定理 上述情況表明 ,如果 s2m,就不發(fā)生頻混現(xiàn)象 ,因此對采樣脈沖序列的間隔 Ts 須加以限制 ,即采 樣頻率 s(2/Ts)或 fs1/Ts 必須大于或等于信號 xt 中的最高頻率 m 的兩倍 ,即 s2m,或 fs2fm。 為了保證采樣后的信號能真實地保留原始模擬信號的信息 ,采樣信號的頻率必須至少為原信號中最高頻率成分的 2 倍。這是采樣的基本法則 ,稱為采樣定理。 需要注意的是 ,在對信號進行采樣時 ,滿足了采樣定理 ,只能保證不發(fā)生頻率混疊 ,對信號的頻譜作逆傅立葉變換時 ,可以完全變換為原時域采樣信號 ,而不能保證此時的采樣信號能真實地反映原信號。工程實際中采樣頻率通常大于信號中最高頻率成分的 3 到 5 倍。 實驗方法 (1)在目錄 測試信號仿真實驗 找到文件 頻率混疊和采樣定理 .vi。雙擊打開該文件。 (2)設(shè)置參數(shù) 1)在界面上選擇信號通道“原信號 amp。采樣信號” 。 2)信號類型“正弦波” 。 3)選擇“時域圖” 。 4)設(shè)置信號幅值 200。 5)信號頻率 100Hz。 6)采樣頻率 2020Hz。 (3)點擊程序運行按鈕 ,觀察波形圖中紅線與綠線波形圖是否重合。點擊 原信號 、 采樣信號 觀察波形圖中的單一波形是否一 致。 (4)調(diào)整 采樣頻率 旋鈕 ,使其減小到信號頻率 100Hz 的 2 倍即 200Hz,觀察采樣波形的形狀。 (5)下面在頻域圖中重復(fù)上面的過程。選擇 頻域圖 。 (6)重新設(shè)置信號頻率為 200Hz,采樣頻率 2020Hz,觀察頻譜線是否重合。 (7)減小采樣頻率到 200Hz 以下 ,觀察信號的變化 ,頻譜線的橫坐標(biāo)低于 200Hz,此時發(fā)生頻率混疊 ,串入了低頻信號。 (8)選擇 方波 或 三角波 重復(fù)上述過程。觀察是否同樣發(fā)生了頻率混疊現(xiàn)象。 四 .實驗內(nèi)容與要求 按實驗步驟附上相 應(yīng)的信號波形和頻譜曲線 ,說明采樣頻率的變化對信號時域和頻域特性的影響 ,總結(jié)實驗得出的主要結(jié)論。 完成實驗報告。 五 .思考題 若信號頻率為 5000Hz,請問模擬信號采樣后的混迭頻率是多少 Hz? 為什么在實際測量中采樣頻率通常要大于信號中最高頻率成分的 3 到 5 倍 ?