【正文】 同 或者模擬信號 幅度隨時間變化很大 ，必須在 S/H與 MUX之間設(shè)置程控增益放大器 PGA或瞬時浮點放大器 IFP作為主放大器，如圖2113(c)所示。 去混疊濾波 2/f2/f如何選擇 濾波器的頻率和陡度？ １、去混淆濾波器截止頻率 fh應(yīng)該與采樣周期Ｔ s保 持固定的關(guān)系 CfCTf ssh ??1去混淆濾波器是低通濾波器，因此其截止頻率 fh 應(yīng)該等于被測試信號的最高頻率 fmax， 即 m a xff h ?式中， C為截頻系數(shù)， C2 倍頻程：陡度 /6 ndbSS ?濾波器的階數(shù) 去混淆濾波器的陡度 S為： )1l g (2lg???CBSnsVVmB lg206 ??其中，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù) 如果干擾較落，滿足條件 mVVns 6lg20 ?可以不設(shè)置去混淆低通濾波器 167。 去混疊濾波 。 當(dāng)然，如果被采樣頻譜中不包含高于 fs／ 2的頻率分量，或者雖然有但也很微弱，那就不必增加去混淆濾波這道環(huán)節(jié)。 為消除頻率混淆或假頻干擾 ， 就只有在采樣之前先用一個截頻 fh＜ fs／ 2的低通濾波器把高于 fs／ 2的頻率分量濾掉 ， 以保證采樣時被采樣的頻譜只包含低于 fs／ 2的頻率分量 ， 即滿足采樣定理 。 被采樣頻譜包含有用信號和干擾噪聲兩部分 ， 大多存在高于 fs／ 2的頻率分量 。這就是采樣定理（奈奎斯特定理，香農(nóng)定理） 另外還要注意： 采樣信號必須為帶寬有限信號 ，即最高頻率為有限值。 圖 219 隔直電容的作用 問題： 測控通到中 為什么要設(shè)置 去混淆低 通濾波器？ 如何選擇 濾波器的頻率和陡度？ 采樣保持電路 采樣保持電路的基本性質(zhì) 組成： 模擬開關(guān) 模擬信號存儲電容 緩沖放大器 其中 為采樣角頻率 . T?? 2?采樣定理 連續(xù)信號 x（ t）被寬度為 的脈沖信號所采集，采樣周期為 T。 隔直電容 C與電壓跟隨器輸入電阻 Ri形成一個 RC高通濾波器 。 )()(INININININ VVKKVKVV ????前置放大器 前置放大器種類： ，要求： 低漂移；低失調(diào)電壓；非線形誤差小；低噪聲；共模抑制比高；輸入阻抗高 ：消除干擾；安全；保護(hù)系統(tǒng) ：增益可調(diào)；量程范圍大。所以 將濾波器放在放大器的后面 是合理的。 所以，調(diào)理電路前端電路必須是 低噪聲前置放大器。 假設(shè)不設(shè)置前置放大器時，輸入噪聲剛好被電路噪 聲所淹沒，既Ｖ ＩＳ ＝Ｖ ＩＮ， 為了使輸入信號不被電 路噪聲所淹沒，即Ｖ ＩＳ ＞Ｖ ＩＮ ‘， 就必須使 ININ VV ??即 2020 )( KVVV NIININ ??設(shè)置低噪聲前置放大器 為使小信號不被電路噪聲所淹沒，在電路前端加入的電路必須是放大器，即 K0＞ 1，而且必須是低噪聲的，即該放大器本身的等效輸入噪聲必須比其后級電路的等效輸入噪聲低。 前置放大特點：可有效提高信噪比 解上式不等式可以得到： 2011KVV ININ O ??要求：前置放大器的 放大倍數(shù)大于 1， 等效輸入噪聲必須比后級電路的等效輸入 噪聲要低。 )(KVVKKVV NIINONIN ????圖中 K0為前置放大器的增益， VIN0為本身的等效輸入噪聲。 KVINONV ?什么情況下需要前置放大器？ 如果輸入端的信號幅度 VIS小于等效輸入噪聲，那么這個信號就會被電路的噪聲所 “ 淹沒 ” 。 構(gòu)成 ： 圖 216 典型調(diào)理電路的組成框圖 一、前置放大器 問題： 什么情況下需要前置放大器？ 前置放大器的放大倍數(shù)如何選擇？ 前置放大器的位置？ 測控系統(tǒng)中的噪聲、干擾 （是微弱信號檢測的一個主要限制因素） 噪聲： 是被測對象和儀器內(nèi)部固有的 干擾： 是被測對象和儀器以外的原因造成的 ?????置），如各類無線電發(fā)射裝電磁場干擾（高頻干擾干擾）電場干擾（工頻交流電變壓器）磁場干擾（頻率低，如干擾???聲等）晶體管的噪聲（分配噪電阻熱噪聲電路噪聲： 電路在沒有信號輸入時，輸出端仍存在一定幅度的波動電壓，這就是電路的輸出噪聲。 ：部分工作可由軟件完成，簡化測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 特殊需要傳感器的解決方法 213信號調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計和選擇 ：放大、濾波、調(diào)零、線性處理、溫度補償、誤差修正、量程切換等統(tǒng)稱為信號調(diào)理。 在信號輸入通道中采用光纖傳感器，可從根本上解決由現(xiàn)場通過傳感器引入的干擾。 ： 采用集成傳感器可以減輕輸入通道的信號調(diào)理任務(wù)，簡化通道結(jié)構(gòu)。 集成式傳感器 ： 將傳感器與信號調(diào)理電路做成一體。 ③下頁圖 215所示，頻率量及開關(guān)量輸出的傳感器還具有 信號調(diào)理較為簡單 的優(yōu)點。 ②傳感器輸出如果滿足 TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，就可以直接接入計算機(jī)的 I/O口或中斷入口。 數(shù)字式輸出傳感器 ： 采用頻率敏感效應(yīng)器件構(gòu)成，也可以是由敏感參數(shù) R、 L、 C構(gòu)成的振蕩器，或模擬電壓輸入經(jīng)V/F轉(zhuǎn)換等。 圖 214 大信號輸出傳感器的使用 ① 對于大電流輸出，只要經(jīng)過簡單 I/V轉(zhuǎn)換即可變?yōu)榇笮盘栯妷狠敵觥? 大信號輸出傳感器 ① 要求：與 A/D相配套的大信號輸出傳感器； ②特性： A. 把放大電路與傳感器做成一體，使傳感器能直接輸出 0～ 5 V、 0～ 10 V或 0～ V要求的信號電壓； B. 把傳感器與相應(yīng)的變送器電路做成一體，構(gòu)成能輸出 4～ 20 mA直流標(biāo)準(zhǔn)信號的變送器。 滿足 性能價格比 要求。 滿足 環(huán)境要求 （耐高溫、耐高壓、防腐、抗振、防爆、抗電磁干擾、體積小、質(zhì)量輕和耗電少等。 圖 2—1—3分散采集式模擬輸入通道結(jié)構(gòu) 傳感器傳感器傳感器調(diào)理電路調(diào)理電路調(diào)理電路A / D轉(zhuǎn)換器控制邏輯計算機(jī)采樣 /保持器采樣 /保持器采樣 /保持器A / D轉(zhuǎn)換器A / D轉(zhuǎn)換器167。 二、分散采集式 特點：沒有模擬多路切換器；都有各自Ｓ／Ｈ和Ａ／Ｄ。 類型： 多路模擬輸入（集中；分散）； 單路模擬輸入。 組成： 傳感器；信號調(diào)理；數(shù)據(jù)采集。 167。第二章 測控通道 (I/O通道 ) ?內(nèi)容 :模擬輸入通道、模擬輸出通道、開關(guān)量輸入／輸出通道、單元電路級聯(lián)設(shè)計 ?重點：模擬輸入通道、模擬輸出通道組成和設(shè)計；開關(guān)量輸入／輸出通道組成和設(shè)計。 ?難點：測控通道的基本理論和參數(shù)設(shè)計。 21 模擬輸入通道 模擬輸入通道 基本類型與組成結(jié)構(gòu) 定義 :微機(jī)化測控系統(tǒng)中微機(jī)與被測對象之間的聯(lián)系通道稱為 模擬輸入通道 。 圖 211信號輸入通道的基本組成 作用： 將模擬信號變成數(shù)字信號。 一、集中采樣式 類型：分時采樣型； 同步采樣型 傳感器傳感器傳感器調(diào)理電路調(diào)理電路調(diào)理電路模擬多路切換器采樣 /保持器A / D轉(zhuǎn)換器控制邏輯計算機(jī)分時采樣型 特點 ：多路公用一個Ｓ／Ｈ和Ａ／Ｄ ,電路簡單；成本低；依次采集信號，在時間上有一定的偏差，因此對于要求多路信號嚴(yán)格同步采集測試的系統(tǒng)是不適用的，廣泛用于 中速和低速 測試系統(tǒng)中 多路 分時采集分時輸入 結(jié)構(gòu)圖典型電路結(jié)構(gòu) 多路 同步采集分時輸入 結(jié)構(gòu)圖 傳感器傳感器傳感器調(diào)理電路調(diào)理電路調(diào)理電路模擬多路切換器采樣 /保持器A / D轉(zhuǎn)換器控制邏輯計算機(jī)采樣 /保持器采樣 /保持器采樣 /保持器同步采樣型特點：多路同時被采樣，可以消除分時采集型在 時間上的偏差，因此既結(jié)構(gòu)簡單，又能滿足同步采集的要求 ；但是 保持電路的泄放會產(chǎn)生誤差 ，因此不能真正的實現(xiàn)同步輸入。隨機(jī)或順序進(jìn)入計算機(jī)。 212 傳感器的選用 一、對傳感器的主要技術(shù)要求： 實現(xiàn)物理量到電信號的轉(zhuǎn)換， 轉(zhuǎn)換范圍 與被測量實際范圍相一致 轉(zhuǎn)換精度 滿足測試系統(tǒng)根據(jù)總精度要求而分配給傳感器的精度指標(biāo)， 轉(zhuǎn)換速度 滿足整機(jī)要求。 滿足 可靠性 和 可維護(hù)性 要求。 二、可供選用的傳感器類型 大信號輸出傳感器 數(shù)字式輸出傳感器 集成式傳感器 光纖傳感器 其他 :BCD碼輸出、專用特制等。 C. 可省去小信號放大環(huán)節(jié)。 ②對于大信號電壓可以經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換，也可以經(jīng) V/F轉(zhuǎn)換送入微機(jī)，但后者響應(yīng)速度較慢。 ： ①數(shù)字量傳感器一般都是輸出 頻率參量 ，具有測量 精度高 、 抗干擾能力強 、 便于遠(yuǎn)距離傳送等優(yōu)點。如果傳感器輸出不是 TTL電平，則須經(jīng)電平轉(zhuǎn)換或放大整形。 頻率 \開關(guān)輸出傳感器應(yīng)用圖 圖 215 頻率量及開關(guān)量輸出傳感器的使用 ： 非快速測量時選用 （頻率測量時，響應(yīng)速度不如 A/D轉(zhuǎn)換快））。 例如，將應(yīng)變片、應(yīng)變電橋、線性化處理、電橋放大等做成一體，構(gòu)成集成壓力傳感器。 光纖傳感器 特性： 其信號拾取、變換、傳輸都是通過光導(dǎo)纖維實現(xiàn)的， 避免了電路系統(tǒng)的電磁干擾 。 ，價格高； ： ①從傳感器定型產(chǎn)品中選一個作基礎(chǔ)件，在其前設(shè)計一種敏感器或在其后設(shè)計一種轉(zhuǎn)換器的方案進(jìn)行； ②組合方案，各種方式的傳感器組合后達(dá)到滿足特定測量需要的特制傳感器。相應(yīng)的電路成為信號調(diào)理電路。 ：小信號放大、信號濾波以及對頻率信號的放大整形。 ： 把電路輸出端測得的噪聲有效值 VON折算到該電路的輸入端即除以該電路的增益 K，得到的電平值稱為該電路的等效輸入噪聲VIN 。 為不使小信號被電路噪聲淹沒， 必須在該電路前面加一級放大器 器時 ，就必 須 加前置放大VV所以當(dāng) INIS ?前置放大器的放大倍數(shù)如何選擇 電路總輸出噪聲為 220 )()( KVKKVV INI N Oon ???總的等效輸入噪聲為 2020039。 VIS為輸入信號 ， 后級電路中， VON為噪聲有效值 ， K為電路的增益 ， VIN為等效輸入噪聲 。 前置放大器要求是 低噪聲 的。因此，減少電路的等效輸入噪聲實質(zhì)上就是提高了電路接收弱信號的能力。 兩種調(diào)理電路對比 圖 2— 1— 8 兩種調(diào)理電路的對比 前置放大器的位置 顯然當(dāng) K大于 1時前者較小。有利減少電路的等效輸入噪聲，提高接受弱信號能力 調(diào)理電路的等效輸入噪聲分別為： 21202120 )()1()(KVIVKVKVV NININININ ?????2120212039。 二、濾波器 ：高通濾波器；陷波濾波器；去混淆濾波器 ：防止零點漂移；防止共頻干擾；防止采集混疊現(xiàn)象。 陷波器 是為抑制交流電干擾而設(shè)置的，陷波頻率應(yīng)等于交流電干擾的頻率。 這個過程可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為： 對應(yīng)頻譜為 : ????????? nTtnTxtx )()()( ???????? XTX )n(1)( ???采樣定理 結(jié)論 :一個連續(xù)信號經(jīng)過理想采樣后 , 其頻譜產(chǎn)生周期性的延拓 .每隔一個采樣頻率 后就以 1/T的倍數(shù)重復(fù)出現(xiàn) . ?圖 2— 1— 10 折疊失真的產(chǎn)生與消除 采樣定理 如果信號最高頻率分量超過 就會出現(xiàn)頻譜混疊，所以， 采樣頻率必須大于 2倍的信號最高頻率 。 /2?ff 2?去混疊濾波 采樣產(chǎn)生折疊失真是由于被采樣頻譜中含有 高于折疊頻率 fs／ 2的頻率分量 ， 產(chǎn)生頻率混淆 。 由于被采樣頻譜中高于fs／ 2的頻率分量采樣后會出現(xiàn)在低于 fs／ 2的信號頻段上 ， 這樣就無法用頻率濾波的方法將它們與信號分離 。 在采樣開關(guān)之前設(shè)置的這種用途的低通濾波器常稱做去混淆濾波器或去假頻濾波器 。 去混淆濾波器的任務(wù)是濾掉被采樣頻譜中高于fs／ 2的頻率分量，如果去混淆濾波器是一個陡度為無限大即矩形幅頻特性的低通濾波器的話，那么去混淆濾波器截止頻率 fh=fs／ 2就可以