《机电一体化系统设计》课件 第4次课传感器前期信号处理.pptx

温故知新;2;机电一体化系统中的控制器接收和处理的信号都是TTL电平信号，而传感器所采集到的信号有模拟信号和数字信号两种。为了能够将传感器采集的信号和控制器相匹配，需要针对信号的特点对信号进行一定的处理，如对模拟信号需要进行放大、滤波、隔离和A/D转换等；对数字信号需要进行放大、隔离和滤波等。传感器信号处理又称为信号调理，信号调理中的部分功能（如滤波）可以由软件实现。

信号调理就是将现场输入的状态信号经过放大、保护、滤波、隔离和A/D转换等处理后转换成为计算机可以接收的逻辑信号。;一、信号放大器;2.反相电压放大器;在电路中，;当，时，放大电路为差分放大器，其差模电压增益为;4.交流电压放大器;4.测量放大器（仪表放大器）;只要运算放大器性能对称（主要输入阻抗和电压增益对称)，过种电路的漂移就将大大减小。该电路具有高输入阻抗和高共模抑制比，对微小的差模电压很敏感，适用于测量远距离传输过来的信号，因而十分适宜于微小信号输出的传感器配合使用。

;AD521/AD522等是一种集成运算放大器，它具有比普通运算放大器性能优良，体积小、结构简单、成本低等特点。;1.AD522;1.AD522;如果输入数据采集系统的信号是微弱的模拟信号，而测试现场的干扰比较大，对信号的传递精度要求又高，这时可以考虑在模拟信号进入系统之前用隔离放大器进行隔离，以保证系统的可靠性。;1）光电耦合

光电隔离是一种将电信号转换为光信号，再将光信号转换为电信号的过程。其原理如图2-28所示，Ui端输入低电平电信号，发光二极管则发出光信号，而密封在同一壳体中的光电三极管收到光信号后处于导通状态，则Uo端输出为低电平；反之，当Ui端输入高电平电信号时，则在Uo端输出高电平，既实现了电源之间的隔离（VCC1和VCC2），又保证了信号的传输。;1.光电耦合隔离放大器;2）电磁隔离

电磁隔离原理如图2-32所示，首先输入信号经过放大后，在调制器的调制下转化为高频调制波信号，该信号通过变压器后进入解调器进行同步解调，然后输出解调后的信号。;二、滤波电路;通带;滤波器的基本参数;一、数据采集???统的组成;数据采集系统包括：;1．信号调理电路;作用：用来切换模拟电压信号输入的关键元件。将多路模拟信号分时轮流送给后端数据采集电路进行A/D转换。常用的多路开关有CD4051,AD7501等。;3．采样/保持电路（S/H电路）;2.采样/保持器原理;目前采样保持器电路大多集成在单一芯片中，但芯片内不含保持电容，一般由用户根据需要选择并外接。保持电容应选择聚苯乙烯电容或聚四氟乙烯电容。电容值的选择应综合烤炉进度、采样频率、下降误差、采样/保持偏差等参数;A/D转换器;逐次逼近模数转换器在反馈环路中使用了一个数/模转换器(DAC)。当加上启动信号时，取样?保持放大器(SH)将模拟输入量锁存。然后控制单元开始迭代过程，其中，数字值被逼近，数/模转换器将其变换成模拟值，并且由比较器将该值同模拟输入作比较。当数/模转换器的输出等于模拟输入信号时，由控制单元发出终止信号，并在输出端提供正确的数字输出。;若n为模/数转换器的位数，则完成转换要用n步。更确切地说。输入与模/数转换器满度(FS)值的二进制分数（1/2，1/4，1/8，······，1/2n）的组合作比较。控制单元首先接通寄存器的最高有效位(MSB)，而让所有比它低的位为0。比较器测试相对于模拟输人的DAC输出若模拟输入超过DAC输出，则保留该MSB（高电平），否则便复位到0。然后，将这个步骤应用于下一个更低的有效位并重新进行比较。进行n次比较之后，转换器降到最低有效位（LSB）这样，DAC的输出便代表对模拟输入的最佳数字逼近。过程结束时，控制单元设定转换结束的终止信号。;2.A/D转换器的主要技术指标

(1)转换时间和转换速率：转换时间是A/D完成一次转换所需要的时间；转换时间的倒数为转换速率。并行式A/D转换器的转换时间最短，为20~50μs，转换速率为20~50MB/s；双极性逐次逼近式转换器的转换时间约为0.4μs，转换速率为2.5MB/s。

(2)分辨率：A/D转换器的分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入电压的变化量，习惯上以二进制位数或BCD码位数表示。例如，AD574A/D转换器可输出二进制数12位，即用212个数进行量化,其分辨率为1LSB(1LSB=1×2-12V)，用百分数表示为1/212×100%=0.0244%。

;(3)量化误差：量化过程引起的误差为量化误差，量化误差是由于有限数字对模拟量进行量化而引起的误差。理论上规定量化误差为一个单位分辨率的±1/2LSB，分辨率高的转换器具有较小的量化误差。

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