宋主民-机电一体化专业英语3-5

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2. 差值测量方法 这个方法在开始时使电桥处于平衡状态，然后随着被测电阻的改变 而使电桥不平衡，此时电压输出不再为零，而电流表指示的数就直接代表了 R1 变量的大 小而无需使电桥恢复到平衡状态。 因此此法更为有效但 R1 的变化是受限的。 此外， 由. Rx 所带来的电压输出除了供测量Rx 本身之用外，还将用于后续测量电路。
(3.13)
其中 T ( )是幅频特性，可表示为
T R 1 R1 1 CR 2
(3.14)
而 是相频特性，可表示为
arctgCR
(3.15)
T ( )的图形如图 3.9b 所示。可见它与一阶低通滤波器相似，即低频信号容易通过而高 频信号则受阻。然而，由于所用运算放大器提高了输入阻抗而降低了输出阻抗，所以有 源滤波器的隔离特性好，放大和负载能力强。
和 U 之比来表示滤波器的频率特性并用下式表示， 入的周期信号的角频率。 通常取 U 0 i
即
T j U 1 0 T U 1 j RC S
1 1 RC
2
(3.9) (3.10)
T U 0 / U i
传感器
电桥
放大器
相敏检波
低通滤波 器
记录显示
震荡器
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图 3.7 动态电阻应变仪的原理图 3.5 滤波器 滤波器的主要功能有两个：一是大大地减小工业环境中的对信号的电磁干扰，即约束 干扰噪声和提高信噪比；另一个是允许或阻止一定（频）带宽的信号通过。这种滤波器 分别称为带通滤波器或带阻滤波器。 3.5.1 无源滤波器 无源滤波器就是一个阻容（RC）滤波器。因其电路简单但承载能 力低，故只适用于要求不高的滤波。图 3.8 表示一阶 RC 低通滤波器，它是一个无源 RC 网络，其输入-输出关系为 U i U （3-8 ） 0 1 j RC 式中 Uo 和 Ui 分别是 Uo 和 Ui 的付里叶变换，它将 Uo 和 Ui 从时域变换到频域。 是输
第3章
中间转换电路
3.1 前言 传感器在测量系统中是把所测的机械信号转换为电量的一次仪表。这些电量可能是 所用元件的电阻、电容或电感参数的变化，需要用电桥将它们转换为电压或电流信号。 另一方面，实际上由一次仪表产生的电信号是非常微弱的，它必须经过调理才能适合于 后继电路处理。信号调理（或信号转换）包括隔离、噪声抑制、放大和变换等，这些工 作由转换电路来完成。 3.2 电桥 电桥是将元件参数如电阻、电感或电容转换成电压或电流的测量电路。电桥的优点有 电路简单，精度高和灵敏度高，所以它被广泛用于测量系统。电桥分直流电桥和交流电 桥两类。 3.2.1 直流电桥 如图 3.1 所示,在 C 和 D 端施加直流电源，R1，R2，R3 和 R4 是电桥的 四个臂。在自由端 A 和 B 输出的电压为
R x R3 R2 / R4
（ 3.6）
图 3.3 基于零读法测量的单臂电桥 对于原始平衡状态的电桥，当 RX 变成 RX+ Rx .时，电桥失去平衡，则在电流表中 有电流流过。调整 RX 使之满足 R x R x R3 R2 R2 / R4 , ( 3-7 ) 则电桥恢复到平衡状态。由此 RX 可由测量 R2 而得到。同理，也可用零测法的交流 电桥来测量工作电感的变化。
R1 R4 R2 R3 E R1 R2 ( R3 R4 ) s
U0
( 3-1 )
图 3.1 直流电桥 当 R2 R3 = R1 R4，电桥的电压输出为零，Uo =0,此时电桥处于平衡状态。 3.2.2 交流电桥（图 3.2） 交流电桥用正弦交流电压供电。电桥的臂元件可以是电阻、 电感或电容，电桥的电压输出为
n 1
Y n CiYn i
i 0
(3.17)
作为第 n 个采样值，其中 Ci 是每个采样值的常数系数并满足于
n 1
C
i 0
i
1
数据序列｛Ci｝的值一般取为 C0 >C1 >C2 · · ·>Ck－1 这样就可以提高较近的采样值对平均值的作用。 3.6 数/模和模/数转换 在测量系统中，传感器的输出一般是连续的模拟量，为了满足在数字仪表和数字控
交流电桥的平衡条件为 Z2 Z3 = Z1 Z4 或 及
Z 2 Z 3 Z1 Z 4
(3.3) (3.4) (3.5)
2 3 1 4
图 3.2 交流电桥 3.2.3 电桥的测量方法 1。零读法 零读法基于利用电桥的平衡状态。在图 3.3 中，如果 RX 是被测电阻，R2 是 一精密可调电阻，则可借改变 R2 的值来使电桥平衡，即
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载波
被调制信号 l
调幅波
调频波
图 3.5 调制信号、载波和调制波 3.4.1 调制 在调制过程中，某一高频信号的参数受另一低频信号的控制而变化，此 高频信号称为载波，而该低频信号则称为调制信号，这是因为高频信号便于放大和传送。 调制分为三类，即幅值调制（AM） 、频率调制（FM）和相位调制（PM） 。在这些调制过程 中，载波的幅值、频率或相位分别随调制信号而变化，而载波的相应的调制波则称为调 幅波、调频波和调相波。 幅值调制器可用交流电桥来实现，如图 3.6 所示。电桥的电源 US 是高频载波（a）, 电阻的变化 R t / R 是调制信号，即电桥的输入信号（b） ，而电桥的输出信号则是调幅 波(c).要求载波的频率要远高于调制信号 Rt / R 的频率， 以保证调幅波在解调后能完全 恢复为其原始缓变信号。
图 3.4 基于差读法的电桥 3.3 前置放大器 前置放大器用于对一次仪表所产生的电压或电阻变化的微弱信号的预处理。前置放大 器的功能包括阻抗变换、噪声抑制、信号放大和变换以适配后继处理电路。有几种前置 放大器包括电压跟随器、电荷放大器和仪表放大器等。它们的各种功能是通过对运算放 大器的不同的连接方式和应用来实现的。例如：电压跟随器可用于测量电容传感器的微 弱电容的改变，这是因为可用电压跟随器的阻抗变换来提高被连接的传感器的转换效率； 电荷放大器则可用于将电容传感器的微小电容变化或压电传感器的微弱电荷变化量转变 为电压输出。 3.4 调制-解调器 对于由传感器输出的微弱和缓变（甚至于类似于直流）的信号，如用普通的直流放大 器进行放大，则会导致产生零点漂移，从而影响测量精度。为此就需要用一调制器先将 直流缓变信号转换为一定频率的交流信号，如图 3.5 所示。然后，将此交流信号用交流 放大器放大。最后，这个放大了的交流信号通过解调器处理为被放大了的原始被测信号。 详述如下。
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图 3.8 一阶无源低通滤波器 a. RC 有源网络 b. 幅频特性 c. 相频特性 3.5.2 有源滤波器 有源滤波器包含运算放大器和 RC 网络。图 3.9a 表示一阶有源滤 波器的电路，其输出为
R Ui U 0 R1 1 jCR
பைடு நூலகம்
(3.12)
滤波器的频率特性为
T j T
传感器
传感器
调制解调器 Modem
多路开关
采样保持 器
ADC
微机
… …
传感器 Transducer
转换 放大 滤波
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图 3.9 一阶有源低通滤波器 3.5.3 数字滤波器 由电气元件如电阻和电容组成的滤波器可以限制和减小混淆在正 常信号中的干扰噪声，但在微机系统中，数字滤波器的软件也能滤掉干扰。数字滤波器 采用数学计算的方法来扩大信号和降低干扰而获取有用的信号。与 RC 滤波器比较，数字 滤波器的优点是无需增加硬件，可靠性高以及使用方便。以下介绍两种数字滤波器。 1。 代数平均滤波器 取一个数据序列｛Yi｝( i = 1～n),然后，在第 n 个数据前取 k 个数据作递推计算以得到第 n 次平均值 Y Y Yn Y n 1 n n k (3.16) k k 并将其作为第 n 个采样值 Yn. 式中
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制系统中的传送、处理和显示的需要，必须做模-数和数-模之间的转换。 3.6.1 模-数转换的技术规范 1。分辨率 A/D 转换器的分辨率用它输出的二进制数的位数来表示。位数越高，分辨 率和转换精度就越高。例如，如果模/数转换器为 10 位二进制数的输出，其最大模拟电 压为 5V，则其分辨率为 5V/210 =4.88mV. 2. 相对精度 相对精度是得到的被转换的数值与理想值之差的最大误差与被转换值 之比值。 3。 转换速度 转换速度以转换一次所需时间来评定，而转换时间则是从接受转换信 号开始到在输出端产生稳定的数字信号之间所需的时间。不同的转换电路的转换速度不 同，其值在 10 到 50 微秒之间。 还有一些技术规范如功率消耗、温度系数、输入模拟电压的范围和数字信号输出的逻 辑电平等。 3.6.2 数-模转换的技术规范 1。 转换精度 数-模转换器的精度是模拟量输出的实际值和理想值之差，这个误差 来源于参考电压的波动、运算放大器的零点漂移、模拟开关的电压降和电阻的变化等。 2。 线性度 D/A 转换器的线性度用非线性度来表示， 它是实际输出值和理想输出值之 差。 3． 分辨率 D/A 转换器的分辨率是最小的电压输出 （其相应的输入二进制数的最低位 为 1 而左边的其余位为零）与最大的电压输出（其相应的输入二进制数的全部位为 1）之 比。例如，8 位 D/A 转换器的分辨率为 1 1 0.0039 8 256 1 2 1 4。输出电压的建立时间 这个时间是从开始输入数字信号到输出电压为稳定值之间 的转换时间，对于 10 或 12 位 D/A 转换器一般不超过 1 微秒 关于 A/D 转换器和 D/A 转换器的转换原理、内部电路组成、芯片元件的引腿布置和其 他的技术规范，建议读者参考有关资料。 3.7 数据获取系统 本节阐述数据获取系统。它的功能是将一次仪表的模拟量输出如电荷、电压或电阻的 变化转变为输入计算机处理的数据。数据获取系统包括对传感器输出信号的调理电路、 采样和保持（S/H） 、A/D 转换和数据输出电路等。见图 3.10.