信号采集与处理
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C1 C3 (3 ~ 10) /(2RL fL )
信号放大电路
华中科技大学机械学院
4 电荷放大器
q ei (Ca Cc Ci ) (ei ey )C f
F
ey
(C
Kq Cf )
KC f
If
KC f (C C f )
q
then
ey Cf
+
信号放大电路
5 电桥 1）直流电桥 ●平衡条件
1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到 显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还 要进行阻抗变换。
2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需 要去掉噪声，提高信噪比。
3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感 器测量信进行调制解调处理。
信号调理
二、 信号放大
1 目的
同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特 点，广泛用于前置放大级。
信号放大电路
华中科技大学机械学院
3 交流放大电路
若只需要放大交流信号，可采用图示的集成运放交流电 压同相放大器。其中电容C1、C2及C3为隔直电容。
Av
1
RF R1
R1一般取几十千欧。耦合电容C1、C3可根据交流放大 器的下限频率fL来确定。
1、A/D转换
1) A/D转换过程
华中科技大学机械学院
采样――利用采样脉冲序列p(t)，从连续时间信号x(t)中 抽取一系列离散样值，使之成为采样信号x(nTs)的过程．
量化――把采样信号x（nTs）经过舍入变为只有有限个有 效数字的数，这一过程称为量化．
编码――将离散幅值经过量化以后变为二进制数字的过程。
1屏蔽的分类 屏蔽这种方法对防止以“场”形式耦合的干扰是十分有效 的，因此根据场的性质不同，屏蔽可分为电场屏蔽及电磁场屏蔽。
(1)电场屏蔽：由静电学知道，处于静电平衡状态下的导体内部各点都是 等电位的，即导体内部无电力线。利用金属导体的这一性质，加上接地措 施，则静电场的电力线就在接地的金属导体处中断，起到隔离电场的作用， 需要强调的是静电屏蔽罩必须接地。
开关量信号的输出
开关信号输出的电气隔离
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开关量信号的输出
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开关信号输出的电气隔离
当被控设备远离单片机时，光电隔离接口电路设计如图4—30所示。该 电路为电流环发送和接受电路，可以极大地提高系统的抗干扰性能， 最大传输距离可达900m，传输速率可达 50Kb／s，但必须保证传输线 中环路连线电阻＜30欧姆，当该阻值过大时，l00欧姆的限流电阻相应 减小。
开关量信号的输出
开关信号输出的驱动电路
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开关量信号的输出
开关信号输出的驱动电路
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开关量信号的输出
单片机输出通道接口方式
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开关量信号的输出
单片机模拟输出接口方式
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信号调理
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一、 信号调理的目的
信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。
指完成一次转换所用的时间，如:100ms(10Hz)；
10us(100kHz)
• (4) 模拟信号的输入范围;
•
如，5V， +/-5V，10V，+/-10V等。
模数(A/D)和数模(D/A)
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2、D/A转换过程和原理
1) D/A转换过程 D/A转换器是把数字信号转换为电压或电流信号的装置。
模数(A/D)和数模(D/A)
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2) A/D转换器的技术指标
• (1) 分辨率;
•
用输出二进制数码的位数表示。位数越多，量化误差越小，
分辨力越高。常用有8位、10位、12位、16位等。
• (2) 转换精度;
•
转换精度=量程/(A／D转换器的分辨力*0.5)
• (3) 转换速度;
•
信号抗干扰措施 — 屏蔽
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(2)电磁场屏蔽：电磁场屏蔽是采用导电良好的金属材料做成屏蔽层， 利用高频电磁场对屏蔽金属的作用，在屏蔽金属表面产生电涡流，由电涡 流产生的磁场抵消或减弱干扰磁场的影响、从而达到屏蔽的效果。一般所 谓的屏蔽多数是指电磁屏蔽，电磁屏蔽主要用来防止高频电磁场的影响， 对于低频磁场干扰的屏蔽效果是非常小的。基于电涡流反磁场作用的电磁 屏蔽．从原理上讲与屏蔽体是否接地无关，但在一般应用中屏蔽体都是接 他的，目的是让屏蔽体兼作静电屏蔽之用。考虑到高频集肤效应，电涡流 仅流过屏蔽层的表面一层，因此屏蔽层的厚度只需考虑机械强度就可以了， 当必须在屏蔽层上开孔与槽时要注意孔、槽的位置和方向，应尽量不影响 电涡流的形成途径，以免影响屏蔽效果。
采样保持动作由两种模式构成；一种是采样模式，即采样保持的输出 跟踪输入值；另一种是保持模式，即保持输出值。
信号采样
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二、 采样保持
在采样模式中，从保持模式移到采样模式的瞬间，输入值和输出值不 一样，需经过一段时间，两值才能达到一致，这就是滞后现象，如图3— 34所示，图中Ts表示开关滞后，TA表示稳定时间。进入跟踪状态后，一 转换到保持模式、这时的输入值便被保持，这种场合伴有各种误差。
1 滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）
实验
低通
带通
高通
带阻
信号抗干扰措施 三、 信号的滤波
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信号抗干扰措施 — 滤波
华中科技大学机械学院
5 RC无源滤波器
在测试系统中，常用RC滤波器。因为这一领域中信号频 率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干扰强，有 较好的低频性能，并且选用标准阻容元件 。
R1R3 R2R4
d V
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信号放大电路
2）交流电桥
●平衡条件 ~
Z1Z3 Z2Z4
1 3 2 4
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信号放大电路
应变片的粘贴
R1 R3
R2 R4
华中科技大学机械学院
R1
R2
U
R4
R3
E
信号抗干扰措施
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三、 信号的滤波
滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定 频率成分通过，而极大地衰减其他频率成 分．
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信号接口技术
开关信号的接口技术
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开关输入信号的电气隔离 在机电一体化系统中，机械开关信号一般为强电信号，需要把强
电部分与弱电的微机系统在电气上隔离开来，最常用的是使用光电藕 合。图4—25所示为开关量输入信号的光电隔离电路。R1、R2分别为 限流电阻。
开关量信号的输入
1) 一阶RC低通滤波器
信号抗干扰措施 — 滤波
2) 一阶RC高通滤波器
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3) RC带通滤波器
可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联
信号抗干扰措施 — 屏蔽
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屏蔽是模拟传输中抑制干扰的重要手段，屏蔽的意义既包含了屏蔽干
扰源，又包含了屏蔽接收体。屏蔽设施的实现，可以利用铜或铝等低阻材 料或者用磁性材料做成的容器将需要屏蔽的部分包起来，以防电或磁的相 互感应。
信号放大目的
幅度增加
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(1)抗干扰; (2)阻抗匹配
2 分类
放大器
直流放大器 交流放大器 电荷放大器 电桥
时间域
频率域
幅度增大 低频保留,高频截止
幅度增大 高频保留,低频截止
电荷增大
△Z V
信号放大电路
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2 直流放大电路 1) 反相放大器
反相放大器是最基本的电路，
开关量信号的输入
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根据安全标准，系统的限位开关 须接成常闭状态。当工作台的运 动超过其物理有效行程将使限位 开关打开。限位开关输入信号的 有效电平可以通过主机命令进行 选择。原点开关为常开状态。
开关量信号的输出
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欧姆龙可编程控制器的晶体管输出电华中路科技大学机械学院
电磁屏蔽对于低频磁通干扰的屏蔽效果是比较差的，因此在低频磁通
干扰时，要采用高导磁材料作屏蔽层，以便将干扰磁通限制在磁阻很小的 磁屏蔽体的内部．防止其干扰作用。为了有效地进行低频磁屏蔽，屏蔽层 材料要选用诸如坡莫合金之类对低磁通密度有高导磁率的铁磁材料，同时 要有一定的厚度，以减少磁阻。由铁氧体压制成的罐状磁芯可作为磁屏蔽 使用，并可以把它和电磁屏蔽导体一同使用。为了提高屏蔽效果，可采用 多层屏蔽。第一层用低导磁率的铁磁材料，使场强降低，第二层用高导磁 铁磁材料，以充分发挥其屏蔽作用。
fs＞2fmax
需要注意的是，在对信号进行采样时，满足了采样定理，只能保 证不发生频率混叠，只能保证对信号的频谱作逆傅立叶变换时， 可以完全变换为原时域采样信号xs(t)，而不能保证此时的采样 信号能真实地反映原信号x(t)。工程实际中采样频率通常大于信 号中最高频率成分的3到5倍。
信号抗干扰措施 —光藕
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光藕合器抗干扰 使用光藕合器切断地环路电流干扰是十分有效的。 其原理图见图3—44。由于两个电路之间采用光束来藕合，所以能将两个 电路的地电位完全隔离，这样两电路的地电位即使不同也不会造成干扰， 这对数字电路尤为重要。
信号处理技术 一、 模数(A/D)和数模(D/A)
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欧姆龙可编程控制器的输入电路 华中科技大学机械学院
开关信号的接口技术
华中科技大学机械学院
开关信号的去抖处理 在机电一体化系统中，经常要使用按钮开关、搬钮开关、多位开
关、接触器、继电器等。它们常常是开关量的输入源。由于这类开关 大都是机械开关，当开关触点闭合时，在达到稳定之前会产生短暂的 抖动，弹跳抖动的时间一般可达数毫秒。如图4—26所示。
其闭环电压增益Av为:
Av
RF R1
反馈电阻RF值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂 移，一般为几十千欧至几百千欧。R1的取值应远大于 信号源Ui的内阻。
烟雾报警器
酒精传感器
二氧化碳传感器
Байду номын сангаас
信号放大电路
2)同相放大器
同相放大器也是最基本的电 路 ，其闭环电压增益Av为:
Av
1
RF R1
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非”门组成的RS触发器，开关K在常开状态下．输出为l，一旦开关K 闭合、则在刚一闭合的瞬间，RS触发器翻转，输出为0，此时，虽然开 关要抖动几次，但不会影响触发器的输出。
开关信号的接口技术
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光电隔离技术 为了避免外部设备的电源干扰，防止被控对象电路的强电反窜，
通常采取将微机的前后向通道与被连模块在电气上隔离的方法。过去 常用隔离变压器或中间继电器来实现，而目前已广泛被性能高、价格 低的光电耦合器来代替。
2) D/A转换器的技术指标
• (1) 分辨率; • (2) 转换精度; • (3) 转换速度; • (4) 模拟信号的输出范围;
模数(A/D)和数模(D/A)
A/D、D/A转换过程中的量化误差实验：
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信号采样
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二、 采样保持
采样保持是利用切断电容器的输入后，电容器能保持其原有电压值的 原理实现的(图3—33)。
开关信号的接口技术
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开关信号的去抖处理 微机对开关信号采样时，必须消除这种抖动，否则会造成错误采
样。消除抖动的方法可从软件和硬件上着手。 软件的方法是经过一段延时后再读入信号，若两个采样值不同、
则继续采样，直到两个采样值相同，延迟时间应比抖动周期长。 硬件的方法是在接口电路中加“‘防抖动电路，图中是由2个“与
(2)由于发光二极管是电流驱动器件，动态电阻很小．对系统内外的 噪声干扰信号形成低阻抗旁路，因此抗干扰能力强，共模抑制比高， 不受磁场影响，特别是用于长线传输时作为终端负载，可以大大地提 高信噪比。
(3)光电耦合器可以耦合零到数千赫的信号，且响应速度快(一般为几 毫秒，甚至少10ns)，可以用于高速信号的传输。
光电藕合器是把发光元件与受光元件封装在一起，以光作为媒介
来传输信息的。其封装形式有管形、双列直插式、光导纤维连接等。 发光器件一般为砷化嫁红外发光二极管。图4—28所示为几种主要光电 耦合器类型。
开关信号的接口技术
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光电耦合器具的特点：
(1)信号采取光一电形式耦合，发光部分与受光部分无电气回路、绝 缘电阻高达1010—1012欧姆，绝缘电压为1000一5000V，因而具有极高 的电气隔离性能，避免输出端与输入端之间可能产生的反馈和干扰。
信号处理技术
二、 采样定理
1 采样信号的频谱
采样过程是将采样 脉冲序列p(t)与信 号x(t)相乘来．
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采样定理
2.频混现象
频域解释
时域解释
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采样定理
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3.采样定理
为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信息， 信号采样频率必须至少为原信号中最高频率成分的2倍。 这是采样的基本法则，称为采样定理。
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F
ey
(C
Kq Cf )
KC f
If
KC f (C C f )
q
then
ey Cf
+
信号放大电路
5 电桥 1）直流电桥 ●平衡条件
1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到 显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还 要进行阻抗变换。
2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需 要去掉噪声，提高信噪比。
3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感 器测量信进行调制解调处理。
信号调理
二、 信号放大
1 目的
同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特 点，广泛用于前置放大级。
信号放大电路
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3 交流放大电路
若只需要放大交流信号，可采用图示的集成运放交流电 压同相放大器。其中电容C1、C2及C3为隔直电容。
Av
1
RF R1
R1一般取几十千欧。耦合电容C1、C3可根据交流放大 器的下限频率fL来确定。
1、A/D转换
1) A/D转换过程
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采样――利用采样脉冲序列p(t)，从连续时间信号x(t)中 抽取一系列离散样值，使之成为采样信号x(nTs)的过程．
量化――把采样信号x（nTs）经过舍入变为只有有限个有 效数字的数，这一过程称为量化．
编码――将离散幅值经过量化以后变为二进制数字的过程。
1屏蔽的分类 屏蔽这种方法对防止以“场”形式耦合的干扰是十分有效 的，因此根据场的性质不同，屏蔽可分为电场屏蔽及电磁场屏蔽。
(1)电场屏蔽：由静电学知道，处于静电平衡状态下的导体内部各点都是 等电位的，即导体内部无电力线。利用金属导体的这一性质，加上接地措 施，则静电场的电力线就在接地的金属导体处中断，起到隔离电场的作用， 需要强调的是静电屏蔽罩必须接地。
开关量信号的输出
开关信号输出的电气隔离
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开关量信号的输出
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开关信号输出的电气隔离
当被控设备远离单片机时，光电隔离接口电路设计如图4—30所示。该 电路为电流环发送和接受电路，可以极大地提高系统的抗干扰性能， 最大传输距离可达900m，传输速率可达 50Kb／s，但必须保证传输线 中环路连线电阻＜30欧姆，当该阻值过大时，l00欧姆的限流电阻相应 减小。
开关量信号的输出
开关信号输出的驱动电路
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开关量信号的输出
开关信号输出的驱动电路
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开关量信号的输出
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开关量信号的输出
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一、 信号调理的目的
信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。
指完成一次转换所用的时间，如:100ms(10Hz)；
10us(100kHz)
• (4) 模拟信号的输入范围;
•
如，5V， +/-5V，10V，+/-10V等。
模数(A/D)和数模(D/A)
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2、D/A转换过程和原理
1) D/A转换过程 D/A转换器是把数字信号转换为电压或电流信号的装置。
模数(A/D)和数模(D/A)
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2) A/D转换器的技术指标
• (1) 分辨率;
•
用输出二进制数码的位数表示。位数越多，量化误差越小，
分辨力越高。常用有8位、10位、12位、16位等。
• (2) 转换精度;
•
转换精度=量程/(A／D转换器的分辨力*0.5)
• (3) 转换速度;
•
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(2)电磁场屏蔽：电磁场屏蔽是采用导电良好的金属材料做成屏蔽层， 利用高频电磁场对屏蔽金属的作用，在屏蔽金属表面产生电涡流，由电涡 流产生的磁场抵消或减弱干扰磁场的影响、从而达到屏蔽的效果。一般所 谓的屏蔽多数是指电磁屏蔽，电磁屏蔽主要用来防止高频电磁场的影响， 对于低频磁场干扰的屏蔽效果是非常小的。基于电涡流反磁场作用的电磁 屏蔽．从原理上讲与屏蔽体是否接地无关，但在一般应用中屏蔽体都是接 他的，目的是让屏蔽体兼作静电屏蔽之用。考虑到高频集肤效应，电涡流 仅流过屏蔽层的表面一层，因此屏蔽层的厚度只需考虑机械强度就可以了， 当必须在屏蔽层上开孔与槽时要注意孔、槽的位置和方向，应尽量不影响 电涡流的形成途径，以免影响屏蔽效果。
采样保持动作由两种模式构成；一种是采样模式，即采样保持的输出 跟踪输入值；另一种是保持模式，即保持输出值。
信号采样
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二、 采样保持
在采样模式中，从保持模式移到采样模式的瞬间，输入值和输出值不 一样，需经过一段时间，两值才能达到一致，这就是滞后现象，如图3— 34所示，图中Ts表示开关滞后，TA表示稳定时间。进入跟踪状态后，一 转换到保持模式、这时的输入值便被保持，这种场合伴有各种误差。
1 滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）
实验
低通
带通
高通
带阻
信号抗干扰措施 三、 信号的滤波
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5 RC无源滤波器
在测试系统中，常用RC滤波器。因为这一领域中信号频 率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干扰强，有 较好的低频性能，并且选用标准阻容元件 。
R1R3 R2R4
d V
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2）交流电桥
●平衡条件 ~
Z1Z3 Z2Z4
1 3 2 4
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R1 R3
R2 R4
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R1
R2
U
R4
R3
E
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三、 信号的滤波
滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定 频率成分通过，而极大地衰减其他频率成 分．
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信号接口技术
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开关输入信号的电气隔离 在机电一体化系统中，机械开关信号一般为强电信号，需要把强
电部分与弱电的微机系统在电气上隔离开来，最常用的是使用光电藕 合。图4—25所示为开关量输入信号的光电隔离电路。R1、R2分别为 限流电阻。
开关量信号的输入
1) 一阶RC低通滤波器
信号抗干扰措施 — 滤波
2) 一阶RC高通滤波器
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3) RC带通滤波器
可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联
信号抗干扰措施 — 屏蔽
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屏蔽是模拟传输中抑制干扰的重要手段，屏蔽的意义既包含了屏蔽干
扰源，又包含了屏蔽接收体。屏蔽设施的实现，可以利用铜或铝等低阻材 料或者用磁性材料做成的容器将需要屏蔽的部分包起来，以防电或磁的相 互感应。
信号放大目的
幅度增加
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(1)抗干扰; (2)阻抗匹配
2 分类
放大器
直流放大器 交流放大器 电荷放大器 电桥
时间域
频率域
幅度增大 低频保留,高频截止
幅度增大 高频保留,低频截止
电荷增大
△Z V
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2 直流放大电路 1) 反相放大器
反相放大器是最基本的电路，
开关量信号的输入
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根据安全标准，系统的限位开关 须接成常闭状态。当工作台的运 动超过其物理有效行程将使限位 开关打开。限位开关输入信号的 有效电平可以通过主机命令进行 选择。原点开关为常开状态。
开关量信号的输出
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欧姆龙可编程控制器的晶体管输出电华中路科技大学机械学院
电磁屏蔽对于低频磁通干扰的屏蔽效果是比较差的，因此在低频磁通
干扰时，要采用高导磁材料作屏蔽层，以便将干扰磁通限制在磁阻很小的 磁屏蔽体的内部．防止其干扰作用。为了有效地进行低频磁屏蔽，屏蔽层 材料要选用诸如坡莫合金之类对低磁通密度有高导磁率的铁磁材料，同时 要有一定的厚度，以减少磁阻。由铁氧体压制成的罐状磁芯可作为磁屏蔽 使用，并可以把它和电磁屏蔽导体一同使用。为了提高屏蔽效果，可采用 多层屏蔽。第一层用低导磁率的铁磁材料，使场强降低，第二层用高导磁 铁磁材料，以充分发挥其屏蔽作用。
fs＞2fmax
需要注意的是，在对信号进行采样时，满足了采样定理，只能保 证不发生频率混叠，只能保证对信号的频谱作逆傅立叶变换时， 可以完全变换为原时域采样信号xs(t)，而不能保证此时的采样 信号能真实地反映原信号x(t)。工程实际中采样频率通常大于信 号中最高频率成分的3到5倍。
信号抗干扰措施 —光藕
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光藕合器抗干扰 使用光藕合器切断地环路电流干扰是十分有效的。 其原理图见图3—44。由于两个电路之间采用光束来藕合，所以能将两个 电路的地电位完全隔离，这样两电路的地电位即使不同也不会造成干扰， 这对数字电路尤为重要。
信号处理技术 一、 模数(A/D)和数模(D/A)
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欧姆龙可编程控制器的输入电路 华中科技大学机械学院
开关信号的接口技术
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开关信号的去抖处理 在机电一体化系统中，经常要使用按钮开关、搬钮开关、多位开
关、接触器、继电器等。它们常常是开关量的输入源。由于这类开关 大都是机械开关，当开关触点闭合时，在达到稳定之前会产生短暂的 抖动，弹跳抖动的时间一般可达数毫秒。如图4—26所示。
其闭环电压增益Av为:
Av
RF R1
反馈电阻RF值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂 移，一般为几十千欧至几百千欧。R1的取值应远大于 信号源Ui的内阻。
烟雾报警器
酒精传感器
二氧化碳传感器
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信号放大电路
2)同相放大器
同相放大器也是最基本的电 路 ，其闭环电压增益Av为:
Av
1
RF R1
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非”门组成的RS触发器，开关K在常开状态下．输出为l，一旦开关K 闭合、则在刚一闭合的瞬间，RS触发器翻转，输出为0，此时，虽然开 关要抖动几次，但不会影响触发器的输出。
开关信号的接口技术
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光电隔离技术 为了避免外部设备的电源干扰，防止被控对象电路的强电反窜，
通常采取将微机的前后向通道与被连模块在电气上隔离的方法。过去 常用隔离变压器或中间继电器来实现，而目前已广泛被性能高、价格 低的光电耦合器来代替。
2) D/A转换器的技术指标
• (1) 分辨率; • (2) 转换精度; • (3) 转换速度; • (4) 模拟信号的输出范围;
模数(A/D)和数模(D/A)
A/D、D/A转换过程中的量化误差实验：
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信号采样
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二、 采样保持
采样保持是利用切断电容器的输入后，电容器能保持其原有电压值的 原理实现的(图3—33)。
开关信号的接口技术
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开关信号的去抖处理 微机对开关信号采样时，必须消除这种抖动，否则会造成错误采
样。消除抖动的方法可从软件和硬件上着手。 软件的方法是经过一段延时后再读入信号，若两个采样值不同、
则继续采样，直到两个采样值相同，延迟时间应比抖动周期长。 硬件的方法是在接口电路中加“‘防抖动电路，图中是由2个“与
(2)由于发光二极管是电流驱动器件，动态电阻很小．对系统内外的 噪声干扰信号形成低阻抗旁路，因此抗干扰能力强，共模抑制比高， 不受磁场影响，特别是用于长线传输时作为终端负载，可以大大地提 高信噪比。
(3)光电耦合器可以耦合零到数千赫的信号，且响应速度快(一般为几 毫秒，甚至少10ns)，可以用于高速信号的传输。
光电藕合器是把发光元件与受光元件封装在一起，以光作为媒介
来传输信息的。其封装形式有管形、双列直插式、光导纤维连接等。 发光器件一般为砷化嫁红外发光二极管。图4—28所示为几种主要光电 耦合器类型。
开关信号的接口技术
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光电耦合器具的特点：
(1)信号采取光一电形式耦合，发光部分与受光部分无电气回路、绝 缘电阻高达1010—1012欧姆，绝缘电压为1000一5000V，因而具有极高 的电气隔离性能，避免输出端与输入端之间可能产生的反馈和干扰。
信号处理技术
二、 采样定理
1 采样信号的频谱
采样过程是将采样 脉冲序列p(t)与信 号x(t)相乘来．
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采样定理
2.频混现象
频域解释
时域解释
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采样定理
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3.采样定理
为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信息， 信号采样频率必须至少为原信号中最高频率成分的2倍。 这是采样的基本法则，称为采样定理。