第三章信号调理与转换

1. 数据采集
2. 信 号 分 类 3. 模 拟 信 号
ξ2-1 概述 计算机的数据采集
§3.2 模拟输入 §3.3 信号调理 §3.4 A/D转换 §3.5 模拟输出
模拟输入/输出
On
Off
数字输入/输出
ADC DAC
1-
结束返回
digital cntr/ timer
0 时钟输入/输出
DAQ Board
传感器 传感器
信号调理 信号调理
传感器
信号调理
模 拟 多 路 切 换 器
采样/保 持器
A/D 转 换器
计 算 机
控制 逻 辑
结束返回
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Temp 结束返回 Pressure
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1. 基 本 类 型
2. 传 感 器 选 用
二、传感器的选用
1、大信号输出传感器，可直接与A/D配套使用，例如磁电式位 移、速度传感器； 2、数字式传感器，一般为开关量或频率参量，例如接近开关 、流量计、转速传感器等；
3、集成传感器，传感器与信号条理电路一体化，例如荷重传
感器、扭矩传感器等；
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4、光纤传感器，信号的拾取、变换、传输全部通过光导纤维 来实现。
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1. 基 本 类 型
2. 传 感 器 选 用
集中采集式（集中式）
§3.2 模拟输入 §3.3 信号调理 §3.4 A/D转换 §3.5 模拟输出
传感器
信号调理
计
传感器 信号调理 采样/ 保持器 A/D 转换器 算 机 A/D 转换器 控制 逻 辑
传感器
结束返回
信号调理
采样/ 保持器
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1. 调 理 任 务
2. 滤 波 器
3. 模拟信号调理
ξ2-3 信号的调理
一、信号调理的任务
§3.2 模拟输入 §3.3 信号调理 §3.4 A/D转换 §3.5 模拟输出
ξ2-4 A/D转换
1、转换原理-----------渐次逼近法 电压比较器 外部电压输入
§3.2 模拟输入 §3.3 信号调理 §3.4 A/D转换 §3.5 模拟输出
D/A转换器
转换数据输出
数码设定器
控制器
例：8位A/D转换器，模拟输入电压U i =163mv，求转换数据。 逼近过程：采用2 i mv（I =7,6,5,4,3,2,1,0）8个标准电压依次类加法
1、前置放大功能：由于传感器转换的电信号非常微弱，传 输过程中易于受干扰，所以首先进行放大，然后再进行传 输和滤波等其他环节。
2、滤波功能：滤波的目的是将非测量频率段的干扰信号电 平极大衰减，从而保证较大的信噪比。
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§3.2 模拟输入 §3.3 信号调理 §3.4 A/D转换 §3.5 模拟输出
电流输入/输出
电流与电压的转换; 隔离，放大，噪声滤波
热敏电阻
激励电源 隔离，放大，噪声滤波
数据采集 A/D
热电偶
结束返回
隔离，放大，噪声滤波 冷端补偿
应变片
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激励电压，电桥电路 隔离，放大，噪声滤波
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Demo
1. 基 本 类 型
2. 传 感 器 选 用
概 念
§3.2 模拟输入 §3.3 信号调理 §3.4 A/D转换 §3.5 模拟输出
1、传感器：将非电量信号转变成电信号； 2、信号调理：对信号进行放大、滤波、零点校正、线性化 处理、温度补偿、误差修正和量程切换等； 3、模数转换：将模拟信号转换成数字信号； 4、计算机：对所接收的数字信号进行处理、计算、及对外 控制等。
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1. 转换原理 2. 位数与分辨率 3. 转换时间频率 4. 触发外延
5. 延迟 6. A/D板
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1. 基 本 类 型
2. 传 感 器 选 用
分散采集式（分布式）
采样/ 保持器 A/D 转换器
§3.2 模拟输入 §3.3 信号调理 §3.4 A/D转换 §3.5 模拟输出
开关信号 数字信号 脉冲信号
on 10-
off t 状态
速率 t
信号 静态信号
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0.985 t
幅值 曲线 t
模拟信号
动态信号
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1. 调 理 任 务
2. 滤 波 器
3. 模拟信号调理
二、滤波器
§3.2 模拟输入 §3.3 信号调理 §3.4 A/D转换 §3.5 模拟输出
低通滤波器：低频信号通过，衰减高频信号； 滤波器带通滤波器：设定频带内信号通过，衰减其余频带信号； 高通滤波器：高频信号通过，衰减低频信号。
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1. 数据采集
2. 信 号 分 类 3. 模 拟 信 号
信号分类 根据信号所传递的信息进行分类
§3.2 模拟输入 §3.3 信号调理 §3.4 A/D转换 §3.5 模拟输出
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1. 基 本 类 型
2. 传 感 器 选 用
ξ2-2 模拟输入通道 一、基本类型与组织结构
Battery
§3.2 模拟输入 §3.3 信号调理 §3.4 A/D转换 §3.5 模拟输出
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Advanced Measuring&Testing in Mechanical Engineering
现代工程测试与数据处理
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1. 转换原理 2. 位数与分辨率 3. 转换时间频率 4. 触发外延
5. 延迟 6. A/D板
设定: 比较： 比较结果 转换数据
2 7+ 2 5 + 2 3 168 > 2 7+ 2 5
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1. 基 本 类 型
2. 传 感 器 选 用
（二）、可用的传感器类型
§3.1 概 述 §3.2 模拟输入 §3.3 信号调理 §3.4 A/D转换 §3.5 模拟输出
1. 数据采集
2. 信 号 分 类 3. 模 拟 信 号
二、模拟信号的分类
§3.2 模拟输入 §3.3 信号调理 §3.4 A/D转换 §3.5 模拟输出
周期信号 确定性信号
简谐信号
复杂周期信号 准 周 期 信号
试 验 信 号 随机信号
非周期信号
瞬态信号
各态历经
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非 各 态 历经
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1. 调 理 任 务
2. 滤 波 器
3. 模拟信号调理
三、模拟信号调理
低电压信号
隔离放大 噪声滤波 ±5V, or ±10V, or 0~10V
1. 基 本 类 型
2. 传 感 器 选 用
多通道采集
§3.2 模拟输入 §3.3 信号调理 §3.4 A/D转换 §3.5 模拟输出
采集模式
Battery 1
通道设置
• • • • • 扫描顺序 增益 范围 单端/差分输入 单极/双极
连续扫描 同步采样 间隔扫描
Battery 2 Strain gauge 1 Strain gauge 2
§3.2 模拟输入 §3.3 信号调理 §3.4 A/D转换 §3.5 模拟输出
第三章 信号调理与转换
王书茂
工学院机电工程系
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电话：62736385
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Email: wangshumao@cau.edu.cn
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1. 调 理 任 务
2. 滤 波 器
3. 模拟信号调理
前端信号调理模块
§3.2 模拟输入 §3.3 信号调理 §3.4 A/D转换 §3.5 模拟输出
1. 基 本 类 型
2. 传 感 器 选 用
§3.2 模拟输入 §3.3 信号调理 §3.4 A/D转换 §3.5 模拟输出
传感器
信号调理
采样/ 保持器
传感器
信号调理
采样/ 保持器
模 拟 多 路 切 换 器
采样/ 保持器
A/D 转换器
计 算 机
控制 逻 辑
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静态信号
模拟信号
动态信号
Strain gauge
传感器
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模拟信号 调理
模数转换 （A/D）
模拟信号
计算机
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数码设定器设定（mv）： 设定比较电压（mv）：
27 12
2 7+ 2 6 192
2 7+ 0 + 2 5 160 < 2 7+ 2 5
2 7+ 2 5 + 2 4
176 > 2 7+ 2 5
与输入电压比较结果：
CAU
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8
< 27
>
2 7+ 0
转换数据输出值：
T
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（一）、技术要求
§3.2 模拟输入 §3.3 信号调理 §3.4 A/D转换 §3.5 模拟输出
1、能将被测量转换为电量，并保持被测量的特性不变； 2、转换精度符合要求，一般为总测量精度的十倍左右； 3、能满足被测介质和使用环境的特殊要求，其本身也具有优良 特性；
4、能满足用户对可靠性和可维护性的要求。
2 7+ 2 5 + 2 2 164 > 2 7+ 2 5
2 7+ 2 5 + 2 1 162 < 2 7+ 2 5+ 2 1
2 7+ 2 5 + 2 1 + 2 0 163 = 2 7+ 2 5+ 2 1+ 2 0
§3.2 模拟输入 §3.3 信号调理 §3.4 A/D转换 §3.5 模拟输出
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比较结果： 转换电压为 2 7 + 2 5 + 2 1 + 2 0 = 163 用二进制表示为：10100011 用十六进制表以为：A3 H 测量转换范围：8位 0~255，如果A/D电压输入0~255mv范围，可对应。 但A/D芯片的输入电压范围 为：0~1v，则0对应0，255对应1000mv 而A/D板的输入电压范围有多种，如 ±5 v, ±10 v, 0~10 v, 如何换算？ 利用电路得分压原理，将外部输入的电压最终分配在A/D芯片上仍为0~1 V 则对于 ± 5 v ： 0对应 –5v, 0~10 v ： 0对应 255对应 +5v ±10 v ： 0对应 –10v, 255对应 +10v