信号采集与处理

放大器
信号放大电路
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， 反相放大器是最基本的电路， RF 其闭环电压增益Av Av为 其闭环电压增益Av为:
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Av = −
R1
反馈电阻RF值不能太大， 反馈电阻RF值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂 RF值不能太大 一般为几十千欧至几百千欧。R1的取值应远大于 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。 Ui的内阻 信号源Ui的内阻。
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， 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。 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、 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。 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 “‘防抖动电路 硬件的方法是在接口电路中加“‘防抖动电路，图中是由 个“与 触发器， 在常开状态下． 非”门组成的RS触发器，开关 在常开状态下．输出为 ，一旦开关 门组成的 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， 触发器翻转 输出为0，此时， 触发器翻转， 闭合、则在刚一闭合的瞬间，RS触发器翻转，输出为 ，此时，虽然开 关要抖动几次，但不会影响触发器的输出。 关要抖动几次，但不会影响触发器的输出。
一阶RC RC低通滤波器 1) 一阶RC低通滤Baidu Nhomakorabea器
信号抗干扰措施 — 滤波
一阶RC RC高通滤波器 2) 一阶RC高通滤波器
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3) RC带通滤波器 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， 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， 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。 互感应。 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 屏蔽的分类 屏蔽这种方法对防止以“ 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。 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 电场屏蔽： 电场屏蔽 由静电学知道， 等电位的，即导体内部无电力线。利用金属导体的这一性质， 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 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， 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。 需要强调的是静电屏蔽罩必须接地。
+
F
信号放大电路
5 电桥 1）直流电桥 ●平衡条件
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V
R1 R3 = R2 R4
信号放大电路
2）交流电桥 ●平衡条件
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~
Z1Z 3 = Z 2 Z 4 φ1 + φ3 = φ2 + φ 4
信号放大电路
应变片的粘贴
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R1
R2 U
R1 R3
R4 E
R3
R2 R4
信号抗干扰措施 三、 信号的滤波
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滤波器是一种选频装置， 滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定 频率成分通过， 频率成分通过，而极大地衰减其他频率成 分． 滤波器分类（根据滤波器的选频作用分） 1 滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）
低通 带通
实验
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
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RC无源滤波器 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 在测试系统中， 常用RC滤波器。 RC 滤波器 率相对来说不高。 RC滤波器电路简单 抗干扰强， 滤波器电路简单， 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， 较好的低频性能，并且选用标准阻容元件 。
C1 = C3 = (3 ~ 10) /( 2πRL f L )
信号放大电路
4 电荷放大器
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q ≈ ei (C a + C c + C i ) + (ei − e y )C f
− Kq ey = (C + C f ) + KC f
If then KC f 〉〉 (C + C f ) ey ≈ −q Cf
开关量信号的输入
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欧姆龙可编程控制器的输入电路
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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、 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 接触器、继电器等。它们常常是开关量的输入源。 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 大都是机械开关，当开关触点闭合时， 抖动，弹跳抖动的时间一般可达数毫秒。如图4—26所示。 所示。 抖动，弹跳抖动的时间一般可达数毫秒。如图 所示
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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华中科技大学机械学院 欧姆龙可编程控制器的晶体管输出电路
烟雾报警器
酒精传感器
二氧化碳传感器
信号放大电路
2)同相放大器 2)同相放大器 同相放大器也是最基本的电 其闭环电压增益Av Av为 路 ，其闭环电压增益Av为:
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RF Av = 1 + R1
同相放大器具有输入阻抗非常高， 同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特 广泛用于前置放大级。 点，广泛用于前置放大级。
信号抗干扰措施 — 屏蔽
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 所示。 当被控设备远离单片机时，光电隔离接口电路设计如图 所示 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， 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 最大传输距离可达 ， ／， 中环路连线电阻＜ 欧姆 当该阻值过大时， 欧姆的限流电阻相应 欧姆， 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。 减小。
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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， 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 电部分与弱电的微机系统在电气上隔离开来， 所示为开关量输入信号的光电隔离电路。 、 分别为 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 所示为开关量输入信号的光电隔离电路 限流电阻。 限流电阻。
信号调理 二、 信号放大
1 目的
信号放大目的 幅度增加
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(1)抗干扰; (1)抗干扰; 抗干扰 (2)阻抗匹配 (2)阻抗匹配
2 分类
直流放大器 交流放大器 电荷放大器 电桥
时间域 幅度增大 幅度增大 电荷增大 △Z V
频率域 低频保留, 低频保留,高频截止 高频保留, 高频保留,低频截止
开关信号的接口技术
光电耦合器具的特点： 光电耦合器具的特点：
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(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 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、 信号采取光一电形式耦合 缘电阻高达10 欧姆，绝缘电压为1000一5000V，因而具有极高 缘电阻高达 10—1012欧姆，绝缘电压为 一 ， 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。 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。 (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 由于发光二极管是电流驱动器件，动态电阻很小． 由于发光二极管是电流驱动器件 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， 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 不受磁场影响，特别是用于长线传输时作为终端负载， 高信噪比。 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 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 光电耦合器可以耦合零到数千赫的信号 毫秒，甚至少10ns)，可以用于高速信号的传输。 毫秒，甚至少 ，可以用于高速信号的传输。
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， 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 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。 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 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、 低的光电耦合器来代替。 低的光电耦合器来代替。 光电藕合器是把发光元件与受光元件封装在一起， 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。 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。 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 所示为几种主要光电 耦合器类型。 耦合器类型。
信号放大电路
3 交流放大电路
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若只需要放大交流信号， 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 C1、 为隔直电容。 压同相放大器。其中电容C1、C2及C3为隔直电容。
RF Av = 1 + R1
R1一般取几十千欧。耦合电容C1、C3可根据交流放大 R1一般取几十千欧。耦合电容C1、C3可根据交流放大 一般取几十千欧 C1 器的下限频率fL来确定。 fL来确定 器的下限频率fL来确定。
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 一、 信号调理的目的
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信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。 信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。 传感器输出的电信号很微弱， 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， 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， 2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需 有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声 要去掉噪声，提高信噪比。 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 3.某些场合，为便于信号的远距离传输， 某些场合 器测量信进行调制解调处理。 器测量信进行调制解调处理。