信号采集与处理

开关信号的接口技术
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。
(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。
信号采样 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。
信号处理技术 二、 采样定理
分辨率; 转换精度; 转换速度; 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：
信号采样 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)。 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。
开关量信号的输出
开关信号输出的驱动电路
开关量信号的输出
开关信号输出的驱动电路
开关量信号的输出
单片机输出通道接口方式
开关量信号的输出
单片机模拟输出接口方式
信号调理 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。 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。
信号放大电路
4 电荷放大器
q ei (C a Cc Ci ) (ei e y )C f
Kq ey (C C f ) KC f
If then KC f (C C f ) ey q Cf
+
F
信号放大电路
5 电桥 1）直流电桥 ●平衡条件
d V
R1 R3 R2 R4
1) A/D转换过程
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。
模数(A/D)和数模(D/A)
信号抗干扰措施 — 屏蔽
(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。
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。
开关信号的接口技术
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。
开关信号的接口技术
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 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。
(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。
开关量信号的输入
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。
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
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。 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。
信号调理 二、 信号放大
1 目的
信号放大目的 幅度增加 (1)抗干扰; (2)阻抗匹配
2 分类
直流放大器
时间域 幅度增大 幅度增大 电荷增大 △Z V
频率域 低频保留,高频截止 高频保留,低频截止
放大器
交流放大器
电荷放大器 电桥
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， RF 其闭环电压增益Av为:
• (3) 转换速度;
• (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)
Biblioteka Baidu2、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。
2) D/A转换器的技术指标
• • • •
(1) (2) (3) (4)
低通 带通
实验
高通
带阻
信号抗干扰措施 三、 信号的滤波
信号抗干扰措施 — 滤波
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 。
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
开关信号的接口技术
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。 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。
Av
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
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:
RF Av 1 R1
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。
信号接口技术
开关信号的接口技术
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
欧姆龙可编程控制器的输入电路
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)
指完成一次转换所用的时间，如:100ms(10Hz)； 10us(100kHz)
信号放大电路
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。
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 器的下限频率fL来确定。
C1 C3 (3 ~ 10) /(2RL f L )
信号放大电路
2）交流电桥 ●平衡条件
~
Z1Z 3 Z 2 Z 4 1 3 2 4
信号放大电路
应变片的粘贴
R1 R2 U R3 E
R1 R3
R4
R2 R4
信号抗干扰措施 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． 1 滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）
模数(A/D) 转换器选用举例
• 采集一个频率为20KHz的信号，要求要分辨到2mV电压， 信号电压的输入范围是0-5V，试根据下表确定A/D转换 器的型号
芯片型号 分辨率 转换时 间 模拟输入范围
ADC0809
AD574A AD 679
8位
12位 14位
100s
25s 10s
0-5V
0-10V, ±5V, 0-20V, ±10V 0-10V, ±5V
信号抗干扰措施 —光藕
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)
1、A/D转换
模数(A/D) 转换器选用举例
• • • • • • • • • 信号电压的输入范围是0-5V： ADC0809、AD574A、AD 679均可 信号频率为20KHz，周期为50s： 根据采样定理AD574A、AD 679均可 最小分辨电压 ADC0809：5/28=19.5mV AD574A：10/212=2.44mV AD 679：10/214=0.61mV 应该选AD 679
开关量信号的输出
欧姆龙可编程控制器的晶体管输出电路
开关量信号的输出
开关信号输出的电气隔离
开关量信号的输出
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。
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．
采样定理
2.频混现象
频域解释
时域解释
采样定理
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。
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。