第三章 常见模拟量信号的检测方法

工作波形如图 3.8 所示。例如测量脉冲宽度， 只需要接入一个信号，将触发电平设置为 50%的脉 冲幅度，触发极性在起始触发一路中设置为上升沿， 在结束触发一路中设置为下降沿，则在上升沿、脉 冲幅度50% 电平处开始计数，在下降沿、脉冲幅度 50% 电平处结束计数，所计时标数为脉冲宽度所经 历的时间。
第三章 常见模拟量信号的检测方法
3.1 概 述
3.2 电压类信号的检测
3.3 电流类信号的检测
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3.4 相位型信号的检测
3.5 时间信号的检测
3.6 频率信号的检测
3.7 电阻信号的检测 3.8电容信号的检测
3.1 概述
智能仪器中起控制作用的微处理器所处理的 信号是二进制的数字信号，但物理世界中大量的
3.5 时间型信号的检测
1)定义
时间型信号的检测又称为时间间隔的测量，它 可以包括一个周期信号波形上，同相位两点间的时 间间隔；也可以包括同一信号波形上两个不同点之 间的时间间隔；还可以包括两个信号波形上，两点 之间的时间间隔。
一个周期信号波形上，同相位两点间的时间间 隔的测量其实就是波形周期的测量，而上一节中相 位差的测量也是两个信号波形上，两点之间的时间 间隔测量的一种情况，只不过是要将计算的时间距 离差值通过信号角频率换算为相位差。
3.6 频率及周期型信号的检测
1)频率及周期型信号的特点
由于频率和周期互成倒数关系，对于智能检测系统来 说，计算倒数之类问题不需要作为主要问题考虑，主要考 虑测量精度要高，电路尽可能要简单。使用电子计数器可 以直接按照f=N/T所表达的频率的定义进行测量，考虑到电 子计数器在计数时必然存在的±1误差，测量低频信号时不 宜采用直接测频的方法，否则±1误差带来的影响比较显著 甚至会很惊人。此时可以改为先测量信号的周期，然后计 算其倒数得到频率值，称之为测周的方法。测周的方法同 样不具有普遍的适用性，它可以用在测量较低频率的信号， 而不适用在测量较高频率信号的场合。
3)利用智能仪器的特点进行测量的方法
在智能仪器中 ，可以将 被测信号经电平转换变为电 平适合于微处理器处理的信 号，如果待测时间适合微处 理器的定时器处理，可直接 利用微处理器的定时器求得。 如图 3.9 的电路可以用查询的 方式采样电平求取时间：在 信号的上升沿启动内部定时 器，在信号的下降沿关闭定 时器，最后用定时器的计数 值和时基确定所求的时间值。
2)基本方法
时间间隔的基本测量模式如 图所示，两个独立的输入通 道（ B 和 C ）可分别设置触发 电平和触发极性（触发沿）。 输入通道B为起始通道，用来 开通主门，而来自输入通道C 的信号为计数器的终止信号， 计数脉冲（时标）通过主门 计数。 这种测量模式有两种工作方式：当跨接于两个输入端的选 择开关S断开时，两个通道是完全独立的，来自两个信号源的信 号分别作为起始触发和结束触发控制主门的开闭，来控制计数 器工作；当S闭合时，两个输入端并联，仅一个信号加到计数器， 但可独立地选择触发电平和触发极性的设置，以完成起始和结 束控制的功能。
这种方法是借助数据采 集来完成的，其精度受 采样点数和采样频率的 限制，但在需要同步采 样的场合可以兼而求得， 如 图 3. 5b 为 一 种 对 相 位信号进行检测的采集 电 路 ， 图 中 SHA 为 采 样 保 持 放 大 器 ， AD 为 A/D 转换器，μ P为微处理 器。
2）过零比较器法
4）通用频率计（计数器）的一般电路
图 3.14 为一个通用频率计或计数器的基本电路示意图，该方案 可测频率也可测周期，也可做计数器，通过键盘选择，显示用 数码管显示。可预置数高速分频器由 I/O1 口控制；程控放大、 衰减电路由 I/O2 口控制；键盘及显示由微处理器的 I/O3 控制； 操作指令由键盘人工给定。输入信号经放大、衰减、滤波及整 形电路后先通过可预置数的高速分频器再进入微处理器的 T1 和 INT1 的并联口，在检测时微处理器用试探法初步判断信号频率 的高低，然后决定是用测频法还是用测周法求出频率或周期。
2)自动分档测量方法
在自动测试系统中一般以 电流信号的最大值确定所 需电阻，如最大值为 100mA ， A/D 的输入最大值为 10V ， 可 选 电 阻 为 0.1KΩ ， 如 果 将自动量程分为四个档位， 可用 4 个 25 欧的电阻串联， 通过模拟开关引出不同的 信号，电路如图 3.4 所示， 图中运算放大器起输入缓 冲作用。这种方法对于直 流电流和交流电流的测量 都适用。
1）对电压测量的基本要求 频率范围宽：被测电压的频率可以是直流、超低频、低 频、高频或超高频，其频率范围为 0HZ到几百 MHZ，甚至 达到GHZ量级。 电压测量范围广：被测电压值可以小到微伏，甚至毫微 伏级，而大到几千伏，几十千伏。 输入阻抗高：电子测量仪器的输入阻抗就是被测电路的 额外负载，为了使仪器接入电路时，尽量减小它的影响， 要求仪器具有高的输入阻抗。 测量准确度高：由于电压测量的基准是直流标准电池， 同时，在直流测量中，各种分布性参量的影响极小，直 流电压的测量可获得极高的准确度。 抗干扰能力强：当测量仪器工作在高灵敏度时，干扰会 引入测量误差，故要有高的抗干扰能力。 返 回 上 页 下 页
图3.11为基本的频率测量电路，适合于测量频率适中的 频率量，将被测信号Vf经过放大、衰减、滤波及整形电路后 变成一个标准的TTL信号，直接加在微处理器的计数端，用 被测脉冲作为时钟触发微处理器内部计数器进行计数，微处 理器内部另设一个定时器，在规定的时间根据计数数目，求 得被测信号的频率，设规定时间为T0，计数器的计数值为N， 则被测信号的频率为f，则：F=N/T0（Hz）。
(3)有效值U定义：该交流电压在一个周期内通过某纯阻负载 所产生的热量与一个直流电压在同样条件下产生的热量相 等时，该直流电压的数值。
(4)波形因数 (5)波峰因数 交流电压的波峰因数定义为该电压的峰值与有效值之比。
交流电压的波形因素定义为该电压的有效值与平均值之比。
进行交流/直流变换，必须首先知道变换电路的输出与被 测交流电压大小的关系，根据上述交流电压的三种表征，分 别有峰值响应、平均值响应和有效值响应三种检波器电路， 对应能够得到交流电压的峰值、平均值、有效值的数值。
以有效值为例，可以采用热电变换和模拟计算电路两种方 法来实现其测量。热电变换就是根据有效值的定义，将交流 电压通过某纯阻负载所产生的热量通过热电偶变换为直流信 号。模拟计算可以采用图3.2的电路进行计算。
3.3
电流信号的检测
1)传统的手动分档测量方法 测量电流的基本原 理是将被测电流通 过已知电阻（取样 电阻），在其两端 产生电压，这个电 压与被测电流成正 比。
3.7 电阻型信号的检测
1）恒流法测电阻
测量电阻的最简单的方法是根据欧姆定理利用一个恒 定电流通过电阻先变成电压再求之。图3.15为恒流法测电 阻的基本电路， Rx 为被测电阻， Ic 是已知的恒流源。图 3.16为常见的恒流源产生电路之一，图中Ve为基准电压源， Ro为标准电阻，Tc为流过负载的电流，
当被测信号的频率较高时，如 f>20MHZ ，有可能单片 机的速度不能支持计数器正常工作，此时可采用图3.12电 路，将被测信号经过一个针对高频信号设计的放大、衰减、 滤波及整形电路后，先进入一个高速分频器（如10分频） 后在进入单片机计数端，选择合适得分频数可处理较高的 频率信号。
3）周期测量基本电路 当被测信号频率较低时，如果还测其频率不 但刷新时间长而且测量精度也将变低，比如 50HZ 的频率在 1 秒钟只能计 50 个数，按 1 秒的刷新一次 的设置其测试精度只有±1HZ。所以当被测信号的 频率较低时我们应该反过来测信号的周期。这样 才能提高测量精度和刷新频率。 无论要得到频率值还是周期值，都可以遵循 高频则测频率，低频则测周期的原则，这样做的 结果是不管被测信号在什么频段内都可以达到要 求的测量精度。
频率量和周期量是数字脉冲型信号，其幅值的 大小与被测值无关，但幅值过小达不到 TTL 电平时 微处理器将不能识别，幅值过大时又会损伤测量电 路，所以该类信号也要有前置放大及衰减电路，以 使测量仪器具有较宽的适应性，此外被测型号也可 能带有一定的干扰信号，因此加适当的低通滤波也 是必需的。
2）频率测量基本电路
3.4 相位型信号的检测
在检测系统中相位定义为同频的两路信号之间的相位 之差，严格来讲是指两路正弦信号的相位差，但如果是方 波、三角波等均匀波形时也可求其基波的相位差。 1)软件分析法 如图3. 5a所示，假如被测信号是不含直流分量的标 准的正弦波X1和X2，用同步采样的方法将两路信号量化， 对其进行分析，求得X1的两个同类过零点、求得X2的一个 同类过零点（这里同类过零点是指都是由正到负或都是由 负到正的过零点），由采样频率和采样点数通过X1的两个 同类过零点求得信号的周期 T ，通过X1的过零点与 X2的过 零点之间的时间差Δ T。
设X1、X2为不含直流分量得正弦波或三角波，将X1、X2分 别经过两个过零比较器变为方波，利用两个方波的上升沿或下 降沿的时间差和其中一个方波的周期可求得相位，算法如上。 图3. 6a为用中断法通过过零比较器输出的下降沿求相位的电路， 所采用运算放大器无特殊要求。
过零比较器的整 形过程见图 3.6b 。这 里要求单片机内部定 时器的计数频率与被 测信号频率相比足够 高，例如相位测试分 辨率为 0.1º，定时器 的时钟频率应为被测 信号频率的3600倍。
信号都是连续变化的模拟量，智能仪器能够对它
们进行处理的前提，先要能把模拟信号变换为数 字信号，完成这种变换的电路叫模-数变换器 （A/D变换器，简称ADC）。
对于常见的各类 A/D 变换器，尽管工作的方式 有很大的差异，都能够完成将直流电压信号变换为
数字信号的功能，因此各类模拟量信号只要能够通
过某种方式变换为电压信号，就可以进而变换为数
字信号送到智能仪器中进行处理。其一般原理框图
如下图所示：
3.2 电压类信号的检测
从测量的观点看，测量的主要参量是电压， 因为在标准电阻两端若测出电压值，那么就可通 过计算求得电流与功率，此外，包括测量仪器在 内的电子设备，它们的许多工作特性均可视为电 压的派生量，如调幅度、非线性失真系数等，可 以说，电压测量是其它许多电参量，也包括非电 参量的基础。
图3.3为一种用数字电压表分档测量直流电 流的基本电路，该电路将输入电流分为 20A 、 200mA 、 20mA 、 2mA 四 个 量 程 ， 转 换 电 阻 用 0.01Ω 、 0.99Ω 、 9Ω 、 90Ω 四个电阻串连，将 四种量程的电流接入电路的不同点，使得每种 量 程 的 电 流 在 满 量 程 时 得 到 的 电 压 都 是 0.2V （尽量选取数字电压表电压量程的最低档，以 便做到尽可能小的电流测量的内阻），从而用 0.2V 的数字电压表配合不同的显示单位及小数 点位置指示被测电流的大小。这种方法是数字 多用表常用的测量方法。
图 3.13 为测量周期的基本电路，信号 Vt 经过放大、 衰减、滤波及整形电路后变为TTL电平Vt1，然后Vt1再经过 2 分频变为 50% 占空比的对称方波 Vt2，Vt2接入微处理器的 中断口如INT1时，VT2的正脉冲宽度正好是被测信号的周期 值，微处理器可用 INT1 上升沿启动内部计数器开始计数， 再用 INT1下降沿结束计数器，由此计算被测信号周期，设 内部计数器时钟周期为Tc，计数值为N，则被测信号的周期。 如果要得到被测信号的频率求其倒数图3.13 较低频频率测 量电路即可。
2)交流电压的测量
电压类信号又可分为直流电压和交流电压两类，比较简便 的方法是将直流电压和交流电压分别对待，对直流电压直 接处理，对交流电压，依据不同的响应变换为直流电压再 进行处理。 一个交流电压的大小，可以用它的峰值 ，平均值，有效值 及波形因数、波峰因数来表征。 (1) 峰值定义：任何一个交变电压在所观测的时间或一个周 期内，其电压所能达到的最大值。 (2) 平均值定义：数学上的定义为： , 期。 T为该交流电压的周