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传感器技术-传感器的信号处理(学习笔记11)

传感器信号处理

  • 10.1 调制与解调
    • 10.1.1 调制和解调的概念
    • 10.1.2 幅值调制与幅值调制
    • 10.1.3 频率调节和频率调节
  • 10.2 信号的放大
    • 10.2.1 比例放大器
    • 10.2.2 电桥放大器
    • 10.2.3 线性放大器
    • 10.2.4 同相放大器交流电压
    • 10.2.5 测量放大器
    • 10.2.6 隔离放大器
信号之间的转换是信号处理,自然物理量通常转换为电、电、电到物理量。

在检测系统中,传感器将各种非电物理量信号转换为电信号,因为各种非电物理量信号非常弱,与其他信号混合,因此必须通过放大、过滤、干扰抑制、多路转换等信号检测和处理电路,然后将模拟信号的电压或电流输入A/D将转换器转换成数字信号,然后提供给计算机。当传感器与不同的系统连接时,需要满足系统的要求,因此需要转换传感器的信号。

10.1 调制与解调

10.1.1 调制和解调的概念

为了提高电路的抗干扰能力和信号的信噪比,在被测信号上叠加一个高频信号,将其从低频区推到高频区。 **通常以高频正弦信号或脉冲信号为载体,**该信号称为载波信号。用于改变载波信号的参数,如振幅、频率和相位,称为调制信号。调制后的载波信号称为调制信号,通常易于放大和传输。 **在信号调制中通常采用高频正弦信号作为载波信号。**正弦信号的三个要素是振幅值、频率和相位,分别调制这三个参数,称为调幅、调频和调相,**调制波形分别称为调幅波、调频波和调相波,**如图10-1所示。

调制过程包括以下三种: ① 当高频振荡幅度受缓变信号控制时,称为调幅AM表示,如图10-1(a)所示。 ② 当高频振荡频率受缓变信号控制时,称为调频FM表示,如图10-1(b)所示。 ③ 当高频振荡相位受缓变信号控制时,称为调相PM表示,如图10-1(c)所示。

从已调制的信号中提取反映测量值的测量信号,称为解调。解调是从放大和传输的高频信号中提取原始信号的过程,即解调是恢复原始信号。

在这里插入图片描述

10.1.2 幅值调制与幅值调制

振幅调制称为振幅调制,是指载波信号(简和谐信号)乘以调制信号(测试信号),使载波信号随调制信号的变化而相应变化,如图10-2所示。 调制信号号中检测调制信号的过程称为振幅解调或检波,其目的是恢复调制信号。常用的检波方法有

如图10-3 如图所示,偏置电压叠加在调制信号上。当电压足够大时,偏置信号具有正电压。此时,调幅信号的包络线具有元调制信号的形状,如图所示(a)如图10-3所示;如果加电压不够大,偏置后的信号不全是正电压,此时无法恢复原调制信号(b)所示。 如图10-4 如所示,包络检波是解决调幅信号的一种方法。其原理是利用二极管的单向导电性,切断调幅信号的下半部分,然后使用滤波器过滤高频成分,以获得根据调幅信号包络线变化的调制信号。 ( 相敏检波是将调幅信号的波形还原为原调制信号波形的一种方法,通常与滤波器一起使用。当使用相敏检波时,原始信号不需要叠加偏置。当调制信号超过零线时,符号( 、?)与载波信号相比,调幅信号的相位也发生了180°因此,将载波信号与原调制信号进行比较,既能反映原调制信号的幅值,又能反映其极性。

10.1.3 频率调节和频率调节

10.2 信号的放大

传感器的输出通常为微弱信号,将此信号精确地放大到需要的统一标准信号(),要达到所需的技术指标,称为信号放大。在实际测试中,通常会遇到低频信号,因此放大器集成芯片通常用于设计放大电路。

10.2.1 比例放大器

最基本的集成操作放大器是反向放大器和同向放大器,可以在这两个放大器的基础上组合演变出更多的功能电路。 (1)反比放大器 如图10-12所示,这是一个简单的反向比例放大器电路图理想运输时,电路闭环增益表达式为 同相比例放大器的电路图如图10-13所示,在理想运放情况下,闭环增益的表达式为 (3)差动比例放大器 差动比例放大器的优点是能抑制共模信号,抗干扰能力强,其电路图如图10-14所示,在R1=R3=Rr,R2=R4=Rf的情况下,由理想运放的特性,差模增益的表达式为

10.2.2 电桥放大器

电桥放大器是测试非电量时普遍使用的放大电路,如电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器都是利用电桥电路将被测量转换为电压、电流信号,再利用放大器放大。

电桥放大器如图10-15所示为电源接地式电桥放大器的电路图。图中电桥电源与放大器有共同的接地点,电阻传感器R(1+δ)接入电桥的一臂。 电桥放大器如图10-16所示为电源浮地式电桥放大器的电路图。由于电源和运算放大器不共用一个接地点,因而电桥的灵敏度不受桥臂电阻的影响。

10.2.3 线性放大器

10.2.4 交流电压同相放大器

10.2.5 测量放大器

精密测量和控制系统中,传感器输出的信号需要按一定的倍数精确放大,由于传感器的输出信号都比较微弱,。如图10-19所示为三运放结构的测量放大电路,其中电阻均 测量放大器应具有以下特点: ① 测量放大器是一种带有精密差动电压增益的元件。 ② 测量放大器具有高输入电阻、低输出电阻。 ③ 测量放大器具有较强的抗共模干扰能力、低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点。 ④ 测量放大器在检测微弱信号的系统中被广泛用作前置放大器。

10.2.6 隔离放大器

隔离放大器是由隔离放大电路组成的,属于特殊的测量放大电路,其输入回路与输出回路之间是电绝缘的,没有直接的电耦合。

,如图10-20所示;变压器传递信号,称为变压器耦合隔离放大器,如图10-21所示。

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