• <div id="y09gn"></div>
  • <li id="y09gn"></li>
    <dl id="y09gn"></dl>
    <div id="y09gn"><s id="y09gn"></s></div>
    来宝网Logo

    热门词:生物显微镜 水质分析仪 微波消解 荧光定量PCR 电化学工作站 生物安全柜

    现在位置首页>技术资料首页>行业动态>新品动态>【白皮书】利用信号调理提高测量质量(中)

    【白皮书】利用信号调理提高测量质量(中)

    嘉兆科技深圳有限公司2019年7月3日 3:56 点击:74

    简介

    测量?#36136;?#19990;界中的物理现象时,信号调理是精确测量传感器输出信号、提高采集质量的先决条件。就好像生长在农场中的小麦,在包装成杂货店里的一袋袋面粉之前,需要经过大量的预处理,原始信号必须经过清理、转换和?#23454;?#30340;调整,才能成为人类或机器可以识别的信号。

    针对不同的待测信号和测量仪器,应选用不同的信号调理方式。为了让您更加熟悉信号调理的基础知识,本文将讨论数据采集领域最常见的信号调理技术:

    1模拟输入前端拓扑

    2仪表放大器

    3滤波

    4衰减

    5隔离

    6线性化

    7电路保护

    每种技术都有相应的优势和不足。本文力图阐明其最佳使用方法和常见应用场合。电路图和公式用于说明如何选取正确的电子元器件。理解这些信号调理技术的特点,将有助于您在相关应用中提高数据采集系统的测量精?#21462;?/p>

    3. 滤波器


    图12A:Butterworth滤波器。Butterworth滤波器其频率响应特征表现为通带段平坦,过渡带衰减迅速。


    图12B:Chebyshev滤波器。Chebyshev滤波器其频率响应特征相比于Butterworth滤波器,衰减更加迅速,但相位响应更加非线性。


    图12C:Bessel滤波器。Bessel滤波器其频率响应特征为,具有最佳的?#33258;?#21709;应和线性相位,但?#36164;?#24517;须足够高,才能弥补过渡带衰减缓慢的缺点。

    最常见的三种滤波器分别是Butterworth滤波器、Chebyshev滤波器和Bessel滤波器(如图12A、B、C)。每种滤波器都有其独特的频率响应,分别适用于不同场合。虽然他们都可以设计成高通、低通、带通或带阻模式,但响应特性不同。最后,他们都可以用于无源网络或有源网络。

    Butterworth滤波器通带相当平坦,并且具有陡峭的过渡带衰减曲线。输入?#33258;?#20449;号时,他可以工作得很好,只是有一点相位非线性。Chebyshev滤波器过渡带衰减得更快,但具有通带波纹,输入?#33258;?#20449;号会产生振铃效应,而且相位非线?#21592;菳utterworth更?#29616;亍essel滤波器具有最佳?#33258;?#21709;应和线性相位,但?#36164;?#24517;须足够高才能够弥补过渡带衰减缓慢的缺点。

    低通滤波器


    图13:简单的RC滤波器。模拟输入通道上的低通滤波器在?#31181;?#39640;频噪声的同时,也降低了带宽。

    输出信号


    截至频率


    低通滤波器根据信号频率相?#26434;?#35282;频?#23454;?#22823;小和滤波器?#36164;?#30340;不同,在不同程度上?#31181;?#20102;高频信号。?#36125;?#27979;信号频?#24335;系?#26102;,放大器也不需要设计成很高的带宽,这有利于?#31181;?#30005;路中多余的高频信号和噪声。为小信号传感器准备单独的信号调理阶段(不是多路复用阶段),好处是能够在每条信号通路上引入一个低通滤波器。

    放置低通滤波器的最佳位置是每个信号通路上的缓冲器和多?#36153;?#25321;器之前(见图13)。?#26434;?#23567;信号来说,在滤波之前加一级仪表放大器,即组成了有源低通滤波器,可以用来优化信噪?#21462;?/p>

    高通滤波器


    图14:高通滤波器。高通滤波器的角频?#24335;系停?#25509;近于0,而截止频?#24335;?#39640;。电容/电阻的数量决定了极点个数和过渡带陡?#32479;潭取?/p>

    高通滤波器与低通滤波器的工作模式刚好相?#30784;?#22312;低频干扰信号会掩盖掉?#34892;?#39640;频信号时,需要使用高通滤波器来?#31181;频?#39057;信号。低频干扰有时是来自于市电的50Hz或60hz的工频干扰。同样,当测量机器振动时,有用的信号中可能夹杂着各种低频干扰,例如机器框架上电源变压器的硅?#21046;?#25391;动。另外,高通滤波器和低通滤波器组?#26174;?#19968;起,即可构成带阻滤波器,用于衰减窄带信号,例如50Hz至60Hz的信号及其一次谐波。图14演示了一个具有3个极点的高通滤波器。

    有源滤波器 vs. 无源滤波器


    图15:有源滤波器。无源滤波器的截止频率经常受到负载影响,可以利用有源器件,如晶体管或运放等,使滤波器的极点不受负载影响,保持频率特性稳定。

    无源滤波器由电阻、电容和电感等分立元件组成。频率信号通过这些电路时,将产生两?#37995;?#39064;:有用的信号会被衰减一小部分,另外连接负载时,将影响原始滤波器的频率响应。但是,有源滤波器则成功避免了此类问题(见图15)。有源滤波器由运算放大器和一些集成或分立的电阻、电容、电感组成,能够提供?#23454;?#30340;通带或阻带,不会受负载影响,也不会衰减有用信号。

    开关电容滤波器

    虽然包含运算放大器的有源滤波器比无源滤波器更有优势,但仍然需要集成电阻和分立电阻。在集成电路中设计电阻需要占用很大的晶圆面积,并且无论是相对阻值还是绝对阻值,都很难保证精确度,?#27426;?#35774;计多个容值?#36127;?#30456;等的电容则轻松得多,在开关模式下,他们可以用来替代滤波器中的电阻。

    相对传统滤波器而言,开关电容滤波器是一?#20013;?#22411;滤波器。早在1892年,James Clerk Maxwell就已经在论文中将开关电容和电阻做了?#21592;齲?#20294;直到最近,他才有了这样一个想法:将一个零偏电子开关和高输入阻抗运放组?#26174;?#19968;起。现在,开关电容技术已经应用到极其复杂的高精度模拟滤波器之中。


    图16:开关电容滤波器。由于电阻比电容的误差高,占据面积大,因此产生了一种用多个精密电容替代电阻的技术,即开关电容。

    图16描述了与RC滤波器等价的开关电容滤波器结构。S2闭合,S1断开时,电压V2给电容C2充电。?#32531;?#26029;开S2,闭合S1,电容C2给C1充电。以特定频?#25163;?#22797;此过程,将产生一个充电电流,其大小等于单位时间内传输的电荷量。

    具体公式的?#39057;?#36229;出了本文所讨论的?#27573;В?#22312;此仅给出其等效电阻的?#25169;?#26041;法:

    公式4:开关电容滤波器

    (V2 – V1)/i = 1/(fC) = R

    其中:

    V2 = 电压源2, 单位V

    V1 = 电压源1, 单位V

    i = 等效电流, 单位A

    f = 时钟频率, 单位Hz

    C = 电容, 单位F

    R = 等效电阻, 单位Ω

    公式4表明,开关电容完全等价于一个电阻,其?#34892;?#38459;值与时钟频率和电容容值成反?#21462;?/p>


    图17:衰减器/缓冲器。输入信号高于10V时,分压器将用于降低输入信号,以防放大器饱和甚至烧坏。

    4. 衰减器

    分压器

    大部?#36136;?#25454;采集系统只能测量低于5V或10V的信号,更高的电压在测量前必须经过衰减,简单的电阻分压即?#23665;?#20449;号衰减至任意幅度内(见图17),但此方?#22797;?#22312;两个弊端。首先,与直接将信号源连接至模拟输入端相比,分压电?#26041;?#22823;幅度降低输入电阻。其次,?#26434;?#22810;路复用器的输入端而言,分压电路的输出电阻又过高。举例来说,衰减比10:1的分压电路,输入信号50V时,如果两个分压电阻的阻值分别为900kΩ和100kΩ,那么信号源的负载相当于1MΩ,而多?#36153;?#25321;器看到的信号输出电阻为90kΩ,但这仍然大到足?#26434;?#21709;精?#21462;?#24403;信号被衰减100倍,使得输入电阻低于1kΩ,那么被测信号所表现出的输入电阻相当于为10kΩ,或2kΩ/V。这是绝对部分仪器在电压测量中无法接受的。因此,在多路复用输入系统中,使用如此简单的衰减器是不实?#23454;摹?/p>

    带缓冲的分压器


    图18:带缓冲的电压衰减器。运算放大器或晶体管可以用作阻抗匹配缓冲器,以防负载对输入电压造成的影响。

    为了避免简单电压衰减器中的低阻抗负载效应,可以在衰减器的输出端接一级单位增益缓冲放大器。一个专用的单位增益缓冲器具有MΩ级的输入电阻,并且不会降低输入信号,正如前面的例子中所描述的那样。除此之外,缓冲器的输出电阻非常低,这正是多路复用的模拟输入系统所需要的(见图18)。

    对称的差分分压器


    图19:带补偿的高压分压电路。数据采集系统中,典型的高压输入前端信号调理电路包括一组对称的差?#36136;?#20837;,并且能够选择输入量程(如10V,50V,100V)。电路还会对长导线产生的电容做出补偿,?#21592;?#22312;衰减交流信号时提高精?#21462;?/p>

    并非所有分压网络都在?#27426;?#36830;接至地或其他公共参考点,驱动数据采集系统的模拟输入时,对称的差分衰减器也许是个很不错的方案(见图19)。在这种情况下,差分放大器能够?#34892;б种?#22240;没有共地导致的共模噪声。

    高压分压器

    有一些数据采集系统在输入?#21496;?#26377;特殊的高压衰减器,可轻松测量高达1200V的信号。此类电路能够很好地隔离高压信号,并可以通过调整电阻大小来改变衰减比例。同时,可以通过调整内部电位器,使输出信号更接近设备的量程。

    带补偿的分压器和探头

    有一种测量技术可以消除导线和电缆上的直流电阻,因此在衰减直流信号时,?#35789;?#20998;压网络和数据采集系统之间的导线很长,但分压比例能始终保持很高的精?#21462;?#22312;这种技术中,具有另外一组与电源和分压器隔离的信号输入线路。

    如果分压电路用于衰减交流信号,必须时刻对导体与地(或其他公共端)之间的寄生电容作出补偿,即便是60Hz左?#19994;?#20302;频信号也是如此。当交流信号在分压网络中被调整到原始信号的0.01%以内时,到达数据采集系统输入端的信号可能受导线的寄生电容影响,超出误差容限5%左右,一个解决方案是在数据采集系统的输入端口(或分压网络)上并联一个补偿电容。举例来说,示波器探头通常带有一个可调电容,用于匹配输入阻抗,因此,观察示波器前面板上的1000Hz方波信号时,不会看到上下脉冲尖峰。

    如需了解更多内容请关注嘉兆科技


    (来源: 嘉兆科技深圳有限公司


    全年征稿 / 资讯合作

    联系邮箱:[email protected]

    版权与免责声明

    • 凡本网注明“来源:来宝网”的所有作品,版权均属于来宝网,转载请必须注明来宝网, http://www.67994619.com,违反者本网将追究相关法律责任。
    • 本网转载并注明自其它来源的作品,目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点或证实其内容的真实性,不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。其他媒体、网站或个人从本网转载时,必须保留本网注明的作品来源,并自负版权等法律责任。
    • 如涉?#30333;?#21697;内容、版权等问题,请在作品发表之日起一周内与本网联系,否则视为?#29260;?#30456;关权利。


    云南11选5技巧
  • <div id="y09gn"></div>
  • <li id="y09gn"></li>
    <dl id="y09gn"></dl>
    <div id="y09gn"><s id="y09gn"></s></div>
  • <div id="y09gn"></div>
  • <li id="y09gn"></li>
    <dl id="y09gn"></dl>
    <div id="y09gn"><s id="y09gn"></s></div>
    围棋最简单的开局定式 浙江体彩20选5玩法 陕西快乐10分中奖规则 幸运农场开奖直播视频 华东15选5开奖号 中国足彩网怎样买 彩宝彩票app官网下载 河北十一选五三漏 中大奖怎么兑奖 拉斯维加斯21点算牌 今日甘肃快三一定牛 上海天天彩选4今晚开奖号码 大乐透杀号百分之百前区公式 总进球加时赛算不算 云南快乐10分爱彩乐