常见模拟量信号的检测方法

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1、第三章 常见模拟量信号的检测方法 概 述3.1时间信号的检测3.5电压类信号的检测3.2频率信号的检测3.6电流类信号的检测3.3电阻信号的检测3.7相位型信号的检测3.4电容信号的检测3.8首页本章重点1. 电压类信号的检测3. 电阻型信号的检测l 重点：2. 频率及周期型信号的检测返 回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）。 下 页上 页返 回下 页上 页返 回对于常见的各类A/D变

2、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。其一般原理框图如图3.1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。 下 页上 页返 回1.对电压测量的基本要求 下 页上 页返 回 频率范围宽：被测电压的频率可

3、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。2.交流电压的测量 下 页上 页返 回电压类信号又可分为直流电压和交流电

4、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v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： T为该交流电压的周期。 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。下 页上 页返 回4.波形因数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。 5.波峰因数 交流电压的波峰因数

5、定义为该电压的峰值与有效值之比。进行交流/直流变换,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。 下 页上 页返 回图3.3为一种用数字电压表分

6、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0.01、0.99、9、 90四个电阻串连，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。 下 页上 页返 回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0.1K

7、，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。 下 页上 页返 回下 页上 页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. 软件分析法返 回如图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

8、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T。 下 页上 页返 回这种方法是借助数 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，P为微处 理器。下 页上 页2. 过零比较器法返 回设X1、X2为不含直流分量的正弦波或三角波，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

9、 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. 下 页上 页2. 过零比较器法返 回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0.1，定时器 的时钟频率应为被测信号频率的3600倍。 3.5 时间型信号的检测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

10、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。 1.定义下 页上 页返 回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。2.基本方法下 页上 页返 回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

11、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。 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。 2.基本方法下 页上 页返 回在智能仪器中，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

12、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。 3.利用智能仪器的特点进行测量的方法下 页上 页返 回设测试的时间为变量test_time，时间单位为 MS，单片机选用89C52，使用C语言测得时间的 程序如下： 头文件定义： #include sbit bit_v = P32; unsigned int T1_flow_counter; float test_time; bit data test_begin = 0;3.利用智能仪器的特点进行测量的

13、方法下 页上 页返 回该程序用Timer1作为定时计数器，为了防止溢出设置一个 软件计数器T1_flow_counter，Timer1每中断一次 T1_flow_counter就自动加1，在Timer1中断程序中完成。 主程序部分： void main(void) /-通用初始化- TH1 = 0x64; /主频12MHz 时，T1方式2 作0.1ms秒 定时 TL1 = 0x64; /TC=12000000/12/100(64h)=10000HZ, 自动装载 TMOD = 0x20;/T1方式2 EA = 1;下 页上 页返 回while(1) /-主循环- if(bit_v /开始Time

14、r1 test_begin = 1; if(test_begin /停止Timer1 test_time = (T1_flow_counter*65536 + TH1*256 +TH1)/10.0; test_begin = 0; /-主循环结束- /Timer1中断程序 void T1_int(void) interrupt 3 T1_flow_counter+; 下 页上 页返 回3.6 频率及周期性信号的检测 1.频率及周期型信号的特点 下 页上 页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

15、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。返 回下 页上 页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

16、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。返 回2.频率测量基本电路 下 页上 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）。 返 回下 页上 页当被测信号的频率较高时，如f20MHZ，有可能单 片机的速度不能支持计数器正常工作，此时可采