信号采集与处理.pptx
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1、华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院开关信号的接口技术开关信号的接口技术开关输入信号的电气隔离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。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。图图425所示为开关量输入信号的光电隔离电路。所示为开关量输入信号的光电隔离电路。R1、R2分别为限流电分别为限流电阻。阻。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院开关量信号的输入开关量信号的输入华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院欧姆
2、龙可编程控制器的输入电路欧姆龙可编程控制器的输入电路华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院开关信号的接口技术开关信号的接口技术开关信号的去抖处理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,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。如图弹跳抖动的时间一般可达数毫秒。如图42
3、6所示。所示。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院开关信号的接口技术开关信号的接口技术开关信号的去抖处理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。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。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。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硬件的方法是在接口电路中加“防抖
4、动电路,图中是由防抖动电路,图中是由2个个“与与非非”门组成的门组成的RS触发器,开关触发器,开关K在常开状态下输出为在常开状态下输出为l,一旦开关,一旦开关K闭合、则在刚一闭合的瞬间,闭合、则在刚一闭合的瞬间,RS触发器翻转,输出为触发器翻转,输出为0,此时,虽然开,此时,虽然开关要抖动几次,但不会影响触发器的输出。关要抖动几次,但不会影响触发器的输出。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院开关信号的接口技术开关信号的接口技术光电隔离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
5、被连模块在电气上隔离的方法。过去常用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。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。图器件一般为砷化嫁红外发光二极管。图428所示为几种主要光电耦合所示为几种
6、主要光电耦合器类型。器类型。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院开关信号的接口技术开关信号的接口技术光电耦合器具的特点: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、绝缘电阻高达缘电阻高达10101012欧姆,绝缘电压为欧姆,绝缘电压为1000一一5000V,因而具有极高,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。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由于发光二极管是电流驱动器件,动态电阻很
7、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。噪比。(3)光电耦合器可以耦合零到数千赫的信号,且响应速度快光电耦合器可以耦合零到数千赫的信号,且响应速度快(一般为几一般为几毫秒,甚至少毫秒,甚至少10ns),可以用于高速信号的传输。,可以用于高速信号的传输。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院开关量信号的输入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
8、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。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院开关量信号的输出开关量信号的输出华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院欧姆龙可编程控制器的晶体管输出电路欧姆龙可编程控制器的晶体管输出电路华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院开关量信号的输出开关量信号的输出开关信号输出的电气隔离开关信号输出的电气隔离华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院开关量信号的输出开关量信号的输出开关信号输出的电气隔离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当被控设备远离单片机时
9、,光电隔离接口电路设计如图430所示。该所示。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,最大传输距离可达大传输距离可达900m,传输速率可达,传输速率可达50Kbs,但必须保证传输线中,但必须保证传输线中环路连线电阻环路连线电阻30欧姆,当该阻值过大时,欧姆,当该阻值过大时,l00欧姆的限流电阻相应减欧姆的限流电阻相应减小。小。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院开关量信号的输出开关量信号的输出开关信号输出的驱动电路开关信号输出的驱动电路华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院开关量信号的输出开关量信号的输出
10、开关信号输出的驱动电路开关信号输出的驱动电路华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院开关量信号的输出开关量信号的输出单片机输出通道接口方式单片机输出通道接口方式华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院开关量信号的输出开关量信号的输出单片机模拟输出接口方式单片机模拟输出接口方式华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。一、一、信号调理的目的信号调理的目的信号调理信号调理1.1.传传感感器器输输出出的的电电信信号号很很微微弱弱,大大多多数数不不能能直直接接输输送送到到显显示示、记记录录或或分分析析仪仪器器中中去去,需需要
11、要进进一一步步放放大大,有有的的还还要进行阻抗变换要进行阻抗变换。2.2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声,需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。要去掉噪声,提高信噪比。3.3.某些场合,为便于信号的远距离传输,需要对传感某些场合,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。器测量信进行调制解调处理。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院二、二、信号放大信号放大信号调理信号调理信号放大目的信号放大目的幅度增加幅度增加(1)(1)抗干扰抗干扰;(2)(2)阻抗匹配阻抗匹配2 2 分类分类放大器放大器直流放大器直流放大器交流放大器交流放大器
12、电荷放大器电荷放大器 时间域时间域 频率域频率域幅度增大幅度增大 低频保留低频保留,高频截止高频截止幅度增大幅度增大 高频保留高频保留,低频截止低频截止 电荷增大电荷增大Z Z V V 1 1 目的目的电桥电桥华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2 2 直流放大电路直流放大电路1)1)反相放大器反相放大器信号放大电路信号放大电路反馈电阻反馈电阻RFRF值不能太大,否则会产生较大的噪声及漂值不能太大,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。移,一般为几十千欧至几百千欧。R1R1的取值应远大于的取值应远大于信号源信号源UiUi的内阻的内阻。反相放大器是最基本的电路,反相放大器是最
13、基本的电路,其闭环电压增益其闭环电压增益AvAv为为:烟雾报警器烟雾报警器酒精传感器酒精传感器二氧化碳传感器二氧化碳传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2)2)同相放大器同相放大器信号放大电路信号放大电路同相放大器具有输入阻抗非常高,输出阻抗很低的特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。点,广泛用于前置放大级。同相放大器也是最基本的电同相放大器也是最基本的电路路 ,其闭环电压增益,其闭环电压增益AvAv为为:华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院3 3 交流放大电路交流放大电路信号放大电路信号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若
14、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。其中电容压同相放大器。其中电容C1C1、C2C2及及C3C3为隔直电容。为隔直电容。R1R1一般取几十千欧。耦合电容一般取几十千欧。耦合电容C1C1、C3C3可根据交流放大可根据交流放大器的下限频率器的下限频率fLfL来确定。来确定。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4 4 电荷放大器电荷放大器信号放大电路信号放大电路F+华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院5 5 电桥电桥信号放大电路信号放大电路1 1)直流电桥)直流电桥平衡条件平衡条件dV华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院信号放大电路信号放大电路2 2)交流电桥)交
15、流电桥 平衡条件平衡条件华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院信号放大电路信号放大电路应变片的粘贴应变片的粘贴R2 R4R1 R3R4R1R2R3UE华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院三、三、信号的滤波信号的滤波信号抗干扰措施信号抗干扰措施滤波器是一种选频装置,可以使信号中特定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频率成分通过,而极大地衰减其他频率成分1 1 滤波器分类(根据滤波器的选频作用分)滤波器分类(根据滤波器的选频作用分)低通低通高通高通带通带通带阻带阻实验实验华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院三、三、信号的滤波信号的滤波信号抗干扰措
16、施信号抗干扰措施华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院5 RC5 RC无源滤波器无源滤波器在在测测试试系系统统中中,常常用用RCRC滤滤波波器器。因因为为这这一一领领域域中中信信号号频频率率相相对对来来说说不不高高。而而RCRC滤滤波波器器电电路路简简单单,抗抗干干扰扰强强,有有较好的低频性能,并且选用标准阻容元件较好的低频性能,并且选用标准阻容元件 。1)1)一阶一阶RCRC低通滤波器低通滤波器信号抗干扰措施信号抗干扰措施滤波滤波华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2)2)一阶一阶RCRC高通滤波器高通滤波器3)RC3)RC带通滤波器带通滤波器 可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联可
17、以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联 信号抗干扰措施信号抗干扰措施滤波滤波华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院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。互感应。1屏蔽的分类屏蔽的分类屏蔽这种方法对防止以屏蔽这种方法对防止以“场场”形式耦合的干扰是十分有效
18、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。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,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。需要强调的是静电屏蔽罩必须接地。信号抗干扰
19、措施信号抗干扰措施屏蔽屏蔽华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院(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,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,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
20、非常小的。基于电涡流反磁场作用的电磁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,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,应尽量不影响当必须在屏蔽层上开孔与槽时要注意孔、槽的位置和方向,
21、应尽量不影响电涡流的形成途径,以免影响屏蔽效果。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,
22、以减少磁阻。由铁氧体压制成的罐状磁芯可作为磁屏蔽要有一定的厚度,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。铁磁材料,以充分发挥其屏蔽作用。信号抗干扰措施信号抗干扰措施屏蔽屏蔽华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院光藕合器抗干扰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。使用光藕合器切断地环
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