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朱振刚 日记

色谱仪,光谱仪,红外线分析器制造

 
 
 

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信号调理电路  

2012-11-01 21:16:57|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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 信号调理将您的数据采集设备转换成一套完整的数据采集系统,这是通过帮助您直接连接到广泛的传感器和信号类型(从热电偶到高电压信号)来实现的。关键的信号调理技术可以将数据采集系统的总体性能和精度提高10倍。


 

  信号调理简单的说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号。是指利用内部的电路(如滤波器、转换器、放大器等…)来改变输入的讯号类型并输出之。因为工业信号有些是高压,过流,浪涌等,不能被系统正确识别,必须调整理清之。


 

  一般的采集卡上都带有可编程的增益,但具体要不要作信号调理,要视待采信号的特点而定,若信号很小,则要经过放大将信号调理到采集卡能够识别的范围,若信号干扰较大,就要考虑采集之前作滤波了。


 

关于信号调理:


   A/D芯片只能接收一定范围的模拟信号,而传感器把非电物理量变换成电信号后,并不一定在这一范围内。传感器输出的信号有时还必须经放大、滤波、线性化补偿、隔离、保护等措施后,才能送A/D转换器;
 

  D/A转换器是将二进制数字量转换为电压信号,许多情况下还必须经V/I转换才能驱动电动阀等执行机构,有时候还必须经过功率放大、隔离等措施。


 

  据专家估计,信号调理部分成本几乎占整个系统硬件成本的40%左右。


 

信号调理电路设计

1 检测线圈中的感应电动势
      由于比赛用车的尺度远小于赛道长度,可将载流导线近似看作无限长直导线。载流长直导线周围的磁感应线是以导线为轴的同心圆环,B的方向为电流i的右螺旋切向,距离导线a的P点磁感应强度
式中μ0为真空磁导率,i为直导线中的交变电流,以正弦电流激励(若为非正弦波,可看作是一系列正弦波的线性迭加),i=Ipsin2πft,故B为交变磁场,通过放置在导线周围的检测线圈将交变磁场转化为感应电动势。
 

       假设在载流导线正上方竖直放置面积为S,匝数为N的矩形检测线圈,此时磁感应强度与线圈平面垂直,以线圈中心P点处的磁感应强度可估算出通过线圈的磁通量φ

式(4)表明,当线圈绕制成型后,线圈匝数Ⅳ和面积S已确定。检测线圈输出的感应电动势还与激励电流的幅值,Ip和频率f成正比。赛制规定的激励电流频率为(20±2)kHz,变化不超过10%。但电流范围50~150 mA,变化可达3倍,这将对线圈输出的感应电动势产生很大影响。
 

       若取N=20,μ0=4π×10-7N/A2,S=O.002 m2,f=20 kHz,Ip=150 mA,a=0.03m,则可估算出感应电动势的幅值E=5 mV,但这只是一个数量级估算,实际上,若线圈偏离载流导线,或载流导线中的激磁电流减小,或采用尺寸更小的检测线圈时,感应电动势的幅值将迅速减小。
 

       在小车寻道前进过程中,小车和固定在小车上的检测线圈总会左右偏离载流导线,检测电路的任务就是要随时判断出小车与载流线赛道的相对位置,以便根据小车偏离赛道的程度和小车的速度控制小车上舵机的转向角度。而要实现小车与载流线赛道的相对定位,就必须在小车上排列多个相同的检测线圈,与此对应,每个检测线圈都配接相同的信号调理电路,只有位于载流线赛道正上方的线圈对应的电路输出
信号最大。
 

       也就是说,小车与载流线赛道的相对位置由多路检测线圈中输出信号的相对最大值决定,而与每个检测线圈输出的信号大小无直接关系,找出各路线圈中感应电动势的最大值,就可知赛道在该线圈下方。尽管激励电流频率和幅值的变化会显著影响线圈输出的感应电动势,但这些因素对所有检测线圈的影响相同,上述“找最大”实现赛道定位的思路则不受影响,从而提高检测电路对赛道的适应性。

2 智能车控制电路对检测信号的要求
       检测线圈输出的感应电动势必须经过放大和必要的处理,最后提供给智能车的单片机进行A/D转换采样,以获取赛道的位置信息。智能车的单片机A/D输入端需要O~5 V之间的单极性电压,对此,可以为单片机提供两种不同的信号类型,单片机采用不同的方式采样。

 

信号调理模块

信号调理模块的功能
一. 虚拟仪器系统和信号调理模块 虚拟仪器(VirtualInstrument)是目前测试技术界和仪器制造界十分关注的热门话题。虚拟仪器系统是一种基于计算机的自动化仪器系统,是现代计算机技术和仪器技术完美结合的产物。它利用加在计算机上的一组软件与仪器模块相联接,以计算机为核心,充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力提供对测量数据的分析和显示。

 

       一个典型的虚拟仪器测试系统,它由混合总线测量仪器及数据采集模块、专用转接及信号调理模块、被测对象三大部分组成。信号调理模块是连接前端传感器和后端数据采集设备的中间环节。

 

二. 信号调理模块的功能 
        对于绝大多数数据采集和控制系统来说,信号调理是非常重要的。典型的系统一般都需要信号调理硬件,用于将原始信号以及传感器的输出接口到数据采集板或模块上。通过信号调理的各种功能,如信号的放大、隔离、滤波、多路转换以及直接变送器调理等,使得数据采集系统的可靠性及性能得到极大地改善。 
 

具体来说,信号调理模块主要具有以下几点功能:
1. 传感器驱动:包括为无源传感器提供所需的电压源或电流源,为有源传感器提供其运转所需的特殊电路结构。下表列出了几种不同类型传感器对信号调理模块的要求:
传感器 
信号调理模块 
热电偶 
模拟低压输入 
 

模拟高压输入,输出 
热敏电阻 
模拟输入 
加速计 
频率至电压转换 
LVDT, RVDT 
电阻,多路复用器,矩阵变换电路 
应变片 
电阻,模拟电压输出,模拟电流输出
 

2.信号放大:为了提高模拟信号转换成数字信号时的精度,我们希望输入的模拟信号的最大值刚好等于A/D转换设备输入范围。大多数传感器的输出范围在mV级,而A/D转换设备输入范围为Volt级。因此我们需要使用信号调理模块对传感器的信号放大。下表列出了信号调理模块对信号放大倍数与信噪比的关系 
模拟信号幅值 
信号调理模块放大倍数 
噪声幅值 
数据采集模块放大倍数 
数字信号幅值 
信噪比 

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