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利用信号调理提高测量质量(上)

2021-01-27 06:46

本文摘要:概述现实世界中的物理现象时,信号调整是正确测量传感器输入信号、提高收集质量的前提条件。像农场长大的小麦一样,纸盒在成为杂货店的面粉袋之前,必须经过大量的预处理,完全的信号必须经过扫除、切换、必要的调整,才能成为人类和机器能识别的信号。被测量信号和测量仪器不同时,省管辖市使用不同的信号调整方式。 为了更好地了解信号调整的基础知识,本文讨论了数据采集领域最罕见的信号调整技术: 1模拟输出前端流形2仪表放大器3滤波器4波动5截止6线性化7电路维护各技术存在适当的优势和严重的不足。

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概述现实世界中的物理现象时,信号调整是正确测量传感器输入信号、提高收集质量的前提条件。像农场长大的小麦一样,纸盒在成为杂货店的面粉袋之前,必须经过大量的预处理,完全的信号必须经过扫除、切换、必要的调整,才能成为人类和机器能识别的信号。被测量信号和测量仪器不同时,省管辖市使用不同的信号调整方式。

为了更好地了解信号调整的基础知识,本文讨论了数据采集领域最罕见的信号调整技术: 1模拟输出前端流形2仪表放大器3滤波器4波动5截止6线性化7电路维护各技术存在适当的优势和严重的不足。本文旨在阐述其最佳使用方法和少见的应用情况。电路图和公式用于说明如何选择正确的电子部件。

通过解读这些信号调整技术的特征,可以在相关应用中提高数据采集系统的测量精度。1 .在仿真输出前端流形数据采集系统的体系结构某些方面,数据采集系统是大同小异单通道或多通道的测量仪。

可以实时测量数百条地下通道的输出数据,展开存储。许多系统有8到32条地下通道,地下通道数通常是8的倍数。对此,可以指出期权范围的电压表是数据收集系统,但必须手动自由选择范围,而且数据存储能力不足,允许其应用范围。

图1 :数据收集系统的结构框图。是非常简单的数据收集系统前置多路输出级,然后跟着仪表放大器(IA ),向唯一的高精度、低成本的模数转换器(ADC )发送信号。这样的配置可以防止用于多个ADC所需的廉价成本。

图1表示非常简单的数据收集系统包括转换网络(复用器)和模数转换器(ADC ),但我们讨论的对象是仪表放大器(IA ),位于两者之间。每个电路模块都有自己的功能和允许的功能,联合起来要求系统的性能。ADC是从电路中的模拟部分到数字部分的路径的最后一级。

在任何数据采样系统中,例如复用数据收集系统在信号流入ADC之前,一个采样保持阶段足够合适。ADC对变化很大的电压模拟量进行数字化时,除了相对于ADC的比特率,电压变化缓慢的情况以外,可能无法充分利用其分辨率。有些ADC具备内部采样保持电路,或者在电路结构上模仿这个过程。

在此,假设电路中的ADC模块包含采样保持电路(内置或外置),能够使输出信号在切换周期中稳定。数据收集系统中的ADC,两个主要指标分别是分辨率和比特率,一般是16比特或24比特的分辨率和20kS/s至1MS/s的比特率,信号输出类型有单极性和双极性两种模式。单极性输出一般是从0开始的,所以是电压值或从0开始的胜电压值,双极输出一般是从某胜电压开始相同大小的输出,是电压。许多数据收集系统在加载单极性或双极信号时必须充分利用分辨率. 这需要展开电平切换,以使双极信号适应环境的单极性ADC。

反之亦然。例如,标准的16位分辨率、100kS/s位速率和输出范围5V的ADC可以将输出信号量改变为65536个单位,0V对应于名义上的32768个单位。

10V的输出范围除以65536,得到的商代表是比有效地位(LSB )低一个的153V。图2 :宿主的RC时间常数。

为了增大基于MUX寄生电容c和串联电阻r的RC时间常数,信号源的输出电阻必须尽可能小,时间常数过大,可能会对测量精度产生有利的影响。信号源的输出电阻过低,复用系统经常有问题。

因此,复用系统中信号源的输出电阻需要足够小,图2的RC电路很好地说明了这一点。多路径数据选择器的输出端子和输入端子都在接地之间不存在小的寄生电容,信号源的输出电阻过低或系统比特率过低时会影响测量精度。

RC电路等效于直流电压源、电阻、电源和电容器的串联。T=0时,以电源开口、电容器电池、10k的电阻供给100pF的电容器电池时,RC时间常数是1吗? s,系统制作时间只有2的情况下? s,容量只充电了86%的电,误差高达14%。通过将电阻减少到1k,可以将电容器控制在20点常数以内,电池完成,确保精度。

图3A :输入电阻和信号源输出电阻。对于输入电阻Ri,传感器的输出电阻Rs为了使输出到ADC的电压误差最小化而必须尽可能小,对于mV级的信号也能够提高信噪比。图3B:MUX的电荷流动效果。

如果模拟开关设备的输出信号再次发生电平变化,输入端可能会产生尖峰脉冲,即电荷的流动。可以通过减少信号源的输出电阻来减弱影响。图3A表示系统的输入电阻和传感器的输出电阻如何串联连接成分输入电路,使流过ADC的信号部分变动。

许多模拟输出地下通道的输入电阻小于相等的1m,信号源输出电阻低时没有问题。但是,压电传感器等一部分传感器的输出电阻很低,对应于其发展。

最后,多径数据选择器可以有效地提高数据采集系统的输入阻抗。图3(b )表示电荷的流动效果。运算放大器的很多传感器输入信号特别小,不需要接收低增益的复用数据收集系统的输出终端,所以信号需要再次进行定标处理。

两个例子是热电偶和桥式应变计,输入信号一般超过50mV。许多数据收集系统用于不同配置的电路,通过预处理对输出信号进行缩放。随着现代仿真电路设计技术的发展数据采集系统已经有了构建发货可以作为定标信号和缓冲信号使用。

构筑放电内部包含很多电路模块,电路图中一般响应非常简单的功能框图,通过周边电阻和电容器的组合,要求其明确的用途。构建出厂时的多功能特性,特别限定于各种信号调整。图4 :运算放大器。

运算放大器的两种基本配置被称为反相配置和相位差配置. 放大率等于系统电阻与输入电阻之比。运算放大器多用作反相配置和相位差配置(温图4 )。

在任何组类型中,其理想增益都是系统的电阻和输出电阻的函数。另外,在一些类似的装备下,放电可以用于构建电压跟随器和差动放大器等其他基本功能。

反相中间尺度结构图5 :反相中间尺度结构。反相忽略放大器的输入信号极性和输出信号,是环增益相等的两个电阻之比-(Rf/Ri)=-100k/10k=-10。反向配置是出厂时最基本的作业配置之一。

可以输出从相同点参照的电压信号,进行缩放后输入反转的信号。出货的开环增益非常低,只有几十万左右,理想出货的传递函数一般假设增益无限大来修正导入,在计算级联增益时导入有效的误差。出货具有这么低的增益,但输出信号意味着由Rf和Ri构成分压器。

负号响应输入信号和输出信号的极性相反。传递函数的明确化关系到这个展开,只能得到关于计算式的东西。式1 :反相是放大器VO=vin (RF/RI )。这里,vo=输入信号,单位VVin=输出信号,单位VRf=对系统电阻,单位Ri=输入电阻,单位事例,输出信号500。

出货能够安全处理的仅次于输出电压比电源电压低约2V左右。例如,15VDC供电的发货时,请不要使输入信号达到13VDC。这是允许发货处理信号的能力最重要的因素之一。

同相中间尺度结构图6 :同相中间尺度结构。以同相结构动作的放大器的输入输出信号极性完全相同,增益Acl=(Rf Ri)/Ri=11。

同样,放大器和前面的转换器放大器相似,但输入信号的极性与输出信号完全相同。在某种程度上,增益只与构成分压器的两个电阻Rf和Ri有关(温图6 )。传递函数在相互输出放大器Vo=Vin(Rf Ri)/Ri和上述例子同样为500mV的信号的情况下,Rf=100k,andri=10k:vo/vin=(rf )。

差动放大器图7 :差动放大器。差动放大器的输入信号与两个输出端信号的差分值,即Acl=g(V1-V2 ),g与增益有关。由于图中所有电阻的大小都很大,所以增益为1。

需要10倍的增益时,请勿将系统电阻设计为输入电阻的10倍。另外,两个系统电阻的大小更大,输入电阻的大小也更大。与此相对,差动放大器具有比同相相互作用、反相相互作用放大器更好的优点。

如图7右图所示,差动放大器实质上是相位差放大器和转换放大器的人组。输出信号特别是在差动放大器的输出端子和负输出端子之间,与接地和其他公共基准点断开,可以选择,提高差动放大器的灵活性。其输入信号仅是各不相同的两个输出端之间的电压劣化,来源于式3 :差动放大器输出50mV的信号: v1=1.050 vandv2=1. 000 vvo=(RF/ri ) (v1-v2 ) VO=。

RI=10k:VO=(RF/RI ) (V1-V2 ) VO=(100k/10k ) (0.05 v ) VO=0.50 v差动放大器具有需要在两个输出端感应信号使其完全一致的优点。将两个输出端连接到同一电压信号时,会出现共模电压的感应程度。电压总是出现在两个输出端,差动放大器意味着呼吁两个信号之差(在本例中为0 ),理想的放电是0 (更多的信息要求请参见仪表放电和高共模信号放大器两个)。

可编程增益放大器图8 :可编程增益放大器。可编程增益的同相是放大器,可以从MCU输入数字信号来控制模拟电源。可编程增益放大器一般在相位差组中工作,具有数字高效率的模拟电源,连接或插入回系统的回路电阻。外部处理器和逻辑设备通过控制可传输速率的模拟电源,自由选择必要的系统电阻,最终超过控制增益的目的(新闻图8 ),输出信号超过可测量的范围,无噪声地显示。

2 .仪表放大器最基本的问题部分传感器的输入信号是微伏电平,对此展开定标处理时,经常出现短路电路的问题和其他阻碍频率。有些传感器从差动信号源输入信号,将短路电路的问题降到最低,减少共模故障。

这样的放大器,将极低的输出电流、浮动、失调电压平稳且正确的电压增益低输入阻抗和共模感应能力标准化后的构筑放电例如具备1级放大器,用于超强设备的电阻,但专用的仪表放大器(IAs )将它们高性能放电依然用于基本的电路结构,但获得了极高的共模感应能力,原作增益时需要高精度的电阻。许多仪表发货是作为特定的应用程序设计的,具有提高正确性和稳定性的独特功能。图9 :仪表放大器。

仪表放大器(IAs )一般是具有低输入阻抗的差动放大器。例如,在数据收集系统中,电源选择网络的后段的功能模块(温图9 )一般是起重要作用的仪表放大器。

需要感应共模电压,缩放差分信号,驱动ADC的输出端。高压共模放大器图10 :高压共模信号放大器。

将出厂的两个输出端子连接到同一电压源,测试共模感应能力。电位计用于调整放大器两个输出端的平衡,以使共模的影响不超过以下。共模电压被定义为两个输出终端信号中完全相同的部分(温表10 ),输出信号分别为4.10V和4.20V时,共模电压Vcm为4.10V,差动模式电压为0.10V。

理想情况下,仪表放大器可以忽略共模信号,只缩放差分模式信号,放大器对共模信号的感应能力可以通过共模感应比(CMRR )的参数决定。仪表放大器的高压共模信号感应能力和高压信号感应能力不同,两者经常被误解。测量的信号电压大多比ADC的输出电压范围宽得多,例如被测量信号的0-100mV,但ADC的典型输出范围是0-5V。

因此,为了充分利用ADC的分辨率,需要将信号缩放到50倍。仪表放大器的增益一般在10000以上,但在多路系统中增益一般控制在1~1000以内。测量误差来自不理想的模拟电源和信号源给出的电阻,但仪表放大器极高的输入电阻可以降低误差,其输出端前段是两个电压跟随器,该结构在标准化放大器结构中输入阻抗最低。

要求通过极高的输入阻抗和极低的偏置电流,确保模拟电源部的损失电压更大,更正确地输出输出终端。另外,仪表放大器的低输出阻抗特别适合驱动ADC的输出。一般的ADC不是很高或者是相同的输入电阻,所以其前级电路的输出电阻必须足够低。

失调电压、增益误差、比特率、稳定时间在某种程度上允许仪表放大器的应用。失调电压和增益误差可以对测量结果展开校正和补偿,但比特率和稳定时间允许放大器处理信号的频率和复用系统中的地下通道转换的速度。一连串平稳的直流电力被连续输出到仪表放大器,缩放后的信号成为简单的混合信号。

稳定时间是从信号输出到输入缩放后的信号到达到稳定值(误差0.01%以内)所需的最短时间。例如,系统以100kHz的频率扫描输出端口,信号电压的施加是10吗? 在s内完成了。

模数转换需要时间时是8? s,那么,留下输出信号超过平稳的时间剩下的只有2? s。通过在系统中展开校准,可以降低失调电压和增益误差,但没有必要总是这样做。例如,放大器的偏置电压为0.5mV、增益为2时,如果输出信号为2V,理想输入电压错误为4V,则由于增益误差,输入电压会偏移1mV,即0.025%。另一方面,偏移电压一定,增益为50时,输出信号为100mV时,如果理想的输入电压错了5V,则由于增益误差,输入电压会偏移25mV,即0.5%。

失调电压完全相同,但随着增益的上升,0.25%的增益误差会有很大影响,高增益会产生小的绝对误差,单位增益的误差会变大。系统软件可以修改未知修改系数的(mx b )格式,但可能不会。仪表放大器构建图11 :仪表放大器构建。

仪表放大器具有极高的输入阻抗,电阻Rm用作调节增益,输入信号是V1和V2的电压劣化的函数。构建仪表放大器是高质量的运算放大器,是内部具有设备对系统网络缩放暗差分信号,在噪声环境下正确测量小信号的理想方法。仅限于应变计、热电偶、RTD、分流器、压力传感器等多种传感器信号的必要测量,需要外部信号调整电路。

仪表上市一般包括三个放大器——的两个差动输出放大器和一个差动输入放大器(温图11 ),增益一般由一个增益调整电阻控制,有些仪表上市内置了可编程增益功能。可编程增益仪表放大器这样的类似的仪表放大器、可编程增益仪表放大器(PGIAs )根据数据选择器输入的信号范围,缓慢地转换预先设定的几个增益,选择输出地下通道的数字其原理与上述可编程增益放大器相同。


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