信号处理及抗干扰技术

第10章信号处理及抗干扰技术一般测量系统通常由传感器、测量电路（信号转换与信号处理电路）以及显示记录部分组成。对于被测非电量变换为电路参数（R、L、C、M）的无源型传感器（如电阻式、电感式、电容式、电涡流式等），因为传感器的输出是电路参数的变化，因此，需要对他们先进行激励，通过不同的转换电路把电路参数转换成电流或电压信号，然后再经过放大输出；而对于直接把非电量变换为电学量（电流或电动热）的有源型传感器（如电压式、磁电式、热电式等），虽然他们输出的是电量，但仍然需要进行放大或特殊处理。因此，一个非电量检测装置（或系统）中，必须具有对电信号进行转换和处理的电路。转换和处理电路的任务比较复杂。除了微弱信号放大、滤波外，还有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿，误差修正、量程切换等信号处理功能。信号处理电路的重点为微弱信号放大及线性化处理。检测装置的抗干扰问题，实际上也是电子测量装置的抗于扰问题。为了有效地防止干扰，必须首先要弄清干扰的类型、来源及其传送的方式，才能根据不同的情况，提出相应的抗干扰措施，从而达到消除或减弱干扰的目的。10.1信号处理技术10.1.1微弱信号放大10.1.1.1测量放大器通常对一个单纯的微弱信号，可以采用运算放大器进行放大，如图10.1.1所示。其中U，为传感器输出的电压，运算放大器为反相输入接法,U。为放大后的输出电压，此时(10-1-1)sU210RRU−=UsR1R2+-图10.1.1运算放大器放大电路运算放大器也可以接成同相输入形式，由于传感器的工作环境往往比较恶劣，在传感器的两个输出端上经常产生干扰较大的信号，有时是完全相同的干扰信号称为共模干扰。虽然运算放大器对直接输入或同相输入的共模信号有较强的抑制能力，但是对简单的反相输入或同相输入接法，由于电路结构不对称，抵御共模干扰的能力很差。我们可以采用运算放大器的差动接法，从比较大的共模信号中检出差值信号并加以放大。对于传感器输出的微弱信号，通常是用一组运算放大器构成的测量放大器来进行放大的，经典的测量放大器由三个运算放大器构成，如图10.1.2所示。U0R1R2+-R2+-+-R3R3R4R4N2N1Ui图10.1.2测量放大器原理图其中N1、N2构成同相并联差动放大器，差动输入信号和共模输入信号从N1、N2的同相输入，所以它的差动输入电阻和共模输入电阻都很大。对N1、N2来说，电路的平衡对称机构也有助于失调及其漂移影响的互相抵消。运算放大器N3接成差动式输入，它不但能割断共模信号的传递，还将N1、N2的双端输出变成单端输出，以适应接地负载的需要。不难证明这个电路的电压放大倍数为(10-1-2)调整R1即可改变放大倍数。测量放大器所采用的上述电路形式，是它具有输入阻抗高、增益调节方便、漂移相互补偿以及输出不包含共模信号等一系列优点。这种放大器在许多高精度、低电平的放大方面是极其有用的，而且由于它的共模抑制能力强，所以能从高的共模信号背景中检测出微弱的有用信号。10.1.1.2实用测量放大器目前各模拟器件公司竟相推出了许多型号的单片测量放大断气芯片，供用户选择使用。因此信号处理中需对微弱信号放大时，可以不必再用分立的通用运算放大器来构成测量放大器。采用单片测量放大器芯片显然具有性能优异、体积小、电路结构简单、成本低等优点。如AD公司推出的单片精密测量放大器AD521和AD522就是昀常用的两种单片测量放大器。1)1)AD521AD521的管脚功能与基本接法如图10.1.3所示。管脚OFFSET（1、6）用来调节放大器零点，调整方法是将该端子接到10KΩ电位器的两个固定端，滑动端接电源负端。测量放大器计算公式为(10-1-3))21(RRK1234uRR+=Gs0uRRUUK==i放大倍数在0.1到1000范围内调整，选用RS=100KΩ时，可以得到较稳定的放大倍数。在使用AD521（或任何其他测量放大器）时，都要特别注意为偏置电流提供回路。为此，输入端（1或3）必须与电源的地线构成回路。可以直接相连，也可以通过电阻相连。b)U0UiRG+IN-IN１81013127116453214Rs=1000KΩ10KΩ图10.1.3AD521管脚功能与基本接法a)管脚功能b)基本接法１２３４５６７８９1011121314+-+IN-INRGRGRsOFFSETOFFSETOUTPUTVRsV+COMDREFSENSEa)2)AD522AD522也是单芯片集成精密测量放大器，K0=100时，非线性仅为0.005%，杂0.1HZ到100HZ频带内噪声的峰值为1.5mV，其中共模抑制比CMRR120dB（K0=1000时）。AD522的管脚功能如图10.1.4所示。管脚4、6是调零端，2和14端连接调整放大倍数的电阻。与AD521不同的是，该芯片引出了电源地9和数据屏蔽端13，该端用于连接输入信号引线的屏蔽网，以减少外电场对信号的干扰。１２３４５６７８９1011121314+-+IN-INRGRGDATAGUARDNULLOUTPUTV-空V+GNDREFSENSE图10.1.4AD522管脚功能NULL传感器输出的微弱信号经放大后，通常面临长距离的问题，为了避免电压信号在传输过程中的损失和抗干扰方面的需要，可将直流电压信号变换为直流电流信号进行传输。过程控制系列仪表之间信号的传输就是采用直流电流。另外在对测量值进行显示时，常采用动圈表头，这也需要将直流电压变换为直流电流来驱动线圈。为了不受传输线路电阻变化和负载电阻大小的影响，输出电流应具有良好的恒流特性。因此使用电压—电流变换器实现信号的的电流传送时，应使变换器输出电阻尽量大，这可以减小对信号的影响，同时输出电阻也应尽量大，以保持输出电流的恒流特性。电压—电流变换器是很不容易实现的。具体电路读者可查阅有关书籍。10.1.2线性化处理技术在自动检测系统中，利用多种传感器把各种被测量转换成电信号时，大多数传感器的输出信号和被测量之间的关系并非是线性关系。这是由于不少传感的转换原理并非线性，其次是由于采用的电路（如电桥电路）的非线性。要解决这个问题，在模拟量自动检测系统中可采用三种方法：①缩小测量范围，取近似值。②采用非均匀的指示刻度。③增加非线性校正环节。显然，前两种方法的局限性和缺点比较明显。下面我们着重介绍增加非线性校正环节的方法。通常我们在设计测量仪表时总希望得到均匀的指示刻度，这样仪表读数看起来清楚、方便。此外，如果仪表的刻度特性为线性，就能保证仪表在整个量程内灵敏度是相同的，从而有利于分析和处理测量结果。为了保证测量仪表的输出与输入之间具有线性关系，就需要在仪表中引入一种特殊环节，用它来补偿其他环节的非线性，这就是非线性校正环节或称为“线性化器”。10.1.2.1非线性校正的方法测量仪表静态特性非线性的校正方法通常有两种：一种是开环节式非线性校正法，另一种是非线性反馈校正法。这里着重介绍前一种方法。具有开环式非线性校正的测量仪表，其结构原理可用图10.2.1所示的框图表示。传感器将被测量物理量x转换成电量u1，这种转换通常是非线性的。电量u1经放大器放大后成为电量u2，放大器一般是线性的。引入线性化器的作用是利用它本身的非线性补偿传感器的非线性，从而使整台仪表的输出u0和输入x之间具有线性关系。这里解决的关键问题显然有两个：一是在给定u0---x线性关系的前提下，根据已知的u1---x非线性关系和u1---u2线性关系求出线性化器应当具有的u1~u2非线性关系。二是设计适当电路实现线性化器的非线性特性。工程上求取线性化器非线形特性的方法有两种，分述如下。1)解析计算法设图10.2.2中所示的传感器特性解析式为（10-1-4）方法器特性的解析式为（10-1-5）要求测量工具有的刻度方程为（10-1-6）将以上三式联立，消去中间变量u1和x，就可以得到线性化器非线性特性的解析式（10-1-7），根据式（10-1-7）即可设计线性化器的具体电路。)(11xfu=12Kuu=12Kuu=)(012sUKfu=图10.1.5开环式非线性校正框图传感器放大器线性化器xu1u2u32)图解法当传感器等环节的非线性特性用解析式表示比较复杂或比较困难时，我们可用图解法求取线性化器的输入-输入特性曲线。图解法的步骤如下（见图10.2.2）。I.将传感器特性曲线作于直角坐标的第一限，u1=f1（x）。II.将放大器线性特性作于第二限，u2=Ku1。III.将整台测量仪表的线性特性作与第四象限，u0=sx。IV.将x轴n段，段数n由精度要求决定。由点1、2、3…、n各作x轴垂线，分别与V.u1=f(x)曲线及第四象限中的u0=sx直线交于10、12、13、…1n及414243…4n各点。以后以第一象限中这些点作x轴平行线与第二象限u2=Ku1直线交于21、22、23、…2n各点。VI.由第二象限各点作x轴垂线，再由第四象限各点作x轴平行线，两者在第三象限的VII.交点连线即为校正曲线u0=f2(u2)。这也是线形化器的非线性特性曲线。对测量仪表中非线性环节的校正还可以采用非线性反馈补偿法，其原理可由图10.2.3给出的框图表示。在放大器上增加非线性反馈之后，使u0与u1之间出现非线性关系，用以补偿传感器非线性，从而使整台仪表输入-输出特性x~u0j具有线性特性。10.1.2.2非线性校正电路当我们用解析法或图解发求出线性化器的输入-输出特性曲线之后，接下来的问题就是如何用适当的电路来实现它。显然在这类电路中需要有非线性元件或者利用某种元件的非线性区域，例如将二极管或三极管置于运算放大器的反馈回路中构成的对数运算放大器就能对输入信号进行对数运算，构成非线性函数运算放大器，它可以用于射线测厚仪的非线性校正电路中。目前昀常用的是利用二极管组成非线性电阻网络，配合运算放大器产生折线形式的输入-输出特性曲线。由于折线可以分段逼近任意曲线，从而就可以得非线性校正环节（线性化器）所需要的特性曲线。折线逼近法如图10.1.8所示。将非线性校正环节所需要的特性曲线用若干有限的线段代替，然后根据各转折点xi和各段折线的斜率ki来设计电路。根据折线逼近法所作的各段折线可列出下列方程：x0u1u0u2u1=f1(x)123n1211131n222123222n224241434nu2=Ku1u0=f2u2u0=sx图10.1.6图解法求线性化器特性图10.1.7非线性反馈补偿原理框图传感器放大器非线性反馈xu1u0Δuuf-图10.1.8折线逼近法xx4x3x2x10α3α2α1α4yxky1=01〉〉xx)(121xxkxky−+=12xxx〉〉)()(231221xxkxxkxky−+−+=23xxx〉〉)()()()(12112331221−−−−−+−+•••+−+−+=nnnnnxxkxxkxxkxxkxky22αtgk=nntgkα=式中，xi为折线的各转折点，ki为各线段的斜率，，，11αtgk=···，···可以看出，转折点越多，折线越逼近曲线，精度也越高。但太多了则会电路本身误差而影响精度。在校正电路中通常采用运算放大器，当输入电压为不同范围时，相应改变运算放大器的增益，从而获得所需要的斜率，其本身就是一个非线性放大器。图10.1.9是一个昀简单的折点电路，其中E决定了转折点偏置电压，二极管V作开关用，其转折电压为（10-1-8）式中，UD为二极管正向压降。图10.1.10是另一种折点电路，其转折电压为（10-1-9）由式（10-1-9）可知转折电压不仅与E有关，还有二极管正向压降UD有关。)1(21211RRURREUD++=DUEU+=1图10.1.9简单折点电路RVUEIU10UI图10.1.11是用于EU-2型热电偶在0~1300℃范围内的非线性校正电路原理图。测量范围分5段，用5段折线逼近校正曲线，图中只画了三段折线和相应的电路。当输出电压U0U01时，各二级管均不导通，反馈电阻中只有Rf1接入。当U0U01二极管V1导通，Rf2接入。这时接成的非线性电路反馈电阻为Rf1//Rf2。当U0U02时，V