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信号采集与处理.ppt

信号采集与处理.ppt

上传者: qunsh 2012-05-18 评分 5 0 122 17 553 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《信号采集与处理ppt》,可适用于财会税务领域,主题内容包含信号接口技术开关信号的接口技术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部分与弱电的微机系统在电气上隔离开来最常用符等。

信号接口技术开关信号的接口技术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。图所示为开关量输入信号的光电隔离电路。R、R分别为限流电阻。开关量信号的输入欧姆龙可编程控制器的输入电路开关信号的接口技术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弹跳抖动的时间一般可达数毫秒。如图所示。开关信号的接口技术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。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“‘防抖动电路图中是由个“与非”门组成的RS触发器开关K在常开状态下.输出为l一旦开关K闭合、则在刚一闭合的瞬间RS触发器翻转输出为此时虽然开关要抖动几次但不会影响触发器的输出。开关信号的接口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。图所示为几种主要光电耦合器类型。开关信号的接口技术光电耦合器具的特点:()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、绝缘电阻高达欧姆绝缘电压为一V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。()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噪比。()光电耦合器可以耦合零到数千赫的信号且响应速度快(一般为几毫秒甚至少ns)可以用于高速信号的传输。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。开关量信号的输出欧姆龙可编程控制器的晶体管输出电路开关量信号的输出开关信号输出的电气隔离开关量信号的输出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大传输距离可达m传输速率可达Kb/s但必须保证传输线中环路连线电阻<欧姆当该阻值过大时l欧姆的限流电阻相应减小。开关量信号的输出开关信号输出的驱动电路开关量信号的输出开关信号输出的驱动电路开关量信号的输出单片机输出通道接口方式开关量信号的输出单片机模拟输出接口方式信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。一、信号调理的目的 信号调理二、信号放大信号调理分类放大器直流放大器交流放大器电荷放大器时间域频率域幅度增大低频保留,高频截止幅度增大高频保留,低频截止电荷增大ZV目的电桥直流放大电路)反相放大器信号放大电路反馈电阻RF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。R的取值应远大于信号源Ui的内阻。反相放大器是最基本的电路其闭环电压增益Av为:)同相放大器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点广泛用于前置放大级。同相放大器也是最基本的电路其闭环电压增益Av为:交流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压同相放大器。其中电容C、C及C为隔直电容。R一般取几十千欧。耦合电容C、C可根据交流放大器的下限频率fL来确定。电荷放大器信号放大电路电桥信号放大电路)直流电桥平衡条件信号放大电路)交流电桥平衡条件信号放大电路应变片的粘贴三、信号的滤波 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频率成分通过而极大地衰减其他频率成分.滤波器分类(根据滤波器的选频作用分)实验三、信号的滤波 信号抗干扰措施RC无源滤波器 在测试系统中常用RC滤波器。因为这一领域中信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单抗干扰强有较好的低频性能并且选用标准阻容元件。)一阶RC低通滤波器信号抗干扰措施滤波 )一阶RC高通滤波器信号抗干扰措施滤波 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。屏蔽的分类屏蔽这种方法对防止以“场”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。()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。信号抗干扰措施屏蔽 ()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。信号抗干扰措施屏蔽 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。其原理图见图。由于两个电路之间采用光束来藕合所以能将两个电路的地电位完全隔离这样两电路的地电位即使不同也不会造成干扰这对数字电路尤为重要。信号抗干扰措施光藕 一、模数(AD)和数模(DA) 信号处理技术、AD转换)AD转换过程采样――利用采样脉冲序列p(t)从连续时间信号x(t)中抽取一系列离散样值使之成为采样信号x(nTs)的过程.编码――将离散幅值经过量化以后变为二进制数字的过程。)AD转换器的技术指标 模数(AD)和数模(DA) ()分辨率用输出二进制数码的位数表示。位数越多量化误差越小分辨力越高。常用有位、位、位、位等。()转换精度转换精度=量程(A/D转换器的分辨力*)()转换速度指完成一次转换所用的时间如:ms(Hz)us(kHz)()模拟信号的输入范围如VVVV等。、DA转换过程和原理 模数(AD)和数模(DA) )DA转换过程DA转换器是把数字信号转换为电压或电流信号的装置。AD、DA转换过程中的量化误差实验: 模数(AD)和数模(DA) 二、采样保持 信号采样采样保持是利用切断电容器的输入后电容器能保持其原有电压值的原理实现的(图)。采样保持动作由两种模式构成一种是采样模式即采样保持的输出跟踪输入值另一种是保持模式即保持输出值。二、采样保持 信号采样在采样模式中从保持模式移到采样模式的瞬间输入值和输出值不一样需经过一段时间两值才能达到一致这就是滞后现象如图所示图中Ts表示开关滞后TA表示稳定时间。进入跟踪状态后一转换到保持模式、这时的输入值便被保持这种场合伴有各种误差。二、采样定理 信号处理技术采样信号的频谱采样过程是将采样脉冲序列p(t)与信号x(t)相乘来.频混现象 采样定理 频域解释采样定理 采样定理 为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信息信号采样频率必须至少为原信号中最高频率成分的倍。这是采样的基本法则称为采样定理。fs>fmax需要注意的是在对信号进行采样时满足了采样定理只能保证不发生频率混叠只能保证对信号的频谱作逆傅立叶变换时可以完全变换为原时域采样信号xs(t)而不能保证此时的采样信号能真实地反映原信号x(t)。工程实际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的到倍。模数(AD)转换器选用举例 采集一个频率为KHz的信号要求要分辨到mV电压信号电压的输入范围是V试根据下表确定AD转换器的型号模数(AD)转换器选用举例 信号电压的输入范围是V:ADC、ADA、AD均可信号频率为KHz周期为s:根据采样定理ADA、AD均可最小分辨电压ADC:=mVADA:=mVAD:=mV应该选AD数据采集系统的构成信号数字化处理的基本步骤数据采集系统的构成数据采集系统的构成各部分主要功能传感器:将非电量转换成电信号输出。放大电路:将传感器输出的微弱信号放大到AD转换器所能接收的幅度。采样保持器:保证AD转换过程中信号的稳定。AD转换器:将模拟量转换成数子量。单片机:进行数据采集。电平转换电路:将TTL电平转换成RSC电平。计算机:接收数据并进行处理。位模数(AD)转换器ADC 模数转换器与单片机的接口 模数转换器与单片机的接口 模数转换器与单片机接口的编程查询方式模数转换器与单片机接口的编程定时采样方式向A/D发出启动脉冲信号后先进行软件延时.延时时间取决于转换时间(例如为um)延时结束后直接从A/D口读入转换结果。因此这种方式比查询方式转换速度更慢故应用较少。中断方式在前两种方式中A/D采样过程中都要占用CPU大量的工作时间、降低厂CPU的工作效率。在实时性要求高控制口较多的情况下须采用中断方式。在这种采样方式中当启动A/D转换后CPU可处理其它事务当A/D转换结束时由A/D芯片向CPU发出A/D转换结束的中断申请CPU响应中断后便进入中断服务程序执行“读A/D转换结果”的操作。这样CPU和A/D芯片在时间上是并行工作的所以提高了CPU的工作效率。模数转换器与单片机接口的编程AD转换采样方式单片机与计算机的通讯同步通讯异步通讯单片机与计算机的通讯RSC标准RSC是美国电子工业协会(EIA)在年公布助数据通信标淮。RS是推荐标准(Relommendedstardard)的英文缩写C是标准号。RSC标推在引线连接上采用针D型插座其中有个引脚对应串行通信使用的信号在微机通信中最常用的是其中个通信信号这也就是有的串行接口板上采用针插座的原因。单片机与计算机的通讯RSC标准在没有调制解调器的连接中最简单的连接形式就是只使用上述条线。其中TxD与RxD交错连接GND与GND相连。单片机与计算机的通讯RSC标准MODEM控制信号由于计算机经RSC接口输出的是电压信号不能直接连接到用于较长距离传输数据信号的电话线上此时需要在计算机和电话网之间连人调制解调器(MODEM)。MODEM能把代表逻辑“l”电平和逻辑“”电平的电压信号调制成频率信号。表l中除去三个基本的数据传送信号之外其余个信号均为MODEM控制信号。这个信号分为以下两组:单片机与计算机的通讯RSC标准RSC电平()逻辑“”:在十V一十V之间(V)()逻辑“”:在一V一一V之间。(V)。传送速率:一波特。.传输距离如果无MODEM传输导线长度限制在m内单片机与计算机的通讯RSC标准RSC是美国电子工业协会(EIA)在年公布助数据通信标淮。RS是推荐标准(Relommendedstardard)的英文缩写C是标准号。RSC标推在引线连接上采用针D型插座其中有个引脚对应串行通信使用的信号在微机通信中最常用的是其中个通信信号这也就是有的串行接口板上采用针插座的原因。单片机与计算机的通讯RSC标准RSC是美国电子工业协会(EIA)在年公布助数据通信标淮。RS是推荐标准(Relommendedstardard)的英文缩写C是标准号。RSC标推在引线连接上采用针D型插座其中有个引脚对应串行通信使用的信号在微机通信中最常用的是其中个通信信号这也就是有的串行接口板上采用针插座的原因。单片机与计算机的接口数据采集系统的构成非线性信号的软件处理方法查表法:是一种分段线性差值法它是根据精度要求对非线性曲线进行分段用若干段折线逼近曲线将折点坐标存入数据表中测量时首先要明确对应输入段的斜率进行线性插值即得输出值。工作量大占用内存多但是适合于单片机的数据处理。曲线拟合法:这种方法是采用n次多项式来逼近非线性曲线该多项式的各个系数由最小二乘法确定。该方法简单、使用适合于计算机的数据处理。 

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