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信号处理电路

发布日期:2017-12-12 09:38:20 【关闭】
摘要:无论是电信号还是非电信号的测量,经过传感器变换及信号调理电路后多数都转换成电 压信号,为了对这些被测信号特性进一步的分析研究,必须对变换后的电量进行处理,然后再 送入记录仪器或显示装置。

   无论是电信号还是非电信号的测量,经过传感器变换及信号调理电路后多数都转换成电压信号,为了对这些被测信号特性进一步的分析研究,必须对变换后的电量进行处理,然后再送入记录仪器或显示装置。

   信号处理的内容主要根据被测信号的特性及对被测信号分析、研究、应用的具体要求来确定。除对信号进行滤波外,有时要把双极性信号变换成单极性,即对信号取绝对值。在振动测量中往往感兴趣的是被测信号峰值,并且能保持下来。在检测非正弦或随机信号时,往往需要取得被测信号的真有效值,来分析功率谱密度及其频谱特性。

  1.绝对值检测电路

   绝对值电路又称全波整流电路,它的特点是能将交变的双极性信号变为单极性信号。在普通二极管整流电路中,由于二极管的死区电压的存在,使得小信号时误差较大。为了提高精度,目前常采用由线性集成电路和二极管一起组成的绝对值电路 (也 称 为 精 密 整 流 电 路),如图5.21所示,该电路的工作过程如下:

  

gooxian-绝对值电路原理图

   当输入信号Ui为正极性时,因为A1 是反相输入,所以D2截止,D1导通。此时,输出电压为

gooxian-输出电压

   可见,不论输入信号极性如何,输出信号总为正,且数值上等于输入信号的绝对值。即实现了绝对值计算。

   2.峰值保持电路

   在非电量检测时,往往需要精确的测量出随时间迅速变化的某参数的峰值。但是一般的检测仪表都具有一定的惯性,跟不上快速的被测参数的变化。为了解决这一测量技术中的问题,就必须设计一种能使持续期短的信号在时间上可以扩展的电路,即所谓峰值保持电路。

   (1)峰值保持电路原理。峰值保持电路是一种模拟存储电路。当加有输入信号时,它自动跟踪输入信号的峰值,并将该峰值保持下来。其原理电路如图5.22(a)所示。

  

gooxian-峰值保持电路

   由图可见,当在输入端加上正信号时,二极管导通,电容C 被充电到输入电压Ui 的峰值,称为峰值跟踪阶段,如图5.22(b)中的OA 段。当输入信号Ui过峰值而下降时,二极管 D被反偏而截止,由于 D的反向电阻较大,电容C上的电荷因无放电回路而被保持下来,这时称为保持阶段,如图5.22(b)中的AB 段。此后,只有当输入信号Ui上升到大于电容C上的电压后,二极管D才导通,使输出Uo 跟踪输入Ui,直到新的峰值并将它保持下来,即起到了峰值保持的作用。

  由于实际的二极管并不是一个理想元件,电路输出端又总接有一定的负载,而信号源也存在一定的内阻,因此在跟踪阶段,电容C 上的电压无法完全跟踪输入信号按一定的时间常数上升。在保持阶段,Uc又将通过负载电阻进行放电,从而使输出电压偏离被测信号的峰值,如图5.22(b)虚线所示。

  (2)峰值保持电路性能的改善。

   1)改善二极管的非线性及消除不灵敏区。为了改善二极管的非线性以及消除不灵敏区,可将二极管放在运算放大器的反馈回路内,如图5.23所示。

gooxian-简单的峰值保持电路

  这时二极管 D的等效开启电压为

 

gooxian-等效开启电压

   由上式可知,U′i 是一个很小的数值,近似为零值,这就消除了二极管的不灵敏区。同时,当D导通后,A1 工作在电压跟随状态,从而消除了二极管的非线性影响.

   2)增加保持时间。图5.23所示电路虽然消除了二极管的不灵敏区和非线性的影响,但在实际中由于二极管 D的反相电阻和运算放大器 A1、A2 的输入阻抗并非无穷大,存储电容C也存在漏电流。所以在保持阶段,电容C上的电压将通过 A1,A2,D及C的等效漏电阻而放电,从而引起保持电压的漂移,其漂移率为

gooxian-漂移率

   由上式可知,要减小电压漂移率增加保持时间,可加大C 值或减小I漏 。由于在实际中,电容C 值受到工作速度的限制,且过大的电容其漏电流也大,因此,最有效的办法是降低漏电流I漏 。其途径如下:① 选用优质的元件。如C 可选用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等漏电流小的电容;A1、A2 可选用具有场效应管作输入级的运算放大器;D可选用开关特性好的开关二极管,或用场效应管代替。② 改进电路。如尽可能减小加在峰值检测二极管上的反向电压等。

  3)提高工作速度。为了提高峰值保持电路的工作速度,一般可从两个方面着手:① 在器件方面,应尽可能挑选高速器件;② 在电路方面,可用大电流对存储电容充电。

   3.有效值检测电路

   有效值在工程上是一种常见的重要参数。在电气工程测量中它反映的是交流量(电流、电压、功率等)的大小。在机械振动中它反映动能和位能的大小。尤其是在随机振动中,如测出某一窄频带内的有效值,就可以得到功率谱密度,从而就可以对随机振动进行频谱分析或控制。

  (1)有效值检波器的工作原理。真有效值检波的实质是平方律检波,即首先要求检波器输出的直流信号能正比于输入电压u(t)的平方。

   电压有效值的定义是

  

gooxian-电压有效值的定义

   为了获得均方根响应,必须具有平方律关系的伏安特性。图5.24给出了一种基本的电路形式,图5.24(a)是利用二极管正向特性曲线的起始部分,得到近似平方关系。选择合适的偏压E0(大于ux 的峰值),可以得到如图5.24(b)所示的波形图,图中电流为

gooxian-电流

gooxian-有效值检波器原理图

gooxian-电流1

   这种仪表的优点是:可以测量任意周期波形电压的有效值,同谐波与基波之间的相角无关,不会产生波形误差。其缺点是,当用正弦波电压有效值刻度时,表盘刻度是非线性的,因为gooxian-图片s 是二次方程关系。

   (2)运算电路构成真有效值检测电路。现在常用的是一种模拟计算电路构成的真有效值变换器,原理如图5.25所示。这种电路已有集成化的模块出售,准确度可达0.1%。

   线路由3个完全相同的对数放大器、1个反对数放大器、1个总加器和1个滤波器组成。被测交流电压ux 首先经过精密整流电路变成直流脉动电压(不滤波),然后分别接到两个对数放大器1和2,变换器的输出电压U 反馈接到另一个对数放大器3。这3个对数放大器的输出通过总加器的和差变为u1,然后接到反对数放大器上,其输出变为u2,u2 经过滤波器取平均即为所需要的输出U,U =Urms,其间的运算关系为

  

gooxian-运算关系

  

gooxian-运算关系1

   这种变换器量程宽、过载能力强、响应快,可用于波峰系数为7以下电压有效值的变换,应用广泛。但对于高频电压,会由于放大器的频率特性问题影响测量准确度,需要增加高频补偿电路。

   (3)真有效值测量精度与波形关系。如果采用真有效值测量电路,则从理论上讲测量精度与波形无关,但因受具体电路特性的限制,测量精度与波形有一定的关系,具体说,主要是受电路的频率响应和可能被测幅度的范围所限制,以致造成有效值相等,但波形不同的被测信号,可能有一部分信号的高次谐波分量超出了电路的允许频率范围,从而引起了精度下降。

   1)谐波分量的影响。任何非正弦信号,都可以按傅里叶级数展开,凡超过有效值测量电路频响之外的高次谐波分量都将被滤去,以致造成测量误差。以方波为例来说明。

   方波的傅里叶级数展开式为

  

gooxian-公式1

   假定基波频率是1kHz,仪器通频带是20kHz,则仪器实际测得只是1~19次谐波的有效值。即

gooxian-公式2

   2)波峰因数影响。因波峰因数kp = 峰值/有效值,虽有效值相等,但波峰因数不同的信号其峰值也各不相同。波峰因数愈大,峰值就愈大。此时,信号有效值可能在测量的量程范围之内,但由于波峰因数太大,其幅值可能会超出测量电路的最大动态范围,因而引起误差。再则,即使测量电路的动态范围足够大,但是高波峰因数的信号其高次谐波分量比较丰富,结果超出测量电路的通频带。因此,也会引起误差。

   有效值测量时,常常按放大器的动态范围给出波峰因数的指标,然后再根据通频带,以最严重的波形 方波来计算出测量误差与脉冲频率的关系。

  

  

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