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信号处理电路

2018-1-5 13:10:18 2568 信号

0 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：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。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。这时二极管Ｄ的等效开启电压为由上式可知，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。购线网gooxian.com 专业定制各类测试线（同轴线、香蕉头测试线，低噪线等） 2
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