传感器的信号处理
- 10.1 调制与解调
- 10.1.1 调制与解调的概念
- 10.1.2 幅值调制与幅值解调
- 10.1.3 频率调制与频率解调
- 10.2 信号的放大
- 10.2.1 比例放大器
- 10.2.2 电桥放大器
- 10.2.3 线性放大器
- 10.2.4 交流电压同相放大器
- 10.2.5 测量放大器
- 10.2.6 隔离放大器
信号之间的转换即信号处理，通常存在自然界的物理量转换为电量、电量之间的转换、电量到物理量的转换三种情况。
在检测系统中，传感器将各种非电物理量信号转换为电信号，因为各种非电物理量的信号都非常微弱，同时也掺杂着其他的一些信号，因此这些信号就必须经过放大、滤波、干扰抑制、多路转换等信号检测和处理电路，然后将模拟信号的电压或电流送入A/D转换器，转换成数字信号后提供给计算机。当传感器与不同的系统连接时，就需要符合该系统的要求，因此需要对传感器的信号进行转换。
10.1 调制与解调
10.1.1 调制与解调的概念
1.调制的概念
在被测信号上叠加一个高频信号，将它从低频区推移到高频区，以提高电路的抗干扰能力和信号的信噪比。
**通常是以一个高频正弦信号或脉冲信号作为载体，**该信号被称为载波信号。用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位的信号被称为调制信号。经过调制的载波信号称为已调信号，一般都便于放大和传输。
**在信号调制中通常采用高频正弦信号作为载波信号。**正弦信号的三要素为幅值、频率和相位，对这三个参数分别进行调制，称为调幅、调频和调相，**其调制波形分别称为调幅波、调频波和调相波，**如图10-1所示。
调制的过程包含以下三种：
① 高频振荡的幅度受缓变信号控制时，称为调幅，以AM表示，如图10-1（a）所示。
② 高频振荡的频率受缓变信号控制时，称为调频，以FM表示，如图10-1（b）所示。
③ 高频振荡的相位受缓变信号控制时，称为调相，以PM表示，如图10-1（c）所示。
2.解调的概念
从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，这一过程称为解调。解调就是从已被放大和传输的，并且有原来信号信息的高频信号中，把原来信号取出的过程，即解调就是为了恢复原来的信号。
10.1.2 幅值调制与幅值解调
1.幅值调制
幅值调制简称为调幅，是指将载波信号（简谐信号）与调制信号（测试信号）相乘，使载波信号随着调制信号的变化而产生相应变化，如图10-2所示。
2.幅值解调
从已调信号中检出调制信号的过程称为幅值解调或检波，其目的是为了恢复被调制的信号。常见的检波方法有包络检波和相敏检波。如图10-3 所示，在调制信号上叠加一个偏置电压，当电压足够大时，偏置后的信号都具有正向电压，此时调幅信号的包络线具有元调制信号的形状，如图10-3（a）所示；如果所加电压不够大，那么偏置后的信号不全是正向电压，此时无法恢复原调制信号，如图10-3（b）所示。
1）包络检波
如图10-4 所示，包络检波是对调幅信号进行解调的一种方法，其原理是利用二极管的单向导电性，截去调幅信号的下半部，再利用滤波器滤除高频成分，从而得到按调幅信号包络线变化的调制信号。
（2）相敏检波
相敏检波是将调幅信号的波形还原成原调制信号波形的一种方法，常与滤波器配合使用。当采用相敏检波时，原信号不必叠加偏置。调制信号过零线时符号（+、−）发生突变，与载波信号相比调幅信号的相位同样发生180°的相位跳变，因此，将载波信号和原调制信号进行比较，既可以反映原调制信号的幅值，又可以反映其极性。
10.1.3 频率调制与频率解调
10.2 信号的放大
传感器的输出通常为微弱信号，将此信号精确地放大到需要的统一标准信号（直流1～5V或4～20 mA），同时要达到需要的技术指标，称为信号的放大。在实际测试中所遇到的通常是低频信号，因此常采用放大器集成芯片来设计放大电路。
10.2.1 比例放大器
最基本的集成运算放大器是反向放大器和同向放大器，在这两个放大器的基础上可以组合演变出更多的功能电路。
（1）反相比例放大器
如图10-12所示为简单的反向比例放大器的电路图，在理想运放的情况下，该电路的闭环增益表达式为
（2）同相比例放大器
同相比例放大器的电路图如图10-13所示，在理想运放情况下，闭环增益的表达式为
（3）差动比例放大器
差动比例放大器的优点是能抑制共模信号，抗干扰能力强，其电路图如图10-14所示，在R1=R3=Rr，R2=R4=Rf的情况下，由理想运放的特性，差模增益的表达式为
10.2.2 电桥放大器
电桥放大器是测试非电量时普遍使用的放大电路，如电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器都是利用电桥电路将被测量转换为电压、电流信号，再利用放大器放大。
（1）电源接地式
电桥放大器如图10-15所示为电源接地式电桥放大器的电路图。图中电桥电源与放大器有共同的接地点，电阻传感器R（1+δ）接入电桥的一臂。
（2）电源浮地式
电桥放大器如图10-16所示为电源浮地式电桥放大器的电路图。由于电源和运算放大器不共用一个接地点，因而电桥的灵敏度不受桥臂电阻的影响。
10.2.3 线性放大器
10.2.4 交流电压同相放大器
10.2.5 测量放大器
精密测量和控制系统中，传感器输出的信号需要按一定的倍数精确放大，由于传感器的输出信号都比较微弱，因此要求放大电路具备大共模抑制比、高输入电阻、放大倍数在大范围内可调、误差小、稳定好等特点，这样的电路称为测量放大电路，也称为精密放大电路。如图10-19所示为三运放结构的测量放大电路，其中电阻均
测量放大器应具有以下特点：
① 测量放大器是一种带有精密差动电压增益的元件。
② 测量放大器具有高输入电阻、低输出电阻。
③ 测量放大器具有较强的抗共模干扰能力、低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点。
④ 测量放大器在检测微弱信号的系统中被广泛用作前置放大器。
10.2.6 隔离放大器
隔离放大器是由隔离放大电路组成的，属于特殊的测量放大电路，其输入回路与输出回路之间是电绝缘的，没有直接的电耦合。
在隔离放大器中信号的耦合方式主要有两种：一种是通过光电耦合，称为光电耦合隔离放大器，如图10-20所示；另一种是通过电磁耦合，即经过变压器传递信号，称为变压器耦合隔离放大器，如图10-21所示。
