第三章 常见模拟量信号的检测方法

1. 电压类信号的检测

3. 电阻型信号的检测

重点：

2. 频率及周期型信号的检测

3.1 概述

智能仪器中起控制作用的微处理器所处理的信号是二进制的数字信号，但物理世界中大量的信号都是连续变化的模拟量，智能仪器能够对它们进行处理的前提，先要能把模拟信号变换为数字信号，完成这种变换的电路叫模-数变换器(A/D变换器，简称ADC)。

对于常见的各类A/D变换器，尽管工作的方式有很大的差异，都能够完成将直流电压信号变换为数字信号的功能，因此各类模拟量信号只要能够通过某种方式变换为电压信号，就可以进而变换为数字信号送到智能仪器中进行处理。其一般原理框图如图3.1所示：

3.2 电压类信号的检测

从测量的观点看，测量的主要参量是电压，因为在标准电阻两端若测出电压值，那么就可通过计算求得电流与功率，此外，包括测量仪器在内的电子设备，它们的许多工作特性均可视为电压的派生量，如调幅度、非线性失真系数等，可以说，电压测量是其它许多电参量，也包括非电参量的基础。

1.对电压测量的基本要求

频率范围宽：被测电压的频率可以是直流、超低频、低频、高频或超高频，其频率范围为0Hz到几百MHz，甚至达到GHz量级。

电压测量范围广：被测电压值可以小到微伏，甚至毫微伏级，而大到几千伏，几十千伏。

输入阻抗高：电子测量仪器的输入阻抗就是被测电路的额外负载，为了使仪器接入电路时，尽量减小它的影响，要求仪器具有高的输入阻抗。

测量准确度高：由于电压测量的基准是直流标准电池，同时，在直流测量中，各种分布性参量的影响极小，直流电压的测量可获得极高的准确度。

抗干扰能力强：当测量仪器工作在高灵敏度时，干扰会引入测量误差，故要有高的抗干扰能力。

2.交流电压的测量

电压类信号又可分为直流电压和交流电压两类，比较简便的方法是将直流电压和交流电压分别对待，对直流电压直接处理，对交流电压，依据不同的响应变换为直流电压再进行处理。

一个交流电压的大小，可以用它的峰值 ，平均值，有效值v及波形因数、波峰因数来表征。

峰值定义：任何一个交变电压在所观测的时间或一个周期内，其电压所能达到的最大值。

2. 平均值定义： T为该交流电压的周期。

3. 有效值U定义：该交流电压在一个周期内通过某纯阻负载所产生的热量与一个直流电压在同样条件下产生的热量相等时，该直流电压的数值。

4.波形因数

交流电压的波形因素定义为该电压的有效值与平均值之比。

5.波峰因数

交流电压的波峰因数定义为该电压的峰值与有效值之比。

进行交流/直流变换,根据上述交流电压的三种表征，分别有峰值响应、平均值响应和有效值响应三种检波器电路，对应能够得到交流电压的峰值、平均值、有效值的数值。

以有效值为例，可以采用热电变换和模拟计算电路两种方法来实现其测量。热电变换就是根据有效值的定义，将交流电压通过某纯阻负载所产生的热量通过热电偶变换为直流信号。模拟计算可以采用图3.2的电路进行计算。

3.3 电流信号的检测

1.传统的手动分档测量方法

测量电流的基本原理是将被测电流通过已知电阻(取样电阻)，在其两端产生电压，这个电压与被测电流成正比。

图3.3为一种用数字电压表分档测量直流电流的基本电路，该电路将输入电流分为20A、200mA、20mA、2mA四个量程，转换电阻用0.01Ω、0.99Ω、9Ω、90Ω四个电阻串连，将四种量程的电流接入电路的不同点，使得每种量程的电流在满量程时得到的电压都是0.2V(尽量选取数字电压表电压量程的最低档，以便做到尽可能小的电流测量的内阻)，从而用0.2V的数字电压表配合不同的显示单位及小数点位置指示被测电流的大小。这种方法是数字多用表常用的测量方法。

2.自动分档测量方法

在自动测试系统中一般以电流信号的最大值确定所需电阻，如最大值为100mA，A/D的输入最大值为10V，可选电阻为0.1KΩ，如果将自动量程分为四个档位，可用4个25欧的电阻串联，通过模拟开关引出不同的信号，电路如图3.4所示，图中运算放大器起输入缓冲作用。这种方法对于直流电流和交流电流的测量都适用。

3.4 相位型信号的检测

在检测系统中相位定义为同频的两路信号之间的相位之差，严格来讲是指两路正弦信号的相位差，但如果是方波、三角波等均匀波形时也可求其基波的相位差。

1. 软件分析法

如图3. 5a所示，假如被测信号是不含直流分量的标准的正弦波X1和X2，用同步采样的方法将两路信号量化，对其进行分析，求得X1的两个同类过零点、求得X2的一个同类过