电子大赛试题分类分析【仪器仪表类】

jishuaihu

电子大赛试题分类分析【仪器仪表类】 [复制链接]

很久之前承诺过要给大家做电子大赛试题的分类分析的，现在终于要兑现了。此次分析主要针对没有什么基础的同学们，目的是给大家提供一个思路，故只做入门级的分析，其中的具体资料都是可以在论坛里找到的。 安装我上次对试题总体的分类，仪器仪表类又可以分为以下几类：1、有效值测量；2、频率测量；3、频谱分析；4、示波器类。这样的分类是按试题的形式分的，今天做分析，我们从另一个角度分析，即从信号采集的角度分析。从信号采集的角度看，电信号可分为电压信号和电流信号，而从信号相对地的电位来说又分为单极性和双极性信号，而从需求类型来说，又可以分为幅值信号和相位信号。 但是，所有的信号处理都有通过AD转换后变成数字信息交给处理器（单片机、DSP、ARM等）处理的，因此，我们从AD为突破口，开始进行具体分析。 一、信号的采集 几乎所有的AD转换器的输入都是对电压信号进行转换的，因此对于电流信号也需要先转换成电压信号了。那么怎么转换呢，方法当然很简单了，串电阻。但这个电阻怎么串，却有点学问。由于电流测量的理想状态是内阻为0，因此串进电路中的电阻应该很小，即不能对原电路产生影响。大家也许看到过开关电源中用于检测电流的采样电阻，一般为毫欧级的，如果电流较大，为了保证电阻不被烧毁，一般采用锰铜丝或者康铜丝作为采样电阻。上面说的只是采集电流的一种情况，采集电流信号可以用另一种形式，就是使用互感器，采用互感器时一是做到了输入输出的隔离，提高安全性，同时由于互感器的内阻很小，可以减小对原电路的影响。对于直流电流，采用的是霍尔电流传感器，一般直接输出是的电压信号，可以直接输入AD芯片。对于交流电流，一般采用的是变压器式的互感器，这样的互感器输出仍为电流信号，只是在幅值上有些变化。这时候仍需在互感器输入串联电阻，但这种互感器的输出电压会受到限制，输出电压过高时互感器磁芯将会饱和，严重影响测量精度，因此可采用运放对电流进行变化，详见下图 对于这几种情况，一般小电流情况下均使用串接电阻方式，如果由于串接的电阻太小而导致电压幅值过小时，可对后一级的电压进行放大。互感器一般应用在大电流测量情况，或者安全要求较高的场合。 知道了如何将电流变成成电压信号，下面我们介绍如何采集电压信号，对于幅值超出AD芯片允许范围的电压值，一般采取电阻分压的方式，取其中的合适电压输入AD芯片，对于较小电压，一般采用运放对其进行放大即可。同交流电流信号一样，交流电压信号也可以使用互感器采集。 二、信号的调理 对于信号的调理涉及到一个单极性还是双极性信号的概念，单极性信号是指相对于参考地，永远是正值的信号，双极性信号指的是相对于参考地可正可负的信号。一般来说，我们采集的电池电压等信号均为单极性信号，市电一般为双极性信号。信号的极性直接影响AD芯片的选取，一般来说，单极性信号选择单极性输入的AD芯片。双极性信号选择双极性输入的AD芯片。当然，双极性芯片也可以接收单极性信号，但单极性输入的AD芯片无法接收双极性信号的输入，但是我们可以使用另一种方法把双极性信号变成单极性信号。那就是使用加法器，把信号整体加上一个值，使其永远为正值即可。加法器是运放的基本解法，有很多资料可以参考，故不再给出电路图片。 信号调理的另一方面是通过分压或者放大把信号调整到合适的大小，超过AD芯片允许范围的信号可能造成芯片的永久损坏，太小的信号又无法保证要求的精度。一般情况应该是使信号处于AD芯片输入最大的10%-90%的范围。 三 AD转换 AD转换由专门的AD芯片完成，无需人为干预，但选取一个合适的AD芯片尤为重要。AD芯片的选取首先要根据要求的精度选取合适的位数，比如8位AD的分辨率为1/256，使用这样的AD怎么也不可能达到超过1/256的精度。再一个就是输入信号的类型，是单极性还是双极性的，有时候为了使用单片机内部AD（内部AD一般都是单极性输入的）或者考虑价格因素为使用单极性AD进行转换双极性信号，这时候就要考虑好前端的处理电路，避免器件的损坏。除此之外，还要考虑的就是AD的接口类型，并口还是串口等。 四、结果处理 结果处理的目的是为使转换后的数字有实际意义，与实际结果相对应。一般的流程是从原始信号开始计算每一个分压或放大的倍数，再根据AD的位数计算AD转换出来的值与实际值的关系。 一般说来，我们往往采用采集多个点求平均值的方法取得最终结果，也可以使用均方根，即把每个点的值平方后求和再开方，对于双极性信号的计算必须使用均方根，因为对于一个正弦信号来说，在一个周期内的平均值为0，对于非正弦信号也会有类似的影响，导致计算错误。当然，对于记过的处理，尤其的双极性信号有一种更好的算法，那就是傅里叶变换，一般用于计算机计算的时候都采用快速傅里叶算法，即FFT。一定点数的数据经过傅里叶变换后，其结果为对应频率下的幅值和相位信息，即频谱特性，频谱分析仪即是采用傅里叶变换取得信号的频域特征的。FFT的具体介绍可参考一个名为傅里叶变换的物理意义的帖子，网上有，我在这里不详细介绍了。 五、频率的测量 因为频率的测量与幅值测量信号处理及算法均有很大差别，这里做一下单独介绍。 对于频率测量，对于信号的前期处理与测量幅值不同，一般先把周期性信号转换成方波，再由单片机进行测量。测量频率的方法一般有两种，即测周法和计数法。测周法是指测量一个方波的周期，即两个上升沿或两个下降沿之间的时间，通过f=1/T计算出周期，计数法是先指定一个时间，然后对这一段时间内的方波进行计数，直接测量频率。频率测量一般使用单片机的定时器进行时间计量，由于定时器可以定时的最大值是固定的，因此要根据估计的频率选择合适的方法，一般说来，对于较低的频率采用测周法，较高频率采用计数法。为了减小时间测量的误差，所以对单片机的频率稳定度要求较高，一般都使用有源的外部晶振。至于具体实现方式，测周法可采用单片机定时器的捕获功能，而计数法则是把测量频率作为定时器的时钟进行计数，时间由另一个定时器计算。 六、示波器类 示波器的测量功能和上述测量幅值的类似，不同的时候示波器的实时性要求，即要求示波器的采集的频率范围较宽，因此需要使用高速的AD。由于屏幕分辨率有限，示波器用的AD的位数不需要太高，一般的8位即可。示波器的另一个关键在于测量数据和显示的点之间的转换，这样才能如实的表示中波形信息。论坛里有做示波器的，具体的大家可以去请教他。 关于仪器仪表类的介绍我先说这么多，其中的细节请参考各个模块的资料。希望能为菜鸟们提供点儿思路。 [ 本帖最后由 jishuaihu 于 2011-3-23 09:10 编辑 ]

 

 

kingloger

好

 

ddllxxrr

 

jishuaihu

光耦一般用于传输数字信号，传送模拟信号必须用线性光耦，比较复杂了，不如互感器简单。

 

xiao198718

好文章 正要用到这个东西 终于找到了 谢谢

 

matlab23

kuige!!!!!!!!!!!!!!!!!

0810612124

感谢楼主分析。
那怎么用单片机区分你输入的信号是方波，三角波，正弦波？

汉江之源

顶起来！！

jishuaihu

这个不好分啦，实在要分的话得用AD了。不过为什么要区分呢？说说你的想法也许有其他的办法

maylove

楼主继续加油哟，呵呵。。我会一直关注着！

刘阳

我会一直关注着！

穿行

都不会啊

hzp08041234

其实我不知道为什么  这个帖子就那么多人回复

hzp08041234

其实我不知道为什么 这个帖子就那么多人回复 这是人缘
还是基于什么策划   概念操作 ？

450678797

受益匪浅，谢谢楼主分享 ，谢谢

nyebo

感谢楼主的无私奉献，立即挑灯夜读！

gavin_8724

要是当年参加了也就没什么遗憾了！

无雪之王

个人觉得楼主说的有点泛。。。不如就某一方面深入的探讨和论述更加吸引人。。
但还是谢谢楼主的总结和分析。乐与分享

lilysancy

对于入门的小虾米还是有一定用的吧，，，谢谢楼主滴分析。。。

Demon2012

入门级，非常感谢！