第二章PSD 传感器与信号处理电路
第二章 PSD传感器与信号处理电路
为了将电机轴的位置信号转换为相应的电信号，本文的传感器使用光电位置
敏感器件 PSD（Position Sensitive Detector）。
本章介绍 PSD及其信号处理电路的工作原理及选型。
2.1 PSD 传感器的工作原理及选型
传感器是一种以一定的精确度将被测量（如位置、力、加速度等）转换成与
之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量（如电量）的测量部件
或装置。
传感器在检测系统中是一个非常重要的环节，其性能直接影响到整个系统的
测量精度和灵敏度。如果传感器的误差很大，后面的测量电路、放大器等的精度
再高也将难以提高整个系统的精度。所以在系统设计时慎重选择传感器是十分必
要的。
光电位置敏感器件 PSD（Position Sensitive Detector）是一种对其感光面上入
射光斑重心位置敏感的光电器件。即当入射光斑落在器件感光面的不同位置时，
PSD 将对应输出不同的电信号。通过对此输出电信号的处理，即可确定入射光斑
在PSD 的位置。入射光的强度和尺寸大小对 PSD 的位置输出信号均无关。 PSD 的位置输出只与入射光的“重心”位置有关。
PSD 可分为一维PSD 和二维PSD。一维PSD 可以测定光点的一维位置坐标，二维PSD 可测光点的平面位置坐标。由于PSD 是分割型元件，对光斑的形状
无严格的要求，光敏面上无象限分隔线，所以对光斑位置可进行连续测量从而获得连
续的坐标信号。
实用的一维 PSD 为 PIN 三层结构，其截面如图 2.1.1 所示。表面 P 层为感光
面，两边各有一信号输出电极。底层的公共电极是用来加反偏电压的。当入射光
点照射到 PSD 光敏面上某一点时，假设产生的总的光生电流为 I 0。由于在入射光点
到信号电极间存在横向电势，若在两个信号电极上接上负载电阻，光电流将分
别流向两个信号电极，从而从信号电极上分别得到光电流I 1和 I 2。显然， I 1和 I 2 之和等于光生电流 I0，而 I1和 I2的分流关系取决于入射光点位置到两个信号电极间的
等效电阻 R1和 R2。如果 PSD 表面层的电阻是均匀的，则 PSD 的等效电路为
图2.1.1〔b〕所示的电路。由于 R sh很大，而 C j很小，故等效电路可简化成图 2.1.1 (c) 的形式，其中 R1和 R2的值取决于入射光点的位置。
假设负载电阻R L阻值相对于 R1和 R2可以忽略，则有：
I 1 R2 L x I 2 R1 L （2.1.1）
x
式中， L 为 PSD 中点到信号电极的距离， x 为入射光点距 PSD 中点的距离。式（ 2.1.1）表明，两个信号电极的输出光电流之比为入射光点到该电极间距离之
比的倒数。将 I0 = I1+I2与式（ 2.1.1）联立得：
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图2.1.1 PSD 的结构及等效电路
a)截面电路b)等效电路c)简化的等效电路
I 1 I 0 L x
（2.1.2）2L
I 2 I 0 L x （2.1.3）
2L
从以上两式可以看出，当入射光点位置固定时， PSD 的单个电极输出电流与入射光强度成正比。而当入射光强度不变时，单个电极的输出电流与入射光点距PSD 中心的距离 x 呈线性关系。若将两个信号电极的输出电流作如下处理：
P X I 2 I 1 x
（2.1.4）I 2 I 1 L
则得到的结果只与光点的位置坐标x 有关，而与入射光强度无关，此时 PSD 就成为仅对入射光点位置敏感的器件。P 称为一维 PSD 的位置输出信号。
x
本文选用的 PSD 是日本 HAMAMATSU PHOTONICS 公司生产的 S1352 一维线阵列 PSD
2.2 PSD 传感器信号处理电路原理
PSD 两极输出的只是光电流 I1和 I2，要想得到位置输出信号 P x必须要有相应的信号处理电路的支持。下面介绍 PSD传感器信号处理电路原理。
第二章
PSD 传感器与信号处理电路
由上一节可知， P x =（ I 1－I 2） /（ I 1＋ I 2），因此其基本检测和处理电路的设计
思想是先将 I 1 和 I 2 进行加减运算然后再进行除法运算。 电路原理图如图 2.2.1 所示， 光电流 I 1 和 I 2 先经过 IC 1 和 IC 2 的低通滤波将高频噪声和脉冲干扰去处掉。然后
分别通过加法电路 IC 3 和 IC 5 和减法电路 IC 4 得到 I 1＋I 2 和 I 1－I 2。最后 I 1＋ I 2 和 I 1
－I 2 通过除法电路
IC 6 得到位置输出信号
x （ 1－ 2） （ 1＋ 2）
P = I I / I I
该电路只适用于没有外界光只有信号光的理想情况。在实际检测的环境中，
外界光是存在的，并且会给上面的原理电路的测试结果带来很大的误差，因此在电路设计中要着重考虑如何消除外界光源的信号干扰。
2.3 C5923 PSD 信号处理电路
本文选用的 PSD 信号处理电路是由 HAMAMATSU PHOTONICS 公司出品的 C5923 一维 PSD 信号处理电路。该信号处理电路是专门针对 HAMAMATSU 公司生产的一维PSD 传感器设计的。 C5923采用调制解调技术来去除信号光中的背景光干扰。
C5923信号处理电路的所有组件都安装在一块 PCB 电路板上，这些电路包括： 调制信号光源驱动电路、前置放大电路、信号加法、减法电路、信号除法电路、
信号采样保持电路。 具体的电路原理图参见图 2.3.1 ，现就各个电路的功能来介绍C5923。 2.3.1 滤波电路
滤波电路的功能是让指定频段的信号通过， 而将其余频段上的信号加以抑制或使其急剧衰减。运算放大器和 RC 网络组成的有源滤波器与无源滤波器件相比具有体积小，重量轻，线性特性好的优点。其次，由于运算放大器的增益和输入阻 抗很高，输出阻抗很低，所以有源滤波器还能提供一定的信号增益和缓冲作用。
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图 2.3.1C5923 信号处理电路原理图
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C5923采用的低通滤波器如图 2.3.2 所示。输入的光电流型号 I1和 I 2通过滤波器转换成放大的电压信号。由于加在 PSD 上的光信号是由一定频率的方波驱动的，因此 PSD 两个引脚输出的 I1和 I 2也是交流信号。 C1在电路中起的是隔直通交的作用。 C2和 R2组成的 RC 网络和运算放大器一起构成低通滤波器，将输入信号中的脉冲干扰和高频噪声过滤掉，滤波的带宽的频率应比解调频率高。通过改变
R1和 R2的值还可以调整低通滤波器的输出增益。
图 2.3.2低通滤波器
2.3.2运算电路
I 1和 I2经过滤波之后得到两个与 I1和 I2倒相的电压信号 V S1和 V S2。为了得到最终的位置输出信号P x。必须要进行（V S2－V S1）/（V S1＋V S2）的运算。整个运算可以分为加法运算，减法运算和除法运算三部分来进行。下面将逐个介绍相
应的运算电路。
C5923的加法电路是通过图 2.3.3 所示的电路来实现的。
图2.3.3 加法电路
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这个电路接成反相放大器， 由于电路存在虚短， V I =0，在 P 端接地时， V N =0，
故 N 点为虚地。显然，它是属于多端输入的电压并联负反馈电路。利用虚短，虚断的概念，对反相输入节点可得下面的方程式：
－V 0 （ f ） V S1＋（ R f /R ）V S2
（ ） = R /R １ ２
2.3.1 R 这就是加法运算的表达式，式中负号是因为反相输入所引起的，如果电路里
= R = R ，则上式变为：
１ ２ f S1＋ （ ）
－V 0
=V V S2
2.3.2 在一般的加法电路设计中， 加法电路的输出端还要再接一级反相电路消去负 号来实现完全符合常规的算术加法。由于在这个系统中减法运算的结果要和加法 运算的结果做除法。因此加法运算结果前的负号可以由减法运算通过调整两个减 法输入的次序来做调整。因此在 C5923 中加法运算电路的后级反相电路可以省略 了，从而使整个电路更加精简。
C5923的减法电路是通过图 2.3.4 所示的差分式电路来实现的。
图 2.3.4 减法电路
从电路结构上来看，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。在理想运放的情况下，根据虚断，虚短原理，可以得到下列方程式：
在上式中，如果选取电阻值满足
R f /R １ = R 3 /R ２的关系，输出电压可简化为
即输出电压与两个输入电压之差（ V S2－V S1）成比例，所以图 2.3.4 所示的
减法电路实际上就是一个差分式放大电路。当 R f = R １ 时， V o = V S2－V S1。
C5923的除法功能是使用实时模拟信号计算单元 AD538来实现的。AD538是一个单片实时计算电路，它能给模拟信号提供精确的乘法、除法和
幂运算。输入信号动态范围可以很大，运算输出信号的线性好，单片设计使它的
具有功耗小，可靠性高的特点。 AD538通常运用于乘法，除法计算、平方、平方根以及三角函数近似计算。
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AD538总的运算表达式是 V OUT =V Y（V Z /V X）m，根据不同的需要可以改变AD538的外置电路和输入信号的连接来实现不同的运算。C5923使用了它的双输入
除法运算功能。图 2.3.5 是 AD538 进行 V OUT =10（ V Z /V X）运算的连线图。
图2.3.5 AD538 实现 V OUT =10（V Z /V X）
如上图所示 AD538 的 6，7 引脚接± 15 伏特的电源。 14， 13 引脚分别为信号
地和电源地。分母模拟信号 V Z和分子模拟信号 V X和分别接到 1 脚和 2，16 脚。再加
上外置调零电路。最终 8 脚的输出信号 V OUT =10（V Z /V X）。式子中除法项前的系数10 是由外置电路决定的。
在C5923 中通过对 AD538 的 5 脚电压调节可以改变系数的大小来线性调整
最终输出的幅值。同时 C5923 还引出参考电压 V REF来测试光源的强度。如果测出
光源强度偏小可以调整C5923的可调电阻 VR2来增加系数来提高增益。具体的 C5923 的AD538 布线参考图 2.3.1 的 U10。
通过上面三个运算电路，信号光斑在 PSD 上的位置线性对应输出位置电压信
号 P x。
2.3.3调制解调电路
PSD 在接受信号光的同时不可避免的会受到外界光的影响。外界光将叠加在
信号光之上共同产生光电流。这对最终测试结果的影响是非常大的。在考虑到外
界光干扰的同时也应注意到这种干扰的叠加是线性的，即有下面的等式：
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f （ IN S）＝ I S（2.3.5a）
f （ IN w）＝ I w（2.3.5b）
f （ IN S＋IN w）＝ I S＋ I w（2.3.5c）
式子中 IN S是信号光输入， IN w是外界光输入， I S是没有外界光时的信号光产生的光电流， I w是没有信号光时外界光干扰产生的光电流。由上式可知信号光
和外界光叠加到 PSD 后产生的光电流是信号光和外界光单独作用在PSD 上输出的线性叠加
根据这个特性可以运用调制解调技术把外界光干扰去除掉。
C5923的消除外界光干扰电路的设计思想是：
首先保证外界光为恒定的光强，设外界光的干扰信号输入为 IN w，设外界光经过 PSD 产生的光电流为 I w，由于外界光强恒定所以 IN w和 I w也为固定常值。
由C5923产生一个周期为 300μ s、脉冲宽度为 90μ s 的方波如图 2.3.6 所示来驱动信号光源，从而得到调制的信号光。在没有外界光干扰的情况下，设方波高
电平时输入信号为 IN S，经过 PSD 产生的光电流为 I S，方波低电平时光源不发光所以输入信号和产生的光电流都为零。
图 2.3.6 脉冲驱动方波
在实际检测过程中外界光是一直存在的。加在PSD 上的光是调制信号光和外界干扰光的叠加。在驱动方波高电平时输入信号为 IN S＋ IN w，由线性特性可知高电平时产生的光电流为 I S＋ I w。在驱动方波低电平时由于没有信号光所以输入信号为IN w，产生的光电流为 0＋ I w。
分别在驱动方波高电平和低电平的时候对光电流采样保持，然后将高电平的采样保持信号 I S＋I w和低电平的采样保持信号 I w做减法运算，最终得到的是没有外界光干扰的驱动方波高电平信号光电流 I s。在实际电路设计上由于考虑到滤波电路等因素，这个采样保持电路是在加法电路和减法电路之后的。这并不影响电路
去除外界光的功能。
通过以上的调制解调，能将外界光干扰从信号光中去除掉。但它的前提条件
是保持外界光是恒定光源。如果不是恒定光源，在高、低电平时采样的 I w不是同一个值，这会导致最后测试结果错误。
C5923 的调制解调电路主要有两个部分：脉冲方波发生电路和采样保持差
分电路。
脉冲方波发生电路主要功能是：提供一个周期为 300μs、脉冲宽度为 90μ s 的驱动方波给信号光源同时要给采样保持电路一个驱动方波高电平时刻采样触发
脉冲和一个驱动方波低电平时刻采样触发脉冲。
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脉冲方波生器路如 2.3.7 所示，上的号仍沿用 2.3.1 的号方式。脉冲方波生器是由一片 555 定器，一片十制数 / 分配器 TC4017 和一片 TC4071 或成的。
2.3.7 脉冲方波生器
U6=555 U7=TC4017 U8=TC4071
555 定器一般是由两个比器、一个基本 RS触器和一个集极开路的放三极管三部分成。 C5923里 555 定器的外路使它工作在方波生方式。从 555 定器的 6 脚出周期 30μ s 的方波信号。方波信号入到 TC4017 的 14 脚入端 CP。
TC4017 是一个十制数 /分配器，它的
引出端功能如 2.3.8 所示。它有三个入
端。其中15 脚清零端C r和 13 脚使能端在
TC4017 工作置零。在 2.3.1 里把两端接
地了。入端 CP接外部数脉冲 , 外部脉
冲上升沿数。
TC4017 有 10 个出端Y0 、Y1 、
Y2 ?Y9 ，每个出端的状和入数器的
脉冲的个数相。例如入 4 个脉
冲，如果数器从 0 开始数，此
出端 Y4 高平，其余出端均低平。
当清零端和使能端接地，入端CP 接一
个周期脉冲，出端出的信号也是一个周期脉冲信号。个出信号的周期入
脉冲周期的十倍，脉冲度大小等于入信号周期。不
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同的译码输出端的输出信号对应不同的相位。在C5923 中 Y4 、Y5 、Y6 输出到TC4071 的输入端， Y5 输出作为光源驱动方波高电平时刻采样触发脉冲。 Y8 输出作为光源驱动方波低电平时刻采样触发脉冲。
TC4071 是四个或门组成的集成电路，其
逻辑关系是：当全部输入端都处于低电平时，
输出端才处于低电平；只要有一个输入端出现
高电平，输出端便为高电平。
TC4071 的引出端功能图如图 2.3.9所
示。从 TC4017 输入的 Y4 、Y5 、Y6 分别连接
到TC4071的8、9、13 输入端进行或运算后从
TC4071的 11 脚输出光源驱动方波。该驱动方
波经过共射集放大器放大后可以直接驱动信
号光源。光源的电源端直接连接到图 2.3.7 的
A 、 K 端口即可。
图2.3.10是脉冲方波发生器中几个芯片输出端的波形。图左边的标号如 555.3表示的是555 定时器的3 号端口的波形。如图所示 TC4071的11 号端口输出的是一个周期为 300μs、脉冲宽度为 90μ s 的周期脉冲方波。 TC4071 的 1 号和 9 号端口分别输出光源驱动方波高、低电平时刻采样触发脉冲。
图 2.3.10脉冲方波发生器波形图
采样保持差分电路的主要功能是：接收由脉冲方波发生器发出的光源驱动方
波高、低电平时刻采样触发脉冲，在相应时刻对调制信号进行采样保持，然后将高
电平时刻采样的信号与低电平时刻采样的信号做减法运算，最后得到的就是消除了
外界光干扰的解调信号。
采样保持差分电路如图 2.3.11 所示，图上的标号基本沿用图 2.3.1 的标号方式。
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压器以及一片TL074 减法电路组成的。减法电路在前面已经有详细介绍，下面介
绍LF398 的工作方式
图2.3.11 采样保持差分电路
U4,5=LF398 U8,9=TL074
图2.3.12 LF398
LF398 是一个采样保持集成电路，它的引出端如图 2.3.12 所示。 LF398 一共有8 个端口，其中 1、 4 端口接电源； 3 号端口接采样保持输入信号，在 C5923里它接的是调制信号； 6 号端口接电压保持电容； 7 号端口接参考电压； 8 号端口接
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采样触发脉冲； 5 号端口输出 3 号端口的采样保持信号。
LF398 的工作原理是当8 号端口电平高于参考电压时，输入与输出导通，同
时给电压保持电容充电；当8 号端口电平低于参考电压时，输入与输出断开，输出
电压与输入无关而是由电压保持电容的电压决定的。
在C5923的采样保持差分电路中，两片 LF398 的 8 号端口分别连接由 TC4071的 1 号和 9 号端口输出的光源驱动方波高、低电平时刻采样触发脉冲。这样就将
输入的调制信号分别在光源驱动方高电平时刻和低电平时刻进行采样保持，然后
通过减法电路将两者相减，最后得到的就是解调信号。
通过使用脉冲方波发生电路与采样保持电路，实现了信号的调制解调，在原
理上这组电路过滤了信号光中的背景光干扰。它在实际测试时的效果在下一章中
会给出具体的测试比较。
2.4 信号光源
选用合适的光源对本课题十分重要，下面先介绍两种应用十分广泛的信号光源：发光二极管和半导体激光器。
2.4.1发光二极管
发光二极管（ light emitting diode ，LED ），是利用正向偏置 PN 结中电子与空穴的辐射复合发光的，是自发辐射发光，不需要较高的注入电流产生粒子数反转分布，也不需要光学谐振腔，发射的是非相干光。
光输出
N-AI y Ga1-y As
P- GaAs
P-AI x Ga1-x As
图 2.4.1 双异质结半导体发光二极管的结构示意图
图 2.4.1 是双异质结半导体发光二极管的结构示意图。 P-GaAs 是产生荧光的复合区（有源区），它和与之相邻的 P-AI x Ga1-x As 层构成限制电子和光波的同型异质结P-P 结。而和与之相邻的 N-AI y Ga1-y As 层构成限制空穴和光波的反型异质结 P-N 结。在正向偏压的作用下， P-AI x Ga1-x As 区中的空穴向 P-GaAs 区扩散， N-AI y Ga1-y As 区中的电子向 P-GaAs 区扩散，结果电子和空穴在 P-GaAs 区内复合而发荧光，属于自发辐射发光。由于在 P-GaAs 层的两边有两个异质结对载流子（电子和空穴）起限制作用，使载流子有效地集中在 P-GaAs 区内复合发光，故其内部量子效率非常高，这是半导体发光二极管所要求的。
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发光二极管工作需要施加正向偏置电压，以提供驱动电流。典型的驱动电路如图2.4.2 所示，将 LED 接入到晶体三极管的集电极，通过调节三极管基极偏置电压，可获得需求的辐射光功率。在光通信中以 LED 为光源的场合，需要对 LED 进行调制，则调制信号通过一电容耦合到基极，输出光功率则被电信号所调制。
+5V
R b1LED
V in
R b2
R e
图2.4.2 LED 驱动电路
LED 的特点如下所示：
1、 LED 辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大。
2、 LED 的发光颜色非常丰富，通过选用不同的材料，可以实现各种发光颜
色。如采用 GaP:ZnO 或 GaAaP 材料的红色 LED ，GaAaP 材料的橙色、黄色 LED ，以及 GaN 蓝色 LED 等。而且通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。
3、LED 的辉度高。随着各种颜色 LED 辉度的迅速提高，即使在日光下，由LED 发出的光也能视认。正是基于这一优势，在室外用信息板、广告牌、道路通行
状况告示牌等方面的应用正迅速扩大。
4、LED 的单元体积小。在其他显示器件不能使用的极小的范围内也可使
用，再加上低电压、低电流驱动的特点，作为电子仪器设备、家用电器的指示灯、
信
号灯的使用范围还会进一步扩大。
5、寿命长，基本上不需要维修。可作为地板、马路、广场地面的信号光源，
是一个新的应用领域。
LED 现在在指示灯，显示器，信号发射光源等领域得到广泛的应用。
2.4.2半导体激光器
半导体激光器，也称激光二极管（ laser diode，LD ）的物理结构是在发光二
极管的结间安置一层具有光活性的半导体，其端面经过抛光后具有部分反射功能，因
而形成一个光谐振腔。在正向偏置的情况下， LED 结发射出光来并与光谐振腔相互
作用，从而进一步激励从结上发射出单波长的光，这种光的物理性质与材料
有关。
图 2.4.3 所示的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约 0.1μm）、P 型和 N 型限制层构成。有源层夹在 P 型和 N 型限制层中间，由此产生的 PN 异质结通过欧姆接触正向偏置，电流在覆盖整个激光器芯片的较大面积注入。这样的激光器
面积大，称为大面积激光器。由于在平行于结平面的侧向无光限制结构，沿激光
器的整个宽度上都存在光辐射，损耗太大，阈值电流较高，这是大面积激光器的
主要缺点。为解决侧向辐射和光限制问题，实际的激光器采用了增益导引型和折
15
轴振动光电在线精密测量系统研究
电流
金属接触
100μ m
P型
200μm
N型
有源层解理面
300μm
图2.4.3 半导体激光器
半导体激光器的谱线窄、方向性好、功率高，在光通信、测量及光存储等领域
具有广泛的应用。
本课题选用半导体激光器来作为信号发射光源。
2.5 系统的连线与初始调试
上文介绍了 PSD、C5932 和信号发射光源的工作原理和选型，下面介绍这三部分之间的连线与初始工作状态调试。
2.5.1系统的连线
对于 S1352 型 PSD，C5923 提供 IN1 、IN2 、GND 三个插孔。可以将 PSD 三个引脚直接插在 C5923 相应的插孔上。在本课题中为了安装方便使用连线将引脚和
插孔连接在一起，为了将噪声干扰控制到允许的范围连线的长度应小于300mm。
C5923 提供了专用的 15 脚连接器。如下图所示：
6 脚，
7 脚为电源端，分别接直流电源
+15V 和－ 15V 的输出。
4 脚，
5 脚为信号光源的驱动端，分别为
正极与负极的输出。
8 脚和 15 脚为 GND 接地端。
1 脚输出幅值参考电压信号。
3 脚输出位置电压信号。
系统连线如图 2.5.2 所示， C5923 通过 15 脚连接器与电源、测试仪器（示波器或万用表）和信号光源连接。系统工作时打开电源，光源发射调制信号光， C5923 根据照在 PSD 上光斑的重心位置相应的输出位置电压信号，最终从测试仪器读出
位置信号。
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图2.5.2 C5923 工作连线图
2.5.2 系统的初始工作状态调试
旋转 C5923 元件面上的可调电阻VR2 可以调整输出电压幅度大小，通过测
量C5923 的 1 脚（输出幅值参考电压信号）的电压值可以得到位置信号的输出幅
值范围。
在本系统中为了与模数转换器件等设备电压匹配。调节 VR2，使 C5923 的 1
脚输出电压为 5V 。这时位置信号的电压输出范围为－ 5V ～ +5V。此时光斑重心位置与输出电压的关系如图 2.5.3 所示。
图 2.5.3光斑重心位置相关电压输出图
PSD 受光面的长度为30mm.，设 PSD 中点为坐标原点，光斑重心坐标为X 。X 的范围为－ 15mm～+15mm。则有输出电压与光斑位置的关系式 2.5.1。
X= 3 ×V o （ 2.5.1）
上式 X 的单位为 mm， V o的单位为伏特。这样就可以通过测量C5923 的 3 脚输出电压 V 来计算光斑重心位置了。在实际工作中还要将仪器的误差考虑进去。
《传感器与检测技术》试题 一、填空：（20分） 1，测量系统的静态特性指标主要有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性等。（2分） 2.霍尔元件灵敏度的物理意义是表示在单位磁感应强度相单位控制电流时的霍尔电势大小。 3、光电传感器的理论基础是光电效应。通常把光线照射到物体表面后产生的光电效应分为三类。第一类是利用在光线作用下光电子逸出物体表面的外光电效应,这类元件有光电管、光电倍增管；第二类是利用在光线作用下使材料内部电阻率改变的内光电 效应，这类元件有光敏电阻；第三类是利用在光线作用下使物体内部产生一定方向电动势的光生伏特效应，这类元件有光电池、光电仪表。 4.热电偶所产生的热电势是两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成的，其表达式为Eab （T ，To ）=T B A T T B A 0d )(N N ln )T T (e k 0σ-σ?+-。在热电偶温度补偿中补偿导线法（即冷端延长线法）是在连接导线和热电偶之间，接入延长线，它的作用是将热电偶的参考端移至离热源较远并且环境温度较稳定的地方，以减小冷端温度变化的影响。 5.压磁式传感器的工作原理是：某些铁磁物质在外界机械力作用下，其内部产生机械压力，从而引起极化现象，这种现象称为正压电效应。相反，某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生机械变形，这种现象称为负压电效应。（2分） 6. 变气隙式自感传感器，当街铁移动靠近铁芯时，铁芯上的线圈电感量（①增加②减小③不变）（2分） 7. 仪表的精度等级是用仪表的（① 相对误差 ② 绝对误差 ③ 引用误差）来表示的（2分） 8. 电容传感器的输入被测量与输出被测量间的关系，除（① 变面积型 ② 变极距型 ③ 变介电常数型）外是线性的。（2分） 9. 电位器传器的（线性），假定电位器全长为Xmax, 其总电阻为Rmax ，它的滑臂间的阻值可以用Rx = （① Xmax/x Rmax,②x/Xmax Rmax ,③ Xmax/XRmax ④X/XmaxRmax ）来计算。 10、变面积式自感传感器，当衔铁移动使磁路中空气缝隙的面积增大时，铁心上线圈的电感量（①增大，②减小，③不变）。 11、在平行极板电容传感器的输入被测量与输出电容值之间的关系中，（①变面积型，②变极距型，③变介电常数型）是线性的关系。 12、在变压器式传感器中，原方和副方互感M 的大小与原方线圈的匝数成（①正比，②反比，③不成比例），与副方线圈的匝数成（①正比，②反比，③不成比例），与回路中磁阻成（①正比，②反比，③不成比例）。 13、传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件 和产生可用信号输出的转换元件以及相应的信号调节转换电路组成。 14、热电偶所产生的热电势是由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成。 15、电阻应变片式传感器按制造材料可分为① _金属_ 材料和②____半导体__体材料。它们在受到外力作用时电阻发生变化，其中①的电阻变化主要是由 _电阻应变效应 形成的，而②的电阻变化主要是由 温度效应造成的。 半导体 材料传感器的灵敏度较大。 16、在变压器式传感器中，原方和副方互感M 的大小与 绕组匝数 成正比，与 穿过线圈的磁通_成正比，与磁回路中 磁阻成反比。 17.磁电式传感器是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端 产生感应电势的。而霍尔式传感器为霍尔元件在磁场中有电磁效应（霍尔效应）而输出电势的。霍尔式传感器可用来测量电流，磁场，位移，压力。（6分） 18.测量系统的静态特性指标通常用输入量与输出量的对应关系来表征（5分） 简答题 1 简述热电偶的工作原理。（6分）
实验报告 课程名称：数字信号处理 实验名称：低通滤波器设计实验 院（系）： 专业班级： 姓名： 学号： 指导教师： 一、实验目的： 掌握IIR数字低通滤波器的设计方法。 二、实验原理： 2.1设计巴特沃斯IIR滤波器 在MATLAB下，设计巴特沃斯IIR滤波器可使用butter 函数。 Butter函数可设计低通、高通、带通和带阻的数字和模拟IIR滤波器，其特性为使通带内的幅度响应最大限度地平坦，但同时损失截止频率处的下降斜度。在期望通带平滑的情况下，可使用butter函数。butter函数的用法为：
[b,a]=butter(n,Wn)其中n代表滤波器阶数，W n代表滤波器的截止频率，这两个参数可使用buttord函数来确定。buttord函数可在给定滤波器性能的情况下，求出巴特沃斯滤波器的最小阶数n，同时给出对应的截止频率Wn。buttord函数的用法为：[n,Wn]= buttord(Wp,Ws,Rp,Rs)其中Wp和Ws分别是通带和阻带的拐角频率（截止频率），其取值范围为0至1之间。当其值为1时代表采样频率的一半。Rp和Rs分别是通带和阻带区的波纹系数。 2.2契比雪夫I型IIR滤波器。 在MATLAB下可使用cheby1函数设计出契比雪夫I 型IIR滤波器。 cheby1函数可设计低通、高通、带通和带阻契比雪夫I 型滤IIR波器，其通带内为等波纹，阻带内为单调。契比雪夫I型的下降斜度比II型大，但其代价是通带内波纹较大。cheby1函数的用法为：[b,a]=cheby1(n,Rp,Wn,/ftype/)在使用cheby1函数设计IIR滤波器之前，可使用cheblord 函数求出滤波器阶数n和截止频率Wn。cheblord函数可在给定滤波器性能的情况下，选择契比雪夫I型滤波器的最小阶和截止频率Wn。cheblord函数的用法为： [n,Wn]=cheblord(Wp,Ws,Rp,Rs)其中Wp和Ws分别是通带和阻带的拐角频率（截止频率），其取值范围为0至1之间。当其值为1时代表采样频率的一半。Rp和Rs分别是通带和阻带区的波纹系数。 三、实验要求： 利用Matlab设计一个数字低通滤波器，指标要求如下：
信号处理电子电路图全集 一．波形发生器电路图 交流驱动电路实现的基本要求是要在选通像素点两端施加交变脉冲信号，而在非选通端加零偏压或负偏压。为了增加电路应用的灵活性，并且为研究OLED的驱动信号变化对于其性能的影响提供方便，要求交流驱动电路的相位和占空比可调。为此，本文设计了一个可以灵活控制的波形信号发生器，其结构为图1所示的一个由双D型触发器构成的振荡器。该振荡器的起振、停止可以控制，输出波形的相位和占空比也可以调节，其工作波形如图2所示。 二．红外接收头的构造 红外接收电路通常由红外接收二极管与放大电路组成，放大电路通常又由一个集成块及若干电阻电容等元件组成，并且需要封装在一个金属屏蔽盒里，因而电路比较复杂，体积却很小，还不及一个7805体积大！ SFH506-38与RPM-638是一种特殊的红外接收电路，它将红外接收管与放大电路集成在一体，体积小（大小与一只中功率三极管相当），密封性好，灵敏度高，并且价格低廉，市场售价只有几元钱。它仅有三条管脚，分别是电源正极、电源负极以及信号输出端，其工作电压在5V左右.只要给它接上电源即是一个完整的红外接收放大器，使用十分方便。 它的主要功能包括放大,选频,解调几大部分,要求输入信号需是已经被调制的信号。经过它的接收放大和解调会在输出端直接输出原始的信号。从而使电路达到最简化！灵敏度和抗干扰性都非常好，可以说是一个接收红外信号的理想装置。 · [图文] T形R-2R电阻网络D/A转换电路
· [图文] KD9561组成的开关式警音发生器电路 · [图文] 石英晶体矩形波振荡器电路 · [图文] 方波振荡器电路 · [图文] 8031与DAC0832双缓冲方式接口电路 · [组图] 矩形波电压发生器 · [组图] 用DAC0832产生锯齿波电路 · [图文] 功率变换电路 · [图文] 数字温湿度传感器SHT11与CC2430应用接口电路 · [图文] 调制解调器与电脑接口电路 · [图文] 数字信号的纠错原因及解决方法 · [组图] 变压器电桥原理图 · [图文] 利用运算放大器式电路虚地点减小电缆电容原理图 · [组图] 差动脉宽(脉冲宽度)调制电路 · [图文] 通断温度控制电路--On-Off Temperature Control · [组图] Phorism with 12V · [组图] 击落模型定位器电路 (Downed Model Locator II) · [组图] 红外线开关电路-Infra Red Switch · [组图] 电池组接收器的放电电路--Discharger for Receiver Battery Packs · [组图] 多通道火箭发射器 -Multi Rocket Launcher · [组图] 阻抗变换器电路 · [图文] 步进电机各相绕组驱动电路 · [图文] 速度判别电路 · [图文] 一种实用的步进电机驱动电路 · [图文] 4线步进电机分列分列电路原理图 · [组图] 击落模型定位器电路 (Downed Model Locator) · [图文] CW431CS比较器应用线路 · [图文] 智能天线技术的应用 · 天线的基本概念及制作 · [组图] 红外接收头的构造 · [图文] 手机信号指示器电路原理图 · [组图] 二阶高通分频器单元电路 · [组图] 二阶分频器低通单元电路 · [组图] 分立元件无稳态多谐振荡电路 · [图文] 用Max038制作的函数波形发生器 · [图文] 多波调频信号产生器电路 · [组图] 方波和三角波发生器电路 · [组图] RC桥式正弦振荡电路 · [图文] AD8228集成芯片构成的阻抗匹配电路 · [图文] 分立元件组成的阻抗匹配电路 · [图文] 采用间接电流反馈架构的IA · [图文] 使用三运放搭建输入缓冲级和输出级电路
实验一 维纳滤波 1. 实验内容 设计一个维纳滤波器： （1） 产生三组观测数据，首先根据()(1)()s n as n w n =-+产生信号()s n ，将其加噪，（信噪比分别为20,10,6dB dB dB ），得到观测数据123(),(),()x n x n x n 。 （2） 估计()i x n ，1,2,3i =的AR 模型参数。假设信号长度为L ，AR 模型阶数为N ，分析实验结果，并讨论改变L ，N 对实验结果的影响。 2. 实验原理 滤波目的是从被噪声污染的信号中分离出有用的信号来，最大限度地抑制噪声。对信号进行滤波的实质就是对信号进行估计。滤波问题就是设计一个线性滤波器，使得滤波器的输出信号()y n 是期望响应()s n 的一个估计值。下图就是观测信号的组成和信号滤波的一般模型。 观测信号()()()x n s n v n =+ 信号滤波的一般模型 维纳滤波解决从噪声中提取信号的滤波问题，并以估计的结果与真值之间的误差均方值最小作为最佳准则。它根据()()(),1, ,x n x n x n m --估计信号的当前 值，它的解以系统的系统函数()H z 或单位脉冲()h n 形式给出，这种系统常称为最佳线性滤波器。 维纳滤波器设计的任务就是选择()h n ，使其输出信号()y n 与期望信号()d n 误差的均方值最小。
假设滤波系统()h n 是一个线性时不变系统，它的()h n 和输入信号都是复函数，设 ()()()h n a n jb n =+ 0,1, n = 考虑系统的因果性，可得到滤波器的输出 ()()()()()0 *m y n h n x n h m x n m +∞ ===-∑ 0,1, n = 设期望信号()d n ，误差信号()e n 及其均方误差()2 E e n ???? 分别为 ()()()()()e n d n y n s n y n =-=- ()()()()()()22 2 0m E e n E d n y n E d n h m x n m ∞=?? ????=-=--????? ????? ∑ 要使均方误差为最小，需满足： ()() 2 0E e n h j ?????=? 整理得()()0E x n j e n *??-=??，等价于()()0E x n j e n * ??-=?? 上式说明，均方误差达到最小值的充要条件使误差信号与任一进入估计的输入信号正交，这就是正交性原理。 将()()0E x n j e n * ??-=??展开，得 ()()()()00m E x n k d n h m x m +∞ *** =????--=?? ???? ?∑ 整理得 ()()()0 dx xx m r k h m r m k +∞ *=-=-∑ 0,1,2, k = 等价于()()()()()0 dx xx xx m r k h m r k m h k r k +∞ ==-=*∑ 0,1,2, k = 此式称为维纳-霍夫（Wiener-Holf ）方程。解此方程可得到最优权系数 012,,, h h h ，此式是Wiener 滤波器的一般方程。 定义
第1章 传感器与检测技术基础 1.某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm 变到5.0mm 时，位移测量仪的输出电压由3.5V 减至 2.5V ，求该仪器的灵敏度。 解：该仪器的灵敏度为 25 .40.55.35.2-=--=S V/mm 2.某测温系统由以下四个环节组成，各自的灵敏度如下： 铂电阻温度传感器： 0.45Ω/℃ 电桥： 0.02V/Ω 放大器： 100(放大倍数) 笔式记录仪： 0.2cm/V 求：(1)测温系统的总灵敏度； (2)记录仪笔尖位移4cm 时，所对应的温度变化值。 解： （1）测温系统的总灵敏度为 18.02.010002.045.0=???=S cm/℃ （2）记录仪笔尖位移4cm 时，所对应的温度变化值为 22.2218 .04==t ℃ 6.有三台测温仪表，量程均为0~800℃，精度等级分别为2.5级、2.0级和1.5级，现要测量500℃的温度，要求相对误差不超过2.5％，选那台仪表合理? 解：2.5级时的最大绝对误差值为20℃，测量500℃时的相对误差为4％；2.0级时的最大绝对误差值为16℃，测量500℃时的相对误差为3.2％；1.5级时的最大绝对误差值为12℃，测量500℃时的相对误差为2.4％。因此，应该选用1.5级的测温仪器。 10.试分析电压输出型直流电桥的输入与输出关系。 答：如图所示，电桥各臂的电阻分别为R 1、 R 2、 R 3、R 4。U 为电桥的直流电源电压。当四臂电阻R 1=R 2=R 3=R 4=R 时，称为等臂电桥；当R 1=R 2=R ,R 3=R 4=R ’(R ≠R ’)时，称为输出对称电桥；当R 1=R 4=R ，R 2=R 3 =R ’(R ≠R ’)时，称为电源对称电桥。 D 直流电桥电路 当电桥输出端接有放大器时，由于放大器的输入阻抗很高，所以可以认为电桥的负载电阻为无穷大，这时电桥
例说信号处理与滤波器设计 目录 数字时代 (2) 数字信号处理的应用 (3) 频率——信号的指纹 (5) 卷积可以不卷 (8) 向量运算的启示 (11) 滤波器设计征程 (16) 最后一击——滤波的实现方法 (22) 纵览全局 (27)
数字时代 信号处理是对原始信号进行改变，以提取有用信息的过程，它是对信号进行变换、滤波、分析、综合等处理过程的统称。数字信号处理是将信号以数字方式表示并处理的理论和技术；模拟信号处理是指用模拟系统对模拟信号进行处理的方法或过程。 数字信号处理课程的主要内容包括信号分析与处理。两者并不是孤立的，不同的信号处理方法往往需要选择不同的信号表示形式。两者的区别主要表现在，信号处理是用系统改变输入信号，以得到所期望的输出信号，如信号去噪；而信号分析往往是通过变换(傅里叶变换、小波变换等)，或其它手段提取信号的某些特征，如语音信号的基本频率，图像的直方图等。 早期的信号处理局限于模拟信号，随着数字计算机的飞速发展，信号处理的理论和方法得以飞速发展，出现了不受物理制约的纯数学的加工，即算法，并确立了数字信号处理的领域。现在，对于信号的处理，人们通常是先把模拟信号变成数字信号，然后利用高效的数字信号处理器(DSP：Digital Signal Processor)或计算机对其进行数字形式的信号处理。 一般地讲，数字信号处理涉及三个步骤： (1)模数转换(A/D转换)：把模拟信号变成数字信号，是一个对自变量和幅值同时进行 离散化的过程，基本的理论保证是采样定理。 (2)数字信号处理(DSP)：包括变换域分析(如频域变换)、数字滤波、识别、合成等。 (3)数模转换(D/A转换)：把经过处理的数字信号还原为模拟信号。通常，这一步并不 是必须的。 图1数字信号处理基本步骤
光电转换及信号处理电路设计 与CCD等探测器不同，PIN光电二极管对于探测目标输出信号是一个电流信号，而且在距离探测目标较远时照射到探测面的光信号很微弱，在预定电压偏置下输出电流会比较小，因而可以概括PIN的输出信号为一个微弱电流信号，对于PIN的输出信号处理，是一个微弱信号处理的过程。 光电转换及信号处理模块 图1 光电转换及信号处理模块整体设计示意图 通常情况下，电流信号的采集和处理都是比较困难的，故首先需要对PIN 的信号进行电流到电压的转化。微弱电流信号转化而来的电压信号一般也是微弱信号，而且传输线耦合进去的交流噪声有可能会淹没目标信号，故为了提高信噪比，需要在采集之前对信号进行前置放大。 由于被测信号也是可见光信号，在进行光电探测时很容易受到杂散光和PIN 自身暗电流的影响，导致噪声信号和目标信号一同被放大，在后续电路中不易消除，为了减少杂散光和PIN暗电流带来的噪声、背景噪声和元器件噪声，本光电信号处理电路设计了一个参考PIN光电转换电路，用来接收杂散光和背景噪声，参考PIN光电转换电路与探测信号PIN光电转换电路及的参数一致，前置放大电路的参数也一样，但是在实验过程中由于与目标光信号之间的光路被人为完全遮挡，故只能接收到杂散光信号和背景噪声信号。在后续的差分放大电路中通过信号同向相减，把系统噪声和背景噪声去除，保证了最终采集信号具有较高的信噪比。 在最后的滤波电路设计过程中，考虑到被测目标光信号的调制频率不会超过200KHz，而空气和电路中存在着大量的高频噪声，为了保证即将进入数据采集
模块的信号有较高的信噪比，需要滤除掉高频噪声，于是需要根据被测信号频率的不同设计一款低通滤波器或者带通滤波器。 综上所述，本光电转换和信号处理模块由光电转换电路、前置放大电路、差分放大电路和滤波电路四个部分组成，模块整体示意图如图4-1所示。 1 光电转换电路设计 光电二极管的光探测方式有两种结构：一是光电导模式，在这种模式下，需给光电二极管加反向偏置电压，存在暗电流I d，由此会产生较大的噪声电流，有非线性，通常应用在高速场合；二是光电压模式，在这种模式下，光电二极管处于零偏状态，不存在暗电流I d，有较低的噪声，线性好，噪声低（主要是热噪声），适合于比较精确的测量[31]。在微弱信号检测中比较常用的是光电压模式，具体光电检测电路图如图2所示。 图2 光电压模式PIN光电转换电路 光电二极管工作于短路状态，极大地降低了暗电流的影响，从而使光电二极管得到最大SNR，进而使后续放大电路仅放大与光强成正比的电流。 考虑到对目标光信号的探测频率不同，本文采用了两款响应率不同PIN光电二极管，用于探测低频光信号的PIN选择的是西门子（SIEMENS）公司的BPX65硅光敏二极管，用于探测高频光信号的高速PIN选择的是日本滨松的S5973硅光敏二极管。 BPX65具有频率响应范围广，暗电流小，高灵敏度等特点，最高工作温度可达125°，其主要特性参数如下所示： （1）光谱响应范围为350nm~1100nm，峰值波长850nm，适合白光测量； （2）暗电流I R≤5nA； （3）光谱灵敏度（Sλ）：0.55 A/W； （4）光敏面接收半角（Half angle）：±45°； （5）受光面积为1mm2，远小于传感器与探测目标的距离；
传感器技术及其信号处理方法 第一章传感器概述 1.1 传感器技术基础 传感器(sensor)是一种把物理量转换成电信号的器件。可以说，传感器代表了物理世界与电气设备（如计算机）世界接口的一部分。这种接口的另一部分由把电信号转换成物理量的执行器（actuator)表示。 为什么我们这么关心这个接口？近年来，电子行业拥有了巨大的信息处理能力。其中最明显的例子是个人计算机。此外，价格低廉的微处理器的使用对汽车、微波炉、玩具等嵌入式计算产品的设计产生了重大影响。最近几年，使用微处理器进行功能控制的产品越来越多。在汽车行业，为满足污染限制要求必须利用微处理器的这种信息处理能力。而在其他行业，这种能力又带来了降低产品成本、提高产品性能的优势。 所有这些微处理器都需要输人电压以接收指令和数据、因此，随着廉价微处理器的出现，传感器在各种产品中的应用也越来越多。此外，由于传感器输出的是电信号，因而传感器也就能够按电子没备的描述方式来插述。同电子产品数据手册一样，很多传感器数据手册也都遵照某种格式撰写。然而，目前存在很多种格式，而且传感器规格说明的国际标准还没有制订，这样，传感器系统设
计师就会遇到对同一传感器性能参数存在不同的解释，这常常令人混淆。这种混淆并非由于这些术语的含义无法理解，而是在于传感器界不同的人群习惯于使用不同的术语，认识到这一点至关重要。 1.1.1 传感器数据手册 为了解决上述术语使用的差异向题，有必要首先命绍数据手册的功用，数据手册主要是一份营销文件，用来突出某一传感器的优点，強调其潜在的应用，但是有可能忽视该传感器的不足。很多情况下，传感器是设计用来满足特定用户的特定性能要求的，而数锯手册就集中了该用户最感兴趣的性能参数。这种情况下，传感器制造商和客户就有可能越来越习惯于使用某种约定的传感器性能参数定义，而这种定义却未必通用，这样，这种传感器未来的新用户必须认清这种情形以便恰当地理解这些参数。人们常常遇到不同的定义。此外，大多数传感器数据手册都缺少对特定应用有用的信息。 1.1.2 传感器性能特征定义 下面是一些较重要的传感器性能特征。 1.传递函数 传递函数表示物理输入信号与电瑜出信号之间的函数关系。通常，这种关系以输入输出信号关系图来表示，具体的关系构成了对传感器性能特点的完整描述。对需逐
浙江工业大学之江学院010/011 学年 第二学期《传感技术与信号处理》期终试卷 （考试类型：闭卷） 班级姓名学号 一、填空( 每空1.5分共45分) 1．通常把频谱中作为信号的频宽，称为1/10法则；对于有跃变的信号，取作为频宽。 2.测试装置的灵敏度愈高，测量范围往往愈________，稳定性愈______。 3.若要信号在传输过程中不失真，测试系统的输出和输入的幅频特性必须满足（表达式）__________________，相频频特性必须满足（表达式）__________________。 4.为了消除应变片的温度误差，可采用的温度补偿措施包括：、、 和。 5. 电感式传感器按工作原理可分为_______________、________________和电涡流式三种。 6.为了提高极距变化式电容传感器的灵敏度，应_______初始间隙。但初始间隙过_______时，一方面使测量范围_______，另一方面容易使_______击穿。 7.压电式传感器测量电路的前置放大器有_________________和_________________两种，_________________作为前置放大器时压电式传感器输出信号与测量导线的距离无关。 8. 光电耦合器是由一个和一个共同封装在一个外壳内组成的复合型转换元件，又称为。 9.光栅传感器中莫尔条纹的一个重要特性是具有位移放大作用。如果两个光栅距相等，即W=0.02mm，其夹角θ=0.1°，则莫尔条纹的宽度B=_____________莫尔条纹的放大倍数K=_____________。 10.热电偶产生热电势必须具备的基本条件是 ____________、____________。 11.霍尔式传感器为______ _______在磁场中有电磁效应（霍尔效应）而输出电势的。霍尔式元件的电路符号图为：_________________。 14.热电动势由两部分电动势组成，一部分是两种导体的________电动势，另一部分是单一导体的______电动势。
南京师范大学中北学院 毕业设计（论文） （2013届） 题目：信号处理电路的研究与设计 专业：电子信息工程 姓名：学号： 指导教师：职称：教授 南京师范大学中北学院教务处制
摘要 目前，信号产生与处理电路应用非常广泛。例如，在测量、遥控、通信、自动控制、和超声波电焊等加工设备之中，都有正弦波振荡器的应用；在工程应用中，例如在实验用的低频及高频信号产生电路中，往往要求正弦波震荡电路的震荡频率有一定的稳定度，有时要求震荡频率十分稳定，如通讯系统中的射频振荡电路、数字系统的时钟产生电路等。非正弦波在一些电子系统中有着日益广泛的应用，如数字系统需要的特殊信号，如方波﹑三角波都可以通过非正弦波产生电路来得到。此外，在电信装备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛；滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。 基于TL082CD，本设计介绍了正弦波信号的产生，以及基于555定时器构成的多谐振荡电路的探究与设计。同时也介绍了信号处理的相关内容，其中包括信号的叠加和二阶有源滤波放大电路的探究与设计。使用Multisim电路仿真软件对其进行仿真，用来验证电路理论设计的正确性和可行性。 关键词：正弦波信号产生方波信号产生信号叠加二阶有源滤波放大
Abstract Currently, the signal generation and processing circuit is widely used. For example, in the measurement, remote control, communication, automatic control, and ultrasonic welding and other processing equipment into, engineering applications, for example in the experiment with the low and sine-wave oscillation frequency of the oscillator circuit degree of stability, sometimes requires
图像信号处理电路故障分析思路与检修 技巧 顾名思义，图像信号处理电路处理的是图像信号。在彩电维修过程中，电 视机表现出什么样的故障现象，才能判定故障与图像信号处理电路有关或在图 像信号处理电路呢?吾以为，电视机出现有光栅、有字符、无图像或图像不正常现象，均可判定图像信号处理电路可能存在故障。彩色电视机中的图像信号处 理电路涉及的电路较多，电视机的功能不同、屏幕尺寸大小不同，图像信号处 理电路的组成和电路也存在很大差异。如果对不同时期的彩色电视机图像信号 处理电路加以比较分析，会发现彩色电视机中的图像信号处理电路由基本电路 和附加电路组成。基本电路是电视机不可缺少的电路，电视机有了基本电路， 就可以重现图像和声音；电视机图像信号处理电路设计附加电路的目的，是为 了改善图像质量、增加电视机的功能。图像信号处理电路基本电路由高频调谐器、幅频特性选择电路、图像中频信号放大和视频检波电路、亮度信号和色度 信号处理电路、视频信号放大电路组成。早期的彩色电视机，如长虹M11(代表 机型有CK53A、C1742等)机芯，由于电视机功能简单，屏幕尺寸也不大，图像 信号处理电路就只有基本电路。随着电视技术的发展和电视机功能的增加，现 代彩色电视机已在原基本电路的基础上，增加了不少附加电路。当然，电视机 功能不同、屏幕尺寸大小不同，增加的附加功能也不一样。图(3)为长虹CN-9 机芯(21")彩电图像信号处理电路组成框图。图中的高频调谐器、幅频特性选择电路、图像中频信号放大和视频检波电路、亮度信号和色度信号处理电路、RGB 矩阵和视频信号放大电路为基本电路，第二伴音选择和吸收、TV/AV切换开关 电路为附加电路。图像信号处理基本电路中的高频调谐器，其作用是对射频电 视信号进行放大、混频，它输入为不同频率的射频电视信号，输出为固定频率 的图像中频信号。在目前的彩电维修行业中，彩电维修人员对高频调谐器均不 进行维修，所以，彩电维修初学者没有必要对高频调谐器内部电路的电路结构 和工作过程进行详细了解和掌握，关心的应是它的结果，即正常的高频调谐器 需要什么样的外部条件，才能将接收下来的射频电视信号，转换成图像中频信号。目前彩色电视机中所使用的高频调谐器，有电压合成式和频率合成式两种。高频调谐器不同，需要外电路为其提供的工作条件也不一样。电压合成式高频
传感器的定义 信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。 最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会(IEC:International Electrotechnical Committee)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的传感器”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。 传感器系统的原则框图示于图1-1，进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。为了方便随后
的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。 德国和俄罗斯学者认为传感器应是由二部分组成的，即直接感知被测量信号的敏感元件部分和初始处理信号的电路部分。按这种理解，传感器还包含了信号成形器的电路部分。 传感器系统的性能主要取决于传感器，传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。有两类传感器：有源的和无源的。有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种，不需要外接的能源或激励源(参阅图1-2(a))。 有源(a)和无源(b)传感器的信号流程 无源传感器不能直接转换能量形式，但它能控制从另一输入端输入的能量或激励能 传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。其“对象”可以是固体、液体或气体，而它们的状态可以
a 第二章 PSD 传感器与信号处理电路 为了将电机轴的位置信号转换为相应的电信号，本文的传感器使用光电位置敏感器件PSD （Position Sensitive Detector ）。 本章介绍PSD 及其信号处理电路的工作原理及选型。 2.1 PSD 传感器的工作原理及选型 传感器是一种以一定的精确度将被测量（如位置、力、加速度等）转换成与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量（如电量）的测量部件或装置。 传感器在检测系统中是一个非常重要的环节，其性能直接影响到整个系统的测量精度和灵敏度。如果传感器的误差很大，后面的测量电路、放大器等的精度再高也将难以提高整个系统的精度。所以在系统设计时慎重选择传感器是十分必要的。 光电位置敏感器件PSD （Position Sensitive Detector ）是一种对其感光面上入射光斑重心位置敏感的光电器件。即当入射光斑落在器件感光面的不同位置时，PSD 将对应输出不同的电信号。通过对此输出电信号的处理，即可确定入射光斑在PSD 的位置。入射光的强度和尺寸大小对PSD 的位置输出信号均无关。PSD 的位置输出只与入射光的“重心”位置有关。 PSD 可分为一维PSD 和二维PSD 。一维PSD 可以测定光点的一维位置坐标，二维PSD 可测光点的平面位置坐标。由于PSD 是分割型元件，对光斑的形状无严格的要求，光敏面上无象限分隔线，所以对光斑位置可进行连续测量从而获得连续的坐标信号。 实用的一维PSD 为PIN 三层结构，其截面如图2.1.1所示。表面P 层为感光面，两边各有一信号输出电极。底层的公共电极是用来加反偏电压的。当入射光点照射到PSD 光敏面上某一点时，假设产生的总的光生电流为I 0。由于在入射光点到信号电极间存在横向电势，若在两个信号电极上接上负载电阻，光电流将分别流向两个信号电极，从而从信号电极上分别得到光电流I 1和I 2。显然，I 1和I 2之和等于光生电流I 0，而I 1和I 2的分流关系取决于入射光点位置到两个信号电极间的等效电阻R 1和R 2。如果PSD 表面层的电阻是均匀的，则PSD 的等效电路为图2.1.1〔b 〕所示的电路。由于R sh 很大，而C j 很小，故等效电路可简化成图2.1.1 (c) 的形式，其中R 1和R 2的值取决于入射光点的位置。 假设负载电阻R L 阻值相对于R 1和R 2可以忽略，则有： （2.1.1）I I R R L x L x 1221==-+式中，L 为PSD 中点到信号电极的距离，x 为入射光点距PSD 中点的距离。式（2.1.1）表明，两个信号电极的输出光电流之比为入射光点到该电极间距离之比的倒数。将I 0= I 1+I 2与式（2.1.1）联立得：
中国石油大学（北京）远程教育学院 《检测传感技术》期末复习题参考答案 一、填空题（本题共计40分，每一填空计2分） 1. 一个完整的测试系统由激励装置、传感器、信号调理、信号处理、显示记录等五个基本环节组成。 2. 在测试系统中，激励装置的功能是激发隐含的被测信息；传感器的功能是将被测信息转换成其他信息；信号调理环节的功能是将传感器获得的信息转换成更适合于进一步传输和处理的形式；信号处理环节的功能是对来自信号调理环节的信息进行各种处理和分析；显示记录环节的功能是显示或存储测试的结果。 3. 不失真测试即测试系统的输出要真实地反映其输入的变化。为实现不失真测试，系统频率响应需要满足的条件是：幅频特性为常数；相频特性呈线性。对系统瞬态响应的要求是：瞬态误差小；调整时间短。 4. 测试信号的时域特征参数主要有均值、方差和均方值。 5. 信号的均值反映随机信号变化的中心趋势；信号的方差反映随机信号在均值附近的分布状况；信号的均方值反映随机信号的强度。 6. 任何周期信号均可分解为一系列频率比为有理数的简谐信号, 其频谱特性包括离散性、谐波性、收敛性。 7. 频率单一的正弦或余弦信号称为谐波信号。一般周期信号由一系列频率比为有理数的谐波信号叠加而成。 8. 周期信号的频谱特性：离散性即各次谐波分量在频率轴上取离散值；谐波性即各次谐波分量的频率为基频的整倍数；收敛性即各次谐波分量随频率的增加而衰减。 9. 瞬态信号是在有限时间段存在，属于能量有限信号。
10. 瞬态信号的频谱为连续谱,其幅值频谱的量纲为单位频宽上的幅值，即幅值频谱密度函数。 11. 一阶测试系统的基本参数是时间常数。根据对测试系统的基本要求及一阶测试系统的频率响应和单位阶跃响应，一阶测试系统的基本参数的选取原则是时间常数小。 12. 二阶测试系统的基本参数是固有频率和阻尼比。 13. 金属丝应变片依据应变效应工作；半导体应变片依据压阻效应工作。 14. 压力传感器由弹性敏感元件和机电转换元件两部分组成。 15. 测量传感器的动态特性的实验方法包括频率响应法和时间响应法。 16. 基于弹性元件受力产生变形实现检测的力传感器为二阶测试系统。为保证不失真测试，要求传感器的固有频率远大于被测力参数的工作频率。 17. 线性系统的频率保持性即若对线性系统的输入为某一频率的简谐信号，则其稳态响应必是同一频率的简谐信号。 18. 系统频率响应函数测试中，稳态正弦激励方式的依据是线性系统的频率保持性，其特点是测试周期长，其原因在于在每个测试频率处，只有当系统达到稳定状态才能进行测试。 二、解释题（本题共计12分，每小题4分） 1. 物性型传感器 答：依靠敏感元件材料本身物理性质在被测量作用下的变化来实现信号转换的传感器，如应变式、压电式、压阻式传感器。 2. 结构型传感器
ABS轮速传感器及其信号处理 车轮防抱死制动系统简称ABS 是基于汽车轮胎与路面之间的附着特性而开发的高技术制动系统。ABS由信号传感器、逻辑控制器和执行调节器组成。其控制目标是：当汽车在应急制动时，使车轮能够获得最佳制动效率，同时又能实现车轮不被抱死、侧滑，使汽车在整个制动过程中保持良好的行驶稳 定性和方向可操作性。 在ABS系统中，几乎都离不开对车轮转动角速度的测定，因为只要有了车轮转动角速度，其它参数（如车轮转动角和加速度）均可通过计算机计算获得。ABS的工作原理就是在汽车制动过程中不断检测车轮速度的变化，按一定的控制方法，通过电磁阀调节轮缸制动压力，以获得最高的纵向附着系数和较高的侧向附着系数，使车轮始终处于较好的制动状态。因此精确检测车轮速度是ABS系统正常工作的先决条件。 1 ABS轮速传感器及特性分析 通常，用来检测车轮转速信号的传感器有磁电式、电涡流式和霍尔元件式。由于磁电式轮速传感器工作可靠，几乎不受温度、灰尘等环境因素影响，所以在ABS系统中得到 广泛应用。 1.1 磁电式轮速传感器的工作原理 磁电式传感器的基本原理是电磁感应原理。根据电磁感应定律，当N匝线圈在均恒 磁场内运动时，设穿过线圈的磁通为φ，则线圈内的感应电势ε与磁通变化率有 如下关系： 若线圈在恒定磁场中作直线运动并切割磁力线时，则线圈两端的感应电势ε为：
式中，N为线圈匝数；B为磁感应强度；L为每匝线圈的平均长度：为线圈相对磁场运动的速度；θ为线圈运动方向与磁场方向的夹角。
若线圈相对磁场作旋转运动并切割磁力线时，则线圈两端的感应电势ε为： 式中，ω为旋转运动的相对角速度；A为每匝线圈的截面积；φ为线圈平面的法线 方向与磁场方向间的夹角。 根据上述基本原理，磁电传感器可以分为两种类型：变磁通式（变磁阻式）和恒定磁通式。由于变磁通式磁电传感器结构简单、牢固、工作可靠、价格便宜，被广泛用于车辆上作为检测车轮转速的轮速传感器。图1为变磁通式磁电传感器的结构原理。其中传感器线圈、磁铁和外壳均固定不动，齿轮安装在被测的旋转体上。 当齿轮与被测的车轮轴一起转动时，齿轮与铁芯之间的气隙随之变化，从而导致气隙磁阻和穿过气隙的主磁通发生变化。结果在感应线圈中感应出交变的电动势，其频率等 于齿轮的齿数Z和车轮轴转速n的乘积，即： f=Zh （4） 感应电动势的幅值与车轮轴的转速和气隙有关，当气隙一定时，转速越大，其幅值越大；当转速一定时，气隙越小，其幅值越大。 1.2 轮速传感器特性试验研究 目前，测量车轮转动速度的一般方法是将变磁阻式磁电传感器安装在车轮总成的非旋转部分上，与随车轮一起转动的由导磁材料制成的齿圈相对。当齿圈随车轮一起转动时，由于齿圈与传感器之间气隙的的交替变化，导致两者间磁阻的变化，从而在传感器内的线 圈上感生出交变的电压信号。
基于TMS320F28335的信号处理电路设计 摘要：鉴于TMS320F206即将停产，需要寻求一款DSP对其进行替代，替换DSP 后的信号处理电路需完成温度值、一路电气零位、三路加表惯性量、三路陀螺惯 性量的采集以及惯性量的补偿计算和数据组帧发送的功能。该信号处理电路基于 浮点DSP TMS320F28335，该DSP的引用简化了惯性测量装置中的误差补偿计算，为单位类似的产品提供了一套可行方案。TMS320F28335丰富的外设使得信号处 理电路具有可再简化的潜力，其在惯性测量装置信号处理电路中的应用具有广阔 前景。通过系统试验，验证了系统软硬件设计的正确性高的应用推广价值。 关键词：DSP；信号处理电路；浮点 1、前言 现有技术方案主要为TMS320F206+异步串口SC28L202的方案，电路上电后 完成外围电路的初始化，TMS320F206通过SC28L202相应的I/O完成AD7716的 配置，AD7716初始化完成后每隔一个固定时间自动完成加表数据的采集并输出 一个中断信号，所采数据存于FIFO中。陀螺每隔一个固定时间将一帧数据存于 SC28L202的FIFO中，当TMS320F206判到第四个AD7716中断来到后从相应的FIFO中取加表、陀螺数据，TMS320F206完成加表、陀螺数据温度补偿计算后组 帧并向相应的接口发送数据。 本文以某信号处理电路设计为背景，为了解决TMS320F206即将停产的问题，电路架构由TMS320F206+异步串口SC28L202的方案升级为TMS320F28335+异步 串口TL16C752CIPFB架构。其中DSP为TI公司的TMS320F28335 [1]，异步串口为 TI公司的TL16C752CIPFB [2]。 2、某信号处理电路原理TMS320F206+异步串口SC28L202架构设计 信号处理电路采用了TMS320F206+异步串口SC28L202架构。信号处理电路 主要由加速度计信号采集电路、陀螺信号采集电路、测温电路、数字信号处理及 控制电路、外设输出接口电路组成。 如果继续使用现有方案，现面临几个问题，主要表现在以下几个方面。 (1)TMS320F206即将停产，本方案中的DSP需进行更换； (2)另外由于TMS320F206为定点DSP，而在补偿计算时要进行浮点运算，为满足 这种需要，在进行补偿时需要对数据进行复杂的移位操作，补偿计算耗时较多， 效率低下； (3)总体需要更换异步串口SC28L202。 为了解决上述问题，DSP采用TI公司的TMS320F28335 ，异步串口采用TI公 司TL16C752CIPFB实现。该方法可以解决上述问题，但是，由于引入了DSP TMS320F28335 ，异步串口TL16C752CIPFB，需要研究基于TMS320F28335的信号 处理电路设计，实现DSP、稳定、可靠的工作。 3、基于TMS320F28335信号处理电路架构设计 TMS320F28335数字信号处理器是属于TI公司C2000系列的一款浮点DSP控 制器，详细信息如下。 (1)单周期指令执行时间：最快达6.67ns； (2)CPU： 32为定点处理器、单精度浮点运算单元、32位算术逻辑单元、16位×16位乘法器和32位×32位乘法器； (3)存储器：地址空间为2M×16、SRAM为34K×16、OTP ROM为1K×16、引导 ROM为8K×16、FLASH为256K×16；