傳感器的信號(hào)調(diào)理

1、Agenda信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理的概念信號(hào)調(diào)理的作用信號(hào)調(diào)理分類信號(hào)調(diào)理分類電平調(diào)整線性化信號(hào)形式變換濾波及阻抗匹配Agenda信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理的概念信號(hào)調(diào)理的作用信號(hào)調(diào)理分類信號(hào)調(diào)理分類電平調(diào)整線性化信號(hào)形式變換濾波及阻抗匹配信號(hào)調(diào)理的概念這種電信號(hào)：這種電信號(hào)：受敏感元件及檢測(cè)電路的特點(diǎn)限制在形式、幅值等方面一般無法直接用來實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量的進(jìn)一步分析、顯示、記錄及控制。因此，就需要進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理(Signal Conditioning)對(duì)信號(hào)進(jìn)行操作，將其轉(zhuǎn)換成適合后續(xù)測(cè)控單元接口的信號(hào)被測(cè)量傳感器傳感器電信號(hào)Agenda信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理的概念信號(hào)調(diào)理的作

2、用信號(hào)調(diào)理分類信號(hào)調(diào)理分類電平調(diào)整線性化信號(hào)形式變換濾波及阻抗匹配信號(hào)調(diào)理的作用數(shù)字式數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)數(shù)字式數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng) (Data AcQuisition System, DAQS)趨勢(shì)：越來越多的測(cè)量系統(tǒng)多采用數(shù)字電路對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行處理策略：傳感器的信號(hào)調(diào)理更多針對(duì)后續(xù)的數(shù)字式數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng) ，即通過對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)理，使之更適合轉(zhuǎn)換為使之更適合轉(zhuǎn)換為離散數(shù)據(jù)流離散數(shù)據(jù)流。信號(hào)調(diào)理的作用DAQS的輸入信號(hào)的要求的輸入信號(hào)的要求輸入信號(hào)必須是電壓信號(hào)；輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)符合或接近DAQS的動(dòng)態(tài)范圍，以充分利用A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率；輸入信號(hào)源的內(nèi)阻應(yīng)足夠低，DAQS的輸入電阻不至于對(duì)

3、輸入信號(hào)產(chǎn)生顯著影響；輸入信號(hào)的帶寬應(yīng)限制在A/D采樣頻率的一半以下，防止混疊。信號(hào)調(diào)理的作用滿足模擬傳感器與數(shù)字滿足模擬傳感器與數(shù)字DAQS之間的接口要求之間的接口要求信號(hào)隔離信號(hào)隔離：大部分應(yīng)用需要將傳感器與計(jì)算機(jī)的電源系統(tǒng)隔離開來。手段：磁隔離用于防止計(jì)算機(jī)與傳感器電源之間的耦合用變壓器實(shí)現(xiàn)光隔離用于將傳感器信號(hào)與DAQS輸入端隔離一般采用LED-PD聯(lián)合的方式實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)功能可集成在同一個(gè)器件中信號(hào)調(diào)理的作用滿足模擬傳感器與數(shù)字滿足模擬傳感器與數(shù)字DAQS之間的接口要求之間的接口要求信號(hào)的預(yù)處理信號(hào)的預(yù)處理：在采集信號(hào)之前對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。具體內(nèi)容取決于具體應(yīng)用，一般應(yīng)達(dá)到如下功能

4、：降低計(jì)算機(jī)處理時(shí)間開銷降低系統(tǒng)采樣頻率簡(jiǎn)化整個(gè)DAQS結(jié)構(gòu)信號(hào)調(diào)理的作用滿足模擬傳感器與數(shù)字滿足模擬傳感器與數(shù)字DAQS之間的接口要求之間的接口要求去除無用信號(hào)去除無用信號(hào)：大量傳感器的輸出信號(hào)中包含許多不同的信號(hào)成分，在對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集之前，甚至需要必須去除信號(hào)中的某些成分，如50Hz的工頻成分。Agenda信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理的概念信號(hào)調(diào)理的作用信號(hào)調(diào)理的分類信號(hào)調(diào)理的分類電平調(diào)整線性化信號(hào)形式變換濾波及阻抗匹配信號(hào)調(diào)理的分類電平調(diào)整電平調(diào)整線性化線性化信號(hào)形式變換信號(hào)形式變換濾波及阻抗匹配濾波及阻抗匹配Agenda信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理的概念信號(hào)調(diào)理的作用信號(hào)調(diào)理的分類信號(hào)調(diào)理的分

5、類電平調(diào)整線性化信號(hào)形式變換濾波及阻抗匹配電平調(diào)整無源電平調(diào)整電路無源電平調(diào)整電路最簡(jiǎn)單的電平調(diào)整電路R1和R2的精度和穩(wěn)定性直接影響電平調(diào)整的效果；R1和R2的選取需要綜合考慮：電平調(diào)整電路作為傳感器電路輸出的負(fù)載，希望輸入阻抗高一些；作為后一級(jí)電路的輸入端，希望輸出阻抗小一些；大阻值（M 級(jí)）電阻在阻值精度及噪聲方面都較差；一般應(yīng)用于要求不高的場(chǎng)合iOVRRRV212電平調(diào)整有源電平調(diào)整電路有源電平調(diào)整電路反相放大電路：是最常見的有源電平調(diào)整電路，電壓增益為：電路的輸入阻抗約為Ri ，輸出阻抗接近于0；不僅實(shí)現(xiàn)了傳感器輸出與后續(xù)電路之間的電壓調(diào)整，而且滿足了阻抗匹配的要求.ifRRG電平調(diào)

6、整有源電平調(diào)整電路有源電平調(diào)整電路反相放大電路：是最常見的有源電平調(diào)整電路，電壓增益為：電路的輸入阻抗約為Ri ，輸出阻抗接近于0；不僅實(shí)現(xiàn)了傳感器輸出與后續(xù)電路之間的電壓調(diào)整，而且滿足了阻抗匹配的要求.ifRRG電平調(diào)整有源電平調(diào)整電路有源電平調(diào)整電路注意：電路的輸出范圍受運(yùn)放供電電源電壓的限制可能出現(xiàn)削波；運(yùn)放的帶寬有限：增益帶寬積（如增益帶寬積為30MHz，100倍增益，意味著帶寬僅為300kHz)運(yùn)放噪聲運(yùn)放本身引入噪聲；運(yùn)放中的電阻器件會(huì)引入熱噪聲。失調(diào)電壓失調(diào)電流Agenda信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理的概念信號(hào)調(diào)理的作用信號(hào)調(diào)理的分類信號(hào)調(diào)理的分類電平調(diào)整線性化信號(hào)形式變換濾波及阻抗

7、匹配線性化傳感器的線性特性：傳感器的線性特性：有利于后續(xù)電路的設(shè)計(jì)；可簡(jiǎn)化傳感器的標(biāo)定工作。但是，現(xiàn)實(shí)中大量的傳感器特性從原理上就是非線性的。數(shù)字電路、單片機(jī)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)的介入，能在某種程度上補(bǔ)償傳感器的非線性，但此方式的適用范圍有限，尤其受A/D采樣速度及運(yùn)算處理速度限制，在需要?jiǎng)討B(tài)測(cè)量的場(chǎng)合難以滿足要求。線性化傳感器線性化的目的：傳感器線性化的目的：若傳感器輸入輸出特性的非線性不嚴(yán)重，不會(huì)引起顯著誤差時(shí)，可用切線或割線等直線近似代表局部實(shí)際曲線，如擬合直線。傳感器線性化的目的在于，通過在信號(hào)調(diào)理電路中加入非線性環(huán)節(jié)，使傳感器的線性范圍最大化。線性化傳感器線性化的分類：傳感器線性化的分類

8、：按所用元件分類：無源線性化有源線性化線性化傳感器線性化的分類：傳感器線性化的分類：根據(jù)線性化所處階段分類：模擬線性化：在數(shù)字化以前進(jìn)行的線性化；數(shù)字線性化：在數(shù)字化以后進(jìn)行的線性化。線性化采用硬件方法對(duì)傳感器特性進(jìn)行線性化，在實(shí)時(shí)性、采用硬件方法對(duì)傳感器特性進(jìn)行線性化，在實(shí)時(shí)性、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)等方面具有軟件方法難以替代的優(yōu)勢(shì)。簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)等方面具有軟件方法難以替代的優(yōu)勢(shì)。在許多應(yīng)用中，采用模擬電路對(duì)傳感器的輸出進(jìn)行線在許多應(yīng)用中，采用模擬電路對(duì)傳感器的輸出進(jìn)行線性化是最佳的。性化是最佳的。無源線性化電路無源線性化電路無源線性化電路無源線性化電路比較簡(jiǎn)單，性能可靠，成本低廉。在某些應(yīng)用場(chǎng)合，通過合理

9、設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)及元件參數(shù)，可獲得滿意的精度，是一種廣泛應(yīng)用的線性化方法。一種簡(jiǎn)單的無源線件化電路是用固定參數(shù)元件與敏感器件并聯(lián)或串聯(lián)。對(duì)有些非線性傳感器，簡(jiǎn)單地用固定電阻器與傳感元件串、并聯(lián)，只要電阻值選取合適，即可將非線性校正到滿意的程度。無源線性化電路無源線性化電路無源線性化電路典型例子：Dunmore式濕敏傳感器的非線性校正。濕敏電阻的非線性特性曲線 無源線性化電路濕敏傳感器的電阻值RH與相對(duì)濕度RH的關(guān)系曲線是非線性的。 根據(jù)具體測(cè)量需要，選擇A、B、C三點(diǎn)，且Ha-HbHb-Hc。用一個(gè)固定電阻R與RH并聯(lián)。無源線性化無源線性化電路無源線性化電路并聯(lián)后的總電阻值為：為使A、B、C三點(diǎn)成

10、線性關(guān)系，應(yīng)有：即HHRRRRRHHcHbHbHaRRRRHcHcHbHbHbHbHaHaRRRRRRRRRRRRRRRR無源線性化電路無源線性化電路無源線性化電路運(yùn)算后可得：HbHcHaHcHaHcHaHbRRRRRRRRR22)(無源線性化電路無源線性化電路無源線性化電路經(jīng)修正后的特性曲線呈S形，線性度得到改善，各點(diǎn) 值與直線(圖中虛線)關(guān)系對(duì)應(yīng)值的偏差 如圖b所示 ：HRR無源線性化電路若想直接進(jìn)行輸出電壓線性化，則可采用串聯(lián)電路若想直接進(jìn)行輸出電壓線性化，則可采用串聯(lián)電路對(duì)于前圖對(duì)于前圖(上右上右)中的中的A、B、C三點(diǎn)，應(yīng)有三點(diǎn)，應(yīng)有得出固定電阻仍為得出固定電阻仍為iHcHciHbH

11、biHbHbiHaHaVRRRVRRRVRRRRVRRRHbHcHaHcHaHcHaHbRRRRRRRRR22)(從固定電阻R上取電壓是為了得到隨相對(duì)濕度增加而增加的電壓關(guān)系無源線性化電路線性化后的電壓輸出曲線如下圖所示，也是一個(gè)線性化后的電壓輸出曲線如下圖所示，也是一個(gè)S形形曲線。曲線。無源線性化電路熱敏電阻的非線性校正也常采用類似的方法熱敏電阻的非線性校正也常采用類似的方法熱敏電阻的阻值與溫度呈指數(shù)關(guān)系，實(shí)踐中可用溫度系數(shù)很小的金屬電阻與其串聯(lián)或并聯(lián)或同時(shí)串、并聯(lián)，構(gòu)成電阻網(wǎng)絡(luò)，代替單個(gè)熱敏電阻。只要金屬電阻的阻值選擇合適，可使其等效電阻值與溫度的關(guān)系在一定溫度范圍內(nèi)呈線性。無源線性化電路

12、熱敏電阻的非線性校正也常采用類似的方法。熱敏電阻的非線性校正也常采用類似的方法。一般情況下，取回路電流作輸出量時(shí)選用串聯(lián)形式，在電橋測(cè)量電路中則選用并聯(lián)形式或串、并聯(lián)形式。電阻串、并聯(lián)法可使熱敏電阻最大非線性誤差在040范圍內(nèi)校正為0.15，在0l00內(nèi)為1.5。熱電阻(如鉑、銅電阻)等特性曲線一般為二次或三次多項(xiàng)式，可用這種方法校正，且校正效果較好。無源線性化電路上述非線性校正法上述非線性校正法優(yōu)點(diǎn)：成本低，簡(jiǎn)便缺點(diǎn)：校正范圍一般較窄、準(zhǔn)確度不是很高主要應(yīng)用：被測(cè)量變化范圍不大的場(chǎng)合被測(cè)量變化范圍較大的場(chǎng)合怎么處理？被測(cè)量變化范圍較大的場(chǎng)合怎么處理？采用更復(fù)雜的無源電路無源線性化電路思路思路

13、將工作于不同敏感區(qū)的敏感元件組合，使特性曲線彎曲部分互補(bǔ)，可消除高次項(xiàng)誤差，獲得寬線性范圍。不同敏感區(qū)的敏感元件進(jìn)行組合 濕敏電阻的線性化效果 有源線性化電路無源線性化方法的特點(diǎn)：無源線性化方法的特點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)；引入固定參數(shù)元件串并聯(lián)，使變換靈敏度降低。有源線性化：有源線性化：沒有上述缺點(diǎn)；利用運(yùn)放、場(chǎng)效應(yīng)管或三極管等有源元件實(shí)現(xiàn)函數(shù)變換。運(yùn)放有很高的增益、極高的輸入阻抗、靈活多變的接法，可獲得各種各樣的函數(shù)變換特性。 從原理上講，任何敏感器件的變換特性都可校正為足夠好的直線特性。隨著運(yùn)放性價(jià)比的不斷提升，實(shí)際應(yīng)用中被越來越多地采用。無源線性化的共同缺點(diǎn)！有源線性化電路有源線性化：有源

14、線性化：缺點(diǎn)：線路復(fù)雜、調(diào)整不便，成本相對(duì)高。一種簡(jiǎn)單有源線性化電路是利用非線性反饋，使反饋支路的非線性和原有敏感器件變換特性的非線性相互抵消，從而得到線性化。目前有多種使用方便的函數(shù)運(yùn)算電路可選。也可采用運(yùn)算放大器搭建函數(shù)運(yùn)算器進(jìn)行線性化。有源線性化電路實(shí)例：對(duì)數(shù)實(shí)例：對(duì)數(shù)/指數(shù)運(yùn)算電路指數(shù)運(yùn)算電路有相當(dāng)多的敏感元件的特性曲線呈指數(shù)或?qū)?shù)形式，如硅光電池傳感器的輸出電壓為利用由運(yùn)算放大器組成的對(duì)數(shù)電路，使電路輸出為：即可得到線性的輸出：IoIeVv)ln(IAVKv I 為光強(qiáng)K 為常數(shù)KIVKvoA)ln(硅光電池的非線性特性曲線Agenda信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理的概念信號(hào)調(diào)理的作用信號(hào)

15、調(diào)理的分類信號(hào)調(diào)理的分類電平調(diào)整線性化信號(hào)形式變換濾波及阻抗匹配信號(hào)形式變換定義：定義：將信號(hào)從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式的調(diào)整。信號(hào)形式變換為使傳感器輸出信號(hào)便于處理、顯示、傳輸，要對(duì)不同類型信號(hào)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。例如:電壓/電流變換：將電壓信號(hào)變成不易受干擾的電流源信號(hào)。電壓/頻率變換：將電壓信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)制以便于電氣隔離和數(shù)字化；交流/直流變換：將輸入信號(hào)的交流參數(shù)如峰值、絕對(duì)平均值、有效值提取出來；信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)（包括相敏解調(diào)）在信號(hào)傳輸中的電氣隔離和抗干擾方面具有重要作用。信號(hào)形式變換進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)，需考慮如下因素：轉(zhuǎn)換電路應(yīng)有良好線性；要求信號(hào)轉(zhuǎn)換電路具有一定的輸入阻抗和輸出阻抗，以便

16、與之相聯(lián)的器件或電路阻抗匹配。信號(hào)形式變換 -電壓電流轉(zhuǎn)換電路在成套儀表和計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，傳感器和儀表之間、儀表和儀表之間的信號(hào)傳送都采用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，即05V直流電壓或010mA、420mA直流電流。信號(hào)形式變換 -電壓電流轉(zhuǎn)換電路傳感器測(cè)量系統(tǒng)中，常用電壓/電流轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行電壓、電流信號(hào)間的轉(zhuǎn)換。例如：在遠(yuǎn)距離測(cè)量系統(tǒng)中，必須把監(jiān)控電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)傳輸，以減小傳輸導(dǎo)線阻抗對(duì)信號(hào)的影響。對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，先需要將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再由數(shù)字電壓表測(cè)量，或經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)控。信號(hào)形式變換 -電壓電流轉(zhuǎn)換電路在進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)，為保證足夠的轉(zhuǎn)換精度和較寬的適應(yīng)范圍，要求：

17、I/V轉(zhuǎn)換電路：要有較低的輸入阻抗和輸出阻抗V/I轉(zhuǎn)換電路：要有較高的輸入阻抗和輸出阻抗。信號(hào)形式變換 -電壓電流變換電壓-電流變換定義：輸出負(fù)載中的電流正比于輸入電壓的電路稱為電壓-電流變換器。由于傳輸系數(shù)是電導(dǎo)，又稱轉(zhuǎn)移電導(dǎo)放大器。輸入電壓恒定時(shí)，負(fù)載中的電流為恒定值，與負(fù)載無關(guān)，構(gòu)成恒流源電路。（集成）運(yùn)算放大器是內(nèi)部具有差分放大器的集成電路，符號(hào)表示如圖所示。運(yùn)算放大器的符號(hào)中有三個(gè)引線端，兩個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端。一個(gè)稱為同相輸入端，即該端輸入信號(hào)變化的極性與輸出端相同，用符號(hào)+表示；另一個(gè)稱為反相輸入端，即該端輸入信號(hào)變化的極性與輸出端相反，用符號(hào)“-”表示。輸出端在輸入端的另一側(cè)，

18、在符號(hào)邊框內(nèi)標(biāo)有+號(hào)。信號(hào)形式變換 - 運(yùn)算放大器 運(yùn)算放大器外形圖信號(hào)形式變換 - 運(yùn)算放大器理想運(yùn)算放大器的條件1.差模電壓放大倍數(shù)Avd= ，實(shí)際上Avd80dB即可。2.差模輸入電阻Rid= ，實(shí)際上Rid比輸入端外電路的電阻大23個(gè)量級(jí)即可。3.輸出電阻Ro= 0 ，實(shí)際上Ro比輸入端外電路的電阻小12個(gè)量級(jí)即可。 4.帶寬足夠?qū)挕?.共模抑制比足夠大。實(shí)際上在做一般原理性分析時(shí)，運(yùn)算放大器都可以視為理想的。只要實(shí)際的運(yùn)用條件不使運(yùn)算放大器的某個(gè)技術(shù)指標(biāo)明顯下降即可。理想運(yùn)算放大器的特性理想運(yùn)算放大器具有“虛短”和“虛斷”的特性，這兩個(gè)特性對(duì)分析線性運(yùn)用的運(yùn)放電路十分有用。為了保證線

19、性運(yùn)用，運(yùn)放必須在閉環(huán)(負(fù)反饋）下工作。 理想運(yùn)算放大器的特性(1)虛短由于運(yùn)放的電壓放大倍數(shù)很大，一般都在80 dB以上。而運(yùn)放的輸出電壓是有限的，一般在10 V14 V。因此運(yùn)放的差模輸入電壓不足1 mV，兩輸入端近似等電位，相當(dāng)于 “短路”。開環(huán)電壓放大倍數(shù)越大，兩輸入端的電位越接近相等?！疤摱獭笔侵冈诜治鲞\(yùn)算放大器處于線性狀態(tài)時(shí)，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱為虛假短路，簡(jiǎn)稱虛短。顯然不能將兩輸入端真正短路。理想運(yùn)算放大器的特性(2)虛斷由于運(yùn)放的差模輸入電阻很大，一般都在1M以上。因此流入運(yùn)放輸入端的電流往往不足1A，遠(yuǎn)小于輸入端外電路的電流。故通常可把運(yùn)放的兩輸入端視為開路，且

20、輸入電阻越大，兩輸入端越接近開路。 “虛斷”是指在分析運(yùn)放處于線性狀態(tài)時(shí)，可以把兩輸入端視為等效開路，這一特性稱為虛假開路，簡(jiǎn)稱虛斷。顯然不能將兩輸入端真正斷路。同相放大器根據(jù)虛斷， I-= I+ 0根據(jù)虛短，解上述方程，可以得到增益在同相放大器中，可以用虛短的概念，不能用虛地的概念，因?yàn)樵诜聪喽擞蟹答侂娏髁鬟^，電位不為零。saPNVVVV431osVRAVR40331RVVIRVIaa反相放大器圖為反相放大器電路，根據(jù)基爾霍夫電流定律及虛地的概念，可以得到下式：解上述方程，可以得到增益式中負(fù)號(hào)表示輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的相位相反。1212sNNoVVVVIIRR0NV 21osVRAVR差動(dòng)放大

21、器圖為差動(dòng)放大器電路，根據(jù)理想運(yùn)放條件及虛短的概念，可以得到下式： 通常取 ， ，又 ，所以根據(jù)上面兩式可以得到電路的增益可見，差動(dòng)放大器的輸出電壓與輸入電壓差成正比，通常取1121211()soNVVVRRRR212111()sPVVRRR11RR22RRPNVV2211ossVRAVVR 圖為對(duì)數(shù)放大器原理電路，設(shè)Is為二極管反向飽和電流，VT為二極管參數(shù)，室溫條件下，VT=26mV，VD為二極管的管壓降，ID為流過二極管的電流，根據(jù)二極管方程 當(dāng)VDVT時(shí)，上式可近似為 可得 /(1)DTVVDsII e/DTVVDsIIel nDDTsIVVI對(duì)數(shù)放大器 根據(jù)虛地的概念： 所以 可見輸

22、出電壓信號(hào)與輸入電壓信號(hào)成對(duì)數(shù)關(guān)系。實(shí)際的對(duì)數(shù)放大器在反饋中常使用三極管。oDVV 11sDVIIR1(lnln )soTsVVVIR對(duì)數(shù)放大器 反對(duì)數(shù)放大器原理電路如圖所示。設(shè)三極管基極和射極間的電壓為Vbe，Is為三極管飽和電流，則 根據(jù)虛地的概念 則 可見輸出電壓信號(hào)V0與輸入電壓信號(hào)Vs成反對(duì)數(shù)關(guān)系。/1beTVVsII ebesVV2oVI R 121lnsosTVVI RI RRIV 反對(duì)數(shù)放大器 圖圖為儀用放大器原理電路，它由三個(gè)運(yùn)放組成。為儀用放大器原理電路，它由三個(gè)運(yùn)放組成。R RG G為增益調(diào)節(jié)為增益調(diào)節(jié)電阻，儀用放大器中，只有電阻，儀用放大器中，只有R RG G為外接電阻

23、。運(yùn)放為外接電阻。運(yùn)放A A3 3是增益為是增益為1 1的的差動(dòng)放大器。儀用放大器的增益為差動(dòng)放大器。儀用放大器的增益為11212OssGVRAVVR儀表放大器信號(hào)形式變換 -電壓電流變換1、浮地負(fù)載電壓-電流變換電路將負(fù)載接到反相放大器和同相放大器的反饋電路中，則構(gòu)成最簡(jiǎn)浮地負(fù)載電壓-電流變換電路。按理想運(yùn)放條件可導(dǎo)出這兩種電路負(fù)載中的電流為：1RVIiL信號(hào)形式變換 -電壓電流變換1、浮地負(fù)載電壓-電流變換電路圖(c) 所示電壓-電流變換電路浮地負(fù)載中的電流具有放大特性。圖中電阻R4上的電壓為:負(fù)載RL中的電流為:與 相比，放大了 倍。124RRVVi142424)1 (/RRRVRRVI

24、iL1RVIi)1 (42RR信號(hào)形式變換 -電壓電流變換1、浮地負(fù)載電壓-電流變換電路圖(d)所示同相型變換電路中，電阻R4上的電壓為因此負(fù)載中的電流為:與 相比，放大了 倍。1224RVRIRVVii14212144)1 (/RRRRVRRRVIiL121124RRRVRVRVViii1RVIi4211RRR 信號(hào)形式變換 -電壓電流變換a和c為反相型電路，其輸入阻抗為R1，是低輸入阻抗型b和d為同相型變換電路，其輸入阻抗與同相放大器相同，為高輸入阻抗型。信號(hào)形式變換 -電壓電流變換接地負(fù)載電壓接地負(fù)載電壓-電流變換電路電流變換電路差動(dòng)式電壓差動(dòng)式電壓- -電流變換電路電流變換電路信號(hào)形式

25、變換 -電流電壓變換 I/V轉(zhuǎn)換電路用于將輸入電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為與之成線性轉(zhuǎn)換電路用于將輸入電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為與之成線性關(guān)系的電壓信號(hào)。關(guān)系的電壓信號(hào)。信號(hào)形式變換 -電流電壓變換利用反相輸入型運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換。設(shè)運(yùn)放A為理想運(yùn)放。在圖中有： i=is ； u0-iR1= -isR1 。電流源is的內(nèi)阻必須很大，否則，輸入失調(diào)電壓將被放大(1+ R1 /Rs)倍，產(chǎn)生很大誤差。此外，電流is 必須遠(yuǎn)大于運(yùn)放輸入偏置電流Ib 。信號(hào)形式變換 -電流電壓變換電流-電壓變換最典型的應(yīng)用就是光電檢測(cè)。用光電池、光敏二極管做檢測(cè)時(shí)，由于其輸出電阻很高，且其短路電流與光強(qiáng)線性好，因此可看成電流源，通常其電

26、流很小(A級(jí))。所以光電池、光敏二極管的檢測(cè)實(shí)際上是一種微電流測(cè)量。為獲得高精度微電流放大，必須選用高輸入阻抗、極低偏置電流的FET輸入型運(yùn)放，如CA3140，OPAl28等，但FET運(yùn)放輸入偏置電流將隨溫度升高而成倍增加，而晶體管輸入型反倒好些。信號(hào)形式變換 -電流電壓變換采用T型反饋電路組成的微電流放大器可取得較好效果，如圖所示。理想情況下：is =u /R2 +(u-uo)/ R3其中， u= - is R1 ，代入上式，得 u0= - isR3 +R1 (1+ R3 /R2)通過改變R2值可改變放大倍數(shù)。信號(hào)形式變換 -電流電壓變換在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，電流信號(hào)經(jīng)長(zhǎng)距離導(dǎo)線傳送到數(shù)據(jù)采集接

27、口，需電流電壓成比例轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換后再作A/D轉(zhuǎn)換。電流-電壓轉(zhuǎn)換電路將輸入電流成比例地轉(zhuǎn)換成輸出電壓。信號(hào)形式變換 -電流電壓變換圖a為傳感器的長(zhǎng)線電流輸入的情況。圖b輸入電流I直接流過基準(zhǔn)電阻R，輸出電壓為Vo=IiR 。當(dāng)工作范圍為-10VIiR+10V時(shí)，一般根據(jù)Ii適當(dāng)選取R，而對(duì)Ii的大小無限制。當(dāng)R值很小時(shí)，Ii可取很大的值。如當(dāng)R=10 時(shí)， Ii 最大值可能取1A。此時(shí)應(yīng)注意R的發(fā)熱情況。R為電路的輸入阻抗，因此當(dāng)主信號(hào)源內(nèi)阻不太大時(shí)，電流值將產(chǎn)生誤差。信號(hào)形式變換 -電流電壓變換當(dāng)輸入電流很小時(shí)，可使用下圖所示電壓放大電路，則有iioRIRRRRIV100221信號(hào)形式變換 -電

28、壓頻率(V/F)轉(zhuǎn)換定義：V/F是指把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比的頻率信號(hào)。特點(diǎn)：V/F轉(zhuǎn)換過程實(shí)質(zhì)上是對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)制，頻率信息可遠(yuǎn)距離傳遞并有優(yōu)良的抗干擾能力，采用光電隔離和變壓器隔離時(shí)不會(huì)損失精確度；V/F轉(zhuǎn)換器應(yīng)用簡(jiǎn)單，對(duì)外圍器件性能要求不高，其A/D轉(zhuǎn)換速度不低于雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器件，且價(jià)格較低。 信號(hào)形式變換 -電壓頻率(V/F)轉(zhuǎn)換V/F轉(zhuǎn)換器常用電荷平衡轉(zhuǎn)換方法，原理如圖a所示。運(yùn)放Al 、電阻R1 、積分電容CINT組成積分器。Al的輸入端A和輸出端B分別接電流開關(guān)S的兩個(gè)選擇端。當(dāng)電流開關(guān)S受單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器控制在A、B點(diǎn)交替切換時(shí)，積分器相應(yīng)地工作于兩種不同狀態(tài)：復(fù)位和積分

29、。信號(hào)形式變換 -電壓頻率(V/F)轉(zhuǎn)換當(dāng)uBUR時(shí)，A2的輸出電平翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)單穩(wěn)觸發(fā)器脫離穩(wěn)態(tài)進(jìn)入暫態(tài)。這時(shí)單穩(wěn)觸發(fā)器控制輸出電平uO翻轉(zhuǎn)；同時(shí)控制電流開關(guān)S把A點(diǎn)接恒流源IR。此時(shí)，積分電容CINT流過的電流iC=IR-iI ，設(shè)在復(fù)位時(shí)間TR內(nèi)，積分電容CINT的電壓變化為uC，積累的電荷變化量為式中，TR為復(fù)位時(shí)間，即單穩(wěn)觸發(fā)器的暫態(tài)維持時(shí)間，由定時(shí)電容COS決定。 RIRRCINTCCTiITiCuq)(信號(hào)形式變換 -電壓頻率(V/F)轉(zhuǎn)換當(dāng)單穩(wěn)觸發(fā)器脫離暫態(tài)，回到穩(wěn)態(tài)時(shí)，uO再次翻轉(zhuǎn)；同時(shí)電流開關(guān)S接B點(diǎn)。積分器脫離復(fù)位狀態(tài)，進(jìn)入積分狀態(tài)。此時(shí)CINT的電流iC僅受輸入電流iI的

30、影響，此時(shí)有: 式中，TI為積分時(shí)間，取決于輸入電壓的大小。CINTCIIICqCuTiTi信號(hào)形式變換 -電壓頻率(V/F)轉(zhuǎn)換由于轉(zhuǎn)換器的積分電容在積分和復(fù)位過程中的電荷變化量平衡，即 ，故稱電荷平衡式轉(zhuǎn)換器。V/F轉(zhuǎn)換器的輸出頻率為：式中，RI為V/F轉(zhuǎn)換器的輸入端內(nèi)部電阻；IR為V/F轉(zhuǎn)換器內(nèi)部恒流源電流值。 IIRIRCTiTiIq)(RRIIRRIRIoTIRuTIiTTf1信號(hào)形式變換 -交流/直流轉(zhuǎn)換電路 檢測(cè)中有時(shí)需知道傳感器的交流輸出信號(hào)的幅值或功率。例如：磁電式振動(dòng)速度傳感器或電渦流式振動(dòng)位移傳感器，在其信號(hào)處理電路中都需進(jìn)行交流-直流變換，即將交流振幅信號(hào)變?yōu)榕c之成正比

31、的直流信號(hào)輸出。根據(jù)被測(cè)信號(hào)的頻率不同或要求測(cè)量精度不同，可采用不同變換方法。目前常用的變換方法有線性檢波電路（半波整流電路）、絕對(duì)值電路（全波整流電路）、有效值變換電路（方均根/直流變換電路）。信號(hào)形式變換 -交流/直流轉(zhuǎn)換電路 1線性檢波電路最簡(jiǎn)檢波電路為二極管檢波電路。因二極管存在死區(qū)電壓，當(dāng)輸入信號(hào)幅值較低時(shí)，會(huì)帶來嚴(yán)重的非線性誤差。實(shí)用方法：二極管置于運(yùn)放反饋回路，以實(shí)現(xiàn)精密整流。采用反相放大結(jié)構(gòu)的常用半波整流電路及其波形。當(dāng)輸入電壓uI為正極性時(shí)，放大器輸出uO1為負(fù)，VD2導(dǎo)通，VD1截止，輸出電壓uO為零。uI為負(fù)極性時(shí)，放大器輸出為正，VD1導(dǎo)通，VD2截止，電路處于反相比例

32、運(yùn)算狀態(tài)。信號(hào)形式變換 -交流/直流轉(zhuǎn)換電路 由上述分析可得顯然，只要運(yùn)放的輸出電壓|uO1|的值大于整流二極管的正向?qū)妷?，VD1和VD2中總有一個(gè)導(dǎo)通，另一個(gè)截止，此時(shí)電路能正常檢波。0,0, 01IIfIOuuRRuu信號(hào)形式變換 -交流/直流轉(zhuǎn)換電路 電路能檢波的最小輸入電壓為VD/AUO。其中VD為二極管的正向壓降A(chǔ)UO為運(yùn)算放大器的開環(huán)電壓增益?？梢姸O管正向壓降的影響被削弱了AUO倍，使檢波特性大大改善。如果需要輸出的是負(fù)電壓，只要把電路中的兩個(gè)二極管同時(shí)反接即可。信號(hào)形式變換 -交流/直流轉(zhuǎn)換電路 2絕對(duì)值轉(zhuǎn)換電路采用絕對(duì)值轉(zhuǎn)換電路，可把輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為單極性信號(hào)，再用低通濾波

33、器濾去交流成份，得到的直流信號(hào)稱為絕對(duì)平均偏差(MAD)。在半波整流電路的基礎(chǔ)上，加一級(jí)加法器，構(gòu)成簡(jiǎn)單的絕對(duì)值電路。右圖為簡(jiǎn)單絕對(duì)值電路及其波形。圖中A1組成線性檢波器，在R1=R2，R3=R1/R2的條件下，u1與輸入電壓uI的關(guān)系為信號(hào)形式變換 -交流/直流轉(zhuǎn)換電路 2絕對(duì)值轉(zhuǎn)換電路圖中A1組成線性檢波器，在R1=R2，R3=R1/R2的條件下，u1與輸入電壓uI的關(guān)系為A2組成帶權(quán)加法器：R4=2R5=R6，R7=R4/R5/R6，其輸出：需注意，這里一些電阻需要匹配，即R1=R2，R4=2R5=R6。0001IIIuuuu00)2(1IIIIIOuuuuuuu信號(hào)形式變換 -交流/直

34、流轉(zhuǎn)換電路 3有效值轉(zhuǎn)換電路交流信號(hào)有效值的測(cè)量方法較多。如果已知被測(cè)信號(hào)波形，可采用峰值檢測(cè)法、絕對(duì)平均法分別測(cè)出交流信號(hào)的峰值或絕對(duì)平均值，再進(jìn)行換算即可；若輸入信號(hào)波形不確定，則可采用熱功率法或硬件運(yùn)算法。信號(hào)形式變換 -交流/直流轉(zhuǎn)換電路 3有效值轉(zhuǎn)換電路圖示為一種峰值檢測(cè)電路，其輸出電壓uO等于交流信號(hào)的峰值up。正弦波的信號(hào)有效值URMS=UP/1.414；三角波的URMS=UP/1.73；方波的URMS=UP。A1A2VD1VD2RCuIuO信號(hào)形式變換 -交流/直流轉(zhuǎn)換電路 3有效值轉(zhuǎn)換電路有效值轉(zhuǎn)換電路絕對(duì)平均法利用絕對(duì)值轉(zhuǎn)換和低通濾波電路，得到輸入信號(hào)的MAD（絕對(duì)平均偏差

35、）值，再換算成RMS(均方根)值。絕對(duì)平均法比峰值法測(cè)量精度高，抗干擾能力強(qiáng)，但不適于復(fù)雜波形的信號(hào)。熱功率法利用交流信號(hào)加在電阻上的功率即溫度變化測(cè)量有效值，輸出不受波形影響，但響應(yīng)慢。信號(hào)形式變換 -交流/直流轉(zhuǎn)換電路 3有效值轉(zhuǎn)換電路目前較理想的方法是利用集成器件實(shí)現(xiàn)有效值的實(shí)時(shí)運(yùn)算，其電路框圖如圖所示。由 , 得故有TIRMSdttuTU02)(1TIRMSdttuTU022)(1TRMSIRMSdtUtuTU02)(1信號(hào)形式變換 -交流/直流轉(zhuǎn)換電路 3有效值轉(zhuǎn)換電路有效值轉(zhuǎn)換電路常用集成有效值轉(zhuǎn)換器：AD536，AD636，AD637等。AD637為高精度寬帶方均根/直流轉(zhuǎn)換器。

36、當(dāng)輸入信號(hào)均方根值在02V范圍時(shí)，最大非線性僅0.02，輸入均方根值在2V和100mV時(shí)，相應(yīng)的-3dB帶寬分別達(dá)8MHz和600kHz。當(dāng)波峰系數(shù)較大時(shí)，晶體管的對(duì)數(shù)一致性誤差會(huì)導(dǎo)致非線性誤差。波峰系數(shù)為3時(shí)，附加誤差為0.1。信號(hào)形式變換 濾波 濾波是選取信號(hào)中感興趣的成分，抑制或衰減掉其它不需要的成分。能實(shí)施濾波功能的裝置是濾波器。從信號(hào)的輸入和輸出角度，濾波可分為兩類：對(duì)輸入量濾波（簡(jiǎn)稱輸入濾波）和對(duì)輸出量濾波（簡(jiǎn)稱輸出濾波）。從選頻的方式，濾波可分為四類：低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器如圖。信號(hào)形式變換 濾波 結(jié)合低通濾波器，下面介紹濾波器常用的一些技術(shù)指標(biāo)的含義。（

37、1）建立時(shí)間：輸出從零（圖中a點(diǎn)）到穩(wěn)定值A(chǔ)0 (b點(diǎn))經(jīng)過的時(shí)間。輸入信號(hào)突變處必然包含有豐富的高頻分量，低通濾波器阻擋住了高頻分量。通帶越寬，衰減的高頻分量便越少，信號(hào)便有較多的分量更快通過，因此導(dǎo)致較短的建立時(shí)間；反之則長(zhǎng)。一個(gè)低通濾波器的階躍響應(yīng)的建立時(shí)間Te和它的帶寬B成反比，即BTe=常數(shù)。（2）帶寬：表示它的頻率分辨能力，通帶窄，則分辨力高。這一結(jié)論表明：濾波器的高分辨力與測(cè)量時(shí)快速響應(yīng)是矛盾的。 對(duì)于帶通濾波器，有下列一些常用的技術(shù)指標(biāo)。(1)截止頻率：幅頻特性值等于 所對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)。(2)帶寬：上下兩截止頻率之間的頻率范圍，又稱-3dB帶寬。(3)紋波幅度：通帶中幅頻特性值的

38、起伏變化值，圖中用d表示。(4)品質(zhì)因子：中心頻率f0與帶寬B之比，即 。(5)倍頻程選擇性：上截止頻率fc2與2fc2之間或下截止頻率fc1與2fc1間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個(gè)倍頻程的衰減量，以dB表示。 (6)濾波器因數(shù)：也稱為矩形系數(shù)，濾波器幅頻特性的-60dB帶寬與-3dB帶寬的比，即 ，對(duì)理想濾波器有=1。對(duì)普通使用的濾波器， 一般為15。 0( 3)2AdB0fQB6 03d Bd BBB典型的濾波器電路 1.無源濾波器的電路組成 用電阻、電容、電感等無源器件組成的濾波器稱為無源濾波器。無源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪聲小、動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是：（1）存在損耗電阻，信號(hào)在傳遞

39、過程中能量損耗大。（2）當(dāng)外接負(fù)載電阻改變時(shí)，對(duì)濾波器的通帶增益、截止頻率等的特性參數(shù)影響較大。（3）在低頻應(yīng)用時(shí)，由于電容元件較大，增大了濾波器的體積。最簡(jiǎn)單的一階無源低通和高通濾波器如圖所示，稱為RC無源濾波器。 信號(hào)形式變換 濾波 對(duì)RC無源濾波器的上述缺點(diǎn)，可借助于RC有源濾波器解決。RC有源濾波器由電阻、電容和集成運(yùn)算放大器組成。利用有源器件的放大和隔離作用，使濾波器在通帶內(nèi)有一定的增益和很強(qiáng)的負(fù)載能力。下一部分將介紹有源濾波器。 2.有源濾波器 常見的有源濾波器包括低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器等。 圖為一階低通濾波器，設(shè)上限截止頻率為fH，通帶放大倍數(shù)為Ap，傳遞函數(shù)為L(zhǎng)(s

40、)，則2112HfR C21pRAR2121( )1RL sRR Cs-信號(hào)形式變換 濾波 圖為一階高通濾波器，設(shè)下限截止頻率為fL，通帶放大倍數(shù)為AP，傳遞函數(shù)為H(s)，則21( )1R C sHsR C s1112LfR C21pRAR信號(hào)形式變換 濾波 圖為帶通濾波器，設(shè)上限截止頻率為fH，下限截止頻率為fL，通帶放大倍數(shù)為AP，傳遞函數(shù)為B(s)，則21112221211221122( )(1)(1)()1R C sB sRC sR C sR C sRC R C sRCR C s2112HfR C1112LfRC21pRAR信號(hào)形式變換 濾波 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Agenda數(shù)據(jù)采集裝置的組成數(shù)據(jù)采集裝置的組成數(shù)據(jù)采集裝置的結(jié)構(gòu)配置數(shù)據(jù)采集裝置的結(jié)構(gòu)配置數(shù)據(jù)采集裝置的技術(shù)性能數(shù)據(jù)采集裝置的技術(shù)性能數(shù)據(jù)采集裝置的發(fā)展數(shù)據(jù)采集裝置的發(fā)展一、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAQS)主要包括多路模擬開關(guān)（MUX）、信號(hào)濾波與放大電路（IA）、采樣/保持電路（S/H）、 模/數(shù)轉(zhuǎn)