傳感器信號處理電路

1、n傳感器檢測與處理電路的基本要求n傳感器的匹配n信號放大電路n信號變換電路n信號濾波電路n傳感器電路的噪聲與抑制n為什么需要信號轉換和處理電路？為什么需要信號轉換和處理電路？n檢測與處理電路設計的基本要求？檢測與處理電路設計的基本要求？對測試信號進行轉換處理的目的：對測試信號進行轉換處理的目的：1.傳感器輸出的信號很微弱，大多數不能直接輸送傳感器輸出的信號很微弱，大多數不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去，需要進一步放大，到顯示、記錄或分析儀器中去，需要進一步放大，有的還要進行阻抗變換。有的還要進行阻抗變換。 2.有些傳感器輸出的是電參量，需要轉換成電信號有些傳感器輸出的是電參量，需要轉換成

2、電信號才能進行處理。才能進行處理。3.有些傳感器輸出的是電信號，但信號中混雜有干有些傳感器輸出的是電信號，但信號中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。4.某些場合，為便于信號的遠距離傳輸等原因，需某些場合，為便于信號的遠距離傳輸等原因，需要對傳感器測量信號進行調制解調處理。要對傳感器測量信號進行調制解調處理。為什么需要信號轉換和處理電路？為什么需要信號轉換和處理電路？l1、穩(wěn)定性 溫漂：處理的結果在一次運行中發(fā)生漸變長期穩(wěn)定性：由于元器件老化、插接件彈性疲勞、氧化等原因 短期穩(wěn)定性：示值重復性。l2、頻率特性與響應速度隨著科技的發(fā)展，對于快速變化的過程進

3、行動態(tài)測量的要求越來越多。n檢測與處理電路設計的基本要求：l3、線性度檢測的非線性由傳感器、傳感器檢測電路、顯示執(zhí)行機構這三部分的非線性度產生。l4、分辨率l適當提高傳感器電路的分辨率有利于減小誤差、方便讀數；l模擬電路中，為了提高分辨率應適當提高放大器放大倍數；l數字電路中，為了減小量化誤差必須增加數字量的位數，以減小最低位所對應的被測量。l5、輸入輸出阻抗l輸入級的輸入阻抗與傳感器的輸出阻抗相匹配，使放大器的輸出信噪比達到最大值；l傳感器電路的輸出阻抗應與它所驅動的顯示執(zhí)行機構或微機接口的阻抗相匹配。 不同的傳感器的輸出阻抗不一樣； 輸出阻抗大高輸入阻抗運算放大器 壓電陶瓷、光敏二極管（1

4、00M） 輸出阻抗小變壓器匹配 動圈式傳聲器（30-70）第二節(jié)第二節(jié) 信號放大電路信號放大電路 傳感器輸出的信號常為微弱電壓、電流或電荷信號，傳感器輸出的信號常為微弱電壓、電流或電荷信號，因此需要接放大電路。因此需要接放大電路。對信號的放大有很多種電路可以實對信號的放大有很多種電路可以實現，但工程測試中所遇到的信號，多為現，但工程測試中所遇到的信號，多為100kHz以下的低以下的低頻信號，在大多數的情況下，都可以用放大器集成芯片來頻信號，在大多數的情況下，都可以用放大器集成芯片來設計放大電路。設計放大電路。1、基本放大電路、基本放大電路2、儀表放大電路、儀表放大電路3、電橋放大電路、電橋放大

5、電路4、程控增益放大電路、程控增益放大電路5、隔離放大電路、隔離放大電路一一. 基本放大電路基本放大電路比例放大器比例放大器 反相與同相放大電路是集成運算放大器兩種最基本的應用電反相與同相放大電路是集成運算放大器兩種最基本的應用電路，許多集成運放的功能電路都是在反相和同相兩種放大電路，許多集成運放的功能電路都是在反相和同相兩種放大電路的基礎上組合和演變而來的。路的基礎上組合和演變而來的。2、差動放大電路、差動放大電路 閉環(huán)增益：閉環(huán)增益：2f1RAR反饋電阻反饋電阻R R2 2值不能太大，否則會產生較大的噪聲及漂移，值不能太大，否則會產生較大的噪聲及漂移，一般為幾十千歐至幾百千歐。一般為幾十千

6、歐至幾百千歐。R R1 1的取值應遠大于信號源的取值應遠大于信號源U Ui i的內阻。的內阻。(放大倍數小放大倍數小，噪聲大，輸入阻抗小，噪聲大，輸入阻抗小)高輸入阻抗反相放大器高輸入阻抗反相放大器A2提供補償電流，減小提供補償電流，減小A1從信號源吸取的電流，可以大幅度地提從信號源吸取的電流，可以大幅度地提高主放大器的等效輸入阻抗高主放大器的等效輸入阻抗Rini1ini1VR RRIRR輸入阻抗輸入阻抗上式表明：只要上式表明：只要R稍大稍大于于Rr，就能獲得很高的輸，就能獲得很高的輸入阻抗，可高達入阻抗，可高達100M 。但但R絕對不能小于絕對不能小于Rr，否，否則輸入阻抗為負，會產生則輸入

7、阻抗為負，會產生嚴重自激。嚴重自激。改進電路：改進電路：自舉型高輸入阻抗放大器自舉型高輸入阻抗放大器l高輸入阻抗放大器求：輸入阻抗Ri=?解：根據虛地原理111foiRURUiIiRRUUf110iRRRRRRRUUoUIffio)(12212112122fooRURUiIiRRRRoRRoUUUfff2121221iRRRRRRRRoiiUIIIff)(2121211121RRRRRRRRIUiffiiR21212111111RRRRiR所以：輸入阻抗：令Rf1=R2 Rf2=2R1 則： 2） 同相放大器同相放大器閉環(huán)增益：閉環(huán)增益：2f1RA1R 同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻同相

8、放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點，廣泛用于前置放大級。抗很低的特點，廣泛用于前置放大級。輸入阻抗輸入阻抗iR 輸出阻抗輸出阻抗o0R 集成運算放大器可以作為一個器件構成各集成運算放大器可以作為一個器件構成各種基本功能的電路。這些基本電路又可以作為單種基本功能的電路。這些基本電路又可以作為單元電路組成電子應用電路。元電路組成電子應用電路。 同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點，廣泛用于前置放大級。抗很低的特點，廣泛用于前置放大級。 高輸入阻抗電路常應用于傳感器的輸出阻高輸入阻抗電路常應用于傳感器的輸出阻抗很高的測量放大電路中。如抗很高的

9、測量放大電路中。如電容式、壓電式傳電容式、壓電式傳感器感器的測量放大電路。的測量放大電路。 同相放大器輸入阻抗同相放大器輸入阻抗r ri+i+ r ri+i+= r= ri i(1+AF)(1+AF) 同相放大器輸出阻抗同相放大器輸出阻抗r ro+o+ r ro+o+= r= ro o/(1+AF)/(1+AF)教材約定：在涉及同相放大器的輸入阻抗時，均教材約定：在涉及同相放大器的輸入阻抗時，均以以r ri+i+來表示，即指同相放大器所具有的最低在來表示，即指同相放大器所具有的最低在10107 7以上的輸入電阻，而不器刻意指明其具體以上的輸入電阻，而不器刻意指明其具體的數值。的數值。電壓放大器

10、電路舉例例：K型熱電偶，將0500的溫度轉換為0-5V電壓信號。已知1 對應熱電偶輸出電壓40uV，500 對應滿量程電壓20.64mV。求：（1）信號電路增益AV?（2）描述電路各部分作用。解：（1）（2）R3、C1為低通濾波器，消除噪聲； LM35D及其周圍電路補償冷端溫度； R6完成斷線檢測。24264.205mVVVA提問：（1）R3為什么不能太大? （2）斷線檢測功能為什么要求運放的輸入偏置電流小？（因為運放有輸入偏置電流）（因為運放輸入偏置電流在R6上產生很大的壓降） 什么是差動放大器？什么是差動放大器？ 差動放大器差動放大器是把二個輸入信號分別輸入到是把二個輸入信號分別輸入到運算

11、放大器的同相和反相二個輸入端，然后在輸運算放大器的同相和反相二個輸入端，然后在輸出端取出二個信號的差模成分，而盡量抑制二個出端取出二個信號的差模成分，而盡量抑制二個信號的共模成分。信號的共模成分。差動放大器具有雙端輸入單端輸出、共模抑制比較高差動放大器具有雙端輸入單端輸出、共模抑制比較高的特點，通常用作傳感放大器的前端放大器。的特點，通常用作傳感放大器的前端放大器。2202111SRRUVVRR（V）輸入電阻： 12Rrid2/ )(21RRric難以避免的缺點：難以避免的缺點： 1. 輸入阻抗低輸入阻抗低3. 工藝性差工藝性差 2. 共模抑制比低共模抑制比低 什么是儀用放大器？什么是儀用放大

12、器？是一類高輸入阻抗，高共模抑制比的差分放大器。具是一類高輸入阻抗，高共模抑制比的差分放大器。具有精度高，穩(wěn)定性好等特點，經常用于精密儀器電路有精度高，穩(wěn)定性好等特點，經常用于精密儀器電路和測控電路中，故稱為儀用放大器，也稱為儀器放大和測控電路中，故稱為儀用放大器，也稱為儀器放大器。器。 典型的儀表放大電路如下圖所示，圖中所有電阻均采典型的儀表放大電路如下圖所示，圖中所有電阻均采用精密電阻。用精密電阻。1、儀器（儀用）放大器、儀器（儀用）放大器由于同相放大器的輸入阻抗為ri+，不難得出三運放電路的輸入阻抗：差動輸入阻抗rid 2 ri+，共模輸入阻抗ric ri+2。 儀器（儀用）放大器儀器（

13、儀用）放大器可得放大器前級的差模增益AVD1和共模增益AVC1 0102i1i2W1W2VVVVRRRR1W2O1O2i1i2WRRRVV(VV )RWWVDIRRRRA210VCIA 儀器（儀用）放大器儀器（儀用）放大器儀器放大器前級的差模增益AVD和共模增益AVC3421RRRRRRAWWVD34343656RRRRRRRRAVC因此，三運放電路的共模抑制比在電阻匹配精度相同的情況下，要比基本差動放大器高 倍。由此可見，由三運放組成的差動放大器具有高共模抑制比、高輸入阻抗和可變增益等一系列優(yōu)點，它是目前測控系統(tǒng)和儀器儀表中最典型的前置放大器。 三運放結構的測量放大器三運放結構的測量放大器該

14、電路具有很高的共模抑該電路具有很高的共模抑制比。只要制比。只要A3的兩輸入端的兩輸入端所接的電阻對稱，所接的電阻對稱，V3和和V6共模成分則可以互相抵消。共模成分則可以互相抵消。CMR2CMR1CMRCMR2CMR1nnA KKKA KK 測量放大電路具有以下的特點：測量放大電路具有以下的特點：(1) 測量放大器是一種帶有精密差動電測量放大器是一種帶有精密差動電壓增益的器件。壓增益的器件。(2) 具有高輸入阻抗、低輸出阻抗。具有高輸入阻抗、低輸出阻抗。(3) 具有強抗共模干擾能力、低溫漂、具有強抗共模干擾能力、低溫漂、低失調電壓和高穩(wěn)定增益等特點。低失調電壓和高穩(wěn)定增益等特點。(4) 在檢測微

15、弱信號的系統(tǒng)中被廣泛用在檢測微弱信號的系統(tǒng)中被廣泛用作前置放大器。作前置放大器。儀表放大器電路舉例例：一種壓力傳感器的信號調理電路如圖所示。壓力傳感器采用絕對壓力傳感器PS3000S-102A，此傳感器為恒流驅動，驅動電流為1.5mA，最大量程為200mV。電路中VD1穩(wěn)定電壓為2.5V，作為壓力傳感器提供1.5mA恒流源的基準電壓。 求：(1)為了保證壓力傳感器恒流驅動工作，試計算電阻的R2阻值；(2)如果信號調理電路的輸出范圍為0-1V，試計算可調電阻的取值；(3)如果當壓力為0時，由于橋路本身的不平衡，傳感器橋路1、2兩端有的電壓，試對照圖說明如何進行零點補償消除其對輸出的影響。解：（1

16、）（2） 則：Rp1=10K2.521.51.67VmARK5)21(20015713mVVRRRRvPA（3）調節(jié)Rp2 何謂電橋放大電路？何謂電橋放大電路？由傳感器電橋和運算放大器組成的放大電路或由傳感由傳感器電橋和運算放大器組成的放大電路或由傳感器和運算放大器構成的電橋都稱為電橋放大電路。器和運算放大器構成的電橋都稱為電橋放大電路。 應用于何種場合？應用于何種場合？應用于電參量式傳感器，如電感式、電阻應變式、電應用于電參量式傳感器，如電感式、電阻應變式、電容式傳感器等，經常通過電橋轉換電路輸出電壓或電容式傳感器等，經常通過電橋轉換電路輸出電壓或電流信號，并用運算放大器作進一步放大，或由傳

17、感器流信號，并用運算放大器作進一步放大，或由傳感器和運算放大器直接構成電橋放大電路，輸出放大了的和運算放大器直接構成電橋放大電路，輸出放大了的電壓信號。電壓信號。a a 、c c兩端接電兩端接電源源U Ui i，稱，稱供橋端供橋端； b b、d d兩端接輸出兩端接輸出電壓電壓U Uo o，稱，稱輸出輸出端端。一、電橋一、電橋 電橋的作用：將電阻電橋的作用：將電阻R(R(應變片應變片) )、電感、電感L L、電容、電容C C等等電參數變?yōu)殡妷弘妳底優(yōu)殡妷篣U或電流或電流II信號后輸出信號后輸出。 根據橋臂阻抗性質的不同為根據橋臂阻抗性質的不同為 : : 電阻電橋電阻電橋電容電橋電容電橋電感電橋

18、電感電橋根據供橋電源分為根據供橋電源分為 : : 直流電橋直流電橋: : 采用直流電源采用直流電源 只用于只用于測量電測量電阻阻R R的變化的變化 交流電橋：采用交流電源交流電橋：采用交流電源測量電阻測量電阻R R 、電容電容C C 、電感、電感L L的變化的變化1. 電橋的分類電橋的分類2. 2. 直流電橋直流電橋四個橋臂由電阻四個橋臂由電阻R1、R2、R3和和R4組成。組成。1R3R4R2I2R1IoUiUabdc直流電橋直流電橋VR1R2R3R4平衡條件平衡條件R R1 1R R3 3= =R R2 2R R4 4 1R3R4R2I2R1IoUiUabdc直流電橋直流電橋ioURRRRR

19、RRRU)(43214231電橋的輸出：電橋的輸出：平衡的條件：平衡的條件：VR1R2R3R4溫敏電阻溫敏電阻1R3R4R2I2R1IoUiUabdc直流電橋直流電橋R1R U0U U R1VR2R3R4R1R3=R2R4 平衡的條件：平衡的條件：ioURRRRRRRRU)(43214231電橋的輸出：電橋的輸出：這時，電橋平衡嗎？這時，電橋平衡嗎？ R為了簡化設計，為了簡化設計，R R2 2=R=R3 3=R=R4 4=R=R0 0 ，而，而 R R1 1=R=R0 0+R+RiURRR2401R3R4R2I2R1IoUiUabdc直流電橋直流電橋R0R U0U U iioURRRRRRRR

20、RRURRRRRRRRU)()()(0000000043214231)(400RRRRUi電橋的靈敏度定義為電橋的靈敏度定義為 00/ RRUSoB4iU單片單片 單臂單臂半橋半橋R1R3R2R4 雙臂雙臂半橋半橋R1R3R2R4 全橋全橋R1R3R2R4 半半橋、橋、單單臂臂輸輸出出 全全橋、橋、四四臂臂輸輸出出 半半橋、橋、雙雙臂臂輸輸出出 四片四片 兩片兩片 單臂單臂半橋半橋R1R3R2R4 雙臂雙臂半橋半橋R1R3R2R4 全橋全橋R1R3R2R4 半橋、單臂輸出半橋、單臂輸出 全橋、四臂輸出全橋、四臂輸出 半橋、雙臂輸出半橋、雙臂輸出 ioURRU022iU00/RRUSoioURR

21、U0iU00/RRUSo00/RRUSo4iUioURRU04ioURRKU0ioKURRUS00/ioURRRRRRRRU)(432142311R3R4R2I2R1IoUiUabdc11RR3R4R2I2R1IoUiUabdc11RR3R4R2I22RR1IoUiUabdc11RR33RR44RR2I1IoUiUabdc22RR四片四片 全橋、四臂輸出全橋、四臂輸出 當當R1 R1R1，R2 R2 R2 ，由于，由于，R1=R2=R3=R4=R0，R取相同值，可得取相同值，可得 R3 R3R3，R4 R2 R4時時iiiiioURRURRRURRRRRURRRRRRURRRRRRRRRRRR

22、U0200200000004433442211114442222iU電橋的靈敏度定義為電橋的靈敏度定義為 00/ RRUSoB全橋、四臂平衡條件簡要推導全橋、四臂平衡條件簡要推導程控增益放大器程控增益放大器(PGA)是自動檢測系統(tǒng)和智能儀器中實現是自動檢測系統(tǒng)和智能儀器中實現量程增益自量程增益自動轉換動轉換和調整信號電平的重要器件。和調整信號電平的重要器件。程控放大器由運算放大器、模擬開關驅動電路和電阻網絡組成?；境炭胤糯笃饔蛇\算放大器、模擬開關驅動電路和電阻網絡組成?；拘问接型噍斎牒头聪噍斎雰深?。形式有同相輸入和反相輸入兩類。三、程控增益放大器三、程控增益放大器f123RRRfRARR

23、 由、并聯構成T1T/R1003nniiARR為，由 個電阻串聯構成1、可變增益放大器、可變增益放大器 2、可變增益放大器、可變增益放大器 3、可變增益放大器、可變增益放大器 4、可變增益放大器、可變增益放大器 5、可變增益放大器、可變增益放大器 什么是隔離放大電路？什么是隔離放大電路？ 隔離放大電路是一種特殊的測量放大電路，其輸入回隔離放大電路是一種特殊的測量放大電路，其輸入回路與輸出回路之間是電絕緣的，沒有直接的電耦合，路與輸出回路之間是電絕緣的，沒有直接的電耦合，即信號在傳輸過程中沒有公共的接地端。即信號在傳輸過程中沒有公共的接地端。 應用于何種場合？應用于何種場合？隔離放大電路主要用于

24、便攜式測量儀器和某些測控系隔離放大電路主要用于便攜式測量儀器和某些測控系統(tǒng)（如生物醫(yī)學人體測量、自動化試驗設備、工業(yè)過統(tǒng)（如生物醫(yī)學人體測量、自動化試驗設備、工業(yè)過程控制系統(tǒng)等）中，能在噪聲環(huán)境下以高阻抗、高共程控制系統(tǒng)等）中，能在噪聲環(huán)境下以高阻抗、高共模抑制能力傳送信號。模抑制能力傳送信號。 四四. 隔離放大電路隔離放大電路 五、電荷放大器Q+AU08CfU0 = - Q / Cfn定義： 集成隔離放大器是一種特殊的儀用放大器，其輸入、輸出和電源電路之間，在電流上和電阻上彼此隔離而沒有直接的電路耦合。n 特點：具有保護系統(tǒng)硬件不受高共模電壓（CMV）損壞的能力；沒有外偏流流入引線，泄漏電流

25、很低，解決了噪聲拾取問題；具有非常高的共模抑制能力。n 耦合方式：變壓器耦合 利用變壓器耦合實現載波調制，通常具有較高的線性度和隔離性能，但是帶寬被限制在1KHz以下。光電耦合 利用LED光電耦合的方法實現載波調制，其隔離性能不如變壓器耦合，但可獲得10KHz的帶寬。提問：Uout=? 電流電壓（I-U）變換電路 電壓電流（U-I）變換電路 電壓脈沖（V-F）變換電路 脈沖電壓（F-V）變換電路1、電流電壓變換電路(電流放大器)+EfRf8e0iiZieifoRie電流電壓變換電路實例1A10A100A1mA F. S.全量程輸入端+1k5k5ke02e01Cf+15V-15V輸入保護電路+C

26、f+15V-15V-15V+15V5V5V950K 100K95K 10K9.5K 1K950 10020K10K3.3K3.3K100KRf4558A71488防止振蕩l將傳感器輸出的電壓或電流信號高低變成單位時間內脈沖數的多少稱作對信號進行前處理。這樣就大大提高了信號傳輸的抗干擾能力，解決了長距離傳輸的問題。l這種方法只適用于實時性要求不是太高的場合。3.電壓脈沖數變換電路電壓變化型電流變化型電阻變化型電容變化型電感變化型頻率脈沖電流電壓變換電阻電壓變換電容脈沖率變換哈特來振蕩電路科比茲延遲電路電壓脈沖率變換脈沖率電壓變換A/D變換數字技術傳感器長距離傳輸前處理利用脈沖率形式的前處理體系 脈沖數-電壓變換電路即頻率-電壓轉換器，簡稱 F/V 轉換器； 由于轉換的閾值和增益可調，且具有很低的非線性誤差，它在電機轉速控制、電源頻率監(jiān)視器和VCO 穩(wěn)定電路方面都具有廣泛的應用；VCO（壓控振蕩器）： 主要利用它的結電容隨反偏壓變化而變化的特性,通過改變變容二極管兩端的電壓便可改變電容的大小,從而改變振蕩頻率。n傳感器和電路元件產生的噪聲電阻產生的噪聲(熱噪聲：自由電子隨機熱運動）晶體管產生的噪聲（散粒噪聲+1/f噪聲）放大器產生的噪聲接觸噪聲（接觸面導電率不一樣）開關器件產生的噪聲寄生振蕩干擾（布線不合理）n 外部噪聲源引起的噪聲雷電、大