傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)課件

1、傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)引言被測(cè)的各種非電量信號(hào)經(jīng)傳感器檢測(cè)后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，但這些信號(hào)很微弱，并與輸入的被測(cè)量之間呈非線性關(guān)系，所以需進(jìn)行信號(hào)放大、隔離、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、線性化處理、誤差修正等處理。 7/23/20222傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)主要章節(jié)傳感器信號(hào)的預(yù)處理 傳感器信號(hào)的放大電路 傳感器與微機(jī)的接口技術(shù) 抗干擾技術(shù)7/23/20223傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)傳感器信號(hào)的預(yù)處理傳感器與微機(jī)接口電路主要由信號(hào)預(yù)處理電路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)接口電路組成。 傳感器與微機(jī)的接口框圖 7/23/20224傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)11.1.1 開關(guān)式輸出信號(hào)的預(yù)處理 在輸入傳

2、感器的物理量小于某閾值范圍內(nèi)，傳感器處于“關(guān)”的狀態(tài)，而當(dāng)輸入量大于該閾值時(shí)，傳感器處于“開”的狀態(tài)，這類傳感器稱為開/關(guān)式傳感器。為了消除噪聲及改善特性，常接入具有遲滯特性的電路，稱為鑒別器或稱脈沖整形電路，多使用施密特觸發(fā)器 7/23/20225傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù) 開關(guān)量傳感器特性示意圖 7/23/20226傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)11.1.2 模擬連續(xù)式輸出信號(hào)的預(yù)處理 模擬連續(xù)式傳感器的輸出參量可以歸納為5種形式：電壓、電流、電阻、電容和電感。這些參量必須先轉(zhuǎn)換成電壓量信號(hào)，然后進(jìn)行放大及帶寬處理才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。 7/23/20227傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)1電流

3、/電壓變換電路（I/V變換） I/V變換器作用是將電流信號(hào)變換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)，它不僅要求具有恒壓性能，而且要求輸出電壓隨負(fù)載電阻變化所引起的變化量不能超過(guò)允許值。7/23/20228傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)采用運(yùn)放的I/V轉(zhuǎn)換電路 7/23/20229傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)2.電壓/電流變換（V/I變換） V/I變換器的作用是將電壓信號(hào)變換為標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)，它不僅要求具有恒流性能，而且要求輸出電流隨負(fù)載電阻變化所引起的變化量不能超過(guò)允許值。7/23/202210傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù) 420mA的V/I變換電路 7/23/202211傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)3.模擬頻率式

4、輸出信號(hào)的預(yù)處理 模擬頻率式輸出信號(hào)，一種方法是直接通過(guò)數(shù)字式頻率計(jì)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)；另一種方法是用頻率/電壓變換器變?yōu)槟M電壓信號(hào)，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。 7/23/202212傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù) 頻率/電壓變換器原理框圖 7/23/202213傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)4.數(shù)字式輸出信號(hào)的預(yù)處理 數(shù)字式輸出信號(hào)分為數(shù)字脈沖式信號(hào)和數(shù)字編碼式信號(hào)。數(shù)字脈沖式輸出信號(hào)可直接將輸出脈沖經(jīng)整形電路后接至數(shù)字計(jì)數(shù)器，得到數(shù)字信號(hào)。 傳感器信號(hào)的預(yù)處理，應(yīng)根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)及后續(xù)檢測(cè)電路對(duì)信號(hào)的要求選擇不同的電路。 7/23/202214傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)傳感器信號(hào)的放大電路測(cè)量放

5、大器又叫做儀表放大器（簡(jiǎn)稱IA），廣泛應(yīng)用于信號(hào)微弱及存在較大共模干擾的場(chǎng)合，具有精確的增益標(biāo)定，因此又稱為數(shù)據(jù)放大器。7/23/202215傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)11.2.1 通用IA 通用IA由3個(gè)運(yùn)算放大器A1、A2、A3組成 .7/23/202216傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)11.2.2 增益調(diào)控IA 為了節(jié)約費(fèi)用，多種傳感器共用一個(gè)IA。當(dāng)切換通道時(shí)，必須迅速調(diào)整IA的增益，稱為增益調(diào)控IA。在模擬非線性校正中也要使用增益調(diào)控IA。增益調(diào)控IA分為自動(dòng)增益IA和程控增益IA兩大類。 7/23/202217傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)自動(dòng)增益IA基本工作過(guò)程 工作速度較慢，不適

6、用于高速系統(tǒng)。 程控測(cè)量放大器的原理結(jié)構(gòu) 7/23/202218傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)11.2.3 IA的技術(shù)指標(biāo) （1）非線性度 （2）偏置漂移 （3）建立時(shí)間 （4）恢復(fù)時(shí)間 （5）共模抑制比 7/23/202219傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)11.2.4 常用集成儀表放大電路 集成運(yùn)算放大器OP07，斬波自動(dòng)穩(wěn)零集成運(yùn)算放大器7650，集成儀表放大器AD522，集成變送器WS112、XTR101，TD系列變壓器耦合隔離放大器，ISO100等光耦合隔離放大器，ISO102等電容耦合隔離放大器，PG系列程控放大器、2B30/2B31電阻信號(hào)適配器等 7/23/202220傳感器信號(hào)處理

7、和微機(jī)接口技術(shù)傳感器與微機(jī)的接口技術(shù)傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)預(yù)處理變?yōu)槟M電壓信號(hào)后，需轉(zhuǎn)換成數(shù)字量方能進(jìn)行數(shù)字顯示或送入計(jì)算機(jī)。 11.3.1 數(shù)據(jù)采集的概念 7/23/202221傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的配置 典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器（T）、放大器（IA）、 模擬多路開關(guān)（MUX）、采樣保持器（SHA）、A/D轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)（MPS）或數(shù)字邏輯電路組成。根據(jù)電路中的位置分為同時(shí)采集、高速采集、分時(shí)采集和差動(dòng)結(jié)構(gòu)4種配置 7/23/202222傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)7/23/202223傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)2.采樣周期的選擇 采樣就是以相等的時(shí)間間隔對(duì)某個(gè)連續(xù)

8、時(shí)間信號(hào)a（t）取樣，得到對(duì)應(yīng)的離散時(shí)間信號(hào)的過(guò)程 連續(xù)時(shí)間信號(hào)的取樣 7/23/202224傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)香農(nóng)采樣定理 對(duì)一個(gè)具有有限頻譜（minmax）的連續(xù)信號(hào)進(jìn)行采樣，當(dāng)采樣頻率S=2/TS2max時(shí)，采樣結(jié)果可不失真。 7/23/202225傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)模擬量的采樣參照的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù) 輸入物理量采樣周期Ts/s說(shuō) 明流量15一般選用12s壓力310一般選用68s液位68溫度1520串級(jí)系統(tǒng)TS=0，副環(huán)TS=（1/41/5）主環(huán)TS成分15207/23/202226傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)3.量化噪聲（量化誤差） 模擬信號(hào)是連續(xù)的，而數(shù)字信號(hào)是離散的，每

9、個(gè)數(shù)又是用有限個(gè)數(shù)碼來(lái)表示，二者之間不可避免地存在誤差，這種誤差稱為量化噪聲。一般A/D轉(zhuǎn)換的量化噪聲有1 LSB和LSB/2兩種。7/23/202227傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)11.3.2 ADC接口技術(shù) （1）分辨力 分辨力表示ADC對(duì)輸入量微小變化的敏感度，它等于輸出數(shù)字量最低位一個(gè)字（1 LSB）所代表的輸入模擬電壓值。 ADC的位數(shù)越多，分辨力越高。因此，分辨力也可以用A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)表示。1A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）的主要技術(shù)指標(biāo) 7/23/202228傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)（2）精度精度分為絕對(duì)精度和相對(duì)精度。絕對(duì)精度：它是指輸入模擬信號(hào)的實(shí)際電壓值與被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的理論

10、電壓值之間的差值。它包括量化誤差、線性誤差和零位誤差。絕對(duì)精度常用LSB的倍數(shù)來(lái)表示，常見(jiàn)的有1/2LSB和1LSB。相對(duì)精度：它是指絕對(duì)誤差與滿刻度值的百分比。由于輸入滿刻度值可根據(jù)需要設(shè)定，因此相對(duì)誤差也常用LSB為單位來(lái)表示。 7/23/202229傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)（3）量程（滿刻度范圍）量程是指輸入模擬電壓的變化范圍。 7/23/202230傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)（4）線性度誤差線性度誤差是轉(zhuǎn)換器實(shí)際的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換關(guān)系與理想直線不同而出現(xiàn)的誤差，通常也用LSB的倍數(shù)來(lái)表示。 7/23/202231傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)（5）轉(zhuǎn)換時(shí)間 轉(zhuǎn)換時(shí)間指從發(fā)出啟動(dòng)轉(zhuǎn)換脈沖

11、開始到輸出穩(wěn)定的二進(jìn)代碼，即完成一次轉(zhuǎn)換所需要的最長(zhǎng)時(shí)間。 7/23/202232傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)的選擇與使用 按A/D轉(zhuǎn)換的原理，ADC主要分為比較型和積分型兩大類。其中，常用的是逐次逼近型、雙積分型和V/F變換型（電荷平衡式）。 7/23/202233傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)選擇的標(biāo)準(zhǔn)逐次逼近ADC的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度較高（1s1 ms），814位中等精度，輸出為瞬時(shí)值，抗干擾能力差；雙積分ADC測(cè)量的是信號(hào)平均值，對(duì)常態(tài)噪聲有很強(qiáng)的抑制能力，精度很高，分辨率達(dá)1220位，價(jià)格便宜，但轉(zhuǎn)換速度較慢（4 ms1 s）；V/F轉(zhuǎn)換器是由積分器、比較器和整形電路構(gòu)成的VFC電路，把模

12、擬電壓變換成相應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)，其頻率正比于輸入電壓值，然后用頻率計(jì)測(cè)量。VFC能快速響應(yīng)，抗干擾性能好，能連續(xù)轉(zhuǎn)換，適用于輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍寬和需要遠(yuǎn)距離傳送的場(chǎng)合，但轉(zhuǎn)換速度慢。 7/23/202234傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)轉(zhuǎn)換器及其與單片機(jī)的接口 （1）傳感器采集接口組成7/23/202235傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)（2）A/D轉(zhuǎn)換器及接口電路ADC0808/0809與8031的接口連接 7/23/202236傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)8031的8路連續(xù)采樣程序 MOV DPTR，#7FF8H ；設(shè)置外設(shè)（A/D）口地址和通道號(hào) MOV R0，#40H ；設(shè)置數(shù)據(jù)指針 MOV

13、IE，#84H ；允許外部中斷1中斷 SETB IT1 ；置邊沿觸發(fā)方式 MOVX DPTR，A ；啟動(dòng)轉(zhuǎn)換7/23/202237傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)LOOP：CJNE R0，#48，LOOP；判斷8個(gè)通道是否完畢 RET ；返回主程序AINT：MOVX A，DPTR ；輸入數(shù)據(jù) MOV R0， A INC DPTR ；修改指針 INC R0 MOVX DPTR，A ；啟動(dòng)轉(zhuǎn)換 RETI ；中斷返回7/23/202238傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)抗干擾技術(shù)1.外部干擾 （1）從外部侵入檢測(cè)裝置的干擾稱為外部干擾。 （2）電氣設(shè)備干擾的特點(diǎn),工頻干擾 ,射頻干擾 ,電子開關(guān)通斷干擾 1

14、1.4.1 干擾的來(lái)源及形式7/23/202239傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)2.內(nèi)部干擾 （1）固有噪聲源 （2）信噪比（S/N）7/23/202240傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)3.干擾的傳輸途徑 （1）通過(guò)“路”的干擾（2）通過(guò)“場(chǎng)”的干擾7/23/202241傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)4.干擾的作用方式（1）串模干擾凡干擾信號(hào)和有用信號(hào)按電勢(shì)源的形式串聯(lián)（或按電流源的形式并聯(lián)）起來(lái)作用在輸入端的稱為串模干擾，串模干擾又常稱為差模干擾，它使測(cè)量裝置的兩個(gè)輸入端電壓發(fā)生變化， 所以影響很大。 串模干擾等效電路 7/23/202242傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)（2）共模干擾 干擾信號(hào)使兩

15、個(gè)輸入端的電位相對(duì)于某一公共端一起變化（漲落）的屬共模干擾。共模干擾本身不會(huì)使兩輸入端電壓變化，但在輸入回路兩端不對(duì)稱的條件下，便會(huì)轉(zhuǎn)化為串模干擾。因共模電壓一般都比較大，所以對(duì)測(cè)量的影響更為嚴(yán)重。共模干擾等效電路 7/23/202243傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)（3）共模抑制比（CMRR）共模噪聲只有轉(zhuǎn)換成差模噪聲才能形成干擾，這種轉(zhuǎn)換是由測(cè)量裝置的特性決定。因此，常用共模抑制比衡量測(cè)量裝置抑制共模干擾的能力，定義為 7/23/202244傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)11.4.2 干擾的抑制技術(shù) （1）消除或抑制干擾源 （2）破壞干擾途徑 （3）削弱接收電路對(duì)干擾的敏感性例如電路中的選頻措

16、施可以削弱對(duì)全頻帶噪聲的敏感性，負(fù)反饋可以有效削弱內(nèi)部噪聲源， 常用的抗干擾技術(shù)有屏蔽、接地、浮置、濾波、隔離技術(shù)等。1抑制干擾的方法 7/23/202245傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)2.屏蔽技術(shù) （1）靜電屏蔽 選用銅、鋁等低電阻金屬材料作屏蔽盒。 屏蔽盒要良好地接地。 盡量縮短被屏蔽電路伸出屏蔽盒之外的導(dǎo)線長(zhǎng)度。 （2）電磁屏蔽 （3）磁屏蔽 （4）驅(qū)動(dòng)屏蔽的概念7/23/202246傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)磁屏蔽的原理圖 驅(qū)動(dòng)屏蔽原理圖 7/23/202247傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)3.接地技術(shù) （1）電氣、電子設(shè)備中的地線 接地起源于強(qiáng)電技術(shù)。為保障安全，將電網(wǎng)零線和設(shè)備外殼

17、接大地，稱為保安地線。對(duì)于以電能作為信號(hào)的通信、測(cè)量、計(jì)算控制等電子技術(shù)來(lái)說(shuō)，把電信號(hào)的基準(zhǔn)電位點(diǎn)稱為“地”，它可能與大地是隔絕的，稱為信號(hào)地線。信號(hào)地線分為模擬信號(hào)地線和數(shù)字信號(hào)地線兩種。另外從信號(hào)特點(diǎn)來(lái)看，還有信號(hào)源地線和負(fù)載地線。7/23/202248傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)（2）一點(diǎn)接地原則 機(jī)內(nèi)一點(diǎn)接地 7/23/202249傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的一點(diǎn)接地示意圖 系統(tǒng)一點(diǎn)接地 7/23/202250傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)（3）電纜屏蔽層的一點(diǎn)接地 信號(hào)源不接地，測(cè)量電路接地， 信號(hào)源接地，測(cè)量電路不接地，電纜屏蔽層應(yīng)接到信號(hào)源的地端 7/23/202251傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)4.浮置技術(shù) 如果測(cè)量裝置電路的公共線不接機(jī)殼也不接大地，即與大地之間沒(méi)有任何導(dǎo)電性的直接聯(lián)系（僅有寄生電容存在），這種接線法稱為浮置。 7/23/202252傳感器信號(hào)處理和微機(jī)接口技術(shù)“浮置屏蔽”的檢測(cè)系統(tǒng) 7/23/202253傳感器信號(hào)處