傳感器信號處理技術(shù)授課課件

1、傳感器信號處理技術(shù)授課課件學(xué)習(xí)目標(biāo)通過學(xué)習(xí)要求掌握傳感器信號處理常用的基本電路以及傳感器信號的放大、處理和轉(zhuǎn)換。為以后學(xué)習(xí)傳感器應(yīng)用，組成測量系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。主要內(nèi)容任務(wù)一 分析電橋與電橋電源任務(wù)二 分析傳感器信號放大電路任務(wù)三 分析信號濾波電路任務(wù)四 分析信號轉(zhuǎn)換電路 一. 阻抗電橋的構(gòu)成及平衡條件 構(gòu)成：如圖所示，由四個阻抗構(gòu)成四個橋臂。A和C接入電源E，B和D端為輸出端。輸出電壓:橋臂阻抗可以是電阻、電感和電容式傳感器。當(dāng)被測量為某一初始值并未發(fā)生變化時希望電橋輸出為0。 任務(wù)一 分析電橋與電橋的電源2. 電橋的平衡條件 z2z4-z1z3=0 稱之為電橋平衡條件 或者： z2z4=z1z

2、3 即對邊乘積相等若為復(fù)阻抗 平衡條件可改寫為： z2z4=z1z3 模平衡條件 相位平衡條件電橋與電橋的電源直流電橋：當(dāng)電橋的電源為直流。直流電橋的橋臂只能是電阻。 如右圖所示為最常用的電阻電橋，有四個電阻組成橋臂，一個對角接電源，另一個作為輸出。（1）橋路形式 當(dāng)四臂電阻相等時，為等臂電橋；當(dāng)R1=R2=R,R3=R4=R(RR)時，稱為輸出對稱電橋；當(dāng)R1=R4=R，R2= R3 =R(RR)時，稱為電源對稱電橋。直流電橋電橋與電橋的電源（2）工作方式單臂工作：電橋中只有一個臂接入被測量，其它三個臂采用固定電阻；雙臂工作：如果電橋兩個臂接入被測量，另兩個為固定電阻就稱為雙臂工作電橋，又稱

3、為半橋形式；全橋方式：如果四個橋臂都接入被測量則稱為全橋形式。全橋形式靈敏度最高，結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，要綜合考慮選擇。直流電橋電橋與電橋的電源（3）輸出方式 電橋的輸出方式根據(jù)負(fù)載情況有電流型和電壓型兩種a.電流輸出型： 當(dāng)電橋的輸出信號較大，輸出端又接入電阻值較小的負(fù)載時，如下圖所示，可得：直流電橋電橋與電橋的電源b.電壓輸出型：當(dāng)電橋輸出端接有放大器時，由于放大器的輸入阻抗很高，所以可以認(rèn)為電橋的負(fù)載電阻為無窮大，這時電橋以電壓的形式輸出。輸出電壓即為電橋輸出端的開路電壓，其表達(dá)式為直流電橋電橋與電橋的電源 對于單臂電橋R1=R2=R3=R4=R ，當(dāng)R1的電阻增量R1=R時，可得輸出電壓為 對于

4、全橋等臂輸出R1=R2=R3=R4=R ，當(dāng)R1的電阻增量R1=R時，可得輸出電壓為直流電橋電橋與電橋的電源 交流電橋通常是采用正弦交流電壓供電，在頻率較高的情況下需要考慮分布電感和分布電容的影響，主要用于隨時間變化的被測量。如右圖。交流電橋電橋與電橋的電源（1）平衡條件 設(shè)交流電橋的電源電壓為 ，式中，Um為電源電壓的幅值；為電源電壓的角頻率，=2f；f為電源電壓的頻率，一般取被測量最高頻率的5-10倍。輸出電壓可用下式表示：交流電橋電橋與電橋的電源任務(wù)二 分析傳感器信號放大電路測量放大器 在許多檢測技術(shù)的應(yīng)用場合，傳感器輸出的信號比較弱，而且其中還包括了工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對這

5、種信號的放大就需要放大電路具有很好的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗，習(xí)慣上將具有這樣特點的放大器稱為測量放大器或儀用放大器。傳感器信號放大電路 圖中三個運放組成的測量放大器,差動輸入端U1和U 2分別是兩個運算放大器(A1、A2)的同相輸入端,因此輸入阻抗很高。采用對稱電路結(jié)構(gòu),而且被測信號直接加入到輸入端上,從而保證了較強的抑制共模信號的能力。A3實際上是一差動跟隨器,其增益近似為1。測量放大器的放大倍數(shù)由左式確定： 測量放大器A1U1RWU2A2Rf1Rf2Uo1RRUo2RLA3RiUo傳感器信號放大電路AD522主要可用于惡劣環(huán)境下要求進(jìn)行高精度數(shù)據(jù)采集的場合。由于AD522

6、具有低電壓漂移(2V/)、低非線性(0.005，增益為100時)、高共模抑制比(110 dB,增益為1000時)、 低噪聲(1.5 V（P-P）,0.1100 Hz)、低失調(diào)電壓(100 V)等特點,因而可用于許多12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。左圖為AD522的典型接法。 測量放大器UUiUiRG8114236139111874510 kWAD 522輸出基準(zhǔn)地UAD522的外圍電路利用數(shù)據(jù)防護(hù)端可以克服上述影響。對于無此端子的儀器用放大器,如AD524、AD624等,可在RG2 端取得共模電壓,再用一運放作為它的輸出緩沖屏蔽驅(qū)動器。運放應(yīng)選用具有較低偏流的場效應(yīng)管運放,以減少偏流流經(jīng)增益電阻時對增益

7、產(chǎn)生的誤差。傳感器信號放大電路測量放大器傳感器信號放大電路利用改變反饋電阻的辦法來實現(xiàn)量程變換的可變換增益放大器電路。當(dāng)開關(guān)S1閉合,S2和S3斷開時,放大倍數(shù)為而當(dāng)S2閉合,而其余兩個開關(guān)斷開時,其放大倍數(shù)為選擇不同的開關(guān)閉合,即可實現(xiàn)增益的變換。如果利用軟件對開關(guān)閉合情況進(jìn)行選擇,即可實現(xiàn)程控增益變換。 程控增益放大器R3R2R1S3S2S1UoRUiR AD521和模擬開關(guān)構(gòu)成的程控增益放大器 AD521測量放大器與模擬開關(guān)結(jié)合組成的程控增益放大器,通過改變其外接電阻R的辦法可實現(xiàn)增益控制。AD 5214052Uo7121310811123465UUD0D1R傳感器信號放大電路 程控增益

8、放大器傳感器信號放大電路 由于隔離放大器采用了浮離式設(shè)計,消除了輸入、輸出端之間的耦合,因此還具有以下特點： （1） 能保護(hù)系統(tǒng)元件不受高共模電壓的損害,防止高壓對低壓信號系統(tǒng)的損壞。（2） 泄漏電流低,對于測量放大器的輸入端無須提供偏流返回通路。（3） 共模抑制比高,能對直流和低頻信號(電壓或電流)進(jìn)行準(zhǔn)確、安全的測量。 隔離放大器傳感器信號放大電路 284型隔離放大器為提高微電流和低頻信號的測量精度,減小漂移,其電路采用調(diào)制式放大,其內(nèi)部分為輸入、輸出和電源三個彼此相互隔離的部分,并由低泄漏高頻載波變壓器耦合在一起。通過變壓器的耦合,將電源電壓送入輸入電路并將信號從輸出電路送出。輸入部分包

9、括雙極型前置放大器、調(diào)制器； 輸出部分包括解調(diào)器和濾波器,一般在濾波器后還有緩沖放大器。 隔離放大器284型隔離放大器的電路結(jié)構(gòu)圖傳感器信號放大電路 隔離放大器任務(wù)三 分析信號濾波電路1. 什么是濾波 通過傳感器獲得的信號中，混淆有許多其他頻率的干擾。由于干擾的存在，有時得到不正確的測量值，有時有用的信號被淹沒在干擾噪聲中。為了突出有用信號，抑制噪聲干擾，我們就要對傳感器獲得的信號進(jìn)行濾波。 濾波的實質(zhì)：信號的頻率選擇。濾波器：完成濾波功能的裝置。當(dāng)信號通過濾波器時，信號中某些頻率成分得以通過，其他頻率成分的信號受到衰減或抑制。按功能分：信號濾波電路2濾波器的類型低通濾波器;高通濾波器;帶通濾

10、波器;帶阻濾波器.低通濾波器低頻通過，高頻衰減 從0f2頻率之間，幅頻特性平直，它可以使信號中低于f2的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而高于f2的頻率成分受到極大地衰減。信號濾波電路低通濾波器2) 高通濾波器低頻衰減，高頻通過與低通濾波相反，從頻率f1，其幅頻特性平直。它使信號中高于f1的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而低于f1的頻率成分將受到極大地衰減。 信號濾波電路高通濾波器3) 帶通濾波器通帶內(nèi)通過，通帶外衰減它的通頻帶在f1f2之間。它使信號中高于f1而低于f2的頻率成分可以不受衰減地通過，而其它成分受到衰減。信號濾波電路帶通濾波器4) 帶阻濾波器通帶內(nèi)衰減，通帶外通過 與帶通濾波相反，阻

11、帶在頻率f1f2之間。它使信號中高于f1而低于f2的頻率成分受到衰減，其余頻率成分的信號幾乎不受衰減地通過。信號濾波電路帶阻濾波器實際濾波器 實際濾波器的幅頻特性圖中，通帶和阻帶之間應(yīng)沒有嚴(yán)格的界限。在通帶和阻帶之間存在一個過渡帶。在過渡帶內(nèi)的頻率成分不會被完全抑制，只會受到不同程度的衰減。當(dāng)然，希望過渡帶越窄越好，也就是希望對通帶外的頻率成分衰減得越快、越多越好。信號濾波電路在測試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。因為在這一領(lǐng)域中，信號頻率相對來說不高。而RC濾波器電路簡單，抗干擾性強，有較好的低頻性能，并且選用標(biāo)準(zhǔn)的阻容元件，所以在工程測試的領(lǐng)域中最經(jīng)常用到的濾波器是RC濾波器。 1)一階RC低通濾

12、波器 RC低通濾波器的電路及其幅頻、相頻特性如下圖所示。 無源濾波器信號濾波電路2)一階RC高通濾波器 RC高通濾波器的電路及其幅頻、相頻特性如下圖所示。 當(dāng)f很小時，A(f)=0，信號完全被阻擋，不能通過；當(dāng)f很大時，A(f)=1，信號不受衰減的通過。 無源濾波器信號濾波電路3) RC帶通濾波器 帶通濾波器可以看作為低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián)，其電路及其幅頻、相頻特性如下圖所示。 無源濾波器信號濾波電路極低和極高的頻率成分都完全被阻擋，不能通過；只有位于頻率通帶內(nèi)的信號頻率成分能通過。 當(dāng)高、低通兩級串聯(lián)時，應(yīng)消除兩級耦合時的相互影響，因為后一級成為前一級的“負(fù)載”，而前一級又是后一級的信

13、號源內(nèi)阻。實際上兩級間常用射極輸出器或者用運算放大器進(jìn)行隔離。所以實際的帶通濾波器常常是有源的。有源濾波器由RC調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和運算放大器組成。運算放大器既可起級間隔離作用，又可起信號幅值的放大作用。 有源濾波器信號濾波電路如果在低通濾波器后面接一個放大器,構(gòu)成有源低通濾波器其增益由確定，與時間常數(shù)RC無關(guān)。有源濾波器信號濾波電路傳感器信號處理技術(shù) (下）模塊二 傳感器信號處理技術(shù) 學(xué)習(xí)目標(biāo)通過學(xué)習(xí)要求掌握傳感器信號處理常用的基本電路以及傳感器信號的放大、處理和轉(zhuǎn)換。為以后學(xué)習(xí)傳感器應(yīng)用，組成測量系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。主要內(nèi)容任務(wù)一 電橋與電橋電源任務(wù)二 傳感器信號放大電路任務(wù)三 信號濾波電路任務(wù)四 信號轉(zhuǎn)

14、換電路任務(wù)四 分析信號轉(zhuǎn)換電路1.采樣保持電路2.比較器3.模擬多路開關(guān)4.A/D轉(zhuǎn)換器5.D/A轉(zhuǎn)換器傳感器信號的采樣/保持 在對模擬信號進(jìn)行模/數(shù)變換時,從啟動變換到變換結(jié)束的數(shù)字量輸出,需要一定的時間,即A/D轉(zhuǎn)換器的孔徑時間。當(dāng)輸入信號頻率提高時,由于孔徑時間的存在,會造成較大的轉(zhuǎn)換誤差。要防止這種誤差的產(chǎn)生,必須在A/D轉(zhuǎn)換開始時將信號電平保持住,而在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后又能跟蹤輸入信號的變化,即對輸入信號處于采樣狀態(tài)。能完成這種功能的器件叫采樣/保持器。從上面的分析可知,采樣/保持器在保持階段相當(dāng)于一個“模擬信號存儲器”。在模擬量輸出通道,為使輸出得到一個平滑的模擬信號,或?qū)Χ嗤ǖ肋M(jìn)行

15、分時控制時,也常使用采樣/保持器。 采樣保持器信號轉(zhuǎn)換電路1.原理：采樣/保持器由存儲電容C,模擬開關(guān)S等組成 開關(guān)控制SRUiCUo采樣保持器信號轉(zhuǎn)換電路2.集成采樣/保持器集成采樣保持器的特點是： （1） 采樣速度快、精度高,一般在22.5s內(nèi)即可達(dá)到0.010.003的精度。（2） 下降速率慢,如AD585,AD348為0.5 mVms,AD389為0.1 Vms。 采樣保持器信號轉(zhuǎn)換電路LF398的原理圖其內(nèi)部由輸入緩沖級、輸出驅(qū)動級和控制電路三部分組成。3.主要技術(shù)指標(biāo)有： （1） 工作電壓： 518 V。（2） 采樣時間： 10 s。（3） 可與TTL、PMOS、CMOS兼容。（4

16、） 當(dāng)保持電容為0.01F時,典型保持步長為0.5 mV（5） 低輸入漂移,保持狀態(tài)下輸入特性不變。（6） 在采樣或保持狀態(tài)時高電源抑制。采樣保持器信號轉(zhuǎn)換電路LF398的典型應(yīng)用圖A/D12 bit510 pFCHU1 kW24 kW321810 kWUoUiLF398采樣保持器信號轉(zhuǎn)換電路電壓比較器將一個模擬量輸入電壓與一個參考電壓進(jìn)行比較，輸出只有兩種可能的狀態(tài)：高電平或低電平。 比較器中的集成運放一般工作在非線性區(qū)；處于開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。電壓比較器信號轉(zhuǎn)換電路分類： 過零比較器; 單限比較器; 滯回比較器; 雙限比較器。電壓比較器信號轉(zhuǎn)換電路+UOPPuOu+-u-O-UOPP理想

17、特性集成運放的電壓傳輸特性當(dāng) uI 0 時，uO = - UOPP ；uIuO+UOpp-UOppOUOPP 為集成運放的最大輸出電壓過零比較器的傳輸特性為：閾值電壓：當(dāng)比較器的輸出電壓由一種狀態(tài)跳變?yōu)榱硪环N狀態(tài)所對應(yīng)的輸入電壓。過零比較器信號轉(zhuǎn)換電路利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器(一)uIuO+UOpp -UOppO+UZ-UZ當(dāng) uI 0 時，右邊的穩(wěn)壓管被反向擊穿，uO = - UZ ；過零比較器信號轉(zhuǎn)換電路利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器(二)電路圖傳輸特性uIuO+UOpp -UOppO+UZ-UZ問題：如將輸入信號加在“+”端，傳輸特性如何？過零比較器信號轉(zhuǎn)換電路 單限比較器有一個門限電平，

18、當(dāng)輸入電壓等于此門限電平時，輸出端的狀態(tài)立即發(fā)生跳變。 當(dāng)輸入電壓 uI 變化，使反相輸入端的電位為零時，輸出端的狀態(tài)將發(fā)生跳變。uIuO+UOpp-UOppO+UZ-UZ過零比較器是門限電平為零的單限比較器。單限比較器信號轉(zhuǎn)換電路UREF 為參考電壓；輸出電壓 uO 為 +UZ 或 -UZ；uI 為輸入電壓。當(dāng) u+ = u- 時，輸出電壓的狀態(tài)發(fā)生跳變。比較器有兩個不同的門限電平，故傳輸特性呈滯回形狀。 +UZuIuO -UZOUT+UT-滯回比較器信號轉(zhuǎn)換電路參考電壓 UREF1 UREF2若 uI 低于 UREF2 ，運放 A1 輸出低電平，A2 輸出高電平，二極管 VD1 截止，VD

19、2導(dǎo)通，輸出電壓 uO 為高電平；若 uI 高于 UREF1 ，運放 A1 輸出高電平，A2 輸出低電平，二極管 VD2 截止，VD1 導(dǎo)通，輸出電壓 uO 為高電平；雙限比較器信號轉(zhuǎn)換電路多路開關(guān)集成芯片 1. 無譯碼器的多路開關(guān) TL182C，AD7510，AD7511，AD7512等。 模擬多路開關(guān)信號轉(zhuǎn)換電路 芯片中無譯碼器，四個通道開關(guān)都有各自的控制端。模擬多路開關(guān)信號轉(zhuǎn)換電路優(yōu)點：每一個開關(guān)可單獨通斷，也可同時通斷，使用方式比較靈活。缺點：引腳較多，使得片內(nèi)所集成的開關(guān)較少。 當(dāng)巡回檢測點較多時，控制復(fù)雜。2. 有譯碼器的多路開關(guān) AD7501（AD7503） 模擬多路開關(guān)信號轉(zhuǎn)換

20、電路.電平轉(zhuǎn)換譯碼驅(qū)動OUTENA1A2A0S8S1USSUDD(-15V)(+15V)地12345678910111213141516A1GNDENA2S8S1S23S5S6S4S7SOUTUDDUSSA0AD7501.AD7501（AD7503）芯片結(jié)構(gòu)及引腳功能 片上所有邏輯輸入與TTLDTL及CMOS電路兼容。AD7501真值表 導(dǎo)通 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 無模擬多路開關(guān)信號轉(zhuǎn)換電路 AD7501，AD7502，AD7503 芯片都是單向多到一的

21、多路開關(guān)，即信號只允許從多個 (8個) 輸入端向一個輸出端傳送。CD4501模擬多路開關(guān)信號轉(zhuǎn)換電路電平轉(zhuǎn)換譯碼驅(qū)動S1UDD(-15V)(+15V)地S4S5S0S2S6S7S3INHCBAUEE12345678910111213141516Sm12345678910111213141516GNDS1S23S5S6S4S7SUDDCD4501S0ABCSmINHUEEIN/OUT(OUT/IN)IN/OUTIN/OUTCD4501芯片結(jié)構(gòu)及引腳功能CD4501真值表 C B A 接通通道 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0

22、1 0 1 0 1 0 1 S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 無 CD4501為8 通道單刀結(jié)構(gòu)形式，它允許雙向使用，即可用于多到一的切換輸出， 也可用于一到多的輸出切換。 模擬多路開關(guān)信號轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換器的兩個組成部分及其作用： 采樣保持 A/D轉(zhuǎn)換器信號轉(zhuǎn)換電路量化編碼 A/D、D/A轉(zhuǎn)換器在數(shù)字系統(tǒng)中的應(yīng)用 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 信號轉(zhuǎn)換電路A/D和D/A轉(zhuǎn)換器模擬多路開關(guān)作用： 將多路被測信號分別傳送到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。機電式： 電子式： 類型用于大電流、低速切換用于小電流、高速切換信號轉(zhuǎn)換電路(1) 采樣保持 采樣開關(guān)S的控制信號CPs的頻率fs2f imax (

23、fimax為輸入信號的最高頻率) 這樣就能將采樣保持后的 不失真地恢復(fù)成輸入電壓uI(t)。該公式稱為采樣定理。 A/D轉(zhuǎn)換器信號轉(zhuǎn)換電路(2) 量化編碼 量化:將采樣后的值限于在某些規(guī)定個數(shù)的離散的電平上，凡介于兩個離散電平之間的采樣值，就要用某種方式整理歸并到這兩個離散電平之一上。這種將幅值取整歸并的方式及過程稱為“量化”。編碼:將量化后的有限個整量值用n位一組的某種數(shù)字代碼(如二進(jìn)制碼、BCD碼或Gray碼等)對應(yīng)描述以形成數(shù)字量，這種用數(shù)字代碼表示量化幅值的過程稱作“編碼”。 A/D轉(zhuǎn)換器信號轉(zhuǎn)換電路1. 雙積分ADC 雙積分ADC又稱雙斜率ADC，是間接法的一種，它先將模擬電壓uI轉(zhuǎn)

24、換成與之大小對應(yīng)的時間T，再在時間間隔T內(nèi)用計數(shù)器對固定頻率計數(shù)，計數(shù)器所計的數(shù)字量就正比于輸入模擬電壓。 A/D轉(zhuǎn)換器信號轉(zhuǎn)換電路幾種不同工作原理的A/D轉(zhuǎn)換器 雙積分A/D電路原理圖 A/D轉(zhuǎn)換器信號轉(zhuǎn)換電路2. 逐次逼近式ADC 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖 A/D轉(zhuǎn)換器信號轉(zhuǎn)換電路3. 并行比較型電路 并行比較型ADC電路 A/D轉(zhuǎn)換器信號轉(zhuǎn)換電路1. 分辨率 分辨率指ADC對輸入模擬信號的分辨能力。從理論上講，一個n位二進(jìn)制數(shù)輸出ADC應(yīng)能區(qū)分輸入模擬電壓的2n個不同量級，能區(qū)分輸入模擬電壓的最小值為滿量程輸入的1/2n。在最大輸入電壓一定時，輸出位數(shù)愈多，量化單位愈小，分辨率愈高。例如，ADC輸出為八位二進(jìn)制數(shù)， 輸入信號最大值為 5V，其分辨率為 分辨