第9章傳感器信號(hào)處理電路

第十一章傳感器信號(hào)處理電路傳感器信號(hào)處理電路的基本要求傳感器的匹配信號(hào)放大電路信號(hào)變換電路信號(hào)濾波電路傳感器電路的噪聲與抑制基本要求：信號(hào)的選取與抗干擾能力

①要求電路本身是低噪聲的； ②采用恰當(dāng)?shù)钠帘?、隔離，合理的布線與接地；③被測(cè)信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)。第一節(jié)傳感器信號(hào)處理電路概述穩(wěn)定性

①溫漂：處理的結(jié)果在一次運(yùn)行中發(fā)生漸變 ②長(zhǎng)期穩(wěn)定性：由于元器件老化、插接件彈性疲勞、氧化等原因③短期穩(wěn)定性：示值重復(fù)性。頻率特性與響應(yīng)速度

隨著科技的發(fā)展，對(duì)于快速變化的過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量的要求越來(lái)越多。線性度

檢測(cè)的非線性由傳感器、傳感器電路、顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)這三部分的非線性度產(chǎn)生。分辨率適當(dāng)提高傳感器電路的分辨率有利于減小誤差、方便讀數(shù)；模擬電路中，為了提高分辨率應(yīng)適當(dāng)提高放大器放大倍數(shù)；數(shù)字電路中，為了減小量化誤差必須增加數(shù)字量的位數(shù)，以減小最低位所對(duì)應(yīng)的被測(cè)量。輸入輸出阻抗輸入級(jí)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(dá)到最大值；傳感器電路的輸出阻抗應(yīng)與它所驅(qū)動(dòng)的顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)或微機(jī)接口的阻抗相匹配。傳感器的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(yùn)算放大器壓電陶瓷、光敏二極管（100M?）輸出阻抗小——變壓器匹配動(dòng)圈式傳聲器（30-70?）高輸入阻抗放大器求：輸入阻抗Ri=?解：根據(jù)虛地原理所以：輸入阻抗：令Rf1=R2

Rf2=2R1則：第二節(jié)信號(hào)放大電路一、電壓放大器電路例：K型熱電偶，將0—500℃的溫度轉(zhuǎn)換為0-5V電壓信號(hào)。已知1℃對(duì)應(yīng)熱電偶輸出電壓40uV，500℃對(duì)應(yīng)滿量程電壓20.64mV。求：（1）信號(hào)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(bǔ)償冷端溫度；R6完成斷線檢測(cè)。提問(wèn)：（1）R3為什么不能太大?（2）斷線檢測(cè)功能為什么要求運(yùn)放的輸入偏置電流小？（因?yàn)檫\(yùn)放有輸入偏置電流）（因?yàn)檫\(yùn)放輸入偏置電流在R6上產(chǎn)生很大的壓降）二、差動(dòng)放大器電路例：一種壓力傳感器的信號(hào)調(diào)理電路如圖所示。壓力傳感器采用絕對(duì)壓力傳感器PS3000S-102A，此傳感器為恒流驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)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(zhǔn)電壓。

求：(1)為了保證壓力傳感器恒流驅(qū)動(dòng)工作，試計(jì)算電阻的R2阻值；(2)如果信號(hào)調(diào)理電路的輸出范圍為0-1V，試計(jì)算可調(diào)電阻的取值；(3)如果當(dāng)壓力為0時(shí)，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(duì)照?qǐng)D說(shuō)明如何進(jìn)行零點(diǎn)補(bǔ)償消除其對(duì)輸出的影響。解：（1）（2）則：Rp1=10K?（3）調(diào)節(jié)Rp2三、電荷放大器要求放大器的輸入阻抗非常高；（為什么？）利用絕緣性好的電容和高增益的運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)。~Q+AU0Δ8CfU0=-Q/Cf~+8ΔCsQCcGcCiGiCfGfU0}傳感器}電纜放大器電荷放大器實(shí)際等效電路U0=Cf（1+Ad）—AdQ≈—

QCfCs—壓電傳感器固有電容Cc—輸入電纜等效電容Ci—放大器輸入電容Cf—反饋電容Gc—輸入電纜的漏電導(dǎo)Gi—放大器的輸入電導(dǎo)Gf—反饋電導(dǎo)特點(diǎn)輸入阻抗高，最大可達(dá)109Ω；偏置電流低；共模抑制比高；平衡的差動(dòng)輸入；具有良好的溫度穩(wěn)定性；增益可由用戶選擇不同的增益電阻來(lái)確定；單端輸出四、集成儀用放大器(AD521AD612AD620)主要參數(shù)增益方程式:儀用放大器所要求的增益與放大器增益控制電阻的關(guān)系式為： V0=ViRs

/RG增益范圍：系指可提供的使放大器工作正常的增益范圍（典型值1－1000）。失調(diào)電壓：系指為了使輸出電壓為零而需要在輸入端外加的電壓。輸入偏流：系指保證直流放大器的輸入晶體管正常工作所需的偏置電流。共模抑制比：系指當(dāng)兩個(gè)輸入端具有等量電壓變化時(shí)所測(cè)出的輸出電壓的變化。非線性度：系指實(shí)際的輸出和輸入的關(guān)系曲線與一條理想直線的偏差五、可編程增益放大器(PGA)+1234V0Δ81M110K20.4K10.1K10k1M增益開(kāi)關(guān)123410050102111110111101111011110單運(yùn)放可編程增益放大器+ARsRF1RF2R1=RB//RFViV0Δ8ViVoRBRF1RF2+AΔ8單運(yùn)放可編程增益放大器SW4SW1SW2SW3+CBADY-04V0ViQ3D3D2Q2D1D0D4D5D6D774LS2738Δ實(shí)用可編程增益放大器六、集成隔離放大器定義：

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(méi)有直接的電路耦合。特點(diǎn)：具有保護(hù)系統(tǒng)硬件不受高共模電壓（CMV）損壞的能力；沒(méi)有外偏流流入引線，泄漏電流很低，解決了噪聲拾取問(wèn)題；具有非常高的共模抑制能力。耦合方式：變壓器耦合利用變壓器耦合實(shí)現(xiàn)載波調(diào)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(shí)現(xiàn)載波調(diào)制，其隔離性能不如變壓器耦合，但可獲得10KHz的帶寬。調(diào)制器解調(diào)器濾波器））））））電源（（（（（（60KHz振蕩器高端5輸入屏蔽1098721634地+VISO-VISO+Vs+RiVi8Δ284J的原理框圖提問(wèn)：Uout=?第三節(jié)信號(hào)變換電路1.電流—電壓變換電路(電流放大器)+EfRfΔ8e0i’iZiei電流—電壓變換電路實(shí)例±1μA±10μA±100μA±1mAF.S.全量程輸入端+1k5k5ke02e01C’f+15V-15V輸入保護(hù)電路+Cf+15V-15V-15V+15V5V5V950K100K950K10K950K1K950Ω100Ω20K10KΩ3.3KΩ3.3KΩ100KΩ{Rf4558μA714Δ8Δ8防止振蕩將傳感器輸出的電壓或電流信號(hào)高低變成單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)的多少稱作對(duì)信號(hào)進(jìn)行前處理。這樣就大大提高了信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力，解決了長(zhǎng)距離傳輸?shù)膯?wèn)題。這種方法只適用于實(shí)時(shí)性要求不是太高的場(chǎng)合。2.電壓—脈沖數(shù)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(lái)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(shù)字技術(shù)傳感器長(zhǎng)距離傳輸前處理利用脈沖率形式的前處理體系+單穩(wěn)頻率輸出-Vs+VINS1-0.6V比較器積分器CINTCos+IinR1N1mA±10％Δ8Δ8（a）V/F轉(zhuǎn)換方框圖AD650原理+5V結(jié)論： 當(dāng)輸入電阻Rin、定時(shí)電容Cos一定時(shí)，輸出頻率Fo正比于輸入電壓Vin，而與積分電容Cint無(wú)關(guān)，它只決定積分器輸出鋸齒波的高度。AD650基本應(yīng)用電路V1N-15VR1R31234567141312111098AD650R2VL1μF20K250K+15V0.1μFCINT}RIN圖單極性輸入V/F轉(zhuǎn)換電路Cos對(duì)AD650單極性正輸入電壓V/F轉(zhuǎn)換電路，當(dāng)Vin=0-10V時(shí)，F(xiàn)o=0-100Khz；對(duì)AD650單極性負(fù)輸入電壓V/F轉(zhuǎn)換電路，當(dāng)Vin=-10V～0V時(shí)，F(xiàn)o=100～0Khz；對(duì)AD650雙極性輸入電壓V/F轉(zhuǎn)換電路，當(dāng)Vin=-5V~+5V時(shí)，F(xiàn)o=0-100Khz；AD650應(yīng)用很廣，幾乎可代替目前所有的V/F轉(zhuǎn)換電路。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：工作頻率高；抗干擾和共模電壓能力強(qiáng)；非線形和溫漂低；可靠性高；適用與遠(yuǎn)距離傳輸；且輸入方式靈活，價(jià)格低廉。3.脈沖數(shù)—電壓變換電路脈沖數(shù)-電壓變換電路即頻率-電壓轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱F/V轉(zhuǎn)換器；由于轉(zhuǎn)換的閾值和增益可調(diào)，且具有很低的非線性誤差，它在電機(jī)轉(zhuǎn)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(yīng)用；VCO（壓控振蕩器）：主要利用它的結(jié)電容隨反偏壓變化而變化的特性,通過(guò)改變變?nèi)荻O管兩端的電壓便可改變電容的大小,從而改變振蕩頻率。(1)基本工作原理模塊式451和453型F/V轉(zhuǎn)換器。+1++濾波器84相加點(diǎn)3頻率輸入+15VEos校準(zhǔn)12-15V頻率輸入精密電荷分配器CeRosRF9滿刻度校準(zhǔn)輸出Cc濾波電容RH10K100K1K+VsA1Δ8Δ8A2型號(hào)CF(pF)Ros(M?)RH(M?)RF(K?)4510.0153.32.2184530.0013.91.022(2)應(yīng)用舉例Δ+ΔΔ8增益調(diào)節(jié)傳感器258892131634模擬地Fi雙扭線（0~10）kHz（0~10）kHz差動(dòng)線驅(qū)動(dòng)器差動(dòng)線接收器F/V451V/F450/456模擬儀表儀用放大器圖6-23FVC在兩線制數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用第四節(jié)濾波電路作用：

濾除各種外接干擾所引起的噪聲以及多余的不需要的信號(hào)，提高信噪比(S/N)。分類：無(wú)源濾波器、有源濾波器模擬濾波器、數(shù)字濾波器低通、高通、帶通、帶阻、全通理想濾波器低通高通帶通帶阻一、低通濾波器無(wú)源低通濾波器缺點(diǎn)：帶負(fù)載能力差；無(wú)放大作用；特性不理想，邊沿不陡。有源低通一階濾波器傳遞函數(shù)中出現(xiàn)

的一次項(xiàng)，故稱為一階濾波器。RR1RFC+-+幅頻特性：相頻特性：有放大作用3.運(yùn)放輸出，帶負(fù)載能力強(qiáng)。幅頻特性與一階無(wú)源低通濾波器類似電路的特點(diǎn)：2.=o時(shí)1.=0

時(shí)有源低通二階濾波器傳遞函數(shù)注意：由于C引入了正反饋，所以KA不能太大(KA<3)。 否則失去穩(wěn)定性?！纠吭O(shè)計(jì)一個(gè)截止頻率f0=2kHz，品質(zhì)因素Q=2的低通濾波器?！窘狻堪瓷鲜鏊螅校喝暨xC=0.1uF,則：R=795.8?;由于KA=2.5,若R1=5.1K?,則：Rf=7.65K?有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)不使用電感元件，體積小重量輕；有源濾波電路中可加電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使輸入電阻高、輸出電阻低，輸入輸出之間具有良好的隔離。只需把幾個(gè)低階濾波電路串起來(lái)就可構(gòu)成高階濾波電路，無(wú)需考慮級(jí)間影響；除濾波外，還可放大信號(hào)，放大倍數(shù)容易調(diào)節(jié)。有源濾波器的缺點(diǎn)不宜用于高頻、高電壓、大電流；可靠性較差使用時(shí)需外接直流電源二、高通濾波器R1RF+-+高通濾波器R幅頻特性：0o第五節(jié)傳感器電路的噪聲與抑制一、傳感器電路的構(gòu)成被測(cè)對(duì)象傳感器差分放大低通濾波A/D變換計(jì)算機(jī)測(cè)量結(jié)果外來(lái)噪聲模擬噪聲處理數(shù)字噪聲處理圖6—37傳感器電路的構(gòu)成噪聲消除的模型傳感器低通濾波器信號(hào)電壓Vs等效噪聲電壓VnsV0V1V2Vf≈AVsA噪聲源VnV′n（C和M耦合）二、傳感器的噪聲來(lái)源傳感器和電路元件產(chǎn)生的噪聲電阻產(chǎn)生的噪聲(熱噪聲：自由電子隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)）晶體管產(chǎn)生的噪聲（散粒噪聲+1/f噪聲）放大器產(chǎn)生的噪聲接觸噪聲（接觸面導(dǎo)電率不一樣）開(kāi)關(guān)器件產(chǎn)生的噪聲寄生振蕩干擾（布線不合理）外部噪聲源引起的噪聲雷電、大氣電離、宇宙射線、其他電磁波；電磁場(chǎng)、電火花、電弧焊接、高頻加熱。三、干擾的耦合方式1、靜電耦合（電容性耦合）

由于兩個(gè)電路之間存在著分布電容，當(dāng)其中一個(gè)電路的電位發(fā)生變化時(shí)，該電路的電荷就會(huì)通過(guò)分布電容傳送到另一個(gè)電路。結(jié)論：（1）干擾源的頻率越高，靜電耦合引起的干擾越嚴(yán)重；（2）降低接收電路輸入阻抗，可減少靜電耦合干擾；（3）通過(guò)合理布線，減少分布電容C，減少靜電耦合干擾。2、電磁耦合（互感性耦合）

當(dāng)兩個(gè)電路之間有互感存在時(shí)，一個(gè)電路的電流產(chǎn)生變化就會(huì)通過(guò)磁場(chǎng)耦合到另一個(gè)電路。3、共阻抗耦合

當(dāng)一個(gè)電路的電流流經(jīng)共阻抗產(chǎn)生電壓降時(shí)，就成為其他電路的干擾電壓。通過(guò)電源內(nèi)阻的共阻抗耦合干擾減小電源內(nèi)阻各電路接去耦濾波電路通過(guò)公共地線的共阻抗耦合干擾采用一點(diǎn)接地4、漏電流耦合

由于測(cè)量電路內(nèi)部存在漏電阻產(chǎn)生漏電流引起的干擾。例：設(shè)直流放大器輸入阻抗Zi=108?，干擾源電動(dòng)勢(shì)En=15V,絕緣電阻R=1010?，求耦合干擾Eo=?。四、噪聲的抑制噪聲的抑制途徑消除或抑制干擾源減少接收電路對(duì)干擾的靈敏度阻斷干擾的傳輸途徑和耦合方式傳感器和電路器件產(chǎn)生的噪聲的抑制（1）為減少電路元件的熱噪聲，應(yīng)使放大器的外部電阻盡量??；（2）使用雙極型晶體管的前置放大器來(lái)放大傳感器的輸出信號(hào)的場(chǎng)合，選取IC值盡可能??；（3）選用Vna、Ina小的運(yùn)算放大器來(lái)組成傳感器電路；（4）對(duì)于開(kāi)關(guān)噪聲，設(shè)置相應(yīng)的偽電路，用差分來(lái)消除開(kāi)關(guān)噪聲。降低噪聲的信號(hào)處理方法（1）濾波（只能去除帶外噪聲）；（2）相位檢波（基于信號(hào)是周期的，而噪聲是隨機(jī)的原理）。外部噪聲的抑制外部噪聲是通過(guò)靜電耦合和磁耦合串入傳感器電路。具體方法：屏蔽、接地（浮空、隔離、濾波）1、屏蔽技術(shù)（1）靜電屏蔽

用一個(gè)金屬罩（銅、鋁）把信號(hào)源或測(cè)量電路包封起來(lái)并接地，使屏蔽盒內(nèi)的電力線不會(huì)傳到外部，當(dāng)然也避免了外部電場(chǎng)對(duì)電路的影響，起到抑制干擾源的作用。(為什么要用導(dǎo)體?)（2）驅(qū)動(dòng)屏蔽

將被屏蔽導(dǎo)體的電位，經(jīng)嚴(yán)格的1:1電壓跟隨器去驅(qū)動(dòng)屏蔽層導(dǎo)體的電位，而使兩者電位相等，可以有效地抑制由于分布電容引起的靜電耦合干擾。

（3）電磁屏蔽電磁場(chǎng)屏蔽是利用屏蔽體阻止電磁場(chǎng)在空間傳播的一種措施。電磁場(chǎng)屏蔽的機(jī)理：當(dāng)電磁波到達(dá)屏蔽體表面時(shí)，由于空氣與金屬的交界面上阻抗的不連續(xù)，對(duì)入射波產(chǎn)生的反射。這種反射不要求屏蔽材料必須有一定的厚度，只要求交界面上的不連續(xù)；

未被表面反射掉而進(jìn)入屏蔽體的能量，在體內(nèi)向前傳播的過(guò)程中，被屏蔽材料所衰減。也就是所謂的吸收；

在屏蔽體內(nèi)尚未衰減掉的剩余能量，