演示文稿傳感器信號的處理

演示文稿傳感器信號的處理當前第1頁\共有25頁\編于星期五\3點（優(yōu)選）傳感器信號的處理當前第2頁\共有25頁\編于星期五\3點第六章傳感器信號的處理

傳感器的輸出信號具有種類多、信號微弱、易衰減、非線性、易受干擾等不利于處理的特點，所以對傳感器的信號處理是傳感器技術的一個重要環(huán)節(jié)。 常用的傳感器信號處理的一些基本方法及器件有傳感器信號的預處理、信號的調制與解調、傳感器信號的非線性校正、測量放大器、有源濾波器和A/D轉換器等。當前第3頁\共有25頁\編于星期五\3點第一節(jié)傳感器信號的預處理

一、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 在機電一體化產(chǎn)品中，對被測量的控制和信息處理多采用計算機來實現(xiàn)，故傳感器的檢測信號一般需要被采集到計算機中作進一步處理，以便獲得所需的控制和顯示信息。在用計算機對模擬信號進行測量和控制時，必須先將模擬信號轉換成數(shù)字信號，然后計算機按一定的處理要求對信號進行處理。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：實現(xiàn)模擬信號轉換成數(shù)字信號的電路系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中最重要的器件便是模數(shù)轉換器（A/D轉換器）。當前第4頁\共有25頁\編于星期五\3點第一節(jié)傳感器信號的預處理 1、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)常由包括放大器、濾波器等在內的信號調理電路、多路模擬開關、采樣/保持電路、A/D轉換器以及接口控制邏輯電路所組成。當前第5頁\共有25頁\編于星期五\3點第一節(jié)傳感器信號的預處理

（1）信號調理電路 傳感器輸出的模擬信號往往因其幅值較小，可能含有不需要的高頻分量或其阻抗不能與后續(xù)電路匹配等原因，不能直接送給A/D轉換器轉換成數(shù)字量，需要對這個信號進行必要的處理，這些處理電路就叫信號調理電路。信號調理電路是各種電路的綜合名稱，如放大器、濾波器和線性修正電路等。 對于一個具體的數(shù)字采集系統(tǒng)而言，所采用的信號調理技術及其電路，由傳感器輸出信號的特性和后續(xù)采樣/保持電路（或A/D轉換）的要求或確定的測量要求決定。當前第6頁\共有25頁\編于星期五\3點第一節(jié)傳感器信號的預處理

（2）多路模擬開關 多路模擬開關在控制信號作用下，按指定的次序把各路模擬信號分時地送到A/D轉換器轉換成數(shù)字信號。 （3）采樣/保持電路（S/H電路） 由于A/D轉換器的轉換需要一定的時間，如在轉換過程中輸入的信號有所改變，則轉換結果與轉換之初的模擬信號便有較大的誤差，甚至是面目全非。故為了保證轉換的精度，需要在模擬信號源與A/D轉換器之間接入采樣/保持電路。 采樣/保持電路先處于采樣模式，采樣后使采樣/保持電路處于保持模式，即輸出電壓保持不變，接下來才對這個輸出信號進行A/D轉換。 為提高系統(tǒng)的測量速度，采樣的時間越短越好；為了有良好的轉換精度，保持時間越長越好。當前第7頁\共有25頁\編于星期五\3點第一節(jié)傳感器信號的預處理

（4）A/D轉換器

A/D轉換器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心器件，它把模擬信號輸入轉換成數(shù)字信號輸出。最常用的A/D轉換器是逐次逼進型和雙斜積分型。 （5）接口電路及控制邏輯

A/D轉換器所輸出的數(shù)字信號無論在邏輯電平還是時序要求、驅動能力等方面與計算機的總線信號可能會有差別，因此，A/D轉換器的輸出信號不能直接送至計算機總線上，必須在兩者之間加入接口電路以實現(xiàn)電路參數(shù)匹配。 邏輯控制電路是受控于計算機來產(chǎn)生一定時序要求的邏輯控制信號的電路系統(tǒng)。當前第8頁\共有25頁\編于星期五\3點第一節(jié)傳感器信號的預處理

（3）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作過程 首先讓多路模擬開關接通被測的某路模擬輸入，其次讓采用/保持電路進入采樣模式，待輸出跟蹤輸入到達某一指定的誤差帶內之后再進入保持模式，然后才開始A/D轉換（此時模擬開關可切換至另一路模擬輸入），待A/D轉換結束后，才允許計算機讀數(shù)數(shù)據(jù)。當前第9頁\共有25頁\編于星期五\3點第一節(jié)傳感器信號的預處理

二、傳感器輸出信號的特點（1）由于傳感器種類繁多，故傳感器的輸出形式也是各式各樣的。有開關信號型、模擬信號型（電壓型、電流型和阻抗型等）、數(shù)字信號型。（2）傳感器的輸出信號一般比較微弱，有的傳感器輸出電壓僅有0.1μV。（3）傳感器的輸出阻抗都比較高，這樣使傳感器信號輸入到測量轉換電路時會產(chǎn)生較大的信號衰減。（4）傳感器的動態(tài)范圍很寬。（5）傳感器的輸出與輸入之間的關系有時不是線性關系。（6）傳感器的輸出量會受溫度的影響。當前第10頁\共有25頁\編于星期五\3點第一節(jié)傳感器信號的預處理

三、傳感器信號的預處理方法

1、傳感器信號的預處理的主要目的 傳感器信號的預處理的主要目的是根據(jù)傳感器輸出信號的特點，采取不同的信號處理方法來抑制干擾信號，并對檢測系統(tǒng)的非線性、零位誤差和增益誤差等進行補償和修改，從而提高檢測系統(tǒng)的測量精度和線性度。 傳感器的信號預處理后，使其成為可供測量、控制及便于向微型計算機輸入的信號形式。當前第11頁\共有25頁\編于星期五\3點第一節(jié)傳感器信號的預處理 2、常用傳感器信號預處理方法（1）抗變換電路 在傳感器輸出為高阻抗的情況下，變換為低阻抗，以便于檢測電路準確地拾取傳感器的輸出信號。（2）放大電路 將傳感器輸出微弱信號放大。（3）電流電壓轉換電路 將傳感器的電流輸出轉換成電壓值。（4）頻率電壓轉換電路 把傳感器輸出的頻率信號轉換為電流或電壓值。（5）電橋電路 把傳感器的電阻、電感和電容值轉換為電流或電壓值。

當前第12頁\共有25頁\編于星期五\3點第一節(jié)傳感器信號的預處理

（6）電荷放大器 將電場型傳感器輸出產(chǎn)生的電荷量轉換為電壓值。（7）交-直流轉換電路 在傳感器為交流輸出的情況下，轉換為直流輸出。（8）濾波電路 通過低通及帶通濾波器消除傳感器的噪音成分。（9）非線性校正電路 傳感器的特性是非線性時，進行非線性校正。（10）對數(shù)壓縮電路 當傳器輸出信號的動態(tài)范圍較寬時，用對數(shù)電路進行壓縮。 傳感器信號的預處理應根據(jù)傳感器輸出的信號的特點及后續(xù)檢測電路對信號的要求選擇不同的預處理電路。當前第13頁\共有25頁\編于星期五\3點第二節(jié)測量放大器

一、測量放大器的選擇 因傳感器輸出的信號很微弱，故對放大器的精度要求很高，要求它能鑒別被測量的微小變化，進行緩沖、隔離、放大和電平轉換等處理。 上述這些功能大多可用運算放大器來實現(xiàn)。運算放大器往往不能消除各種形式的共模干擾信號，因此，需要引入另一種形式的放大器，即儀表放大器。它廣泛用于傳感器信號放大，特別是微弱信號及具有較大共模干擾的場合。 共模干擾:在傳感器的兩條輸出線上經(jīng)常產(chǎn)生較大的干擾信號（噪音），有時是完全相同的干擾，稱為共模干擾。當前第14頁\共有25頁\編于星期五\3點

二、儀表放大器 儀表放大器又稱為數(shù)據(jù)放大器。一般是由三只高精度運放及精密電阻一起組裝而成。其中兩只高精度遠方參數(shù)對稱，構成電路對稱的差分輸入級?！?/p>

儀表放大器輸入阻抗高，共模抑制比高，噪聲低，穩(wěn)定性好。 儀表放大器主要用于微小信號的精確測量。廣泛應用于傳感器信號放大、高阻電橋、光電管、生物電放大及高阻比較器等各種場合。第二節(jié)測量放大器當前第15頁\共有25頁\編于星期五\3點

三、儀表放大器應具有如下性能

1、低噪聲 采用地噪聲放大器件并采取有效的減小噪聲措施，以免測量信號被淹沒在噪聲中。

2、高穩(wěn)定性、低漂移 減小溫度漂移和防止自動激蕩等。

3、高抗干擾性能 放大器的前級是最易受干擾，要盡量縮短導線影響，采用調制的方法和妥善的屏蔽措施等

4、高輸入阻抗 由于傳感器輸出信號很微弱，要求放大器的接入，盡可能對傳感器影響小。傳感器輸出阻抗很高時，更要求放大器有高輸入阻抗。第二節(jié)測量放大器當前第16頁\共有25頁\編于星期五\3點 5、高共模抑制比 一方面是由于許多被測量本身事物差模信號，另一方面由于許多干擾為共模干擾，因此高共模抑制必有利于提高干擾性能。

6、高線性度 在較大量程內有良好的線性。

7、適宜的頻率特性 為使放大后的信號不失真，要求它有寬頻帶。為抑制某些干擾，有要求它有合適的頻率。 四、儀表放大器的選擇 儀表放大器應在考慮以上性能要求后進行選擇，當然在滿足要求時還應考慮價格、生產(chǎn)廠商的信譽等問題。第二節(jié)測量放大器當前第17頁\共有25頁\編于星期五\3點第三節(jié)信號的調制與解調

一、信號調制與解調的概念從信號放大角度來看，直流信號（傳感器傳出的信號有許多是近似直流緩變信號）的放大比較困難。因此，需要把傳感器輸出的緩變信號先變成具有高頻率的交流信號，再進行放大和傳輸，最后，在還原成原來頻率的信號（信號已被放大），這樣一個過程，稱為信號的調制可解調。當前第18頁\共有25頁\編于星期五\3點第三節(jié)信號的調制與解調

二、信號的調制 所謂調制就是利用信號來控制高頻率振蕩的過程。即人為地產(chǎn)生一個高頻信號（它有頻率、幅值、相立三個參數(shù)而定），是這個高頻信號的三個參數(shù)中的一個隨著需要傳輸?shù)男盘栕兓兓?，這樣，原來變化緩慢的信號，就被這個受控制的高頻振蕩信號所代替，進行放大和傳輸，以期得到最好的放大和傳輸效果。當前第19頁\共有25頁\編于星期五\3點第三節(jié)信號的調制與解調

三、信號的解調 所謂解調就是從已被放大和傳輸?shù)模矣性瓉硇盘栃畔⒌母哳l信號中，把原來信號取出的過程。 四、調制的三種過程

1、調幅 高頻振蕩的幅度受緩變信號控制時，稱為調幅，以AM表示。

2、調頻 高頻振蕩的頻率受緩變信號控制時，成為調頻，以FM表示。

3、調相 高頻振蕩的相立受緩變信號控制時，稱為調相，以PM表示。當前第20頁\共有25頁\編于星期五\3點第四節(jié)有源濾波器

濾波器用以容許通過某些一頻率范圍的電信號，而阻止或濾去此頻率范圍外的電信號。在檢測中通過用來把測量信號中不同頻率成分分離開來，保留有用信號，去除噪聲，所以應用廣泛。當前第21頁\共有25頁\編于星期五\3點第四節(jié)有源濾波器

一、濾波器的分類

1、按通過的頻率范圍分濾波器低通濾波（LPF）高通濾波（HPF）帶通濾波（BPF）帶阻濾波（BEF）當前第22頁\共有25頁\編于星期五\3點第四節(jié)有源濾波器 2、根據(jù)性質不同分濾波器無源濾波器無源濾波器由于消耗能量而使信號衰減，在信號轉換中一般不被采用。有源濾波器有源濾波器能克服無源濾波器的缺點，在檢測中應用廣泛。

阻容濾波器具有抗干擾能力強、精度高、設計調試方便、中心頻率連續(xù)可調，無需阻抗匹配和體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點，在檢測中應用廣泛。當前第23頁\共有25頁\編于星期五\3點第五節(jié)A/D轉換器的選擇

一、A/D轉換器的作用

A/D轉換器的作用是將傳感器接口電路預處理過的模擬信號轉換成適合計算機處理的數(shù)字信號，并輸入到計算機中去。 二、A/D轉換器的定義及分類

A/D轉換器是集成在一塊芯片上，并能完成模擬信號向數(shù)字信號轉換的單元電路。A/D轉換器

直接型（比較型）

間接型（積分型）將模擬輸入電壓與基準電壓比較后直接得到數(shù)