傳感器及檢測(cè)技術(shù)課件-第9章

第9章傳感器實(shí)用技術(shù)

9.1信號(hào)調(diào)理9.2驅(qū)動(dòng)電路分析9.3抗干擾技術(shù)9.4傳感器的工程應(yīng)用思路 9.1信號(hào)調(diào)理

傳感器將被測(cè)物理、化學(xué)量的變化過(guò)程轉(zhuǎn)換為電信號(hào),但這種電信號(hào)在形式、幅值等方面常常受敏感元件及檢測(cè)電路的特點(diǎn)所限,一般無(wú)法直接用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量的進(jìn)一步分析、顯示、記錄及控制等。所謂信號(hào)調(diào)理(SignalConditioning),即對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,將其轉(zhuǎn)換成適合后續(xù)測(cè)控單元接口的信號(hào)。隨著數(shù)字電路技術(shù)的不斷進(jìn)步,越來(lái)越多的測(cè)量系統(tǒng)采用數(shù)字電路對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。相應(yīng)地,傳感器的信號(hào)調(diào)理更多的是針對(duì)后續(xù)的數(shù)字式數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(DataAcquisitionSystem,DAQS)的,即通過(guò)對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)理,使之更適合轉(zhuǎn)換為離散數(shù)據(jù)流。對(duì)于大部分DAQS的輸入信號(hào),要求如下:

(1)輸入信號(hào)必須是電壓信號(hào)。將傳感器的輸出轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的同時(shí),也可降低無(wú)用信號(hào)(噪聲)的影響。

(2)輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化范圍應(yīng)符合或接近DAQS的動(dòng)態(tài)范圍,這樣可充分利用A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率。

(3)輸入信號(hào)源的內(nèi)阻應(yīng)足夠低,以使DAQS的輸入電阻不至于對(duì)輸入信號(hào)產(chǎn)生顯著影響。

(4)輸入信號(hào)的帶寬應(yīng)限制在A/D采樣頻率的一半以下,防止混疊。此外,信號(hào)調(diào)理的作用還在于滿(mǎn)足模擬傳感器與數(shù)字DAQS之間的接口要求。這方面的內(nèi)容主要包括以下幾方面。

(1)信號(hào)隔離:大部分應(yīng)用中需要將傳感器與計(jì)算機(jī)的電源系統(tǒng)隔離開(kāi)來(lái)。常用的隔離手段有兩種:磁隔離或光隔離。磁隔離主要用于防止計(jì)算機(jī)與傳感器電源之間的耦合,通常采用變壓器實(shí)現(xiàn)。光隔離則用于將傳感器信號(hào)與DAQS輸入端隔離,這種隔離一般采用光發(fā)射二極管-光電檢測(cè)器聯(lián)合的方式實(shí)現(xiàn)。這兩個(gè)功能可集成在同一個(gè)器件中。

(2)信號(hào)的預(yù)處理:在采集信號(hào)之前,經(jīng)常需要對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理的內(nèi)容取決于具體應(yīng)用,一般應(yīng)達(dá)到降低計(jì)算機(jī)處理時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)、降低系統(tǒng)采樣頻率甚至整個(gè)DAQS結(jié)構(gòu)的功能。

(3)去除無(wú)用信號(hào):大量傳感器的輸出信號(hào)中包含有許多不同的信號(hào)成分。在對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集之前,需要甚至必須去除信號(hào)中的某些成分,如50Hz的工頻信號(hào)。9.1.1電平調(diào)整

1.無(wú)源電平調(diào)整電路

圖9－１所示的分壓器電路可以說(shuō)是最簡(jiǎn)單的電平調(diào)整電路,利用該電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的衰減:其中,分壓電阻R的精度及穩(wěn)定性直接影響電平調(diào)整的效果。在實(shí)際應(yīng)用中,電平調(diào)整電路作為前級(jí)傳感器電路輸出的負(fù)載,希望輸入阻抗高一些。但作為后一級(jí)電路的輸入端,希望輸出阻抗小一些。因此,具體R阻值的選取需要綜合考慮兩方面的因素。此外,由于大阻值(兆歐量級(jí))的電阻器在阻值精度及噪聲方面均較差,在選用時(shí)需特別注意。實(shí)際上,無(wú)源電平調(diào)整電路一般僅用于精度要求不高的場(chǎng)合,工程應(yīng)用中大量的電平調(diào)整采用的還是以運(yùn)算放大器為核心的有源調(diào)整電路。圖9－１無(wú)源電平調(diào)整電路

2.有源電平調(diào)整電路

由運(yùn)算放大器為核心器件組成的電路是最常見(jiàn)的有源電平調(diào)整電路。

1)運(yùn)算放大器的特點(diǎn)及分析法則

我們把具有理想?yún)?shù)的運(yùn)算放大器稱(chēng)為理想運(yùn)算放大器,它具有以下特點(diǎn):

(1)開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)AV=∞。

(2)輸入阻抗Ri=∞。

(3)輸出阻抗Ro=0。

(4)共模抑制比CMRR=∞。

(5)頻帶寬度BW=∞。

(6)沒(méi)有溫度漂移。實(shí)際的運(yùn)算放大器等效電路如圖9－2所示。工作中,其性能指標(biāo)不可能達(dá)到理想程度,但當(dāng)其工作在線(xiàn)性區(qū)時(shí),我們?nèi)匀粚⑵湟暈槔硐霠顩r來(lái)分析,遵從兩條分析的基本法則:

(1)同相與反相端的電壓永遠(yuǎn)相等(虛短)。

(2)同相與反相端之間輸入電流為零(虛斷)。圖9－2運(yùn)算放大器的等效電路2)典型實(shí)用運(yùn)算放大電路

(1)單端輸入放大電路。單端輸入放大電路有同相輸入和反相輸入兩種形式,圖9－3所示為反相輸入放大電路。

反相輸入放大電路其電壓增益為電路的輸入阻抗約為Ri,輸出阻抗接近于零。因此,這種有源電平調(diào)整電路不僅實(shí)現(xiàn)了傳感器輸出與后續(xù)電路之間的電壓調(diào)整,而且滿(mǎn)足了阻抗匹配的要求。同時(shí),較之同相輸入放大電路,它實(shí)現(xiàn)了輸出信號(hào)的負(fù)反饋,因此在追求穩(wěn)定性的自動(dòng)測(cè)量與控制系統(tǒng)中常用。圖9－3反相輸入放大電路需要注意的是,電路的輸出范圍受運(yùn)算放大器供電電源電壓的限制。例如,圖9－3中的運(yùn)算放大器采用±15V供電電源,則其輸出電壓范圍為±13V。如電阻采用圖中的阻值,則對(duì)于較大的輸入信號(hào),可能出現(xiàn)圖中所示的“削波”現(xiàn)象。

作為特例,圖9－4所示為電壓跟隨器,在低頻情況下,其特點(diǎn)為:Uo=-Ui;具有高輸入阻抗和低輸出阻抗。因此它常在信號(hào)處理中用作阻抗變換器。在使用中需注意其輸入電壓幅度不能超過(guò)其共模電壓輸入范圍。圖9－4電壓跟隨器

(2)積分電路和微分電路。積分電路如圖9－5所示,其輸出電壓為圖9－5積分電路實(shí)際積分器的特性不可能與理想積分器的特性一致,其誤差來(lái)源很多,如運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益有限、輸入阻抗及帶寬不為無(wú)窮大、失調(diào)電壓與失調(diào)電流不為零、電容器存在漏電阻等。由于電容器對(duì)穩(wěn)態(tài)分量表現(xiàn)為開(kāi)路特性,因此運(yùn)算放大器對(duì)于穩(wěn)態(tài)分量相當(dāng)于開(kāi)環(huán)工作狀態(tài),這時(shí)輸入端的微小失調(diào)漂移都將導(dǎo)致輸出端的較大漂移。所以當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí),仍會(huì)有緩慢變化的輸出電壓,這種現(xiàn)象稱(chēng)為積分漂移或爬行現(xiàn)象。為了克服積分漂移,可對(duì)圖9－5所示積分電路略加改進(jìn),在電容器兩端并聯(lián)一個(gè)電阻,其負(fù)反饋?zhàn)饔媚茌^有效地抑制積分漂移現(xiàn)象。圖9－6所示為微分電路,其輸出電壓為由于基本微分電路的輸出電壓與輸入電壓的變化率成正比,因此輸出電壓對(duì)輸入信號(hào)的突變十分敏感(即使是非常短暫的突變),這就導(dǎo)致電壓容易受高頻干擾和噪聲信號(hào)的干擾,使電路抗干擾能力較差。因此可在原圖的基礎(chǔ)上增加電阻與電容串聯(lián)、增加電容與反饋電阻并聯(lián)電路,這樣在高頻情況下,將導(dǎo)致運(yùn)放的放大倍數(shù)明顯下降,從而在一定程度上抑制了干擾。圖9－6微分電路

(3)指數(shù)電路與對(duì)數(shù)電路。有很多器件輸出特性是呈指數(shù)規(guī)律的,如光電池、PN結(jié)等。圖9－7所示為指數(shù)運(yùn)算電路,根據(jù)二極管的電壓-電流關(guān)系,可得輸出為通過(guò)對(duì)數(shù)變換,就可以將非線(xiàn)性的指數(shù)規(guī)律轉(zhuǎn)換為線(xiàn)性的對(duì)數(shù)關(guān)系。圖9－8所示為對(duì)數(shù)運(yùn)算電路,輸出為圖中,二極管還可以用三極管替代。圖9－7指數(shù)運(yùn)算電路圖9－8對(duì)數(shù)電路

(4)差分運(yùn)算放大電路。雙端輸入運(yùn)算放大電路應(yīng)用最多又最重要的就是差分運(yùn)算放大電路，如圖9－9所示。其輸出電壓可表示為圖9－9差分運(yùn)放電路

(5)儀表運(yùn)算放大電路。儀表運(yùn)算放大電路又被稱(chēng)為高阻抗三運(yùn)放測(cè)量放大電路,如圖9－10所示。它常用于自動(dòng)控制、自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。被放大的微弱信號(hào)從兩個(gè)運(yùn)放的同相端輸入,這種輸入連接法稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)輸入(或平衡輸入),輸出由第三個(gè)運(yùn)放的輸出端輸出,稱(chēng)為不對(duì)稱(chēng)(或不平衡)輸出。若按圖9－10所示選取元件,則該放大電路的放大倍數(shù)為圖9－10儀表運(yùn)算放大電路為取得較好的共模抑制能力,第三個(gè)運(yùn)放周邊的4個(gè)電阻宜取等值。該電路具有以下特點(diǎn):輸入方式為平衡輸入,容易與測(cè)量系統(tǒng)中的傳感器(特別是接成橋路結(jié)構(gòu)的傳感器)配接;輸入阻抗高,有利于發(fā)揮傳感器的靈敏度,減小信號(hào)損失;共模抑制能力強(qiáng),失調(diào)漂移小;采用不平衡輸出,易與后續(xù)其他電路配接;增益僅由一個(gè)電阻RG調(diào)節(jié),使用方便。

3.有源電平調(diào)整電路實(shí)例分析

下面結(jié)合一個(gè)實(shí)際的壓力傳感器,介紹有源電平調(diào)整電路在傳感器信號(hào)調(diào)理方面的應(yīng)用。

設(shè)某壓力傳感器的輸出特征為

(1)差動(dòng)電壓輸出。

(2)零壓力時(shí)輸出電壓為33mV。

(3)滿(mǎn)量程時(shí)輸出電壓為58mV。

如圖9－11所示，利用該壓力傳感器實(shí)現(xiàn)壓力的實(shí)時(shí)測(cè)量,采用的數(shù)據(jù)采集卡輸入范圍為0.5～4.5V,須在傳感器與數(shù)據(jù)采集卡之間加入電壓調(diào)整電路。圖9－11測(cè)量調(diào)整采集邏輯框圖顯然,電壓調(diào)整電路輸出電壓的最低值應(yīng)高于數(shù)據(jù)采集卡的最低輸入電壓,最高值應(yīng)低于數(shù)據(jù)采集卡的最高輸入電壓,且應(yīng)有一定余量,否則一旦信號(hào)超出邊界,就會(huì)造成非線(xiàn)性。

因此,電壓調(diào)整電路應(yīng)具有如下特性:

(1)滿(mǎn)量程輸出電壓為58mV～4V(留0.5V的余量)。

(2)零壓力輸出:33mV～0.5V。

(3)能將差動(dòng)電壓轉(zhuǎn)換為對(duì)地電壓。

(4)共模抑制比高。

(5)輸入阻抗高。

(6)輸出阻抗低。圖9－12為一種由雙運(yùn)放組成的電壓調(diào)整電路。Uref為參考直流電壓值,用于調(diào)整傳感器的零點(diǎn),Uin1及Uin2分別為傳感器的兩個(gè)浮地輸出。由于有三個(gè)輸入端,因此對(duì)電路的分析可采用一種簡(jiǎn)化方式,即分別計(jì)算出電路對(duì)每一路輸入信號(hào)的傳遞函數(shù)(其他輸入端接地),再對(duì)各輸出進(jìn)行疊加,得到總的傳遞函數(shù),寫(xiě)出總電壓:這一輸出電壓表達(dá)式不僅復(fù)雜,而且由于式中Uo1與Uo2的系數(shù)不同,若各電阻之間匹配不合理,則CMRR會(huì)很差。對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化,取則輸出簡(jiǎn)化為由于Uin1及Uin2之間的差即為壓力傳感器的實(shí)際差分輸出電壓Usensor,因此電路輸出為式中:Uref——傳感器的輸出加上一個(gè)零位電壓。當(dāng)采用單電源供電時(shí),Uref只能為正值。圖9－12由雙運(yùn)放組成的電壓調(diào)整電路這樣,采用圖9－12的電路就可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力傳感器輸出電壓的調(diào)整。如通過(guò)調(diào)節(jié)電壓增益使輸出電壓變化為4V,則結(jié)合設(shè)定零位電壓Uref=0.5V,即可將輸出范圍調(diào)整為0.5～4.5V。

如欲對(duì)信號(hào)調(diào)理電路的輸出電壓范圍進(jìn)行調(diào)節(jié),則需要調(diào)整增益的同時(shí),還要保證電路的CMRR,因此必須調(diào)節(jié)兩個(gè)電阻,這非常不方便。因此,常采取的方法是在兩級(jí)反相輸入端之間跨接一個(gè)反饋電阻RG,使得在保證電路的CMRR不變的同時(shí),可通過(guò)單個(gè)電阻實(shí)現(xiàn)增益的調(diào)節(jié)。注意到前面所述的電路中,對(duì)零位電壓的調(diào)整項(xiàng)Uref始終是正的。當(dāng)實(shí)際傳感器的零位電壓輸出太高時(shí),就需要把零位輸出電壓降下來(lái)。因此,可以在UCC與第二個(gè)運(yùn)放的反相端間接入電阻Roff,這樣就提供了一個(gè)負(fù)電壓,方便了零位電壓的調(diào)整。9.1.2線(xiàn)性化

在測(cè)量系統(tǒng)中,希望傳感器的輸入、輸出特性是線(xiàn)性的。線(xiàn)性特性不僅有利于后續(xù)電路設(shè)計(jì),而且可大大簡(jiǎn)化傳感器的標(biāo)定工作。然而,現(xiàn)實(shí)中大量的傳感器特性在原理上就是非線(xiàn)性的。雖然數(shù)字電路,尤其是單片機(jī)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)的介入,可以在某種程度上對(duì)傳感器特性的非線(xiàn)性進(jìn)行補(bǔ)償(也可視為一種數(shù)字式線(xiàn)性化技術(shù)),然而這種方式適用范圍有限,尤其受到A/D采樣速度及運(yùn)算處理速度的限制,在需要?jiǎng)討B(tài)測(cè)量的場(chǎng)合往往難以滿(mǎn)足要求。

1.無(wú)源線(xiàn)性化電路

無(wú)源線(xiàn)性化電路比較簡(jiǎn)單,性能可靠,成本低廉。在某些應(yīng)用場(chǎng)合,通過(guò)合理設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)及元件參數(shù),可以獲得滿(mǎn)意的精度,是一種廣泛應(yīng)用的線(xiàn)性化方法。

一種簡(jiǎn)單的無(wú)源線(xiàn)性化電路是用固定參數(shù)元件與敏感器件并聯(lián)或串聯(lián)。對(duì)有些非線(xiàn)性傳感器,簡(jiǎn)單地用固定電阻器與傳感元件串、并聯(lián),只要電阻值選取合適,即可將非線(xiàn)性校正到滿(mǎn)意的程度。這方面比較典型的例子就是Dummre式濕敏傳感器的非線(xiàn)性校正。如圖9－13(a)所示,濕敏傳感器的電阻值RH與相對(duì)濕度RH的關(guān)系曲線(xiàn)是非線(xiàn)性的。根據(jù)具體測(cè)量需要,選擇A、B、C三點(diǎn),相應(yīng)的電阻RH與相對(duì)濕度RH的值分別為RHa、RHb、RHc及Ha、Hb、Hc,且Hc-Hb=Hb-Ha。選擇如圖9－13(b)所示的無(wú)源電路,用一個(gè)固定電阻R與RH并聯(lián)。通過(guò)計(jì)算可求出:圖9－13濕敏電阻的線(xiàn)性化若想直接對(duì)輸出電壓進(jìn)行線(xiàn)性化,則還可采用串聯(lián)電阻校準(zhǔn)的方法，修正算法思路類(lèi)似。

熱敏電阻的非線(xiàn)性校正也常用這種方法。熱敏電阻阻值與溫度間呈指數(shù)關(guān)系。實(shí)踐中可用溫度系數(shù)很小的金屬電阻器與其串聯(lián)或并聯(lián)或同時(shí)串、并聯(lián),一起構(gòu)成電阻網(wǎng)絡(luò),來(lái)代替單個(gè)熱敏電阻。只要金屬電阻器的阻值選擇合適,可使其等效電阻值與溫度的關(guān)系在一定的溫度范圍內(nèi)呈線(xiàn)性。一般情況下,取回路電流作輸出量時(shí)選用串聯(lián)形式,在電橋測(cè)量電路中則選用并聯(lián)形式或串、并聯(lián)形式。這種方法可使熱敏電阻最大非線(xiàn)性誤差校正在0~40℃范圍內(nèi)為0.15℃,在0~100℃范圍內(nèi)為1.5℃。

2.有源線(xiàn)性化電路

無(wú)源線(xiàn)性化方法雖然電路簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn),但由于引入了固定參數(shù)元件進(jìn)行串、并聯(lián),因而必然引起變換靈敏度的降低。有源線(xiàn)性化電路則沒(méi)有這個(gè)缺點(diǎn),它利用運(yùn)放、場(chǎng)效應(yīng)管或三極管等有源元件實(shí)現(xiàn)函數(shù)變換。由于運(yùn)放有很高的增益、極高的輸入阻抗、靈活多變的接法,因而可以獲得各種各樣的函數(shù)變換特性。從原則上講,任何敏感器件的變換特性都可以校正為足夠好的直線(xiàn)特性。隨著運(yùn)算放大器性?xún)r(jià)比的不斷提升,在實(shí)際應(yīng)用中被越來(lái)越多地采用。但這種校正方法線(xiàn)路復(fù)雜、調(diào)整不便,成本也比無(wú)源線(xiàn)性化電路高。一種簡(jiǎn)單的有源線(xiàn)性化電路是利用非線(xiàn)性反饋,使反饋支路的非線(xiàn)性和原有敏感器件變換特性的非線(xiàn)性相互抵消,從而得到線(xiàn)性化。目前市場(chǎng)上已經(jīng)有了多種函數(shù)運(yùn)算電路,使用起來(lái)很方便。

此外,也可自行采用運(yùn)算放大器搭建函數(shù)運(yùn)算器的形式進(jìn)行線(xiàn)性化。比如,硅光電池的輸出為指數(shù)規(guī)律,通過(guò)對(duì)數(shù)運(yùn)算幅度電路,可實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性輸出。

對(duì)有些非線(xiàn)性傳感器,通過(guò)多級(jí)運(yùn)算放大器,將信號(hào)調(diào)理電路的輸出信號(hào)反饋到相關(guān)放大器的輸入端,從而構(gòu)造出一個(gè)與傳感器特性相近的函數(shù)運(yùn)算器,可以實(shí)現(xiàn)較理想的非線(xiàn)性校正。例如,熱電阻(如鉑電阻、銅電阻)的特性表達(dá)式一般為二次多項(xiàng)式,當(dāng)溫度變化范圍較寬時(shí),非線(xiàn)性十分明顯。圖9－14所示為一實(shí)用鉑電阻(TRRA102B)的非線(xiàn)性校正電路。圖9－14鉑電阻的非線(xiàn)性修正電路該電路是把傳感器輸出電壓Us饋送到A1的輸入端,因經(jīng)A3反相,故構(gòu)成正反饋。電路可提高500℃附近的飽和輸出電壓,非線(xiàn)性得到明顯改善。電路的調(diào)整方法如下(用普通電阻代替TRRA102B進(jìn)行調(diào)整):

(1)接入相當(dāng)于0℃的1kΩ電阻器,用RP1調(diào)零。

(2)接入相當(dāng)于100℃的1.385kΩ電阻器,用RP3調(diào)增益。

(3)接入相當(dāng)于500℃的2.809kΩ電阻器,用RP2調(diào)線(xiàn)性。

(4)反復(fù)調(diào)整,使之在0～500℃范圍內(nèi)都適用。該電路可將非線(xiàn)性誤差由最大2%(0～500℃)降至0.1%左右,且基本呈線(xiàn)性特性。

不過(guò),雖然這種校正方法校正范圍寬,校正準(zhǔn)確度高,但電路較復(fù)雜,調(diào)試較麻煩。

對(duì)電橋傳感器電路,可利用其輸出對(duì)電源電壓敏感的特性,將電路的輸出信號(hào)反饋到電橋的供橋電源端,使電源電壓隨輸出信號(hào)變化,從而使輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間呈線(xiàn)性關(guān)系。這種方法可以實(shí)現(xiàn)精確校正。圖9－15所示為一實(shí)用的傳感器橋路非線(xiàn)性校正電路。設(shè)橋路的四臂平衡電阻值均為R,傳感器(如應(yīng)變計(jì))的阻值Rx與變量x的關(guān)系為Rx=(1+x)R,橋路電源電壓為Uc,則橋路輸出為非線(xiàn)性關(guān)系:圖9－15傳感器橋路的非線(xiàn)性校正電路

AD521構(gòu)成前置放大器,輸出Uo的一部分βUo(β為反饋系數(shù),由RP調(diào)節(jié)),與基準(zhǔn)電壓Uref(由穩(wěn)壓二極管VD提供)一起,經(jīng)運(yùn)放綜合后,反饋到電橋的電源端,使電橋的電源隨Uo的變化而變化。調(diào)整電路,使Av·β=2,其中Av為AD521的增益,則可以得到Uo=AvUrefx/4。輸出與輸入之間呈嚴(yán)格的線(xiàn)性關(guān)系,從根本上消除了非線(xiàn)性。由于電橋電路在測(cè)量中非常多見(jiàn),因此基于這一思想的校正電路還有很多具體的實(shí)現(xiàn)形式。這種校正方法的突出優(yōu)點(diǎn)是校正準(zhǔn)確度很高,缺點(diǎn)是適用場(chǎng)合較窄、電路較復(fù)雜、調(diào)試較麻煩。有些傳感器的特性曲線(xiàn)呈緩慢、單調(diào)地變化,實(shí)踐中可將其特性曲線(xiàn)劃分成若干區(qū)間,每個(gè)區(qū)間的特性曲線(xiàn)用一段直線(xiàn)來(lái)近似代替。利用二極管的開(kāi)關(guān)特性,采用多段折線(xiàn)近似地代替?zhèn)鞲衅鞯奶匦郧€(xiàn),折線(xiàn)的數(shù)目越多,逼近的程度越高,誤差越小。

隨著數(shù)字化電路技術(shù)的發(fā)展,線(xiàn)性化調(diào)理電路中逐步滲入了數(shù)字電路技術(shù),出現(xiàn)了一些模擬-數(shù)字電路相結(jié)合的線(xiàn)性化方法。例如基于A/D轉(zhuǎn)換原理的函數(shù)電路校正方法、利用EPROM存儲(chǔ)非線(xiàn)性曲線(xiàn)的校正方法等。隨著傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)的不斷發(fā)展,新的線(xiàn)性化方法也會(huì)不斷出現(xiàn)。在具體實(shí)踐中應(yīng)綜合考慮校正準(zhǔn)確度、技術(shù)難度、經(jīng)濟(jì)成本等要求。9.1.3信號(hào)形式變換

1.電壓-電流(U－I)變換

1)負(fù)載浮動(dòng)的U－I變換

一個(gè)簡(jiǎn)單的U－I變換電路如圖9－16所示。它類(lèi)似于一個(gè)同相放大器,RL的兩端都不接地。利用運(yùn)算放大器的概念,可知輸出電流與輸入電壓的關(guān)系為調(diào)節(jié)RP就可以改變輸入電壓與輸出電流之間的變換系數(shù)。通常所用的運(yùn)算放大器其輸出電流最大約為20mA,為了降低運(yùn)算放大器的功耗,擴(kuò)大輸出電流,在運(yùn)算放大器的輸出端還可加一個(gè)三極管驅(qū)動(dòng)電路。該電路的輸入為0～1V,輸出為0～10mA。圖9－16負(fù)載浮動(dòng)的U－I變換電路

2)負(fù)載接地的U－I變換

一種負(fù)載接地的U－I變換電路如圖9－17所示。該變換器的工作原理與浮動(dòng)負(fù)載U－I變換器相類(lèi)似。所不同的是,電流采樣電阻R7是浮動(dòng)的,而負(fù)載RL則有一端接地,所以需要兩個(gè)反饋電阻R3和R4。當(dāng)R1=R2,R3=R4+R7時(shí),輸出電流為圖9－17負(fù)載接地的U－I變換電路對(duì)于來(lái)自傳感器的微弱電壓信號(hào),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸是比較困難的。此時(shí),將電壓信號(hào)變換為電流信號(hào)后再進(jìn)行長(zhǎng)線(xiàn)傳輸,就可得到滿(mǎn)意的效果。圖9－18所示就是一個(gè)精度較高的電壓-電流變換器電路。運(yùn)算放大器A1、A2以及有關(guān)元件一起組成差動(dòng)放大器,其共模和差模輸入阻抗高達(dá)108。A1和A2經(jīng)過(guò)選配,可獲得很低的溫度漂移和很強(qiáng)的共模抑制能力。放大倍數(shù)在34～200之間連續(xù)可調(diào)。圖9－18高精度的U-I變換電路運(yùn)算放大器A3以及周?chē)M成一個(gè)高精度的壓控雙向電流源。當(dāng)Ui=0時(shí),A3的輸入也為零,達(dá)到平衡,其靜態(tài)電流在Rb上產(chǎn)生壓降,給四只晶體管提供一定的偏置。當(dāng)A3的輸入端出現(xiàn)差動(dòng)信號(hào)時(shí),其正、負(fù)電源線(xiàn)上的兩個(gè)電流就不相等,二者朝相反的方向變化,從而使復(fù)合管VT1、VT2、VT3、VT4的電流也朝相反的方向變化,這兩個(gè)電流的差值就是輸出電流Io。

從復(fù)合管的發(fā)射極取出負(fù)反饋信號(hào)給A3,不僅提高了輸出電流Io的穩(wěn)定性,而且抑制了共模信號(hào)對(duì)輸出的影響。采用復(fù)合管可提供很大的負(fù)載電流,負(fù)載既可直接接地,也可浮動(dòng),并且能帶動(dòng)多個(gè)負(fù)載同時(shí)工作。

2.交流電壓-直流電壓(u－U)變換

把交流電壓變換成直流電壓亦稱(chēng)AC－DC變換。圖9－19所示是使用二極管的整流電路,

它利用半波整流把交流電變成直流電。直流輸出電壓U0=Um/π(Um為被測(cè)交流電壓的峰值)。

從圖9－20所示硅二極管的正向伏安特性可以看出,用硅二極管進(jìn)行半波整流時(shí),如果Um<0.5V,則輸出電壓Uo≈0。顯然,該電路不能把峰值在0.5V以下的交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓。為此,可采用圖9－21(a)所示的由運(yùn)算放大器構(gòu)成的線(xiàn)性整流電路。這時(shí),Um與Uo呈線(xiàn)性關(guān)系,如圖9－21(b)所示。在實(shí)際應(yīng)用中,圖9－21(a)所示電路的輸出端對(duì)地還要接濾波電容,使輸出電壓Uo平滑。圖9－19簡(jiǎn)單整流電路圖9－20硅二極管的正向伏安特性圖9－21用運(yùn)放構(gòu)成的線(xiàn)性整流電路

(a)使用運(yùn)算放大器的整流電路;

(b)修正后的硅二極管正向伏安特性如果要測(cè)量輸入正弦波的有效值,還需增加一級(jí)放大器,并能對(duì)放大器的增益進(jìn)行調(diào)整,以便對(duì)輸入正弦波的有效值進(jìn)行校準(zhǔn)。圖9－22所示就是一種實(shí)用的電路。該電路是由半波整流電路和平均有效值轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的線(xiàn)性變換電路?？紤]到下級(jí)是反相放大器,圖中VD2的輸出(即R5的輸入)是負(fù)半周整流波形。20μF電容起平滑作用,使輸出得到直流。與R7相串聯(lián)的電位器RP用來(lái)調(diào)整電壓,可使平均值等于有效值。輸出端將得到與交流電壓的有效值相等的直流電壓輸出。圖9－22實(shí)用的u－U變換電路

3.電流-電壓(I－U)變換

電流-電壓變換最典型的應(yīng)用當(dāng)屬光電檢測(cè)。光敏二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為二極管反向電流,因此傳感器的檢測(cè)電路首先就需將電流轉(zhuǎn)換為電壓。圖9－23(a)就是由運(yùn)放構(gòu)成的電流-電壓變換電路原理圖。光敏二極管在光照射下,產(chǎn)生的光電流I流入運(yùn)放的反相端,在理想運(yùn)放條件下,運(yùn)放的輸出電壓為Uo=IRf。圖9－23光電檢測(cè)的電流-電壓變換電路通常,電流式傳感器的輸出電流比較小,特別是在弱信號(hào)檢測(cè)時(shí),必須分析運(yùn)放失調(diào)電流和失調(diào)電壓所帶來(lái)的誤差。在分析這一項(xiàng)誤差時(shí),必須連同電流式傳感器所表現(xiàn)出來(lái)的等效電路參數(shù)一起分析。仍以光敏二極管為例,畫(huà)出圖9－23(b)所示的等效電路。圖中I為光敏效應(yīng)所產(chǎn)生的電流源,二極管為理想二極管,Rs為等效串聯(lián)電阻,Rj為結(jié)的漏電阻,Cj為結(jié)電容。在分析失調(diào)電流和失調(diào)電壓引起的誤差時(shí),可假設(shè)運(yùn)放其他條件調(diào)至理想條件,則可導(dǎo)出此變換電路的輸出電壓為由于Rs<<Rj,在上式中已經(jīng)忽略了Rs的影響。通常情況下,Rf<<Rj,為了補(bǔ)償偏置電流帶來(lái)的誤差,應(yīng)選擇同相端接地電阻RP=Rf,則上式改寫(xiě)為式中右端第一項(xiàng)為電流-電壓變換電路輸出的有用信號(hào),后兩項(xiàng)分別為失調(diào)電壓和失調(diào)電流引起的誤差。不難看出,增大反饋電阻Rf可提高電流-電壓變換電路的增益,也可降低失調(diào)電壓引起的相對(duì)誤差,然而對(duì)減小失調(diào)電流引起的相對(duì)誤差是無(wú)效的。因此,為了提高弱電流的檢測(cè)能力,必須注意選取偏置電流、失調(diào)電流小的運(yùn)放。當(dāng)選擇的反饋電阻Rf

比較大時(shí),選擇高輸入阻抗運(yùn)放也是十分必要的。此電路的噪聲水平也是限制這種電路對(duì)弱信號(hào)電流檢測(cè)能力的重要因素。增大反饋電阻Rf固然可以提高增益,然而隨之噪聲也增大,因此在電路設(shè)計(jì)與調(diào)試中,還應(yīng)注意選擇低噪聲運(yùn)放,并注意分析噪聲對(duì)電流檢測(cè)分辨力的影響。在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中經(jīng)常遇到的情況是,電流信號(hào)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離導(dǎo)線(xiàn)傳送到數(shù)據(jù)采集接口電路,需要再將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓以進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。電流-電壓轉(zhuǎn)換電路將輸入電流成比例地轉(zhuǎn)換成輸出電壓。

圖9－24(a)所示為傳感器的長(zhǎng)線(xiàn)電流輸入的情況。圖9－24(b)的輸入電流Ii直接流過(guò)基準(zhǔn)電阻R,輸出電壓為Uo=IiR。當(dāng)工作范圍為-10V<Ii·R<+10V時(shí),一般根據(jù)Ii適當(dāng)選取R,而對(duì)Ii的大小沒(méi)有限制。當(dāng)R值很小時(shí),Ii可能取很大的值。例如R=10Ω時(shí),Ii最大值可能取±1A。這時(shí)應(yīng)注意R的發(fā)熱情況。由于R為電路的輸入阻抗,因此當(dāng)主信號(hào)源內(nèi)阻不太大時(shí),電流值將產(chǎn)生誤差。

當(dāng)輸入電流很小時(shí),可使用圖9－24(c)所示的電壓放大電路,則有:圖9－24電流-電壓轉(zhuǎn)換電路(1)圖9－25所示是另一種形式的轉(zhuǎn)換電路,它將取樣用的標(biāo)準(zhǔn)電阻作為運(yùn)放的反饋電阻。圖9－25(a)中,輸入電流Ii全部流經(jīng)反饋電阻,則輸出Uo=-IiR。由于全部電流流過(guò)運(yùn)放的輸出端,因而不能作大電流的轉(zhuǎn)換。本電路的輸入電壓近似為零,因而即使信號(hào)源內(nèi)阻很低,也不會(huì)產(chǎn)生電流誤差。小電流轉(zhuǎn)換時(shí),需用大的反饋電阻,同時(shí)要求運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓要小。標(biāo)準(zhǔn)電阻R的阻值范圍一般為10Ω<R<1MΩ。當(dāng)R<10Ω時(shí),布線(xiàn)電阻的影響將增大;當(dāng)R>1MΩ時(shí),電阻精度難以保證且很容易受噪聲影響。圖9－25(b)的電路用于小電路的情況。例如,將10nA的電流轉(zhuǎn)換為1V時(shí),如采用圖9－25(a)的方案,則R=100MΩ,精度難以保證。而利用圖9－25(b)的電路時(shí),先將10nA電流轉(zhuǎn)換成10mV,再用一個(gè)增益為100的電壓放大器將電壓放大到1V,避免了大電阻的采用。圖9－25電流-電壓轉(zhuǎn)換電路一種大電流-電壓變換器電路如圖9－26所示。電路中,利用小阻值的取樣電阻R,把電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷汉?再用差動(dòng)放大器進(jìn)行放大。輸入電流在0.1～1A范圍內(nèi),變換精度為±0.5%。根據(jù)該電路的結(jié)構(gòu),只要選用R1=R2=RF,R3=R4=R5=R6=Rf,則差動(dòng)放大倍數(shù)為由上式可見(jiàn),R7越小,Kd越大。調(diào)節(jié)RP2,可以使Kd在58～274內(nèi)變化。當(dāng)Kd=100時(shí),電流-電壓變換系數(shù)為10V/A。運(yùn)算放大器必須采用高輸入阻抗(107～1012Ω)、低漂移的運(yùn)算放大器。圖9－26大電流-電壓變換電路另一種微電流-電壓變換器電路如圖9－27所示。該電路只需輸入5pA電流,就能得到5V電壓輸出。圖中,輸入級(jí)CH3130本身輸入阻抗極高,加上因同相輸入端和反相輸入端均處于零電位,進(jìn)一步減小了漏電流。如果對(duì)輸入端接線(xiàn)工藝處理得好,其漏電流可以小于1pA。第二級(jí)CH3140接成100倍反相放大器。根據(jù)輸入電流的極性,一方面產(chǎn)生反相的電壓輸出,一方面提供負(fù)反饋,保證有穩(wěn)定的變換系數(shù)。圖9－27微電流-電壓變換電路該電路的一個(gè)特點(diǎn)在于反饋引出端不是在U,而是在100Ω和9.9kΩ電阻中間。按常規(guī)的接法,10GΩ反饋電阻產(chǎn)生的變換系數(shù)為1010,即5pA電流產(chǎn)生0.05V電壓。但是該電路的反饋從輸出電壓的1/100分壓點(diǎn)引出,將靈敏度提高了100倍。于是,當(dāng)輸出Uo=5V時(shí),反饋電阻兩端的電壓為50mV,這時(shí)僅需電流為50mV/10GΩ=5pA。

4.模/數(shù)與數(shù)/模轉(zhuǎn)換

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及,以單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)乃至分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)取代處理系統(tǒng)已經(jīng)成為主流。在這類(lèi)系統(tǒng)中,測(cè)量對(duì)象往往是一些連續(xù)變化的模擬量,如溫度、壓力、流量、速度等。傳感器的輸出一般為模擬量,必須經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后才能被計(jì)算機(jī)所接受。同樣,如欲實(shí)現(xiàn)反饋控制,計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)必須先經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后才能驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。將模擬量變換成數(shù)字量的器件稱(chēng)為A/D轉(zhuǎn)換器(ADC),將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的設(shè)備稱(chēng)為D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)。關(guān)于ADC與DAC的電路原理,在諸多的教材中均有介紹。下面僅對(duì)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的一些參數(shù)選擇方面的問(wèn)題作簡(jiǎn)單介紹。

1)ADC及其主要技術(shù)指標(biāo)

A/D轉(zhuǎn)換是將時(shí)間上的連續(xù)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)間上離散的數(shù)字信號(hào)。一般而言,A/D轉(zhuǎn)換需經(jīng)采樣-保持和量化編碼兩大步驟完成,如圖9－28所示。相應(yīng)地,兩個(gè)步驟中的參數(shù)設(shè)計(jì)均會(huì)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的效果產(chǎn)生影響。圖9－28利用ADC與DAC結(jié)合實(shí)現(xiàn)傳感器的非線(xiàn)性校正首先,A/D轉(zhuǎn)換是對(duì)連續(xù)時(shí)間信號(hào)進(jìn)行采樣的過(guò)程。由于將采樣信號(hào)再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量需一定時(shí)間,因此在前后兩次采樣之間,應(yīng)將采樣得到的模擬信號(hào)儲(chǔ)存起來(lái),即所謂的保持。這個(gè)被儲(chǔ)存的采樣信號(hào)要保持到后續(xù)采樣脈沖到來(lái)。

連續(xù)信號(hào)包含有無(wú)數(shù)個(gè)獨(dú)立樣本點(diǎn),經(jīng)采樣后,樣本點(diǎn)數(shù)減至有數(shù)個(gè),因此采樣后的信號(hào)所包含的信息量比連續(xù)信號(hào)少。由采樣定理可知,如采樣頻率低于信號(hào)x(t)中最高頻率成分的2倍,則會(huì)因混疊效應(yīng)而在信號(hào)中引入混疊噪聲。實(shí)際上,模擬信號(hào)均為非有限帶寬,無(wú)論采樣頻率多高,各個(gè)頻譜間的重疊總是不可避免的,其結(jié)果也總會(huì)有誤差。對(duì)于檢測(cè)和控制系統(tǒng)所處理的模擬信號(hào)來(lái)說(shuō),大部分信號(hào)能量集中在某一頻譜范圍內(nèi),因此在實(shí)際中經(jīng)常采用在ADC之前加抗混濾波器(低通)的方法,結(jié)合適宜的采樣頻率,使高頻分量的影響減到很小,提高檢測(cè)和控制精度。

ADC的基本功能是將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量。然而,實(shí)際上A/D轉(zhuǎn)換的量化過(guò)程是用離散值近似表示連續(xù)值的過(guò)程。由于數(shù)字信號(hào)只能取有限位,因此量化過(guò)程必然會(huì)引入誤差,稱(chēng)為量化誤差。圖9－29所示的量化過(guò)程可視為一種“數(shù)值分層”的過(guò)程。如ADC為N位,則其輸出量最多可有2N個(gè)不同的代碼。對(duì)應(yīng)輸出碼的一個(gè)最低有效位(LSB)所代表的模擬量(每個(gè)分層所包含的最大值與最小值之差)為ADC的量化單位:圖9－29(a)中給出的是理想3位單極性ADC的轉(zhuǎn)換特性,橫坐標(biāo)是輸入電壓Ui的相對(duì)值,縱坐標(biāo)是經(jīng)過(guò)采樣量化的數(shù)字輸出量,以二進(jìn)制000～111表示。理想的ADC第一位變化發(fā)生在相當(dāng)1/2LSB的模擬壓值上,以后每隔1LSB都發(fā)生一次變化,直到距離滿(mǎn)刻度的1/2LSB。因?yàn)锳DC的模擬量輸入可以是任何值,但數(shù)字輸出是量化的,所以實(shí)際的模擬輸入與數(shù)字輸出之間存在1/2LSB的量化誤差。圖9－29

ADC的量化過(guò)程可視為“數(shù)值分層”

ADC的常用技術(shù)指標(biāo)如下:

(1)分辨率。二進(jìn)制數(shù)末尾變化為1所需的最小輸入電壓與滿(mǎn)量程之比稱(chēng)為分辨率,即理想的輸出數(shù)字量變化一個(gè)相鄰數(shù)碼,所需輸入電壓的最小變化量。它表示ADC對(duì)微小輸入信號(hào)變化的反應(yīng)靈敏的程度,通常用數(shù)字量的位數(shù)來(lái)表示,如8位、10位、12位、16位等。對(duì)于N位的ADC,有

(2)轉(zhuǎn)換誤差。轉(zhuǎn)換誤差也稱(chēng)為轉(zhuǎn)換精度,有兩種表示方式,絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差。絕對(duì)誤差是指與輸出數(shù)字量對(duì)應(yīng)的理論模擬值與產(chǎn)生該數(shù)字量的實(shí)際輸入模擬值之間的差值,常用數(shù)字量的位數(shù)作為度量絕對(duì)誤差的單位。

(3)轉(zhuǎn)換時(shí)間。ADC完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間即為轉(zhuǎn)換時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)就是每秒鐘能完成的轉(zhuǎn)換次數(shù),稱(chēng)為轉(zhuǎn)換速率。轉(zhuǎn)換時(shí)間與A/D轉(zhuǎn)換原理密切相關(guān)。雙積分ADC轉(zhuǎn)換慢,而逐次比較式ADC轉(zhuǎn)換較快。

(4)對(duì)電源電壓變化的抑制比。即改變電源電壓使數(shù)據(jù)發(fā)生±1LSB變化時(shí)所對(duì)應(yīng)的電源電壓的變化范圍。

(5)量程。量程即ADC輸入模擬電壓的變化范圍。需要注意的是,有些ADC提供多個(gè)模擬輸入引腳,對(duì)應(yīng)不同的量程。

隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展,市場(chǎng)上的集成ADC芯片品種繁多、性能各異。在實(shí)際設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)時(shí),需要根據(jù)具體工程需求對(duì)ADC進(jìn)行合理的選擇。下面簡(jiǎn)要介紹在確定ADC具體技術(shù)指標(biāo)時(shí)應(yīng)該考慮的一些要點(diǎn)。

(1)如何確定ADC的位數(shù)。ADC位數(shù)的確定與整個(gè)系統(tǒng)所要測(cè)量的范圍和精度有關(guān),但又不能惟一確定系統(tǒng)的精度。因?yàn)橄到y(tǒng)精度涉及的環(huán)節(jié)較多,包括傳感器變換精度,信號(hào)調(diào)理電路的精度和ADC及輸出電路、伺服機(jī)構(gòu)的精度,甚至還包括軟件控制算法?；镜墓浪惴椒ㄊ?ADC的位數(shù)至少要比總精度要求的最低分辨率高一位(雖然分辨率與轉(zhuǎn)換精度是不同的概念,但沒(méi)有基本的分辨率就談不上轉(zhuǎn)換精度,精度是在分辨率的基礎(chǔ)上反映的)。實(shí)際選取的ADC的位數(shù)應(yīng)與其他環(huán)節(jié)所能達(dá)到的精度相適應(yīng),只要不低于它們就行,選得太高不僅沒(méi)有意義,而且價(jià)格還要高得多。對(duì)ADC位數(shù)的另一點(diǎn)考慮是后續(xù)的數(shù)字電路系統(tǒng)硬件配置情況,尤其是微處理機(jī)的參數(shù)。例如,若微處理機(jī)是8位的(如MCS－51單片機(jī)),則采用8位以下的ADC轉(zhuǎn)換器時(shí),其接口電路最簡(jiǎn)單。因?yàn)榻^大部分集成ADC的數(shù)據(jù)輸出都具有TTL電平,而且數(shù)據(jù)輸出寄存器具有可控三態(tài)輸出功能,所以可直接掛在數(shù)據(jù)總線(xiàn)上。當(dāng)采用8位以上的ADC時(shí),就要加緩沖器接口,數(shù)據(jù)要分兩次讀出。

(2)如何確定A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率。用不同原理實(shí)現(xiàn)的ADC,其轉(zhuǎn)換時(shí)間是大不相同的?？偟膩?lái)說(shuō),積分型、電荷平衡型和跟蹤比較型ADC的轉(zhuǎn)換速度較慢,轉(zhuǎn)換時(shí)間從幾毫秒到幾十毫秒不等,只能構(gòu)成低速ADC,一般適用于對(duì)溫度、壓力、流量等緩變參量的檢測(cè)和控制。逐次比較型ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間可從幾微秒到100μs左右,屬于中速ADC,常用于工業(yè)多通道監(jiān)控系統(tǒng)和聲頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。轉(zhuǎn)換時(shí)間最短的高速ADC是那些用雙極型或CMOS工藝制成的全并行型、串并行型和電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)型的ADC,轉(zhuǎn)換時(shí)間僅20～100ns,即轉(zhuǎn)換速率可達(dá)10～50兆次/s。高速ADC適用于雷達(dá)、數(shù)字通信、實(shí)時(shí)光譜分析、實(shí)時(shí)瞬態(tài)記錄、視頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。轉(zhuǎn)換速率的確定主要考慮的是信號(hào)的最高頻率,需要滿(mǎn)足采樣定理。例如,轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs的ADC,其轉(zhuǎn)換速率為10千次/s。一般來(lái)說(shuō),實(shí)際的采樣頻率需要比最高頻率高5～7倍,即一個(gè)周期的波形至少需采10個(gè)點(diǎn),那么這樣的ADC最高也只能處理1kHz的信號(hào)。把轉(zhuǎn)換時(shí)間減小到10μs,則信號(hào)頻率可提高到100kHz。

(3)如何決定是否要加采樣保持器。原則上直流和變化非常緩慢的信號(hào)可不用采樣保持器,其他情況都要加采樣保持器。實(shí)際操作時(shí)需要根據(jù)分辨率、轉(zhuǎn)換時(shí)間、信號(hào)帶寬等數(shù)據(jù)決定是否要加采樣保持器。例如,用一個(gè)12位的ADC(轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs,基準(zhǔn)電壓為10.24V,量化誤差為0.5LSB),對(duì)一個(gè)幅值Uf=5V的正弦信號(hào)u=Ufsin(2πft)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí),信號(hào)對(duì)時(shí)間的變化率為du/dt=Uf2πfcos2πf信號(hào)在橫坐標(biāo)(時(shí)間軸)的交點(diǎn)上有最大變化:⊿U=U

f

2πf×⊿t

A/D的量化誤差為為充分發(fā)揮ADC的轉(zhuǎn)換精度,要求在A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)輸入信號(hào)的變化幅度小于量化誤差,即⊿U<⊿E=1.25mV所以對(duì)輸入信號(hào)的最高頻率有所限制:這種情況下,基本只能用于直流或緩變量的采集。而如加上采樣保持器(采樣時(shí)間為5μs),則

(4)工作電壓和基準(zhǔn)電壓的選擇。工作電壓的選擇主要應(yīng)該考慮輸入信號(hào)的電壓幅值以及與數(shù)字電路的兼容性。例如,若選擇使用單+5V工作電壓的ADC芯片,則與后續(xù)電路系統(tǒng)可共用一個(gè)電源,使用起來(lái)就比較方便,但相應(yīng)地,對(duì)輸入信號(hào)的要求就苛刻些。

基準(zhǔn)電壓源用于提供給ADC在轉(zhuǎn)換時(shí)所需要的參考電壓,這是保證轉(zhuǎn)換精度的基本條件。在要求較高精度時(shí),基準(zhǔn)電壓要單獨(dú)用高精度穩(wěn)壓電源供給。

2)DAC及其主要技術(shù)指標(biāo)

數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)就是一種把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成為模擬電信號(hào)的器件。實(shí)際上,DAC輸出的電量并不真正能連續(xù)可調(diào),而是以所用DAC的絕對(duì)分辨率為單位增減,實(shí)際上是準(zhǔn)模擬量輸出。

與ADC的情況類(lèi)似,DAC芯片技術(shù)已經(jīng)很成熟。在實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,主要任務(wù)是選擇合適的DAC芯片,配置外圍電路及器件,實(shí)現(xiàn)數(shù)字量到模擬量的線(xiàn)性轉(zhuǎn)換,既不需要涉及DAC的結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì),也不必對(duì)其內(nèi)部電路作詳細(xì)分析。下面僅簡(jiǎn)單介紹一下DAC的基本原理、相關(guān)的主要技術(shù)指標(biāo)以及選擇DAC芯片時(shí)需要注意的一些問(wèn)題。

DAC用來(lái)將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量,因此對(duì)它的基本要求就是輸出電壓Uo應(yīng)該和輸入數(shù)字D成正比,即其中,UR為參考電壓,數(shù)字D是數(shù)字代碼的按位加權(quán)組合:D=dn-1·2n-1+dn-2·2n-2+…+d1·2+d0·20

每一位數(shù)字代碼都有一定約“權(quán)”,對(duì)應(yīng)一定大小的模擬量。為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量,應(yīng)該將其每一位都轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量,然后求和即得到與數(shù)字量成正比的模擬量。一般的ADC都是按這一原理設(shè)計(jì)的。

DAC的基本原理如圖9－30所示,通常由一組權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)或梯形電阻網(wǎng)絡(luò)與一組控制開(kāi)關(guān)組成。其輸入端為一組數(shù)據(jù)輸入線(xiàn)與聯(lián)絡(luò)信號(hào)線(xiàn)(控制線(xiàn)),其輸出端為模擬信號(hào)線(xiàn)。按輸入端的結(jié)構(gòu),DAC大致可分為兩種:一種是輸入端帶有數(shù)據(jù)鎖存器的,這樣,DAC的數(shù)據(jù)線(xiàn)可以直接和計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)總線(xiàn)相接;另一種是DAC的數(shù)據(jù)輸入端不帶數(shù)據(jù)鎖存器的,這時(shí)就需要另外配接數(shù)據(jù)寄存器。一般DAC芯片的電路結(jié)構(gòu)至少包含圖9－30中虛線(xiàn)框內(nèi)的電路部分。圖9－30

DAC的基本原理圖具體ADC芯片的類(lèi)型很多,下面給出DAC的主要技術(shù)指標(biāo)。

(1)分辨率。分辨率是最小輸出電壓(相應(yīng)的輸入數(shù)字量只有最低有效位為“1”)與最大輸出電壓(對(duì)應(yīng)的數(shù)字輸入信號(hào)所有有效位全為“1”)之比。分辨率越高,轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)數(shù)字輸入信號(hào)最低位的模擬信號(hào)電壓數(shù)值越小,也就越靈敏。與ADC類(lèi)似,有時(shí)也用數(shù)字輸入信號(hào)的有效位數(shù)來(lái)給出分辨率。

(2)線(xiàn)性度。通常用非線(xiàn)性誤差的大小表示DAC的線(xiàn)性度。一般把實(shí)際的輸入-輸出特性與理想特性之間的偏差與滿(mǎn)刻度輸出之比的百分?jǐn)?shù)定義為非線(xiàn)性誤差。例如,某DAC的線(xiàn)性度(非線(xiàn)性誤差)可給出為<±0.02%FSR(FSR為滿(mǎn)刻度的英文縮寫(xiě))。

(3)轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換精度以最大的靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差的形式給出。這個(gè)轉(zhuǎn)換誤差應(yīng)該是包含非線(xiàn)性誤差、比例系數(shù)誤差以及漂移誤差等的綜合誤差。也有的DAC的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中只是分別給出各項(xiàng)誤差,而沒(méi)有給出綜合誤差。應(yīng)該注意的是,精度和分辨率是兩個(gè)不同的概念。精度是指轉(zhuǎn)換后所得的實(shí)際值對(duì)于理想值的接近程度,而分辨率是指能夠?qū)D(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)生影響的最小輸入量。分辨率很高的DAC并不一定具有很高的精度。

(4)建立時(shí)間。對(duì)于一個(gè)理想的DAC,其數(shù)字輸入信號(hào)從一個(gè)二進(jìn)制數(shù)變到另一個(gè)二進(jìn)制數(shù)時(shí),其輸出模擬信號(hào)電壓應(yīng)立即從原來(lái)的輸出電壓跳變到與新的數(shù)字信號(hào)相對(duì)應(yīng)的新的輸出電壓。但是在實(shí)際的DAC中,電路中的電容、電感和開(kāi)關(guān)電路會(huì)引起電路時(shí)間延遲。所謂建立時(shí)間,是指DAC的輸入代碼有滿(mǎn)度值的變化時(shí),其輸出模擬信號(hào)電壓(或模擬信號(hào)電流)達(dá)到滿(mǎn)刻度值±1/2LSB(或與滿(mǎn)刻度值差百分之多少)時(shí)所需要的時(shí)間。不同型號(hào)的DAC,其建立時(shí)間不同,一般從幾個(gè)毫微秒到幾個(gè)微秒。

(5)溫度系數(shù)。在滿(mǎn)刻度輸出的條件下,溫度每升高1℃,輸出變化的百分?jǐn)?shù)定義為溫度系數(shù)。

(6)電源抑制比。對(duì)于高質(zhì)量的DAC,要求開(kāi)關(guān)電路及運(yùn)算放大器所用的電源電壓發(fā)生變化時(shí),對(duì)輸出的電壓影響極小。通常把滿(mǎn)量程電壓變化的百分?jǐn)?shù)與電源電壓變化的百分?jǐn)?shù)之比稱(chēng)為電源抑制比。

(7)輸出電平。不同型號(hào)DAC的輸出電平相差較大,一般為5～10V。有的高壓輸出型DAC,輸出電平可高達(dá)24～30V。有些電流輸出型的DAC,低的為幾個(gè)毫安到幾十個(gè)毫安,高的可達(dá)3A。

(8)輸入代碼。有二進(jìn)制碼、BCD碼(二-十進(jìn)制編碼)及雙極性時(shí)的符號(hào)——數(shù)值碼、補(bǔ)碼、偏移二進(jìn)制碼等。

(9)輸入數(shù)字電平。指輸入數(shù)字信號(hào)分別為“1”和“0”時(shí),所對(duì)應(yīng)的輸入高低電平的起碼數(shù)值。

(10)工作溫度范圍。由于工作溫度會(huì)對(duì)運(yùn)算放大器和加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)等產(chǎn)生影響,因而只有在一定的溫度范圍,才能保證額定精度指標(biāo)。較好的DAC工作溫度范圍在-10～85℃之間,較差的轉(zhuǎn)換器工作溫度范圍在0～70℃之間。

在具體選擇DAC芯片時(shí),主要考慮芯片的性能、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用特性。在性能上必須滿(mǎn)足D/A轉(zhuǎn)換的技術(shù)要求,在結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特性上應(yīng)滿(mǎn)足接口方便、外圍電路簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等要求。具體選擇DAC時(shí)需要注意的要點(diǎn)如下。

(1)DAC芯片主要性能指標(biāo)的選擇。前面所介紹的DAC主要性能指標(biāo),在芯片的器件手冊(cè)上都會(huì)給出。在D/A接口設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用中,用戶(hù)在選擇時(shí)主要考慮的是用位數(shù)(8位、12位)表示的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換時(shí)間。

(2)DAC芯片的主要結(jié)構(gòu)特性與應(yīng)用特性的選擇。DAC的特性雖然主要表現(xiàn)為芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的配置狀況,但這些配置狀況對(duì)D/A轉(zhuǎn)換接口電路設(shè)計(jì)帶來(lái)很大影響。主要有以下特性:①數(shù)字輸入特性:包括接收數(shù)的碼制、數(shù)據(jù)格式以及邏輯電平等。目前批量生產(chǎn)的DAC芯片一般都只能接收自然二進(jìn)制數(shù)字代碼。因此,當(dāng)輸入數(shù)字代碼為偏置碼或2的補(bǔ)碼等雙極性數(shù)碼時(shí),應(yīng)外接適當(dāng)?shù)钠秒娐泛蟛拍軐?shí)現(xiàn)。輸入數(shù)據(jù)格式一般為并行碼,對(duì)于芯片內(nèi)部配置有移位寄存器的DAC,可以接收串行碼輸入。在輸入邏輯電平方面,不同的DAC芯片要求不同。對(duì)于固定閾值電平DAC,一般只能和TTL或低壓CMOS電路相連,而有些邏輯電平可以改變的DAC可以滿(mǎn)足與TTL、高低壓CMOS、PMOS等各種器件直接連接的要求。不過(guò)應(yīng)當(dāng)注意,這些器件往往為此設(shè)置了“邏輯電平控制”或者“閾值電平控制端”,用戶(hù)需要按手冊(cè)規(guī)定,通過(guò)外電路給這一端以合適的電平才能工作。②數(shù)字輸出特性:目前多數(shù)DAC器件均屬電流輸出器件。手冊(cè)上通常給出在規(guī)定的輸入?yún)⒖茧妷杭皡⒖茧娮柚碌臐M(mǎn)碼(全1)輸出電流。另外還給出最大輸出短路電流以及輸出電壓允許范圍。對(duì)于輸出特性具有電流源性質(zhì)的DAC,一般用輸出電壓允許范圍來(lái)表示由輸出電路(包括簡(jiǎn)單電阻負(fù)載或者運(yùn)算放大器電路)造成的輸出端電壓的可變動(dòng)范圍。只要輸出端的電壓小于輸出電壓允許范圍,輸出電流和輸入數(shù)字之間就保持正確的轉(zhuǎn)換關(guān)系,而與輸出端的電壓大小無(wú)關(guān)。對(duì)于輸出特性為非電流源特性的DAC,無(wú)輸出電壓允許范圍指標(biāo),電流輸出端應(yīng)保持公共端電位或虛地,否則將破壞其轉(zhuǎn)換關(guān)系。③鎖存特性及轉(zhuǎn)換控制:DAC對(duì)數(shù)字量輸入是否具有鎖存功能將直接影響與CPU的接口設(shè)計(jì)。如果DAC沒(méi)有輸入鎖存器,通過(guò)CPU數(shù)據(jù)總線(xiàn)傳送數(shù)字量時(shí),必須外加鎖存器,否則只能通過(guò)具有輸出鎖存功能的I/O口給DAC送入數(shù)字量。有些DAC并不是對(duì)鎖存輸入的數(shù)字量立即進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換,而是只有在外部施加了轉(zhuǎn)換控制信號(hào)后才開(kāi)始轉(zhuǎn)換和輸出。具有這種輸入鎖存及轉(zhuǎn)換控制功能的DAC,在CPU分時(shí)控制多路D/A輸出時(shí),可以做到多路D/A轉(zhuǎn)換的同步輸出。④參考電壓源:D/A轉(zhuǎn)換中,參考電壓源是惟一影響輸出結(jié)果的模擬參量,是D/A轉(zhuǎn)換接口中的重要電路,對(duì)接口電路的工作性能、電路的結(jié)構(gòu)有很大影響。使用內(nèi)部帶有低漂移精密參考電壓源的DAC不僅能保證有較好的轉(zhuǎn)換精度,而且可以簡(jiǎn)化接口電路。

利用ADC與DAC結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)傳感器性能的數(shù)字化補(bǔ)償。例如,利用圖9－31所示的系統(tǒng),可通過(guò)對(duì)傳感器特性曲線(xiàn)的擬合,實(shí)現(xiàn)傳感器非線(xiàn)性特性的線(xiàn)性化校正。這種方法由于采用的是數(shù)字計(jì)算方式,因此只要通過(guò)標(biāo)定得到的特性曲線(xiàn)有足夠的精度,就可以得到非常好的效果。需要注意的是,由于ADC及DAC環(huán)節(jié)均需要轉(zhuǎn)換時(shí)間,且非線(xiàn)性補(bǔ)償?shù)挠?jì)算也需要時(shí)間開(kāi)銷(xiāo),因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮響應(yīng)速度的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō),數(shù)據(jù)處理部分采用DSP芯片的方式會(huì)比采用單片機(jī)的方式速度快許多。圖9－31利用ADC與DAC結(jié)合實(shí)現(xiàn)傳感器的非線(xiàn)性校正

5.電壓-頻率(U－f)變換器(簡(jiǎn)稱(chēng)VFC)和頻率-電壓(f－U)變換器(簡(jiǎn)稱(chēng)FVC)

VFC是輸出信號(hào)頻率正比于輸入信號(hào)電壓的線(xiàn)性變換裝置,其傳輸函數(shù)為 f0=KUi

FVC是輸出信號(hào)電壓正比于輸入信號(hào)頻率的線(xiàn)性變換裝置,其傳輸函數(shù)為

Uo=Qfi

由于集成U－f與f－U變換器不需要同步時(shí)鐘,因此,其成本比ADC和DAC低得多,與計(jì)算機(jī)連接時(shí),特別簡(jiǎn)單。另外,電壓模擬量經(jīng)U－f變換成頻率信號(hào)后,其抗干擾能力大為增強(qiáng),故非常適用于遠(yuǎn)距離傳輸,在遙控系統(tǒng)以及噪聲環(huán)境下,更顯示出它的使用必要性。目前U－f與f－U變換器有模塊式(混合工藝)和單片集成式(雙極工藝)兩種。通常,單片集成式是可逆的,即兼有U－f和f－U功能,而模塊式是不可逆的。

對(duì)于理想的VFC和FVC,K、Q應(yīng)該為常數(shù),特性應(yīng)該為通過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn),但實(shí)際上會(huì)出現(xiàn)非線(xiàn)性誤差。

模塊式VFC常采用恒流恢復(fù)型;模塊式FVC常采用精密電荷分配器和積分平均電路。

單片集成式VFC大致分為超寬掃描多諧振蕩器式和電荷平衡振蕩器式;FVC基本分為脈沖積分式和鎖相環(huán)式。

VFC電路和FVC電路都可以用運(yùn)算放大器加上一些元件組成。然而,由于目前單片集成式VFC、FVC和模塊式VFC、FVC組件已大量商品化,因而它們只要外接極少元件就可構(gòu)成一個(gè)高精密的VFC電路或FVC電路。如國(guó)產(chǎn)5GVFC32、BG382等,以及外國(guó)產(chǎn)D6508、LM131/231/331等。下面簡(jiǎn)單介紹一下LM331。

LM331是一種簡(jiǎn)單、廉價(jià)的VFC單片式集成電路,它的特點(diǎn)是:

(1)保證最大線(xiàn)性度為0.01%。

(2)雙電源或單電源工作。

(3)脈沖輸出與所有邏輯形式相容。

(4)低功率消耗,5V下的典型值為15mW。

(5)寬的滿(mǎn)量程頻率范圍:1Hz～100kHz。圖9－32

LM331的電路原理圖電壓比較器將正輸入電壓U1(7腳)與電壓Ui比較,若Ui大,則比較器啟動(dòng)單脈沖定時(shí)器,定時(shí)器的輸出將同時(shí)打開(kāi)頻率輸出晶體管和開(kāi)關(guān)電流源,周期為t=1.1RtCt。在這個(gè)周期中,電流i通過(guò)開(kāi)關(guān)電流源向電容CL充電,電荷為q=ixt。當(dāng)充電使Ux大于U1時(shí),電流i被關(guān)斷,定時(shí)器自行復(fù)位。

此時(shí),1腳無(wú)電流通過(guò)。電容CL的電荷逐漸通過(guò)RL放掉。直到Ux以后,比較器將重新啟動(dòng)定時(shí)器,開(kāi)始另一個(gè)循環(huán)。

輸入電壓U1越大,定時(shí)器工作周期越短,輸出頻率f0越高,且f0正比于U1。圖9－33

LM331的典型應(yīng)用

LM331構(gòu)成的精密VFC電路如圖9－34所示。電路中標(biāo)有*號(hào)的元件穩(wěn)定性要好,標(biāo)有**號(hào)的元件,在Uo=8～22V時(shí),元件阻值用10kΩ;而在U=4.5～8V時(shí),電阻必須是10kΩ。A1應(yīng)選用低失調(diào)電壓和低失調(diào)電流的運(yùn)算放大器。輸出頻率的計(jì)算公式為圖9－34精密VFC電路

LM331也可方便地用于頻率-電壓變換器(FVC),如圖9－35所示。在圖示的電路中,fi的輸入脈沖經(jīng)C－R網(wǎng)絡(luò)微分,其6腳上的負(fù)沿脈沖引起輸入比較器輸出,觸發(fā)定時(shí)電路動(dòng)作,使輸出Uo為一脈動(dòng)直流電壓,該電壓的大小正比于輸入信號(hào)的頻率fi。輸出電壓Uo的計(jì)算公式為電阻圖9－35精密FVC電路9.1.4濾波及阻抗轉(zhuǎn)換

在傳感器獲得的測(cè)量信號(hào)中往往含有許多與被測(cè)量無(wú)關(guān)的頻率成分,需要通過(guò)信號(hào)濾波電路將之去掉。濾波與阻抗匹配電路的功能在于濾除信號(hào)中的冗余成分,如高頻噪聲、傳輸線(xiàn)引進(jìn)的干擾等,減小由于傳感器內(nèi)阻或傳輸線(xiàn)阻抗等因素帶來(lái)的測(cè)量誤差,達(dá)到提高測(cè)量精度的目的。

在某種程度上,濾波器可以說(shuō)是電子電路的基礎(chǔ)。因此,能夠設(shè)計(jì)和調(diào)試滿(mǎn)足特定參數(shù)需求的濾波器,是一種很重要的能力。然而,對(duì)許多人來(lái)說(shuō),在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中,濾波器的設(shè)計(jì)和使用并不是一件容易的事。其原因主要有兩個(gè):一是對(duì)濾波器的相關(guān)知識(shí)不是很熟悉,另一是復(fù)雜一些的濾波器設(shè)計(jì)往往會(huì)涉及到比較多的數(shù)學(xué)計(jì)算。在電路理論中,濾波器是一種電子電路網(wǎng)絡(luò),可以根據(jù)信號(hào)的頻率成分改變其幅值及相位特性。理想的濾波器既不會(huì)在輸出信號(hào)中加入新的頻率成分,也不會(huì)改變信號(hào)中原有的頻率成分,但會(huì)改變各頻率成分的相對(duì)幅值及/或相位。在電子系統(tǒng)中,濾波器經(jīng)常用于增強(qiáng)輸入信號(hào)中特定頻率范圍的信號(hào)成分,削弱其他頻率范圍的信號(hào)成分。如圖9－36所示,某信號(hào)中頻率為f1的成分為有用信號(hào),被頻率為f2的信號(hào)所污染。如果讓該信號(hào)通過(guò)一個(gè)濾波器,該濾波器對(duì)頻率為f2的信號(hào)的增益比對(duì)頻率為f1的信號(hào)的增益要小很多,則濾波器的輸出信號(hào)中,無(wú)用的信號(hào)將被大大衰減,但有用信號(hào)仍然保留。圖9－36濾波器的應(yīng)用舉例

1.低通濾波器

低通濾波器的幅頻響應(yīng)如圖9－37(a)所示。由圖可知,低通濾波器只允許有用的低頻信號(hào)通過(guò),而高頻干擾信號(hào)被濾除。圖9－37(b)所示為一有源低通濾波器電路。圖9－37低通濾波器

(a)低通濾波器幅頻響應(yīng)特性圖;(b)有源低通濾波器

2.高通濾波器

高通濾波器的幅頻響應(yīng)如圖9－38(a)所示。由圖可知,與低通濾波器相反,它將低頻干擾信號(hào)濾除,而讓高頻有用信號(hào)通過(guò)。圖9－38(b)所示為一有源高通濾波器電路。圖9－38高通濾波器

(a)高通濾波器幅頻響應(yīng)特性圖;(b)有源高通濾波器

3.帶通濾波器

帶通濾波器的幅頻響應(yīng)如圖9－39(a)所示。由圖可知,它有兩個(gè)阻帶,一個(gè)通帶,只允許某一頻帶(通帶)內(nèi)的信號(hào)通過(guò)。而通帶下限頻率ωL以下、上限頻率以上的信號(hào)均被濾除。圖9－39(b)所示為一帶通濾波器電路。圖9－39帶通濾波器

4.帶阻濾波器

帶阻濾波器的幅頻響應(yīng)如圖9－40(a)所示。由圖可知,與帶通濾波器相反,它有兩個(gè)通帶,一個(gè)阻帶,只使某一個(gè)頻帶內(nèi)的信號(hào)被阻隔,其余部分可以通過(guò)。圖9－40(b)所示為一帶阻濾波器電路。圖9－40帶阻濾波器

(a)帶阻濾波器幅頻響應(yīng)特性圖;(b)有源帶阻濾波器 9.2驅(qū)動(dòng)電路分析

9.2.1恒壓源驅(qū)動(dòng)電路分析

假設(shè)四個(gè)擴(kuò)散電阻的阻值起始都相等且為R,當(dāng)有應(yīng)力作用時(shí),兩個(gè)電阻的阻值增加,增加量為ΔR,兩個(gè)電阻的阻值減小,減小量亦為ΔR,另外,由于溫度影響,使每個(gè)電阻都有ΔRt的變化量。根據(jù)圖9－41可知,電橋的輸出為整理后得這說(shuō)明電橋輸出與ΔR/R成正比,也就是與被測(cè)量成正比,同時(shí)又與U成正比。這亦說(shuō)明電橋的輸出與電源電壓的大小都與精度有關(guān)。圖9－41恒壓源供電9.2.2恒流源驅(qū)動(dòng)電路分析

恒流源供電時(shí)的電路如圖9－42所示。假設(shè)電橋兩個(gè)支路的電阻相等,即RABC=RADC=2(R+ΔRt),則有:因此,電橋的輸出為整理后得可見(jiàn),電橋的輸出與電阻的變化量成正比,即與被測(cè)量成正比,當(dāng)然也與電源電流成正比。但是電橋的輸出與溫度無(wú)關(guān),不受溫度影響,這是恒流源供電的優(yōu)點(diǎn)。圖9－42恒流源供電壓阻式半導(dǎo)體應(yīng)變片的溫度穩(wěn)定性差,在高精度測(cè)量的場(chǎng)合,就必須采用恒流驅(qū)動(dòng)電路。

當(dāng)然,對(duì)傳感器的測(cè)量電路、變換電路、放大電路、校正電路等外圍電路,都應(yīng)根據(jù)實(shí)際要求,選擇合適的恒壓工作或恒流工作狀態(tài)。

關(guān)于恒壓(穩(wěn)壓)問(wèn)題的參考文獻(xiàn)很多,這里不作介紹,下面著重討論恒流源。

恒流源電路可由分立元件與運(yùn)算放大器組成,但是利用恒流元件組成的電路則更加簡(jiǎn)單。專(zhuān)用的恒流元件有恒流二極管、三端可調(diào)恒流源和四端可調(diào)恒流源。它們的優(yōu)點(diǎn)是體積小,允許浮置,不需附加電源,使用方便。用三端和四端可調(diào)恒流源外接一個(gè)或兩個(gè)電阻,就可構(gòu)成兩端恒流元件。通過(guò)調(diào)節(jié)外接電阻的阻值,就可調(diào)整輸出電流值和電流溫度系數(shù),使其滿(mǎn)足不同應(yīng)用的要求。下面介紹一種常用的三端可調(diào)恒流源CW334。

圖9－43所示為CW334的內(nèi)部等效原理電路。圖中R是外接電阻,VT1、VT2、VT4和VT3組成恒流源,VT2、VT3和VT6組成三級(jí)誤差信號(hào)放大器。圖9－43

CW334的內(nèi)部等效原理電路在U+和U-兩端剛加上電壓的瞬間,由于C1上的電壓不能突變,VT2管集電極電位和U-端電位相等,因此,VT4管的集電極與發(fā)射極之間的電壓等于外加電壓。此時(shí),VT4管的穿透電流Iceo4流向電容C1,使C1上積累的電荷逐漸增加。當(dāng)C1上的電壓達(dá)到某一數(shù)值時(shí),Iceo4會(huì)有部分注入VT3的基極,而Ib3的增加會(huì)使Ic3增大,而Ic3的增加會(huì)使Ib4增大,而Ib4的增加會(huì)使Ic4增大,而Ic4的增加又進(jìn)一步會(huì)使Ib3增大,這是一個(gè)正反饋過(guò)程。同時(shí),Ic3的增加會(huì)使Ib5增大,Ic5流過(guò)VT1,從而建立VT1

和VT2的工作點(diǎn),完成啟動(dòng)過(guò)程。這一過(guò)程所需的時(shí)間和所設(shè)置的電流大小有關(guān)。若設(shè)置電流大,則所需時(shí)間短。例如,Iset=1mA時(shí),所需時(shí)間約為5μs。

VT1、VT2和VT6構(gòu)成的負(fù)反饋環(huán)節(jié)用以穩(wěn)定設(shè)置的電流。外接電阻R將設(shè)置電流的變化轉(zhuǎn)換為誤差電壓信號(hào),送入VT2管基極(Ube2=Ube1+UR),VT2和VT3將誤差信號(hào)放大、反相(VT4為恒流管)。

穩(wěn)流過(guò)程如下:

CW334的主要電路功能是:在R端輸出一個(gè)相對(duì)于U-端的64mV電壓(25℃時(shí))。這個(gè)電壓的特點(diǎn)是:隨外加電壓變化甚小,隨溫度變化呈線(xiàn)性關(guān)系。該電壓是利用VT1和VT2兩管發(fā)射極電流密度不等得到的,因此,溫度對(duì)VT1和VT2兩管的Ube影響不同,其溫度系數(shù)之差的典型值為0.336%/℃。圖9－44

CW334的應(yīng)用電路用CW334構(gòu)成恒流源很簡(jiǎn)單,只要外接一只電阻即可,如圖9－44(a)所示。設(shè)置電流是指流入U(xiǎn)+端的電流,在溫度為25℃時(shí),UR相對(duì)于U-是64mV。但在求R值時(shí),還應(yīng)將U-端電流加以考慮,所以有系數(shù)18/17是一個(gè)典型值。要想獲得準(zhǔn)確的IMΩ值,還應(yīng)根據(jù)實(shí)際測(cè)試,調(diào)整R的值。當(dāng)需要零溫漂的電流源時(shí),要按照?qǐng)D9－44(b)所示電路進(jìn)行連接。電路中利用外接二極管的負(fù)溫度特性對(duì)CW334進(jìn)行補(bǔ)償。只要仔細(xì)選擇這些外接元件,就可得到滿(mǎn)意的恒流效果。 9.3抗干擾技術(shù)

9.3.1噪聲及防護(hù)

1.機(jī)械干擾

機(jī)械干擾是指機(jī)械振動(dòng)或沖擊使電子檢測(cè)裝置中的元件發(fā)生振動(dòng),改變了系統(tǒng)的電氣參數(shù),造成可逆或不可逆的影響。

例如,若將檢測(cè)儀表直接固定在劇烈振動(dòng)的機(jī)器上或安裝于汽車(chē)上時(shí),可能引起焊點(diǎn)脫焊、已調(diào)整好的電位器滑動(dòng)臂位置改變、電感線(xiàn)圈電感量變化等,并可能使電纜接插件滑脫,開(kāi)關(guān)、繼電器、插頭及各種緊固螺釘松動(dòng),印制電路板從插座中跳出等,造成接觸不良或短路。在振動(dòng)環(huán)境中,當(dāng)零件的固有頻率與振動(dòng)頻率一致時(shí),還會(huì)引起共振。共振時(shí)零件的振幅逐漸增大,其引腳在長(zhǎng)期交變力作用下,會(huì)引起疲勞斷裂。

對(duì)于機(jī)械干擾有效的措施是選用專(zhuān)用的減振彈簧降低系統(tǒng)的諧振頻率,吸收已知的能量,從而減小系統(tǒng)的振幅。

2.濕度及化學(xué)物質(zhì)騷擾

當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度大于65%時(shí),物體表面就會(huì)附著一層厚度為0.1～1.1nm的水膜,當(dāng)相對(duì)濕度進(jìn)一步提高時(shí),水膜的厚度將進(jìn)一步增加,并滲入材料內(nèi)部。不僅降低了絕緣強(qiáng)度,還會(huì)造成漏電、擊穿和短路現(xiàn)象。潮濕還會(huì)加速金屬材料的腐蝕,并產(chǎn)生原電池電化學(xué)干擾。在較高的溫度下,潮濕還會(huì)促使霉菌的生長(zhǎng),并引起有機(jī)材料的霉?fàn)€。

某些化學(xué)物品如酸、堿、鹽,各種腐蝕性氣體以及沿海地區(qū)由海風(fēng)帶到岸上的鹽霧也會(huì)造成與潮濕類(lèi)似的漏電腐蝕現(xiàn)象。

當(dāng)傳感器處于這樣的環(huán)境下時(shí),無(wú)論精度還是壽命都會(huì)受到致命的影響,因此,實(shí)際中要采用給某些元件涂抹絕緣漆、設(shè)備配備加熱驅(qū)潮裝置等必要措施。

3.熱騷擾

熱量,特別是溫度波動(dòng)以及不均勻溫度場(chǎng)對(duì)檢測(cè)裝置的干擾主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面:

(1)各種電子元件均有一定的溫度系數(shù),溫度升高,電路參數(shù)會(huì)隨之改變,引起誤差。

(2)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。由于電子元件多由不同金屬構(gòu)成,當(dāng)它們相互連接組成電路時(shí),如果各點(diǎn)溫度不均勻就不可避免地產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì),它會(huì)疊加在有用信號(hào)上引起測(cè)量誤差。

(3)元器件長(zhǎng)期在高溫下工作時(shí),將降低使用壽命、降低耐壓等級(jí),甚至燒毀?？朔狎}擾的防護(hù)措施有:

(1)在設(shè)計(jì)檢測(cè)電路時(shí),盡量選用低溫漂元件。例如采用金屬膜電阻,低溫漂、高精度運(yùn)算放大器,對(duì)電容器容量穩(wěn)定性要求高的電路使用聚苯乙烯等溫度系數(shù)小的電容器等。

(2)在電路中考慮采取軟、硬件溫度補(bǔ)償措施。

(3)盡量采用低功耗、低發(fā)熱元件。

(4)選用的元器件規(guī)格要有一定的余量。例如電阻的阻值要比估算值大一倍以上,電容器的耐壓、晶體管的額定電流、電壓均要增加一倍以上。其成本并不與額定值成比例增加,但可靠性卻大為提高。

(5)儀器的前置級(jí)(通常指輸入級(jí))應(yīng)盡量遠(yuǎn)離發(fā)熱元件(如電源變壓器、穩(wěn)壓模塊、功率放大器等);如果儀器內(nèi)部采用上下層結(jié)構(gòu),前置級(jí)應(yīng)置于最下層;如果儀器本身有散熱風(fēng)扇,則前置級(jí)必須處于冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)口(必須加裝過(guò)濾灰塵的毛氈),功率級(jí)置于出風(fēng)口。

(6)加強(qiáng)散熱:

①空氣的導(dǎo)熱性能比金屬小幾千倍,應(yīng)給發(fā)熱嚴(yán)重的元件安裝金屬散熱片。應(yīng)盡量將散熱片的熱量傳導(dǎo)到金屬機(jī)殼上,通過(guò)面積很大的機(jī)殼來(lái)散熱。元器件與散熱片之間還要涂導(dǎo)熱硅脂或墊導(dǎo)熱薄膜。

②如果發(fā)熱量較大,應(yīng)考慮強(qiáng)迫對(duì)流,采用排風(fēng)扇或半導(dǎo)體致冷(溫差致冷)器件以及熱管(內(nèi)部充有低沸點(diǎn)液體,沸騰時(shí)將熱量帶到熱管的另一端去)來(lái)有效地降低功率器件的溫度。

(7)采用熱屏蔽。所謂熱屏蔽,就是用導(dǎo)熱性能良好的金屬材料做成屏蔽罩,將敏感元件、前置級(jí)電路包圍起來(lái),使罩內(nèi)的溫度場(chǎng)趨于均勻,有效地防止熱電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生。對(duì)于高精度的計(jì)量工作,還要將檢測(cè)裝置置于恒溫室中,局部的標(biāo)準(zhǔn)量具,如頻率基準(zhǔn)等還須置于恒溫油槽中。

總之,溫度干擾引起的溫漂比其他干擾更難克服,在設(shè)計(jì)、使用中必須予以充分注意。

4.電、磁噪聲干擾

在交通、工業(yè)生產(chǎn)中有大量的用電設(shè)備會(huì)產(chǎn)生火花放電,在放電過(guò)程中,會(huì)向周?chē)椛涑鰪牡皖l到甚高頻的大功率電磁波。無(wú)線(xiàn)電臺(tái)、雷電等也會(huì)發(fā)射出功率強(qiáng)大的電磁波。上述這些電磁波可以通過(guò)電網(wǎng),甚至以直接輻射的形式傳播到離這些噪聲源很遠(yuǎn)的檢測(cè)裝置中。在工頻輸電線(xiàn)附近也存在強(qiáng)大的交變電場(chǎng)和磁場(chǎng),將對(duì)十分靈敏的檢測(cè)裝置造成騷擾或干擾。由于這些干擾源功率