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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 要求電路本身是低噪聲的； 采用恰當(dāng)?shù)钠帘巍⒏綦x，合理的布線與接地； 被測信號(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 溫漂：處理的結(jié)果在一次運(yùn)行中發(fā)生漸變 長期穩(wěn)定性：由于元器件老化、插接件彈性疲勞、氧化等原因 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，對于快速變化的過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量的要求越來越多。,線性度 檢測的非線性由傳感器、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)，以減小最低位所對應(yīng)的被測量。,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0500的溫度轉(zhuǎn)換為0-5V電壓信號(hào)。已知1 對應(yīng)熱電偶輸出電壓40uV，500 對應(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。,提問： （1）R3為什么不能太大? （2）斷線檢測功能為什么要求運(yùn)放的輸入偏置電流??？,（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，試對照圖說明如何進(jìn)行零點(diǎn)補(bǔ)償消除其對輸出的影響。,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)算放大器來實(shí)現(xiàn)。,U0 = - Q / Cf,電荷放大器實(shí)際等效電路,Cs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)109； 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確定； 單端輸出,四、集成儀用放大器(AD521 AD612 AD620),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11000）。 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),+,1,2,3,4,V0,8,1M,110K,20.4K,10.1K,10k,1M,單運(yùn)放可編程增益放大器,Vi,Vo,RB,RF1,RF2,+,A,8,單運(yùn)放可編程增益放大器,SW4,SW1,SW2,SW3,+,C,B,A,DY-04,V0,Vi,Q3 D3 D2Q2 D1D0,D4 D5 D6D7,74LS273,8,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； 沒有外偏流流入引線，泄漏電流很低，解決了噪聲拾取問題； 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,10,9,8,7,2,1,6,3,4,地,+VISO,-VISO,+Vs,+,Ri,Vi,8,284J的原理框圖,提問：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),電流電壓變換電路實(shí)例,1A,10A,100A,1mA,F. S.,全量程,輸入端,+,1k,5k,5k,e02,e01,Cf,+15V,-15V,輸入保護(hù)電路,+,Cf,+15V,-15V,-15V,+15V,5V,5V,950K 100K,950K 10K,950K 1K,950 100,20K,10K,3.3K,3.3K,100K,Rf,4558,A,714,8,8,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，解決了長距離傳輸?shù)膯栴}。 這種方法只適用于實(shí)時(shí)性要求不是太高的場合。,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,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,+,VIN,S1,-0.6V,比較器,積分器CINT,Cos,+,Iin,R1N,1mA10,8,8,（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,-15V,R1,R3,1,2,3,4,5,6,7,14,13,12,11,10,9,8,AD650,R2,VL,1F,20K,250K,+15V,0.1F,CINT,RIN,圖 單極性輸入V/F 轉(zhuǎn)換電路,Cos,對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AD650 單極性負(fù)輸入電壓V/F 轉(zhuǎn)換電路，當(dāng) Vin=-10V0V 時(shí)，F(xiàn)o=1000 Khz； 對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,8,4,相加點(diǎn),3,頻率輸入,+15V,Eos 校準(zhǔn),1,2,-15V,頻率輸入,精密 電荷 分配 器,Ce,Ros,RF,9,滿刻度校準(zhǔn),輸出,Cc濾波電容,RH,10K,100K,1K,+Vs,A1,8,8,A2,(2)應(yīng)用舉例,+,8,增益調(diào)節(jié),傳感器,2,5,8,8,9,2,13,1,6,3,4,模擬地,Fi,雙扭線,（010）kHz,（010）kHz,差動(dòng)線 驅(qū)動(dòng)器,差動(dòng)線接收器,F/V 451,V/F 450/456,模擬儀表,儀用放大器,圖6-23 FVC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,無源低通濾波器,缺點(diǎn) ： 帶負(fù)載能力差； 無放大作用； 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。,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 (KA3)。 否則失去穩(wěn)定性。,【例】設(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。,【解】按上述所求，有： 若選C=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就可構(gòu)成高階濾波電路，無需考慮級(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,幅頻特性：,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 對象,傳感器,差分 放大,低通 濾波,A/D變換,計(jì)算機(jī),測量 結(jié)果,外來噪聲,模擬噪聲處理,數(shù)字噪聲處理,圖637 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Vns,V0,V1,V2,VfAVs,A,噪聲源,Vn,Vn,（C和M耦合）,二、傳感器的噪聲來源,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、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)通過磁場耦合到另一個(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放大傳感器的輸出信號(hào)的場合，選取 IC值盡可能?。?（3）選用 Vna、Ina 小的運(yùn)算放大器來組成傳感器電路； （4）對于開關(guān)噪聲，設(shè)置相應(yīng)的偽電路，用差分來消除開關(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)源或測量電路包封起來并接地，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對電路的影響，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 電磁場屏蔽是利用屏蔽體阻止電磁場在空間傳播的一種措施。 電磁場屏蔽的機(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，傳到材料的另一表面時(shí)