第十章傳感器信號的加工調(diào)理-2

1、天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院電氣工程與自動化學(xué)院 主講主講 王紅一王紅一內(nèi)容回顧內(nèi)容回顧o4i31uRAuR o2i1uRAuR o2i2i11uRAuuR內(nèi)容回顧內(nèi)容回顧惠斯頓電橋惠斯頓電橋fof2/REuRR RffoAB114RR EuuRRf1of1/8(4/)ERRuRR內(nèi)容回顧內(nèi)容回顧RRR2134aRRR56bRRRobiag2(1)uRRGuRR obiag2(1)uRRGuRR 內(nèi)容回顧內(nèi)容回顧LH0084 是在儀器放大器的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的是在儀器放大器的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的PGA。l通過軟件輸出相應(yīng)的編碼控制信號通過軟件輸出相應(yīng)的編碼控制信號D0和和D1，以選擇通道。，

2、以選擇通道。l每個控制信號同時驅(qū)動兩個每個控制信號同時驅(qū)動兩個對稱開關(guān)閉合對稱開關(guān)閉合。l輸出級增益輸出級增益是通過是通過芯片引腳芯片引腳的不同接線來實(shí)現(xiàn)的。為了保的不同接線來實(shí)現(xiàn)的。為了保證較高共模抑制比，接地電阻與反饋電阻需證較高共模抑制比，接地電阻與反饋電阻需對稱使用對稱使用。l計算放大器增益的關(guān)鍵是正確無誤地確定計算放大器增益的關(guān)鍵是正確無誤地確定R、Rg和和Rb 。表表10-1 LH0084增益配置表增益配置表閉合開關(guān)閉合開關(guān)輸入級增益輸入級增益輸出端子連輸出端子連接接輸出級增益輸出級增益總增益總增益與與與與與與與與12510610, 13地地112510與與與與與與與與125107

3、10, 12地地4482040與與 與與與與 與與12510810, 11地地101020501000AS0BS1AS1BS2AS2BS3AS3BS0AS0BS1AS1BS2AS2BS3AS3BS0AS0BS1AS1BS2AS2BS3AS3BS第第10章章 傳感器信號的加工調(diào)理傳感器信號的加工調(diào)理第第10章章 傳感器信號的加工調(diào)理傳感器信號的加工調(diào)理 原因：在傳感器將非電量轉(zhuǎn)變成電信號的過程中，由于測試環(huán)境的電磁干原因：在傳感器將非電量轉(zhuǎn)變成電信號的過程中，由于測試環(huán)境的電磁干擾，以及傳感器和放大器本身的原因，往往會產(chǎn)生擾，以及傳感器和放大器本身的原因，往往會產(chǎn)生多種頻率成分的噪聲信號多種頻率

4、成分的噪聲信號，它們與有用的測量信號混雜在一起，影響著測量質(zhì)量和效果。它們與有用的測量信號混雜在一起，影響著測量質(zhì)量和效果。 分類：分類：（1）按濾波器的組成是否含有源器件：有源濾波器和無源濾波器；）按濾波器的組成是否含有源器件：有源濾波器和無源濾波器；（2）按選頻特點(diǎn)：低通、高通、帶通、帶阻（或陷波）和全通濾波器；）按選頻特點(diǎn)：低通、高通、帶通、帶阻（或陷波）和全通濾波器；（3）按電路的階數(shù)：一階濾波器、二階濾波器和多階濾波器；）按電路的階數(shù)：一階濾波器、二階濾波器和多階濾波器；（4）按實(shí)際幅頻特性逼近理想幅頻特性的方式：巴特沃斯濾波器；）按實(shí)際幅頻特性逼近理想幅頻特性的方式：巴特沃斯濾波器

5、；（Butterworth filter）、切比雪夫（）、切比雪夫（Chebyshev）濾波器、反切比雪夫）濾波器、反切比雪夫（Inverse Chebyshev）濾波器和考爾（）濾波器和考爾（Cauer）濾波器；）濾波器；（5）按信號形式：數(shù)字信號濾波器和模擬信號濾波器。）按信號形式：數(shù)字信號濾波器和模擬信號濾波器。（1）按濾波器的組成是否含有源器件：）按濾波器的組成是否含有源器件：有源濾波有源濾波是用是用【運(yùn)放運(yùn)放】【】【晶體管晶體管】等元件等元件【模擬模擬】電路中的電路中的【電感電感】【】【電電容容】組成濾波電路組成濾波電路; 無源濾波器無源濾波器是指用電感，電容，電阻，組成的濾波電路。

6、是指用電感，電容，電阻，組成的濾波電路。 （b）二階帶通有源濾波器）二階帶通有源濾波器 低通濾波器的功能是讓直流信號在指定截止頻率的低通濾波器的功能是讓直流信號在指定截止頻率的低頻分量低頻分量通過，而使高頻分量有很大衰減通過，而使高頻分量有很大衰減。低通濾波器一般用截止頻。低通濾波器一般用截止頻率率c、阻滯頻率、阻滯頻率s、直流增益、直流增益H0、通帶波紋和阻帶衰減等參、通帶波紋和阻帶衰減等參數(shù)來確定。數(shù)來確定。低通濾波器幅頻特性低通濾波器幅頻特性反饋式超低頻低通濾波器反饋式超低頻低通濾波器（2）按選頻特點(diǎn)：）按選頻特點(diǎn)：和全通濾波器；和全通濾波器； 高通濾波器是讓高于指定截止頻率高通濾波器是

7、讓高于指定截止頻率c的頻率分量通過，而使的頻率分量通過，而使直流及在指定阻滯頻率直流及在指定阻滯頻率s以下的低頻分量有很大衰減。沒有以下的低頻分量有很大衰減。沒有理想的幅頻特性，由于寄生參數(shù)及有源器件帶寬的限制，當(dāng)理想的幅頻特性，由于寄生參數(shù)及有源器件帶寬的限制，當(dāng)頻率增至一定值時，幅值將下降。頻率增至一定值時，幅值將下降。高通濾波器幅頻特性高通濾波器幅頻特性無限增益高通濾波器無限增益高通濾波器 帶通濾波器是只允許通過某一頻段的信號，在此頻段兩端帶通濾波器是只允許通過某一頻段的信號，在此頻段兩端以外的信號將被抑制或衰減。以外的信號將被抑制或衰減。帶通濾波器幅頻特性帶通濾波器幅頻特性二階帶通有源

8、濾波器二階帶通有源濾波器 帶阻濾波器用來抑制或衰減某一頻段的信號，讓該頻段以帶阻濾波器用來抑制或衰減某一頻段的信號，讓該頻段以外的信號通過。從輸入信號中減去經(jīng)帶通濾波器處理過的外的信號通過。從輸入信號中減去經(jīng)帶通濾波器處理過的信號，就可以得到帶阻信號。因此可用帶通濾波器和減法信號，就可以得到帶阻信號。因此可用帶通濾波器和減法電路合起來，就是一個帶阻濾波器。電路合起來，就是一個帶阻濾波器。低通濾波器幅頻特性低通濾波器幅頻特性二階帶阻濾波器二階帶阻濾波器以以 Butterworth 濾波器的傳遞函數(shù)為例濾波器的傳遞函數(shù)為例的傳遞函數(shù)為的傳遞函數(shù)為o00in( )( )( )11u sAAH ssu

9、 sRCs其中，其中，A0 通帶電壓增益，對無源濾波器有通帶電壓增益，對無源濾波器有A0=1; 為特征角頻率。為特征角頻率。幅頻特性為幅頻特性為: n1/RC02n()1AH j 傳遞函數(shù)為傳遞函數(shù)為2o0n22nin( )( )( )usAH su sssQ其中，其中，A0為通帶電壓增益；為通帶電壓增益； n 為特征角頻率；為特征角頻率； Q 為等效品質(zhì)因數(shù)（為等效品質(zhì)因數(shù)（quality factor） 。00224222nnnn()1121AAH jQQ對于低通濾波器，對于低通濾波器， 、和和是是一致的。一致的。幅頻特性為幅頻特性為若記若記 其中，其中，0( )( )AH sB s則對于

10、不同階數(shù)的則對于不同階數(shù)的 ，其，其 如表如表10-2所示。所示。 ( )H s( )B s( )B s1 s212ss2321 22(1)(1)ssssss 234221 2.6133.4142.613(1 0.765)(1 1.848)ssssssss2345221 3.2365.2365.2363.236(1)(1 0.618)(1 1.618)ssssssssss n12345表表10-2 Butterworth 多項(xiàng)式多項(xiàng)式nn/j/ss 本節(jié)討論模擬有源低通和高通濾波器電路、傳遞函數(shù)和有關(guān)參數(shù)設(shè)計等問題。本節(jié)討論模擬有源低通和高通濾波器電路、傳遞函數(shù)和有關(guān)參數(shù)設(shè)計等問題。 下圖為有

11、限增益壓控電壓源的二階低通濾波器二階低通濾波器，由兩個RC濾波電路和一個同相比例放大電路組成，同相比例放大電路就是壓控電壓源，具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點(diǎn)。下面推導(dǎo)傳遞函數(shù)，并設(shè)計有關(guān)參數(shù)。對同相放大器，其電壓增益即對同相放大器，其電壓增益即為低通濾波器通帶電壓增益：為低通濾波器通帶電壓增益：二階低通濾波電路二階低通濾波電路fO0UFP11RuAAuR (10-11)對對P點(diǎn)列基爾霍夫電流方程點(diǎn)列基爾霍夫電流方程APP1/()uuuRsC(10-12)再對再對A點(diǎn)列基爾霍夫電流方程點(diǎn)列基爾霍夫電流方程AoIAAP01/()uuuuuuRsCR(10-13) 聯(lián)立式聯(lián)立式 (10-11)(1

12、0-13) ，消除中間變量，消除中間變量uA和和uP ，即可得傳遞函數(shù)，即可得傳遞函數(shù) OUF2IUF( )( )( )1+(3-)()usAH su sARCsRCs(10-14)二階低通濾波電路二階低通濾波電路OUF2IUF( )( )( )1+(3-)()usAH su sARCsRCs設(shè)設(shè) ，以及，以及 n1/ RCUF13AQ則式（則式（10-14）變?yōu)榈湫投A低通濾波器傳遞函數(shù)）變?yōu)榈湫投A低通濾波器傳遞函數(shù)2UFn0222nnnn( )1s1QAAH ssssQ其中，其中， 為特征角頻率，為特征角頻率，Q 為等效品質(zhì)因數(shù)。為等效品質(zhì)因數(shù)。n 從式從式（10-14）可知，當(dāng)可知，當(dāng)

13、 時，電路穩(wěn)定工作，當(dāng)時，電路穩(wěn)定工作，當(dāng) 時，時， 有極點(diǎn)在有極點(diǎn)在s 右半平面或虛軸上，電路不能穩(wěn)定工作。所以，這是一種右半平面或虛軸上，電路不能穩(wěn)定工作。所以，這是一種有限增益的低通濾波器。有限增益的低通濾波器。0UF3AA0UF3AA( )H s(10-16)(10-15)(10-14) 例例10-2 按圖按圖 10-16 所示電路的巴特沃斯二階低通濾波器電路，所示電路的巴特沃斯二階低通濾波器電路，設(shè)計相關(guān)參數(shù)。具體要求為：截止頻率設(shè)計相關(guān)參數(shù)。具體要求為：截止頻率fH=100HZ，試確定電路元，試確定電路元件件C、R、R1和和 Rf 的參數(shù)。的參數(shù)。解：解：(1) 確定確定 C 和和

14、 R由于特征頻率與截止頻率相等，由于特征頻率與截止頻率相等，所以所以Hn1RC取取 ，則，則0.047FC 6H1133.863k21000.047 10RC設(shè)設(shè) ，考慮二階低通濾波器，由表，考慮二階低通濾波器，由表 10-2 中中n=2 行，有行，有H/ss02( )21AH sss將此式與式將此式與式（10-16）相比較，由分母，有相比較，由分母，有 。1/2Q 由式（由式（10-15）有：）有： UF03 1/32AAQ再由式（再由式（10-11）有：）有： fUF1122RAR 所以所以 f10.586RR (2) 確定確定 和和 1RfR 考慮運(yùn)算放大器兩輸入端外接電阻需滿足平衡條件

15、，即考慮運(yùn)算放大器兩輸入端外接電阻需滿足平衡條件，即f1/67.726KRRRR再與式再與式（10-17）聯(lián)立，可解得聯(lián)立，可解得1183.3kR f107.413KR （10-17） 圖中，運(yùn)算放大器圖中，運(yùn)算放大器A1為工作在負(fù)反饋狀態(tài)的放大器，為工作在負(fù)反饋狀態(tài)的放大器，A2為同相放大器，為同相放大器， A3為電壓跟隨器。下面推導(dǎo)傳遞函數(shù)。為電壓跟隨器。下面推導(dǎo)傳遞函數(shù)。 反饋式超低頻低通濾波器反饋式超低頻低通濾波器 對對A1輸入端口有：輸入端口有： n1inifuuuuRRi2pnifRuuuRR消除消除un 后，有后，有 f21iiRuuuR對對 A2有有32o34RuuRR對對 A

16、3 有：有： ，且，且 abouuu(10-18)(10-19)(10-20)聯(lián)立式（聯(lián)立式（10-18）、（）、（10-19）和（）和（10-20），消去），消去u1和和u2，可得電路傳遞函數(shù)，可得電路傳遞函數(shù)12121/1/usCRRsCRuo11423fo1ii14123( )( )( )1RRRRRusH su sRRRR CsRR 令：令： 114123RRR CRR（時間常數(shù)），（時間常數(shù)）， 1f140i23ARRRRRR （增益）（增益）0A( )1H ss則上式可表達(dá)為則上式可表達(dá)為一階低通濾波器一階低通濾波器無限增益二階高通濾波器無限增益二階高通濾波器對對A點(diǎn)點(diǎn)列電流方程列

17、電流方程AOIAAA11320111uuuuuuRsCsCsC對對 N 點(diǎn)點(diǎn)列電流方程列電流方程OA231uuRsC聯(lián)立上面兩電流方程，消去聯(lián)立上面兩電流方程，消去 uA 后，有后，有 21221223231223( )1111CsCH sCssRC CCCR R C C無限增益二階高通濾波器無限增益二階高通濾波器令令 102ACC 12231CR R C C 3112223231QCRCCRCCC C上式變?yōu)樯鲜阶優(yōu)?02C0222CCCCAA( )11ssH sssssQQ即為二階高通濾波電路傳遞函數(shù)。由于即為二階高通濾波電路傳遞函數(shù)。由于 可任意配置，所以為可任意配置，所以為無限增益。無

18、限增益。 012A/CC (10-22)例例10-3 試設(shè)計一個下限頻率為試設(shè)計一個下限頻率為 、通帶增益為、通帶增益為 的的 Butterworth 濾波器。濾波器。 310 rad/sC 0A2102ACC 12231CR R C C 3112223231QCRCCRCCC C202C0222CCCCAA( )11ssH sssssQQ二階高通濾波二階高通濾波n=2時的Butterworth 濾波器的分母為：2( )12B sss 例例10-3 試設(shè)計一個下限頻率為試設(shè)計一個下限頻率為 、通帶增益為、通帶增益為 的的 Butterworth 濾波器。濾波器。 310 rad/sC 0A2

19、解：解：令令 ，由式（，由式（10-22）有）有 C/ss202A( )11sH sssQ查表查表10-2，n=2時的時的Butterworth 濾波器的分母為：濾波器的分母為：2( )12B sss 12Q 所以：所以：現(xiàn)在?。含F(xiàn)在?。?，由式，由式 和和 ，有，有130.1 FCC0A2102ACC 20.05 FC 再由式再由式 和和 ，可得到，可得到1/ 2Q3112223231QCRCCRCCC C12425RR又由式又由式 ，有，有8122 10R R 由以上兩式聯(lián)立，解得由以上兩式聯(lián)立，解得15.656kR 235.35kR 至此，電路中的至此，電路中的 5 個元件參數(shù)個元件參數(shù)

20、 C1、C2 、C3 、R1 和和R2已經(jīng)全部確定完畢。已經(jīng)全部確定完畢。 12231CR R C C 102ACC 12231CR R C C 3112223231QCRCCRCCC C202C0222CCCCAA( )11ssH sssssQQ 21221223231223( )1111CsCH sCssRC CCCR R C C第第10章章 傳感器信號的加工調(diào)理傳感器信號的加工調(diào)理第第10章章 傳感器信號的加工調(diào)理傳感器信號的加工調(diào)理 傳感器的輸入量（被測物理量），傳感器的輸入量（被測物理量），與輸出量之間的關(guān)系，在很多情況下都不是線性的，如果將傳感與輸出量之間的關(guān)系，在很多情況下都不是

21、線性的，如果將傳感器的輸入量作橫坐標(biāo)，輸出量做縱坐標(biāo)，在該坐標(biāo)平面上描點(diǎn)畫器的輸入量作橫坐標(biāo)，輸出量做縱坐標(biāo)，在該坐標(biāo)平面上描點(diǎn)畫圖，將是一條曲線，有時彎曲程度還很嚴(yán)重。這就是傳感器存在圖，將是一條曲線，有時彎曲程度還很嚴(yán)重。這就是傳感器存在的非線性現(xiàn)象。這種非線性對于檢測結(jié)果的顯示或使用都帶來了的非線性現(xiàn)象。這種非線性對于檢測結(jié)果的顯示或使用都帶來了麻煩，應(yīng)想辦法加以解決。麻煩，應(yīng)想辦法加以解決。 造成非線性的原因造成非線性的原因：一是傳感器的轉(zhuǎn)換原理是非線性的，二：一是傳感器的轉(zhuǎn)換原理是非線性的，二是采用的測量電路存在非線性。是采用的測量電路存在非線性。 模擬校正法的思路是，通過增加模擬校

22、正法的思路是，通過增加，讓其，讓其有效地補(bǔ)償或抵消傳感器帶來的非線性影響，最終使得檢測有效地補(bǔ)償或抵消傳感器帶來的非線性影響，最終使得檢測器的器的。這種方法有開環(huán)校正和。這種方法有開環(huán)校正和閉環(huán)校正兩種。閉環(huán)校正兩種。校正最后要達(dá)到的目的是：校正最后要達(dá)到的目的是：ysx 其中，其中，y 為檢測器輸出，為檢測器輸出，x 為被測物理量，為被測物理量，s 為檢測器靈敏為檢測器靈敏度，是常數(shù)。度，是常數(shù)。 （A）開環(huán)校正）開環(huán)校正 由由 與與 ， 有有1( )uf x21uku2( )uk f x于是于是12()uxfk由最終目標(biāo)，有由最終目標(biāo)，有112( )uysxs fs ff xk 該式說明，

23、非線性校正的特性應(yīng)與傳感器非線性特性的反函數(shù)成比該式說明，非線性校正的特性應(yīng)與傳感器非線性特性的反函數(shù)成比例。也就是，如果傳感器特性是非線性的，那么，校正環(huán)節(jié)的特性應(yīng)與例。也就是，如果傳感器特性是非線性的，那么，校正環(huán)節(jié)的特性應(yīng)與傳感器特性互為反函數(shù)。傳感器特性互為反函數(shù)。 （A）開環(huán)校正）開環(huán)校正 1）在第）在第 I 象限作象限作非線性傳感器非線性傳感器特性曲線特性曲線： ， 然后選取橫然后選取橫坐標(biāo)若干點(diǎn)：坐標(biāo)若干點(diǎn)：xA 、xB 、 xN ，作其與曲線交點(diǎn)，獲得對應(yīng)的縱坐作其與曲線交點(diǎn)，獲得對應(yīng)的縱坐標(biāo)：標(biāo)：u1A、 u1B 、 、 u1N；1( )uf x 2）在第）在第 II 象限作

24、象限作線性放大器曲線性放大器曲線線： ，延長，延長 u1A、u1B 、 、 u1N ，與該曲線相交，由交點(diǎn)可得橫，與該曲線相交，由交點(diǎn)可得橫坐標(biāo)：坐標(biāo)： u2A、 u2B 、 、 u2N ，從交，從交點(diǎn)出發(fā)，向第點(diǎn)出發(fā)，向第 III 象限作直線，一象限作直線，一直延伸到第直延伸到第III象限；象限； 21uku （A）開環(huán)校正）開環(huán)校正 3）在第）在第 IV 象限，作象限，作目標(biāo)曲目標(biāo)曲線線： ， 過過 xA 、xB 、 xN 點(diǎn)，由第點(diǎn)，由第 I 象限向第象限向第 IV 象限方象限方向延伸向延伸 直線，直線，直至與直至與 相交，相交，ys xABNxxxx、 、 、ysx 4）在第）在第 III 象限，連接點(diǎn)象限，連接點(diǎn) A 、B 、 、N ，即為所求，即為所求非線性校正非線性校正環(huán)節(jié)的特性曲線環(huán)節(jié)的特性曲線： 。 2AA(,)uy2BB(,)uy2NN(,)uy2()yu （B）閉環(huán)校正）閉環(huán)校正：