傳感器信號處理與接口1課件

1、傳感器信號處理與接口(1)1第五節(jié)第五節(jié) 信號傳送方式信號傳送方式 傳感器信號的傳送方式，分為四線式、三傳感器信號的傳送方式，分為四線式、三線式、二線式。線式、二線式。 傳感器信號的傳送分兩種情況，傳感器信號的傳送分兩種情況，變送器前變送器前敏感元件后敏感元件后和和變送器后到二次儀表之間的信號變送器后到二次儀表之間的信號傳送傳送。傳感器信號處理與接口(1)2一、四線式傳送方式一、四線式傳送方式123u1opamp_3t_virtual123u2opamp_3t_virtual123u3opamp_3t_virtualr110kohmr210kohmr310kohmr410kohmr510koh

2、mr610kohmr710kohmr8100ohmr9100ohmr10200ohmi11a傳感器信號處理與接口(1)3二、二線式傳送方式二、二線式傳送方式傳感器信號處理與接口(1)4三、三線式傳送方式三、三線式傳送方式v1rrrtrv2v+vo2314121234()()r rr rvvvrrrr2314121234sr rr rvvirrrr傳感器信號處理與接口(1)5第六節(jié)第六節(jié) 轉換電路轉換電路一、電壓一、電壓-電流轉換電路電流轉換電路(v/i) 1. 分立元件分立元件 v-i變換的原理變換的原理 書中的實例書中的實例 （1）15v 電壓信號轉換為電壓信號轉換為420ma （2） 01

3、0 電壓信號轉換為電壓信號轉換為420ma傳感器信號處理與接口(1)6傳感器信號處理與接口(1)7傳感器信號處理與接口(1)8010 電壓信號轉換為電壓信號轉換為420ma傳感器信號處理與接口(1)9傳感器信號處理與接口(1)102 集成芯片集成芯片 （1）電壓電流轉換接口芯片）電壓電流轉換接口芯片am442 am442是一個用于處理差分電橋信號的電壓電流是一個用于處理差分電橋信號的電壓電流轉換接口集成電路。它不僅能通過二線制方式將輸轉換接口集成電路。它不僅能通過二線制方式將輸入信號轉換成標準的入信號轉換成標準的4-20ma電流信號，而且也能通電流信號，而且也能通過三線制方式輸出過三線制方式輸

4、出0/4-20ma的電流信號。的電流信號。傳感器信號處理與接口(1)11 xtr101 xtr101是一個精密、低漂移的雙線變送器，是一個精密、低漂移的雙線變送器，它可以把微弱的電壓信號進行放大并變換成它可以把微弱的電壓信號進行放大并變換成4ma4ma20ma20ma的電流信號后進行遠距離傳送。它由的電流信號后進行遠距離傳送。它由一個高精度的儀表放大器、壓控輸出電流源和一個高精度的儀表放大器、壓控輸出電流源和2 2個精密的個精密的1ma1ma電流源組成。電流源組成。（2）xtr 101 xtr103 xtr 104 xtr 105 xtr 106 xtr112 xtr 114傳感器信號處理與接

5、口(1)12傳感器信號處理與接口(1)13 二、電流二、電流-電流轉換電路電流轉換電路書中的實例書中的實例 （1）010ma 電流信號轉換為電流信號轉換為420ma （2）420ma 電流信號轉換為電流信號轉換為010ma傳感器信號處理與接口(1)14三、電流三、電流-電壓變換（電壓變換（i/v） 1. 分立元件分立元件123u1opamp_3t_virtual123u2opamp_3t_virtual123u3opamp_3t_virtualr110kohmr210kohmr310kohmr410kohmr510kohmr610kohmr710kohmr8100ohmr9100ohmr102

6、00ohmi11a傳感器信號處理與接口(1)15負載接地傳感器信號處理與接口(1)162. 集成芯片集成芯片max 471 max472傳感器信號處理與接口(1)17傳感器信號處理與接口(1)18四、電阻四、電阻-電壓變換電路電壓變換電路n-channel silicon mosfet傳感器信號處理與接口(1)19五、電壓五、電壓-頻率變換電路頻率變換電路(voltage -to-frequency converter)v/ff/vmcu傳感器信號處理與接口(1)20 icl8038是intel公司生產(chǎn)的中規(guī)模集成電路，外加其它電路制作高質量v/f轉換電路。 lm331是美國ns公司生產(chǎn)的性能

7、價格比較高的集成芯片，可用作精密頻率電壓轉換器、a/d轉換器、線性頻率調制解調、長時間積分器及其他相關器件。lm331采用了新的溫度補償能隙基準電路，在整個工作溫度范圍內和低到4.0v電源電壓下都有極高的精度。lm331的動態(tài)范圍寬，可達100db；線性度好，最大非線性失真小于0.01，工作頻率低到0.1hz時尚有較好的線性；變換精度高，數(shù)字分辨率可達12位；外接電路簡單，只需接入幾個外部元件就可方便構成v/f或f/v等變換電路，并且容易保證轉換精度。傳感器信號處理與接口(1)21傳感器信號處理與接口(1)22傳感器信號處理與接口(1)23六、電容量六、電容量-頻率變換電路頻率變換電路( ca

8、pacitance-to-frequency converter)傳感器信號處理與接口(1)24七、頻率七、頻率-電壓變換電路電壓變換電路(frequency -to- voltage converter) f/v轉換電路各種各樣，通常用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器轉換電路各種各樣，通常用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和平均電路構成。和平均電路構成。(0-100hz轉為轉為0- -10v)傳感器信號處理與接口(1)25 f/v轉換集成電路轉換集成電路 advfc32 lm331傳感器信號處理與接口(1)26傳感器信號處理與接口(1)27八、電荷八、電荷-電壓變換電路電壓變換電路 (charge-to-voltage conve

9、rter)傳感器信號處理與接口(1)28第七節(jié)第七節(jié) 模數(shù)轉換電路模數(shù)轉換電路a-d轉換轉換(analog-to-digital conversion)a-d轉換器的種類轉換器的種類 并行比較并行比較(“閃電閃電”式式)adc 逐次逼近逐次逼近adc 積分型積分型adc “流水線流水線” adc -adc傳感器信號處理與接口(1)29一、直接轉換一、直接轉換adc 直接轉換直接轉換adc也稱也稱“閃電閃電”式式(flash)，這種結構的，這種結構的adc速速度極快，所有位的轉換同時完度極快，所有位的轉換同時完成，成， 但要求高密度集成數(shù)量巨但要求高密度集成數(shù)量巨大的比較器，一個大的比較器，一個

10、n位分辨率位分辨率的轉換器需要的轉換器需要2n-1個比較器。個比較器。參考電壓由一個電阻網(wǎng)絡設定，參考電壓由一個電阻網(wǎng)絡設定，彼此相差彼此相差vref/2n，當輸入電壓，當輸入電壓vin加上以后，所有比較器將加上以后，所有比較器將 vin與各自的參考電壓值進行比與各自的參考電壓值進行比較。輸出經(jīng)一個編碼邏輯單元較。輸出經(jīng)一個編碼邏輯單元編碼后產(chǎn)生轉換器的并行編碼后產(chǎn)生轉換器的并行 n位位數(shù)據(jù)輸出，雖然直接轉換數(shù)據(jù)輸出，雖然直接轉換 adc 具有最快的速度，具有最快的速度，(目前可達幾目前可達幾個個ghz)，但其分辨率受到集成，但其分辨率受到集成度的限制，其過大的輸入電容度的限制，其過大的輸入電

11、容及大量的比較器產(chǎn)生的功率耗及大量的比較器產(chǎn)生的功率耗散，都將使該種轉換器的應用散，都將使該種轉換器的應用受到影響。受到影響。 傳感器信號處理與接口(1)30二、逐次逼近二、逐次逼近adc 逐次逼近逐次逼近adc或稱為位權轉換技術，這種結構如圖或稱為位權轉換技術，這種結構如圖 ，采用一個比較器和，采用一個比較器和一個一個n位數(shù)模轉換器位數(shù)模轉換器(dac)和一個逐次逼近寄存控制器和一個逐次逼近寄存控制器(sar)等組成，當開始等組成，當開始轉換時，轉換時，sar將高位設置為將高位設置為 1， dac將該值轉換模擬量后由比較器與輸入電壓將該值轉換模擬量后由比較器與輸入電壓進行比較，當高于輸入電壓

12、時則進行比較，當高于輸入電壓時則sar將第將第 1位設為位設為 0，同時設置第二位為，同時設置第二位為 1進進行下一次比較，當行下一次比較，當 dac電壓低于輸入電壓時電壓低于輸入電壓時 sar將該位設為將該位設為 1，同時設置下，同時設置下一位為一位為 1，這樣直到第，這樣直到第 n位設置并判斷完成后，位設置并判斷完成后， sar將此比較結果作為將此比較結果作為 adc的輸出。這種轉換技術具有功耗較低，很低的生產(chǎn)成本，但其輸入帶寬低，采的輸出。這種轉換技術具有功耗較低，很低的生產(chǎn)成本，但其輸入帶寬低，采樣速率不高樣速率不高(最高達最高達1mbps)。 傳感器信號處理與接口(1)31三、積分型

13、三、積分型adc 積分型積分型adc又稱雙斜率轉換技術，它包括兩個主要部分，一部分電又稱雙斜率轉換技術，它包括兩個主要部分，一部分電路采樣并量化輸入電壓，產(chǎn)生一個時域間隔，另一部分產(chǎn)生脈沖序列，路采樣并量化輸入電壓，產(chǎn)生一個時域間隔，另一部分產(chǎn)生脈沖序列，再由一個記數(shù)器將其轉換成數(shù)字量。如圖再由一個記數(shù)器將其轉換成數(shù)字量。如圖6，圖，圖7，積分型，積分型 adc的速度和的速度和帶寬都非常低，但它們抑制高頻噪聲和固定的低頻干擾的能力很強。帶寬都非常低，但它們抑制高頻噪聲和固定的低頻干擾的能力很強。 傳感器信號處理與接口(1)32四、四、-轉換器轉換器 -轉換器又稱過采樣轉換器，這種轉換器由轉換器

14、又稱過采樣轉換器，這種轉換器由-調制器及數(shù)字濾波器和調制器及數(shù)字濾波器和1位位dac構成，如圖構成，如圖8，輸入信，輸入信號送入號送入-adc后被后被1位位dac進行高速量化，經(jīng)過數(shù)字進行高速量化，經(jīng)過數(shù)字濾波處理后，得到轉換記錄。濾波處理后，得到轉換記錄。 傳感器信號處理與接口(1)33五、五、“流水線流水線” adc “流水線流水線” adc又稱為子區(qū)式模數(shù)轉換器，它由級聯(lián)的多級電路組成，又稱為子區(qū)式模數(shù)轉換器，它由級聯(lián)的多級電路組成，每一級包含一個采樣保持放大器，一個低分辨率每一級包含一個采樣保持放大器，一個低分辨率adc和和dac，以及一個，以及一個求和電路和一個可提供增益的級間放大器

15、組成。首先由第一級執(zhí)行較粗求和電路和一個可提供增益的級間放大器組成。首先由第一級執(zhí)行較粗略的略的m位位a/d轉換。按著由一個轉換。按著由一個n位精度的位精度的dac將轉換結果變回到將轉換結果變回到2m的模的模擬電平與輸入求差，最后由級間放大器將差值信號傳入下一級，經(jīng)過最擬電平與輸入求差，最后由級間放大器將差值信號傳入下一級，經(jīng)過最后一級轉換后，最后由較精確的低位閃電式轉換器將最后的差值進行轉后一級轉換后，最后由較精確的低位閃電式轉換器將最后的差值進行轉換。將所有子區(qū)的轉換結果組合起來，從而完成轉換。換。將所有子區(qū)的轉換結果組合起來，從而完成轉換。 此結構簡化了此結構簡化了adc的設計，允許各子

16、區(qū)同時對多個采樣進行處理。的設計，允許各子區(qū)同時對多個采樣進行處理。非常低的功耗、很高的轉換速度，可達非常低的功耗、很高的轉換速度，可達10msps。該結構對噪聲，帶寬和。該結構對噪聲，帶寬和瞬態(tài)響應速度等都具有很大的改善。瞬態(tài)響應速度等都具有很大的改善。 “流水線流水線”adc不僅具有很高的采樣率、很寬的輸入頻帶，而且功耗不僅具有很高的采樣率、很寬的輸入頻帶，而且功耗低。低。傳感器信號處理與接口(1)34簡化的max1200系列14位流水線adc的內部邏輯傳感器信號處理與接口(1)35六、六、3 位位a/d轉換器轉換器傳感器信號處理與接口(1)36傳感器信號處理與接口(1)37五、五、4 位

17、位a/d轉換器轉換器max1491 3 max1493/max1495 4 傳感器信號處理與接口(1)38傳感器信號處理與接口(1)39傳感器信號處理與接口(1)40第八節(jié)第八節(jié) 數(shù)字顯示數(shù)字顯示一、熒光數(shù)碼管顯示一、熒光數(shù)碼管顯示傳感器信號處理與接口(1)41二、二、led顯示顯示(light emitting diode ) 通過發(fā)光二極管芯片的適當連接（包括串聯(lián)和并聯(lián)）和適當?shù)墓鈱W結通過發(fā)光二極管芯片的適當連接（包括串聯(lián)和并聯(lián)）和適當?shù)墓鈱W結構?？蓸嫵砂l(fā)光顯示器的發(fā)光段或發(fā)光點。由這些發(fā)光段或發(fā)光點可以組構。可構成發(fā)光顯示器的發(fā)光段或發(fā)光點。由這些發(fā)光段或發(fā)光點可以組成數(shù)碼管、符號管、米

18、字管、矩陣管、電平顯示器管等。通常把數(shù)碼管、成數(shù)碼管、符號管、米字管、矩陣管、電平顯示器管等。通常把數(shù)碼管、符號管、米字管共稱筆畫顯示器，而把筆畫顯示器和矩陣管統(tǒng)稱為字符顯符號管、米字管共稱筆畫顯示器，而把筆畫顯示器和矩陣管統(tǒng)稱為字符顯示器。示器。 1. led字符顯示器結構及分類字符顯示器結構及分類 （一）（一）led顯示器結構顯示器結構 基本的半導體數(shù)碼管是由七個條狀發(fā)光二極管芯片按下圖排列而成基本的半導體數(shù)碼管是由七個條狀發(fā)光二極管芯片按下圖排列而成的?？蓪崿F(xiàn)的。可實現(xiàn)09的字符顯示。的字符顯示。 傳感器信號處理與接口(1)42（二（二 ） led顯示器分類顯示器分類 a. 按字高分按字高分 b. 按顏色分按顏色分 c.按發(fā)光管電極的連接方式按發(fā)光管電極的連接方式 ：共陰極：共陰極 共陽極共陽極 d.按結構分：反射罩式按結構分：反射罩式 、條形七段數(shù)碼管、單片集成、條形七段數(shù)碼管、單片集成 傳感器信號處理與接口(1)43led點陣式顯示器點陣式顯示器 led點陣式顯示器與由單個發(fā)光二極管連成的顯示器相比，具有焊點少、點陣式顯示器與由單個發(fā)光二極管連成的顯示器相比，具有焊點少、連線少，所有亮點在同平面、亮度均勻、外形美觀等優(yōu)點。連線少，所有亮點在同平面、亮度均勻、外形美觀等優(yōu)點。 點陣管根據(jù)其內部點陣管根據(jù)其內部le