第11章檢測裝置的信號(hào)處理及接口技術(shù)PPT課件

1、第11章 檢測裝置的信號(hào)處理及接口技術(shù) 11.1.1 11.1.1 運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器 1 1反相比例放大器反相比例放大器 反相放大器的放大倍數(shù)為反相放大器的放大倍數(shù)為 2 2同相放大器同相放大器 同相放大器的放大倍數(shù)為同相放大器的放大倍數(shù)為圖11.1 運(yùn)算放大器應(yīng)用 210RRUUGi) 1(210RRUUGi第11章 檢測裝置的信號(hào)處理及接口技術(shù) 11.1.2 11.1.2 測量放大器測量放大器 1 1測量放大器概述測量放大器概述 測量放大器測量放大器廣泛應(yīng)用于傳感器的信號(hào)放大，特別是對微弱信號(hào)及其廣泛應(yīng)用于傳感器的信號(hào)放大，特別是對微弱信號(hào)及其有較大共模干擾的場合。有較大共模干擾的場合

2、。 2 2測量放大器的組成測量放大器的組成 測量放大器由兩級串聯(lián)而成，前級由兩個(gè)同相放大器組成，后級是測量放大器由兩級串聯(lián)而成，前級由兩個(gè)同相放大器組成，后級是差動(dòng)放大器。測量放大器的放大倍數(shù)由下面公式計(jì)算：差動(dòng)放大器。測量放大器的放大倍數(shù)由下面公式計(jì)算：)1 (11210GGiRRRRRRUUG圖11.2 測量放大器原理圖第11章 檢測裝置的信號(hào)處理及接口技術(shù) 3 3實(shí)用測量放大器實(shí)用測量放大器 測量放大器的放大倍數(shù)按下面公式計(jì)算：測量放大器的放大倍數(shù)按下面公式計(jì)算： 圖11.3 AD521引腳及連接方法 GINOUTRRUUG1第11章 檢測裝置的信號(hào)處理及接口技術(shù) 11.1.3 11.1

3、.3 隔離放大器隔離放大器 1 1隔離放大器的組成隔離放大器的組成 隔離放大器由輸入部分隔離放大器由輸入部分A A 、輸出部分、輸出部分B B 、信號(hào)耦合變壓器和隔離電源、信號(hào)耦合變壓器和隔離電源 4 4個(gè)基本部分組成。個(gè)基本部分組成。 2 2隔離放大器的工作原理隔離放大器的工作原理 典型的隔離放大器的原理如圖典型的隔離放大器的原理如圖11.511.5所示，（所示，（a a）所示為原理方框圖，圖）所示為原理方框圖，圖（b b）所示為簡化的功能圖。）所示為簡化的功能圖。 圖11.5 典型的隔離放大器 第11章 檢測裝置的信號(hào)處理及接口技術(shù) 隔離放大器總電壓增益為隔離放大器總電壓增益為 G=GIN

4、GOUT=11 000。圖11.5 典型的隔離放大器 第11章 檢測裝置的信號(hào)處理及接口技術(shù) 3 3一個(gè)典型接線圖一個(gè)典型接線圖 Model 284JModel 284J也是一個(gè)變壓器耦合型的隔離放大器。也是一個(gè)變壓器耦合型的隔離放大器。284J284J內(nèi)部包內(nèi)部包括輸入放大器、調(diào)制器、變壓器、解調(diào)器和振蕩器等部分，它的接括輸入放大器、調(diào)制器、變壓器、解調(diào)器和振蕩器等部分，它的接法如圖法如圖11.611.6所示。所示。 圖11.6 Model 284J外部接線 第11章 檢測裝置的信號(hào)處理及接口技術(shù) 11.1.4 11.1.4 程控測量放大器程控測量放大器PGA PGA 圖圖11.711.7所

5、示為程控測量放大器的原理結(jié)構(gòu)圖。它是在圖所示為程控測量放大器的原理結(jié)構(gòu)圖。它是在圖11.211.2的基礎(chǔ)的基礎(chǔ)上，增加了一些模擬開關(guān)和驅(qū)動(dòng)電路。上，增加了一些模擬開關(guān)和驅(qū)動(dòng)電路。 圖11.7 程控測量放大器 第11章 檢測裝置的信號(hào)處理及接口技術(shù) 美國美國AD公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的LH0084程控測量放大器，其結(jié)構(gòu)原理如圖程控測量放大器，其結(jié)構(gòu)原理如圖11.811.8所示。所示。 圖11.8 LH0084程控放大器原理圖 第11章 檢測裝置的信號(hào)處理及接口技術(shù) 11.2.1 11.2.1 010mA的電壓的電壓/ /電流變換（電流變換（V/I變換）變換） V/I變換器的作用是將電壓信號(hào)變換為標(biāo)準(zhǔn)

6、的電流信號(hào)，它不僅要求具有變換器的作用是將電壓信號(hào)變換為標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)，它不僅要求具有恒流性能，而且要求輸出電流隨負(fù)載電阻變化所引起的變化量不能超過允許恒流性能，而且要求輸出電流隨負(fù)載電阻變化所引起的變化量不能超過允許值。值。 圖11.9 010mA的V/I變換電路 第11章 檢測裝置的信號(hào)處理及接口技術(shù) 11.2.2 411.2.2 42020mA的電壓的電壓/ /電流變換（電流變換（V/I變換）變換） 傳感器與微型機(jī)之間要進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸，更可靠的方法是使用具有傳感器與微型機(jī)之間要進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸，更可靠的方法是使用具有恒流輸出的恒流輸出的V/I變換器，產(chǎn)生變換器，產(chǎn)生420mA的統(tǒng)一

7、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，即規(guī)定傳感器從零的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，即規(guī)定傳感器從零到滿量程的統(tǒng)一輸出信號(hào)為到滿量程的統(tǒng)一輸出信號(hào)為420mA的恒定直流電流。的恒定直流電流。 圖11.10 420mA的V/I變換電路 第11章 檢測裝置的信號(hào)處理及接口技術(shù) 11.3.1 11.3.1 模擬量輸入通道模擬量輸入通道 模擬量輸入通道（簡稱模入通道）一般由濾波電路、多路模擬開關(guān)、模擬量輸入通道（簡稱模入通道）一般由濾波電路、多路模擬開關(guān)、放大器、采樣保持器（放大器、采樣保持器（S/H）和）和A/D轉(zhuǎn)換器組成，其中轉(zhuǎn)換器組成，其中A/D轉(zhuǎn)換器是完成模轉(zhuǎn)換器是完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換的主要器件。數(shù)轉(zhuǎn)換的主要器件。模入通道有單通道和多通道之

8、分。多通道的結(jié)構(gòu)通常模入通道有單通道和多通道之分。多通道的結(jié)構(gòu)通常又可分為：又可分為： （1 1）每個(gè)通道有獨(dú)自的放大器、）每個(gè)通道有獨(dú)自的放大器、S/HS/H采樣保持器和采樣保持器和A/DA/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 圖11.11 每通道有獨(dú)自A/D轉(zhuǎn)換器等器件的結(jié)構(gòu) 第11章 檢測裝置的信號(hào)處理及接口技術(shù) （2 2）多路通道共享放大器、）多路通道共享放大器、S/H采樣保持器和采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 11.3.2 11.3.2 A/D轉(zhuǎn)換器及其與單片機(jī)的接口轉(zhuǎn)換器及其與單片機(jī)的接口 1 1A/D轉(zhuǎn)換器的一般描述轉(zhuǎn)換器的一般描述 （1 1）主要性能指標(biāo)）主要性能指標(biāo) （2 2）類型和品種

9、）類型和品種 （3 3）輸入）輸入/ /輸出方式和控制信號(hào)。輸出方式和控制信號(hào)。 圖11.12 多通道共享A/D轉(zhuǎn)換器等器件的結(jié)構(gòu) 第11章 檢測裝置的信號(hào)處理及接口技術(shù) 2 2幾種幾種A/D轉(zhuǎn)換器及接口電路轉(zhuǎn)換器及接口電路 （1 1）ADC0808、ADC0809：ADC0808/0809是是8 8位位A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 圖11.13 ADC0809引腳圖 圖11.14 ADC0808/0809與8031的接口 第11章 檢測裝置的信號(hào)處理及接口技術(shù) 8031的的8路連續(xù)采樣程序如下（略去偽指令路連續(xù)采樣程序如下（略去偽指令ORG等，以下程序同）：等，以下程序同）： MOV DPTR，#

10、7FF8H ；設(shè)置外設(shè)（；設(shè)置外設(shè)（A/D）口地址和通道號(hào)）口地址和通道號(hào) MOV R0，#40H ；設(shè)置數(shù)據(jù)指針；設(shè)置數(shù)據(jù)指針 MOV IE，#84H ；允許外部中斷；允許外部中斷1中斷中斷 SETB IT1 ；置邊沿觸發(fā)方式；置邊沿觸發(fā)方式 MOVX DPTR，A ；啟動(dòng)轉(zhuǎn)換；啟動(dòng)轉(zhuǎn)換 LOOP： CJNE R0，#48，LOOP ；判；判8個(gè)通道是否完畢個(gè)通道是否完畢 RET ；返回主程序；返回主程序 AINT： MOVX A，DPTR ；輸入數(shù)據(jù)；輸入數(shù)據(jù) MOV R0， A INC DPTR ；修改指針；修改指針 INC R0 MOVX DPTR，A ；啟動(dòng)轉(zhuǎn)換；啟動(dòng)轉(zhuǎn)換 RETI

11、；中斷返回；中斷返回 第11章 檢測裝置的信號(hào)處理及接口技術(shù) （2）AD574 ：AD574是是12位的位的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 （a）單極性輸入 （b）雙極性輸入圖11.15 AD574單極性和雙極性輸入 第11章 檢測裝置的信號(hào)處理及接口技術(shù) 8031的調(diào)試程序如下：的調(diào)試程序如下： MOV DPTR，#7EFFH MOVX DPTR，A；啟動(dòng)；啟動(dòng)A/D MOV R7，#20HLOOP：DJNZ R7，LOOP；延時(shí)；延時(shí) MOVX A，DPTR MOV R0，A ；讀高位數(shù)據(jù)，存入；讀高位數(shù)據(jù)，存入R0中中 INC DPH MOVX A，DPTR MOV R1，A；讀低位數(shù)據(jù)，存入；讀低

12、位數(shù)據(jù)，存入R1中中 RET 圖11.16 AD574與8031的接口 第11章 檢測裝置的信號(hào)處理及接口技術(shù) 11.4.1 11.4.1 線性化處理方法線性化處理方法 模擬量非線性校正有兩種方法：一種是折線逼近法，另一種是線性模擬量非線性校正有兩種方法：一種是折線逼近法，另一種是線性提升法。提升法。 1 1折線逼近法折線逼近法 （1 1）校正特性曲線逼近法。它是根據(jù)傳感器的非線性特性，做出校校正特性曲線逼近法。它是根據(jù)傳感器的非線性特性，做出校正特性曲線，再將校正特性曲線折線化逼近。圖解法求非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)正特性曲線，再將校正特性曲線折線化逼近。圖解法求非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)特性曲線如圖特性曲線如圖1

13、1.1711.17所示。所示。 圖11.17 圖解法求非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)特性 第11章 檢測裝置的信號(hào)處理及接口技術(shù) （2）特性曲線折線逼近法。將上述傳感器的特性曲線）特性曲線折線逼近法。將上述傳感器的特性曲線y=f(x)用連用連續(xù)有限線段來代替。在圖續(xù)有限線段來代替。在圖11.20中，各段折線的方程如下：中，各段折線的方程如下： y=k1x (x1x0) y=k1x1+k2(x-x1) (x2xx1) y=k1x1+k2(x2-x1)+k3(xx2) (x3xx2) y=k1x1+k2(x2-x1)+k3(x3x2)+ kn-1(xn-1xn-2)+kn(xxn-1) (xnxxn-1) 用連續(xù)

14、有限線段替代特性曲線，然后根據(jù)各轉(zhuǎn)折點(diǎn)用連續(xù)有限線段替代特性曲線，然后根據(jù)各轉(zhuǎn)折點(diǎn)xi和各段折和各段折線的斜率來設(shè)計(jì)電路。線的斜率來設(shè)計(jì)電路。 圖11.20 折線逼近法示意圖 第11章 檢測裝置的信號(hào)處理及接口技術(shù) 2 2線性提升法線性提升法 線性提升法是模擬量非線性校正的又一種方法，它是將特性曲線線性提升法是模擬量非線性校正的又一種方法，它是將特性曲線 y=f(x)用折線代替后，根據(jù)折線組與直線方程式用折線代替后，根據(jù)折線組與直線方程式y(tǒng)=k1x的偏差，依次增的偏差，依次增減偏差部分（這是通過運(yùn)算放大器輸入電壓的增減來實(shí)現(xiàn)的）。線性減偏差部分（這是通過運(yùn)算放大器輸入電壓的增減來實(shí)現(xiàn)的）。線性

15、提升法原理如圖提升法原理如圖11.21所示。其折線方程組如下：所示。其折線方程組如下： y=k1x ( k1=tana1，0 xx1) y=k1x-k2(x-x1) (k2=tana2，x1xx2) y=k1x-k2(x-x1)+k3(x-x3) (k3=tana3，x2xx3) 圖11.21 線性提升法示意圖 第11章 檢測裝置的信號(hào)處理及接口技術(shù) 為實(shí)現(xiàn)模擬量非線性校正的這兩種方法（折線逼近法和線性提升法），為實(shí)現(xiàn)模擬量非線性校正的這兩種方法（折線逼近法和線性提升法），均需有非線性元件（目前常利用二極管組成非線性電阻網(wǎng)絡(luò)來產(chǎn)生折點(diǎn)）組均需有非線性元件（目前常利用二極管組成非線性電阻網(wǎng)絡(luò)來產(chǎn)

16、生折點(diǎn)）組成的電路來予以校正，即用折點(diǎn)單元構(gòu)成非線性校正電路來實(shí)現(xiàn)。成的電路來予以校正，即用折點(diǎn)單元構(gòu)成非線性校正電路來實(shí)現(xiàn)。11.4.2 11.4.2 利用微機(jī)進(jìn)行非線性化處理利用微機(jī)進(jìn)行非線性化處理 1 1線性插值法線性插值法 這種方法就是先通過試驗(yàn)測出傳感器的輸入這種方法就是先通過試驗(yàn)測出傳感器的輸入/輸出數(shù)據(jù)，利用一次函數(shù)進(jìn)輸出數(shù)據(jù)，利用一次函數(shù)進(jìn)行插值，用直線逼近傳感器的特性曲線。行插值，用直線逼近傳感器的特性曲線。 圖11.22 簡單折點(diǎn)電路 圖11.23 精密折點(diǎn)單元電路 第11章 檢測裝置的信號(hào)處理及接口技術(shù) 圖11.24 分段線性插值法 圖11.25 線性插值法程序流程圖 第

17、11章 檢測裝置的信號(hào)處理及接口技術(shù) 2 2二次曲線插值法二次曲線插值法 若傳感器的輸入與輸出之間的特性曲線的斜率變化很大，采用線性若傳感器的輸入與輸出之間的特性曲線的斜率變化很大，采用線性插值法就會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，這時(shí)可采用二次曲線插值法，即用拋物線插值法就會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，這時(shí)可采用二次曲線插值法，即用拋物線代替原來的曲線，這樣代替的結(jié)果顯然比線性插值法更精確。代替原來的曲線，這樣代替的結(jié)果顯然比線性插值法更精確。 圖11.26 二次曲線插值法 圖11.27 二次曲線插值法程序流程圖 第11章 檢測裝置的信號(hào)處理及接口技術(shù) 小 結(jié) 被測的各種非電量信號(hào)經(jīng)傳感器檢測后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，但這些信號(hào)

18、被測的各種非電量信號(hào)經(jīng)傳感器檢測后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，但這些信號(hào)很微弱，并與輸入的被測量之間呈非線性關(guān)系，所以需進(jìn)行信號(hào)放大、很微弱，并與輸入的被測量之間呈非線性關(guān)系，所以需進(jìn)行信號(hào)放大、隔離、濾波、隔離、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、線性化處理、誤差修正等處理。轉(zhuǎn)換、線性化處理、誤差修正等處理。 信號(hào)放大一般采用放大器、程控放大器、數(shù)據(jù)放大器和隔離放大器，信號(hào)放大一般采用放大器、程控放大器、數(shù)據(jù)放大器和隔離放大器，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)使用場合和要求進(jìn)行選用。實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)使用場合和要求進(jìn)行選用。 A/D轉(zhuǎn)換器可以分為比較型和積分型兩種。比較型的轉(zhuǎn)換速度比積轉(zhuǎn)換器可以分為比較型和積分型兩種。比較型的轉(zhuǎn)換速度比積分型的快得多，但積分型的抗干擾能力比前者強(qiáng)，且價(jià)格相對較低。選分型的快得多，但積分型的抗干擾能力比前者強(qiáng)，且價(jià)格相對較低。選用用A/D轉(zhuǎn)換器可根據(jù)分辨率、轉(zhuǎn)換時(shí)間及轉(zhuǎn)換精度三項(xiàng)主