傳感器信號(hào)的處理

1、整理課件傳感器信號(hào)的處理傳感器信號(hào)的處理拔茅職中 馬暢整理課件第六章 傳感器信號(hào)的處理 傳感器的輸出信號(hào)具有種類多、信號(hào)微弱、易衰減、非線性、易受干擾等不利于處理的特點(diǎn)，所以對(duì)傳感器的信號(hào)處理是傳感器技術(shù)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。常用的傳感器信號(hào)處理的一些基本方法及器件有傳感器信號(hào)的預(yù)處理、信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)、傳感器信號(hào)的非線性校正、測(cè)量放大器、有源濾波器和A/D轉(zhuǎn)換器等。整理課件第一節(jié) 傳感器信號(hào)的預(yù)處理 一、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，對(duì)被測(cè)量的控制和信息處理多采用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，故傳感器的檢測(cè)信號(hào)一般需要被采集到計(jì)算機(jī)中作進(jìn)一步處理，以便獲得所需的控制和顯示信息。在用計(jì)算機(jī)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和控制

2、時(shí)，必須先將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后計(jì)算機(jī)按一定的處理要求對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的電路系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中最重要的器件便是模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D轉(zhuǎn)換器）。整理課件第一節(jié) 傳感器信號(hào)的預(yù)處理 1、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)常由包括放大器、濾波器等在內(nèi)的信號(hào)調(diào)理電路、多路模擬開關(guān)、采樣/保持電路、A/D轉(zhuǎn)換器以及接口控制邏輯電路所組成。整理課件第一節(jié) 傳感器信號(hào)的預(yù)處理 （1）信號(hào)調(diào)理電路傳感器輸出的模擬信號(hào)往往因其幅值較小，可能含有不需要的高頻分量或其阻抗不能與后續(xù)電路匹配等原因，不能直接送給A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，需要對(duì)這個(gè)信號(hào)進(jìn)行必要的處理，這些處理電

3、路就叫信號(hào)調(diào)理電路。信號(hào)調(diào)理電路是各種電路的綜合名稱，如放大器、濾波器和線性修正電路等。對(duì)于一個(gè)具體的數(shù)字采集系統(tǒng)而言，所采用的信號(hào)調(diào)理技術(shù)及其電路，由傳感器輸出信號(hào)的特性和后續(xù)采樣/保持電路（或A/D轉(zhuǎn)換）的要求或確定的測(cè)量要求決定。整理課件第一節(jié) 傳感器信號(hào)的預(yù)處理 （2）多路模擬開關(guān)多路模擬開關(guān)在控制信號(hào)作用下，按指定的次序把各路模擬信號(hào)分時(shí)地送到A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。（3）采樣/保持電路（S/H電路）由于A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，如在轉(zhuǎn)換過程中輸入的信號(hào)有所改變，則轉(zhuǎn)換結(jié)果與轉(zhuǎn)換之初的模擬信號(hào)便有較大的誤差，甚至是面目全非。故為了保證轉(zhuǎn)換的精度，需要在模擬信號(hào)源與A/D轉(zhuǎn)

4、換器之間接入采樣/保持電路。采樣/保持電路先處于采樣模式，采樣后使采樣/保持電路處于保持模式，即輸出電壓保持不變，接下來才對(duì)這個(gè)輸出信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。為提高系統(tǒng)的測(cè)量速度，采樣的時(shí)間越短越好；為了有良好的轉(zhuǎn)換精度，保持時(shí)間越長(zhǎng)越好。整理課件第一節(jié) 傳感器信號(hào)的預(yù)處理 （4）A/D轉(zhuǎn)換器 A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心器件，它把模擬信號(hào)輸入轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出。最常用的A/D轉(zhuǎn)換器是逐次逼進(jìn)型和雙斜積分型。（5）接口電路及控制邏輯A/D轉(zhuǎn)換器所輸出的數(shù)字信號(hào)無論在邏輯電平還是時(shí)序要求、驅(qū)動(dòng)能力等方面與計(jì)算機(jī)的總線信號(hào)可能會(huì)有差別，因此，A/D轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)不能直接送至計(jì)算機(jī)總線上，必須在兩者

5、之間加入接口電路以實(shí)現(xiàn)電路參數(shù)匹配。邏輯控制電路是受控于計(jì)算機(jī)來產(chǎn)生一定時(shí)序要求的邏輯控制信號(hào)的電路系統(tǒng)。整理課件第一節(jié) 傳感器信號(hào)的預(yù)處理 （3）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作過程首先讓多路模擬開關(guān)接通被測(cè)的某路模擬輸入，其次讓采用/保持電路進(jìn)入采樣模式，待輸出跟蹤輸入到達(dá)某一指定的誤差帶內(nèi)之后再進(jìn)入保持模式，然后才開始A/D轉(zhuǎn)換（此時(shí)模擬開關(guān)可切換至另一路模擬輸入），待A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，才允許計(jì)算機(jī)讀數(shù)數(shù)據(jù)。整理課件第一節(jié) 傳感器信號(hào)的預(yù)處理 二、傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn) （1）由于傳感器種類繁多，故傳感器的輸出形式也是各式各樣的。有開關(guān)信號(hào)型、模擬信號(hào)型（電壓型、電流型和阻抗型等）、數(shù)字信號(hào)型。 （2）

6、傳感器的輸出信號(hào)一般比較微弱，有的傳感器輸出電壓僅有0.1V。 （3）傳感器的輸出阻抗都比較高，這樣使傳感器信號(hào)輸入到測(cè)量轉(zhuǎn)換電路時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的信號(hào)衰減。 （4）傳感器的動(dòng)態(tài)范圍很寬。 （5）傳感器的輸出與輸入之間的關(guān)系有時(shí)不是線性關(guān)系。 （6）傳感器的輸出量會(huì)受溫度的影響。整理課件第一節(jié) 傳感器信號(hào)的預(yù)處理 三、傳感器信號(hào)的預(yù)處理方法1、傳感器信號(hào)的預(yù)處理的主要目的傳感器信號(hào)的預(yù)處理的主要目的是根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)，采取不同的信號(hào)處理方法來抑制干擾信號(hào)，并對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的非線性、零位誤差和增益誤差等進(jìn)行補(bǔ)償和修改，從而提高檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度和線性度。傳感器的信號(hào)預(yù)處理后，使其成為可供測(cè)量、控

7、制及便于向微型計(jì)算機(jī)輸入的信號(hào)形式。整理課件第一節(jié) 傳感器信號(hào)的預(yù)處理 2、常用傳感器信號(hào)預(yù)處理方法 （1）抗變換電路 在傳感器輸出為高阻抗的情況下，變換為低阻抗，以便于檢測(cè)電路準(zhǔn)確地拾取傳感器的輸出信號(hào)。 （2）放大電路 將傳感器輸出微弱信號(hào)放大。 （3）電流電壓轉(zhuǎn)換電路 將傳感器的電流輸出轉(zhuǎn)換成電壓值。 （4）頻率電壓轉(zhuǎn)換電路 把傳感器輸出的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流或電壓值。 （5）電橋電路 把傳感器的電阻、電感和電容值轉(zhuǎn)換為電流或電壓值。 整理課件第一節(jié) 傳感器信號(hào)的預(yù)處理 （6）電荷放大器 將電場(chǎng)型傳感器輸出產(chǎn)生的電荷量轉(zhuǎn)換為電壓值。 （7）交-直流轉(zhuǎn)換電路 在傳感器為交流輸出的情況下，轉(zhuǎn)換

8、為直流輸出。 （8）濾波電路 通過低通及帶通濾波器消除傳感器的噪音成分。 （9）非線性校正電路 傳感器的特性是非線性時(shí)，進(jìn)行非線性校正。 （10）對(duì)數(shù)壓縮電路 當(dāng)傳器輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍較寬時(shí)，用對(duì)數(shù)電路進(jìn)行壓縮。傳感器信號(hào)的預(yù)處理應(yīng)根據(jù)傳感器輸出的信號(hào)的特點(diǎn)及后續(xù)檢測(cè)電路對(duì)信號(hào)的要求選擇不同的預(yù)處理電路。整理課件第二節(jié) 測(cè)量放大器 一、測(cè)量放大器的選擇因傳感器輸出的信號(hào)很微弱，故對(duì)放大器的精度要求很高，要求它能鑒別被測(cè)量的微小變化，進(jìn)行緩沖、隔離、放大和電平轉(zhuǎn)換等處理。上述這些功能大多可用運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)。運(yùn)算放大器往往不能消除各種形式的共模干擾信號(hào)，因此，需要引入另一種形式的放大器，即儀表放

9、大器。它廣泛用于傳感器信號(hào)放大，特別是微弱信號(hào)及具有較大共模干擾的場(chǎng)合。 共模干擾:在傳感器的兩條輸出線上經(jīng)常產(chǎn)生較大的干擾信號(hào)（噪音），有時(shí)是完全相同的干擾，稱為共模干擾。整理課件二、儀表放大器儀表放大器又稱為數(shù)據(jù)放大器。一般是由三只高精度運(yùn)放及精密電阻一起組裝而成。其中兩只高精度遠(yuǎn)方參數(shù)對(duì)稱，構(gòu)成電路對(duì)稱的差分輸入級(jí)。儀表放大器輸入阻抗高，共模抑制比高，噪聲低，穩(wěn)定性好。儀表放大器主要用于微小信號(hào)的精確測(cè)量。廣泛應(yīng)用于傳感器信號(hào)放大、高阻電橋、光電管、生物電放大及高阻比較器等各種場(chǎng)合。 第二節(jié) 測(cè)量放大器 整理課件三、儀表放大器應(yīng)具有如下性能1、低噪聲 采用地噪聲放大器件并采取有效的減小噪

10、聲措施，以免測(cè)量信號(hào)被淹沒在噪聲中。2、高穩(wěn)定性、低漂移 減小溫度漂移和防止自動(dòng)激蕩等。3、高抗干擾性能 放大器的前級(jí)是最易受干擾，要盡量縮短導(dǎo)線影響，采用調(diào)制的方法和妥善的屏蔽措施等4、高輸入阻抗 由于傳感器輸出信號(hào)很微弱，要求放大器的接入，盡可能對(duì)傳感器影響小。傳感器輸出阻抗很高時(shí)，更要求放大器有高輸入阻抗。第二節(jié) 測(cè)量放大器 整理課件5、高共模抑制比 一方面是由于許多被測(cè)量本身事物差模信號(hào)，另一方面由于許多干擾為共模干擾，因此高共模抑制必有利于提高干擾性能。6、高線性度 在較大量程內(nèi)有良好的線性。7、適宜的頻率特性 為使放大后的信號(hào)不失真，要求它有寬頻帶。為抑制某些干擾，有要求它有合適的

11、頻率。四、儀表放大器的選擇儀表放大器應(yīng)在考慮以上性能要求后進(jìn)行選擇，當(dāng)然在滿足要求時(shí)還應(yīng)考慮價(jià)格、生產(chǎn)廠商的信譽(yù)等問題。第二節(jié) 測(cè)量放大器 整理課件第三節(jié) 信號(hào)的調(diào)制與解調(diào) 一、信號(hào)調(diào)制與解調(diào)的概念 從信號(hào)放大角度來看，直流信號(hào)（傳感器傳出的信號(hào)有許多是近似直流緩變信號(hào)）的放大比較困難。因此，需要把傳感器輸出的緩變信號(hào)先變成具有高頻率的交流信號(hào)，再進(jìn)行放大和傳輸，最后，在還原成原來頻率的信號(hào)（信號(hào)已被放大），這樣一個(gè)過程，稱為信號(hào)的調(diào)制可解調(diào)。 整理課件第三節(jié) 信號(hào)的調(diào)制與解調(diào) 二、信號(hào)的調(diào)制所謂調(diào)制就是利用信號(hào)來控制高頻率振蕩的過程。即人為地產(chǎn)生一個(gè)高頻信號(hào)（它有頻率、幅值、相立三個(gè)參數(shù)而定

12、），是這個(gè)高頻信號(hào)的三個(gè)參數(shù)中的一個(gè)隨著需要傳輸?shù)男盘?hào)變化而變化，這樣，原來變化緩慢的信號(hào)，就被這個(gè)受控制的高頻振蕩信號(hào)所代替，進(jìn)行放大和傳輸，以期得到最好的放大和傳輸效果。 整理課件第三節(jié) 信號(hào)的調(diào)制與解調(diào) 三、信號(hào)的解調(diào)所謂解調(diào)就是從已被放大和傳輸?shù)?，且有原來信?hào)信息的高頻信號(hào)中，把原來信號(hào)取出的過程。四、調(diào)制的三種過程1、調(diào)幅高頻振蕩的幅度受緩變信號(hào)控制時(shí)，稱為調(diào)幅，以AM表示。2、調(diào)頻高頻振蕩的頻率受緩變信號(hào)控制時(shí)，成為調(diào)頻，以FM表示。3、調(diào)相高頻振蕩的相立受緩變信號(hào)控制時(shí)，稱為調(diào)相，以PM表示。整理課件第四節(jié) 有源濾波器 濾波器用以容許通過某些一頻率范圍的電信號(hào)，而阻止或?yàn)V去此頻率

13、范圍外的電信號(hào)。在檢測(cè)中通過用來把測(cè)量信號(hào)中不同頻率成分分離開來，保留有用信號(hào)，去除 噪聲，所以應(yīng)用廣泛。整理課件第四節(jié) 有源濾波器 一、濾波器的分類1、按通過的頻率范圍分濾波器低通濾波（LPF）高通濾波（HPF）帶通濾波（BPF）帶阻濾波（BEF）整理課件第四節(jié) 有源濾波器 2、根據(jù)性質(zhì)不同分濾波器無源濾波器無源濾波器由于消耗能量而使信號(hào)衰減，在信號(hào)轉(zhuǎn)換中一般不被采用。有源濾波器有源濾波器能克服無源濾波器的缺點(diǎn)，在檢測(cè)中應(yīng)用廣泛。 阻容濾波器具有抗干擾能力強(qiáng)、精度高、設(shè)計(jì)調(diào)試方便、中心頻率連續(xù)可調(diào)，無需阻抗匹配和體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在檢測(cè)中應(yīng)用廣泛。整理課件第五節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器的選

14、擇 一、 A/D轉(zhuǎn)換器的作用A/D轉(zhuǎn)換器的作用是將傳感器接口電路預(yù)處理過的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)，并輸入到計(jì)算機(jī)中去。二、A/D轉(zhuǎn)換器的定義及分類A/D轉(zhuǎn)換器是集成在一塊芯片上，并能完成模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換的單元電路。A/D轉(zhuǎn)換器 直接型（比較型） 間接型（積分型）將模擬輸入電壓與基準(zhǔn)電壓比較后直接得到數(shù)字信號(hào)輸出。先將模擬信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間間隔或頻率信號(hào)，然后再把時(shí)間間隔或頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出。整理課件第五節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器的選擇 三、A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)1、分辨率 D分辨率指輸出數(shù)字量對(duì)輸入模擬量變化的分辨能力，利用它可以決定使輸出數(shù)碼增加（或減少）一位所需要的輸入信號(hào)最小變化量。 D=1/2n式中，n為轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，n越高，測(cè)量的誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高，但成本也高。整理課件第五節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器的選擇 2、轉(zhuǎn)換時(shí)間設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器已處于準(zhǔn)備就緒狀態(tài)，從A/