信號調(diào)理電路的原理、功能

1、什么是信號調(diào)理？信號調(diào)理電路的原理，信號調(diào)理模塊的功能 導讀 信號調(diào)理電路往往是把來自傳感器的模擬信號變換為用于數(shù)據(jù)采集、控制過程、執(zhí)行計算顯示讀出和其他目的的數(shù)字信號。模擬 傳感器可測量很多物理量，如溫度、壓力、力、流量、運動、位置、PH光強等。但是傳感器信號不能直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)，因為傳感器輸出是相當小的電壓、電流或變化，因此，在變換為數(shù)字數(shù)據(jù)之前必須進行調(diào)理。信號調(diào)理電路原理信號調(diào)理電路往往是把來自的模擬信號變換為用于、控制過程、執(zhí)行計算顯示讀出和其他目的的數(shù)字信號。模擬傳感器可測量很多物理量，如溫度、壓力、力、流量、運動、 位置、PH、 光強等。 但是傳感器信號不能直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)，

2、因為傳感器輸出是相當小的電壓、電流或變化，因此，在變換為數(shù)字數(shù)據(jù)之前必須進行調(diào)理。調(diào)理就是放大，緩沖或定標模擬信號，使其適合于模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的輸入。然后，ADC對模擬信號進行數(shù)字化，并把數(shù)字信 號送到或其他數(shù)字器件，以便用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理。信號調(diào)理 電路技術(shù)1. 放大提高輸入信號電平以更好地匹配模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）的 范圍，從而提高測量精度和靈敏度。此外，使用放置在更接近信號源或轉(zhuǎn)換器的外部信號調(diào)理裝置，可以通過在信號被環(huán)境噪聲影響之前提高信號電平來提高測量的信號-噪聲比。2. 衰減衰減， 即與放大相反的過程，在電壓 （ 即將被數(shù)字化的） 超過數(shù)字化儀輸入范圍時是十分必要的。這

3、種形式的信號調(diào)理降低了輸入信號的幅度，從而經(jīng)調(diào)理的信號處于 ADCE圍之內(nèi)。衰減對于測量高 電壓是十分必要的。3. 隔離隔離的信號調(diào)理設備通過使用變壓器、光或電容性的耦合技術(shù)， 無需物理連接即可將信號從它的源傳輸至測量設備。除了切斷接地回路之外，隔離也阻隔了高電壓浪涌以及較高的共模電壓，從而既保護了操作人員也保護了昂貴的測量設備。4. 多路復用通過多路復用技術(shù)，一個測量系統(tǒng)可以不間斷地將多路信號傳輸至一個單一的數(shù)字化儀，從而提供了一種節(jié)省成本的方式來極大地擴大系統(tǒng)通道數(shù)量。多路復用對于任何高通道數(shù)的應用是十分必要的。5. 過濾在一定的頻率范圍內(nèi)去處不希望的噪聲。幾乎所有的數(shù)據(jù)采集應用都會受到一

4、定程度的50Hz或60Hz的噪聲（來自于電線或機械 設備）。大部分信號調(diào)理裝置都包括了為最大程度上抑制50Hz或60Hz噪聲而專門設計的低通濾波器。6. 激勵激勵對于一些轉(zhuǎn)換器是必需的。例如， 應變計， 電熱調(diào)節(jié)器，和RT隔要外部電壓或電流激勵信號。通常RTDffi電熱調(diào)節(jié)器測量都是使用一個電流源來完成，這個電流源將電阻的變化轉(zhuǎn)換成一個可測量的電壓。應變計，一個超低電阻的設備，通常利用一個電壓激勵源來用于惠斯登（Wheatstone） 電橋配置。7. 冷端補償冷端補償是一種用于精確熱電偶測量的技術(shù)。任何時候，一個熱電偶連接至一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時，您必須知道在連接點的溫度（ 因為這個連接點代表測量

5、路徑上另一個“熱電偶”并且通常在您的測量中引入一個偏移） 來計算熱電偶正在測量的真實溫度。信號調(diào)理 電路設計實例1、硬件設計信號調(diào)理電路單路輸入的硬件結(jié)構(gòu)，包括信號輸入、放大、單片機控制等幾大部分。信號輸入電路由精密基準電源MAX872光AQW212E運放4502及精密儀表開關電容模塊 LTC1043等組成。其中精密基準電源的使用一方面提升輸入信號的電位，避免低電位測量時的干擾誤差; 另一方面作為一路檢測電路，其測量結(jié)果可以修正其它回路的檢測結(jié)果， 實現(xiàn)系統(tǒng)的在線自校正。MAX872具有較寬的 電壓輸入范圍20V）,輸出精度可達 士 。LTC1043CNIM雙精密儀表開關電容，電容外接，多用于

6、精密儀表放大電路、壓頻轉(zhuǎn)換電路和采樣保持電路等。當內(nèi)部開關頻率被設定在額定值300Hz 時，LTC1043CN勺傳輸精確度最高， 此時電容器CS和CH小士勻為1F。LTC1043CNff口運放LT1013組成差分單端放大器，采用LTC1043CN 為差分輸入的電壓采樣值，電壓保持在電容器CS上并送到接地參考電容器 CH 中， 而 CH 的電壓送到LT1013 的非反相輸入端放大。LTC1043CN通過電容完成電壓的傳輸，使電壓由差分輸入變?yōu)閱味溯斎?，并起到了很好的信號隔離作用，在本設計中雙電容的巧妙接法解決了熱電阻的三線制輸入問題。放大電路由運放L T 1 0 1 3 和數(shù)字電位器X9241M

7、組成，放大增益由數(shù)字電位器X9241 中三個數(shù)字電位器決定，使輸入信號經(jīng)過放大后均變?yōu)?500mMi勺電壓信號，滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器允許的電壓輸入范圍。本部分電路僅完成信號輸入，是我們研制網(wǎng)絡化智能儀表的一部分，對于輸入信號模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、顯示則由其它模塊完成。S4、 S5、 S6 是控制一路輸入的光繼電器，采集該路信號時同時合上，其他電路是所有通道信號輸入的公共電路，只是根據(jù)輸入信號的不同，單片機改變其余光繼電器的狀態(tài)，形成不同的輸入電路。具體可分為以下幾種情況：(1)采集15V電壓信號時： 繼電器CH合上，P11、SI、 P37斷開，通過電阻R2、R4實現(xiàn)分壓后變?yōu)榈碾妷盒盘柤釉跀?shù) 字電位器

8、X9241的0號電位器V0的兩端，經(jīng)過軟件實現(xiàn)對該電位器 的調(diào)節(jié)，令其滑動端的數(shù)值為25,按25J63(電位器內(nèi)共有63個電 阻單元組成的陣列)這樣比例繼續(xù)分壓變?yōu)榧s100500mV言號，力口 LTC1043CN勺電容CS上，此時數(shù)字電位器X9241的其它3個電位器 形成的放大倍數(shù)應為1, 才能保證在運放L T 1 0 1 3 的輸出端最大電壓不超過500mV; 具體如何設置這3個電位器滑動端的數(shù)值見后面軟件部分。(2) 采集熱電阻信號時：繼電器SI、 P11 合上，CH、 P37 斷開。 熱電阻采用的是三線制接法，消除了長距離傳輸時傳輸導線的電阻帶來的誤差。采集過來的電阻值接在IN1、 IN

9、2 兩端，IN2、 IN3 被三線制接法后短接，基準電壓此時加在熱電阻及R8、 R9 上，變?yōu)楹练夒妷盒盘栞斎搿．敒?Pt100輸入&Omegat轉(zhuǎn)換為約290m%右的電壓輸出。(3) 采集每個通道信號前還要采集兩個不同的基準電壓，實現(xiàn)儀表在測量中的自校正功能。電路中精密基準電源 MAX872輸出 的 電壓經(jīng)精密電阻 R1(66k&Omega) R3(192kΩ價壓后，將 約為640mV左右加在X9241的0號電位器分壓。此時繼電器S4 S5、 S6 斷開，繼電器P37 合上。2、軟件設計軟件部分所要完成的工作就是控制各光繼電器的狀態(tài)及設定數(shù)字電位器X92

10、41 中各數(shù)字電位器滑動端的位置。本模塊采用單片機控制，可與其它模塊單片機或上位機進行通信。信號類型的設定， 也可通過掃描鍵盤或IC 卡完成。 確定了各路的信號類型后，對應不同的輸入信號，數(shù)字電位器X9241 內(nèi)部的 4 個電位器滑動端的數(shù)值不同，其中決定放大倍數(shù)的電位器 RW1,RW2RW3的數(shù)值n1, n2, n3 可用下面計算方法得到，使得當信號輸入為上限值時，在 LT1013的輸出端得到約為 500mV的輸出電壓。算法為令 n1=63ViH500, n2=n1+1則得到電阻RW眄端的電壓V3=500H63(mV)由 Vi=(V3H63)n3+(500H63)n1 得至U n3=( 63

11、 x 63H500) - Vi- 63n1其中Vi為信號輸入上限值時對應的 LT1013輸出 電壓值。 若采集 8 個通道， 則需將 24 個字節(jié)數(shù)據(jù)的電位器RW1,RW2,RW3的數(shù)值n1, n2,n3順序保存在本模塊的 中，另外還要保存8個 字節(jié)的通道信號類型。當巡回采集 07八個通道時，根據(jù)不 同的通道號， 一方面從EEPRO忡取出X9241滑動端相應的數(shù)值通 過 總線寫入X9241 數(shù)據(jù)寄存器中，數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容可傳輸?shù)交瑒佑嫈?shù)寄存器 WCRZ設置滑動端的位置；另一方面從EEPRO用取出 該通道的信號類型，根據(jù)信號類型控制各光繼電器 AQW212E勺開合狀態(tài)，并將X9241的0號電位器

12、RW置上合適的數(shù)值，實現(xiàn)信號的正確輸入及調(diào)理。信號調(diào)理 模塊的功能對于絕大多數(shù)數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)來說，信號調(diào)理是非常重要的。 典型的系統(tǒng)一般都需要信號調(diào)理硬件，用于將原始信號以及傳感器的輸出接口到數(shù)據(jù)采集板或模塊上。通過信號調(diào)理的各種功能，如信號的放大、隔離、濾波、多路轉(zhuǎn)換以及直接調(diào)理等，使得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可*性及性能得到極大地改善。具體來說，信號調(diào)理模塊主要具有以下幾點功能：1. 傳感器驅(qū)動：包括為無源傳感器提供所需的電壓源或電流源，為有源傳感器提供其運轉(zhuǎn)所需的特殊電路結(jié)構(gòu)。2. 信號放大：為了提高模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號時的精度，我們希望輸入的模擬信號的最大值剛好等于A/D 轉(zhuǎn)換設備輸入范圍。大多數(shù)傳感器的輸出范圍在 mva,而A/D轉(zhuǎn)換設備輸入范圍為 Volt 級。因此我們需要使用信號調(diào)理模塊對傳感器的信號放大。3. 隔離 在測量高電壓信號時，隔離電路可以保護你的后端設備被意外的高電壓輸