傳感器的信號處理與接口技術(shù)

1、第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 12.1 傳感器的信號預(yù)處理電路傳感器的信號預(yù)處理電路 12.2 傳感器信號的放大電路傳感器信號的放大電路 12.3 傳感器的補償與標度變換傳感器的補償與標度變換 12.4 傳感器與微機的接口技術(shù)傳感器與微機的接口技術(shù) 12.5 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 思考與練習(xí)思考與練習(xí) 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 12.1 傳感器的信號預(yù)處理電路傳感器的信號預(yù)處理電路 如圖12-1所示， 傳感器與微機的接口電路主要由信號預(yù)處理電路、 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計算機接口電路組成。 其中， 預(yù)處理電路把傳感器輸出的非電壓量轉(zhuǎn)換成具有一定

2、幅值的電壓量； 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)把模擬電壓量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量； 計算機接口電路把A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入計算機， 并把計算機發(fā)出的控制信號送至輸入接口的各功能部件； 計算機還可通過其他接口把信息數(shù)據(jù)送往顯示器、 控制器、 打印機等等。 由于信號預(yù)處理電路隨被測量和傳感器而不同， 因此傳感器的信號處理技術(shù)則是構(gòu)成不同系統(tǒng)的關(guān)鍵。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 圖12-1 傳感器與微機的接口框圖 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 由于待檢測的非電量種類繁多， 傳感器的工作原理也各不相同， 因此待檢測物理量作用于傳感器后， 傳感器輸出的相應(yīng)信號種類亦各式各樣。 總結(jié)前面所學(xué)知識， 可將傳感器按

3、下列方式分類。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 12.1.1 12.1.1 開關(guān)式輸出信號的預(yù)處理開關(guān)式輸出信號的預(yù)處理如圖12-2(a)所示， 在輸入傳感器的物理量小于某閾值的范圍內(nèi)，傳感器處于“關(guān)”的狀態(tài)，而當輸入量大于該閾值時， 傳感器處于“開”的狀態(tài)，這類傳感器稱為開/關(guān)式傳感器。實際上，由于輸入信號總存在噪聲疊加成分，使傳感器不能在閾值點準確地發(fā)生躍變， 如圖12-2(b)所示。另外，無接觸式傳感器的輸出也不是理想的開關(guān)特性， 而是具有一定的線性過渡。 因此， 為了消除噪聲及改善特性，常接入具有遲滯特性的電路， 稱為鑒別器或稱脈沖整形電路，

4、多使用施密特觸發(fā)器，如圖12-2(c)所示。 經(jīng)處理后的特性如圖12-2（d）所示。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 圖12-2 開關(guān)量傳感器特性示意圖及處理方案（a） 理想特性； （b） 實際特性； （c） 處理方案； （d） 處理后特性 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 12.1.2 12.1.2 模擬脈沖式輸出信號的預(yù)處理模擬脈沖式輸出信號的預(yù)處理1. 1. 峰值脈沖式傳感器信號處理方法峰值脈沖式傳感器信號處理方法不少傳感器在受輸入沖擊時，其輸出信號呈指數(shù)性衰減， 若直接進行A/D轉(zhuǎn)換， 必將導(dǎo)致錯誤的結(jié)果。 因此， 在傳感器后面接脈沖限幅電路，使輸出變成窄脈沖，方可采用脈沖峰

5、值保持電路將脈沖擴展， 以便進行A/D轉(zhuǎn)換。如圖12-3所示， US為峰值脈沖式傳感器輸出信號波形，UC為限幅后的波形， UH為經(jīng)峰值保持電路后的波形。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 圖12-3 脈沖峰值信號變換第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 2. 2. 脈沖寬度式和脈沖間隔式信號的處理方法脈沖寬度式和脈沖間隔式信號的處理方法脈寬式傳感器輸出脈沖的寬度受被測物理量調(diào)制，與被測量大小成正比， 例如采用脈沖調(diào)寬電路的電容傳感器的輸出信號。 脈沖間隔式傳感器在受到一次輸入作用時，便產(chǎn)生兩個脈沖，兩個脈沖的時間間隔與被測物理量成正比，例如應(yīng)變式扭矩傳感器，超聲波測距等。這兩類信號都是時間

6、間隔信號， 在時間間隔大于微秒級時，可將其作為門控信號，用數(shù)字計數(shù)器計數(shù)。 另一種方法是利用時間峰值轉(zhuǎn)換電路(TAC)將時間間隔轉(zhuǎn)換成電壓峰值， 再進行A/D轉(zhuǎn)換， 其原理如圖12-4所示。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 圖12-4 時間間隔信號處理第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 12.1.3 12.1.3 模擬連續(xù)式輸出信號的預(yù)處理模擬連續(xù)式輸出信號的預(yù)處理模擬連續(xù)式傳感器的輸出參量可以歸納為五種形式： 電壓、 電流、 電阻、 電容和電感。 這些參量必須先轉(zhuǎn)換成電壓量信號， 然后進行放大及帶寬處理才能進行A/D轉(zhuǎn)換。 它們的預(yù)處理一般體系可用圖12-5表示。可見， 數(shù)字萬用表已

7、包括了預(yù)處理、 數(shù)據(jù)采樣與A/D轉(zhuǎn)換等全部功能電路。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 圖12-5 模擬連續(xù)輸出預(yù)處理的一般體系 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 1. 電流電流/電壓轉(zhuǎn)換電路電壓轉(zhuǎn)換電路用一只電阻可構(gòu)成簡單的電流/電壓轉(zhuǎn)換電路。 在要求較高的場合，可采用圖12-6（a）所示的I/U轉(zhuǎn)換電路。 該電路輸入阻抗Rin10 m，輸出電壓UoIiRS，RS10 M，電路輸出電阻Ro一般小于1 k。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) I/U轉(zhuǎn)換電路也可由運算放大器組成，如圖12-6（b）所示。 電路的輸出電壓Uo=-IsRf。 一般Rf比較大，若傳感器內(nèi)部電容量較大時容易振

8、蕩， 需要消振電容Cf。Cf的大小隨Rf用實驗方法確定。 因此該電路不適用于高頻。電路利用運算放大器“虛短”的原理， 若與光電池直接相接，可獲得光電池的短路電流輸出特性。 但是， 當運算放大器直接接到高阻抗的傳感器時， 需要加保護電路。 當信號較大時， 可在運算放大器輸入端用正、 反向并聯(lián)的二極管保護；當信號較小時，可在運算放大器輸入端串聯(lián)100 k的電阻保護。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 圖12-6 電流/電壓轉(zhuǎn)換電路（a）I/U轉(zhuǎn)換器； （b） 采用運放的I/U轉(zhuǎn)換電路 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 2. 2. 模擬頻率式輸出信號的預(yù)處理模擬頻率式輸出信號的預(yù)處理模擬頻率

9、式輸出信號，一種方法是直接通過數(shù)字式頻率計變?yōu)閿?shù)字信號； 另一種方法是用頻率/電壓變換器變?yōu)槟M電壓信號， 再進行A/D轉(zhuǎn)換。 頻率/電壓變換器的原理如圖12-7所示。 通?？芍苯舆x用LM2907/LM2917等單片集成頻率/電壓變換器。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 圖12-7 頻率/電壓變換器原理框圖 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 3. 3. 數(shù)字式輸出信號的預(yù)處理數(shù)字式輸出信號的預(yù)處理數(shù)字式輸出信號分為數(shù)字脈沖式信號和數(shù)字編碼式信號。 數(shù)字脈沖式輸出信號可直接將輸出脈沖經(jīng)整形電路后接至數(shù)字計數(shù)器，得到數(shù)字信號。數(shù)字編碼式輸出信號通常采用格雷碼而不用8421二進制碼，以避免

10、在兩種碼數(shù)交界處產(chǎn)生計數(shù)錯誤。 因此，需要將格雷碼轉(zhuǎn)換成二進制或二十進制碼。 傳感器信號的預(yù)處理應(yīng)根據(jù)傳感器輸出信號的特點及后續(xù)檢測電路對信號的要求選擇不同的電路。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 12.2 傳感器信號的放大電路傳感器信號的放大電路12.2.1 12.2.1 測量放大器測量放大器測量放大器又叫儀表放大器（簡稱IA）。它不僅能滿足上述要求，而且具有精確的增益標定，因此又稱數(shù)據(jù)放大器。 1. 1. 通用通用IAIA通用IA由三個運算放大器A1、A2、A3組成，如圖12-8所示。 其中，A1和A2組成具有對稱結(jié)構(gòu)的差動輸入輸出級，差模增益為1+2R1/RG，而共模增益僅為1。A

11、3將A1、A2的差動輸出信號轉(zhuǎn)換為單端輸出信號。 A3的共模抑制精度取決于四個電阻R的匹配精度。 通用IA的電壓放大倍數(shù)為 )21 (112110uGRRuuuA（12-1） 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 圖12-8 通用IA的結(jié)構(gòu)第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 2. 2. 增益調(diào)控增益調(diào)控IAIA在多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，為了節(jié)約費用，多種傳感器共用一個IA。當切換通道時，必須迅速調(diào)整IA的增益，稱增益調(diào)控IA。在模擬非線性校正中也要使用增益調(diào)控IA。增益調(diào)控IA分為自動增益IA和程控增益IA兩大類。 自動增益IA基本工作過程如圖12-9（a）所示。 它先對信號作試探放大、 將放

12、大信號送至ADC， 使其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號， 再經(jīng)邏輯電路判斷， 送至譯碼驅(qū)動裝置， 用以調(diào)整IA的增益。 這種方法工作速度較慢， 不適用于高速系統(tǒng)。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 圖12-9 增益調(diào)控IA（a） 自動增益IA； （b） 程控IA 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 3. IA3. IA的技術(shù)指標的技術(shù)指標測量放大器最重要的技術(shù)指標有： 非線性度、 偏置漂移、 建立時間以及共模抑制比等， 這些指標均為放大器增益的函數(shù)。 （1） 非線性度： 它的定義為放大器輸出、 輸入實際特性曲線與理想特性曲線（直線）的相對偏差。 在增益G=1時，一個12位（bit）系統(tǒng)的非線性度若為0.

13、025， 則在G500時， 其非線性度可達0.1%， 相當于系統(tǒng)精度降低到10倍以下。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) （2） 偏置漂移：它是指工作溫度變化1時， 相應(yīng)的直流偏置變化量。一個放大器的分辨率主要被直流偏置的不可預(yù)料性所限制。 放大器的偏置漂移一般為150 V/，也與增益G有關(guān)。如一個有2 V/漂移的放大器，當G=1000、t=10時， 其輸出端將產(chǎn)生20 mV的偏置電壓。這個數(shù)字相當于12位ADC在輸入范圍為010 V時的八個LSB值。值得注意的是，一般廠家只給出典型值，而最大值可以是典型值的34倍。 （3） 建立時間： 放大器的建立時間定義為從輸入階躍信號起，到輸出電壓達

14、到滿足給定誤差（典型值為0.01）的穩(wěn)定值為止所需用的時間。 一般IA的增益G200，精度約為0.01， 建立時間約為50100 s， 而高增益IA在同樣精度下的建立時間可達350 s。因此，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中決定信號傳輸能力的往往是IA而不是ADC。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) （4） 恢復(fù)時間：放大器的恢復(fù)時間是指從斷掉輸入IA的過載信號起，到IA的輸出信號恢復(fù)至穩(wěn)定值時（與輸入信號相應(yīng)）的時間。 （5） 共模抑制比： IA的共模抑制比定義為差模電壓放大倍數(shù)Ad與共模電壓放大倍數(shù)Ac比值的對數(shù)單位，即 cdlg20CMRAA（12-2） 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 表表1

15、2-1 IA的的CMR要求值要求值(dB) 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 12.2.2 12.2.2 集成儀表放大電路介紹集成儀表放大電路介紹可以用作儀表放大器的集成電路有： 集成運算放大器OP07， 斬波自動穩(wěn)零集成運算放大器7650， 集成儀表放大器AD522， 集成變送器WS112、 XTR101， TD系列變壓器耦合隔離放大器， ISO100等光耦合隔離放大器， ISO102等電容耦合隔離放大器， PG系列程控放大器， 2B30/2B31電阻信號適配器等。 具體內(nèi)容可參考相關(guān)資料。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 12.3 傳感器的補償與標度變換傳感器的補償與標度變換 1

16、2.3.1 傳感器的溫度補償傳感器的溫度補償 1. 溫度補償原理溫度補償原理設(shè)被測物理量為x，環(huán)境溫度為T，則線性傳感器的特性可表示為 y=f（x，T）=A0（T）+A1（T）x（12-3） 式中，A0為傳感器的輸出零點; A1為傳感器的靈敏度。它們都隨環(huán)境溫度T變化。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 因此， 傳感器的溫度靈敏度可表示為 xTTATTATTxfSd)(dd)(dd),(d10T（12-4） 可見，對傳感器進行溫度補償就是使ST0，包括對傳感器零點溫度漂移的補償和對傳感器靈敏度的溫度補償。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 2. 2. 常用溫度補償方法常用溫度補償方法1

17、） 自補償法自補償法就是利用傳感器本身的一些特殊結(jié)構(gòu)來滿足溫度補償條件。 例如組合式溫度自補償應(yīng)變片， 用兩種具有正、 負電阻溫度特性的電阻絲柵串聯(lián)制成一個應(yīng)變片， 只要使兩段絲柵的電阻隨溫度變化的增量相等， 便可實現(xiàn)溫度補償。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 2） 并聯(lián)式溫度補償法并聯(lián)式溫度補償法就是人為地附加一個溫度補償環(huán)節(jié)，該補償環(huán)節(jié)與被補償環(huán)節(jié)并行相連， 使補償后的合成輸出基本不隨溫度而變化。如圖12-10所示為并聯(lián)式溫度補償原理框圖。 圖中，yA為待補償環(huán)節(jié)特性，yB為補償環(huán)節(jié)特性，只要滿足dB0（T）/dTdA0（T）/dT、dB1（T）/dTdA1（T）/dT、B1（T）A

18、1（T）， 理論上就可以實現(xiàn)溫度補償。 但實際上并聯(lián)式溫度補償只能做到近似補償， 即在兩點或三點是全補償， 而其他點不是“過補償”就是“欠補償”。 應(yīng)用并聯(lián)式溫度補償法的實例如圖9-4所示的熱電偶的冷端溫度補償器及直流放大器的差動輸入等。 可證明熱電偶的冷端溫度補償器的補償條件為 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) ab0041),(UTTTEcu（12-5） 國產(chǎn)熱電偶的冷端溫度補償器電橋電源E=4 V，電橋在20時調(diào)平衡， 補償范圍有050和010兩種。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 圖12-10 并聯(lián)式溫度補償原理框圖 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 3） 電橋溫度補償法

19、以應(yīng)變式傳感器電橋為例，如圖3-6所示的不平衡電橋電路，令式（3-7）等于0并除以T，可得其溫度補償條件的表達式為 4231(12-6） 式中，1、3、2、4分別為R1、R2、R3、R4的電阻溫度系數(shù)。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) （1） 全橋的溫度補償：如圖3-6（c）所示，四個橋臂電阻為相同的電阻應(yīng)變片即可實現(xiàn)溫度補償。 （2） 半橋的溫度補償： 單臂電橋的溫度補償： 如圖3-6（a）所示的單臂電橋， 按如圖12-11（a）所示選擇R1和R2為同樣的電阻應(yīng)變片，將R1粘貼在彈性敏感元件上，R2粘貼在附近非應(yīng)變部位；R3和R4用電阻溫度系數(shù)很小的錳銅絲繞制， 即可實現(xiàn)溫度補償。 第

20、12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 圖12-11 電阻應(yīng)變片的設(shè)置(a) 溫度補償應(yīng)變結(jié)構(gòu)； (b) 差動補償應(yīng)變結(jié)構(gòu) 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 雙臂電橋的溫度補償： 如圖3-6（b）所示的雙臂電橋， 按如圖12-11（b）所示選擇R1和R2為同樣的電阻應(yīng)變片，粘貼在彈性敏感元件上，構(gòu)成差動電橋；R3和R4用電阻溫度系數(shù)很小的錳銅絲繞制，即可實現(xiàn)溫度補償。 由于相鄰橋臂間具有溫度補償作用， 所以在熱電阻測溫電橋中， 采用三線制或四線制接法來消除引線電阻隨環(huán)境溫度變化造成的測量誤差。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 圖12-12 靈敏度補償 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù)

21、 4） 熱敏電阻補償法在測量電路中用熱敏電阻可以實現(xiàn)傳感器的靈敏度溫度補償和輸出零點溫度漂移補償。 （1） 靈敏度溫度補償：其原理是在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)保證傳感器的靈敏度穩(wěn)定，而不要求每個電阻應(yīng)變片與溫度無關(guān)。 如圖12-12所示， 電橋靈敏度溫度補償?shù)姆椒ㄊ窃陔姌螂娫磳蔷€上串接熱敏電阻Rt，補償用熱敏電阻Rt的阻值可用下式求出： 2112t11)(KTTKKKRRR（12-7） 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) （2） 零電平溫度補償：根據(jù)傳感器的類型和結(jié)構(gòu)，可采用不同的方法穩(wěn)定其零點。對于測量電橋，一種十分有效的零電平溫度補償方法是在一個橋臂上引入熱敏電阻。雖然每個橋臂電阻都隨溫度變化

22、， 但所有橋臂電阻的總變化可以用某個橋臂電阻Ri的等效變化來代替。 補償用熱敏電阻Rt的阻值可用下式求出， 即 itRRR（12-8） 式中，“-”號表示電橋的電阻溫度系數(shù)R和補償電阻的溫度系數(shù)符號應(yīng)相反。 必須強調(diào)，電橋電阻的溫度系數(shù)不同于一個橋臂的電阻溫度系數(shù)， 它是表征電阻隨測量電路所有橋臂的溫度變化而變化的特性。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) R可用下式求出： )()1 (12i2o12oTTnUnUUR（12-9） 式中，n=R1/R2為兩相鄰橋臂的電阻比； Ui為電橋的電源電壓； Uo1、Uo2分別為在溫度T1、T2時測得的傳感器輸出電壓。 第12章 傳感器的信號處理與接口

23、技術(shù) 5） 反饋式溫度補償法反饋式溫度補償就是應(yīng)用負反饋原理，通過自動調(diào)整過程， 保持傳感器的零點和靈敏度不隨環(huán)境溫度而變化。如圖12-13所示為反饋式溫度補償?shù)脑砜驁D。 圖中，B0和B1是檢測環(huán)節(jié)， 檢測測量電路（或儀表）的零點A0(T)和靈敏度A1(T)；C0和C1是信號變換環(huán)節(jié)； Ur0和Ur1是恒定的參考電壓， K0和K1是電子放大器；D0和D1是執(zhí)行環(huán)節(jié)； y=f(x，T，x0，x1)是儀表被補償部分特性。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 圖12-13 反饋式溫度補償原理框圖 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 由圖可見，反饋式溫度補償?shù)年P(guān)鍵問題有兩個： （1） 如何將傳感

24、器測量電路(或儀表)的輸出零點A0(T)和靈敏度A1(T)通過B0和B1檢測出來，并經(jīng)C0和C1轉(zhuǎn)換為電壓信號Uf0和Uf1。 （2） 如何將K0和K1的輸出電壓通過D0和D1產(chǎn)生控制信號去自動改變A0(T)和A1(T)，以達到自動補償環(huán)境溫度T對A0(T)和A1(T)的影響。 在采用反饋式溫度補償時， 應(yīng)首先通過理論分析找出測量電路(或儀表)的刻度方程表達式，進而通過刻度方程分析找出反映A0(T)和A1(T)值變化的參數(shù)， 最后確定控制A0(T)和A1(T)的方法。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 如圖12-14所示為差動變壓器式傳感器的反饋溫度補償原理電路圖。由圖可見，檢測靈敏度S的

25、方法是通過在差動變壓器二次側(cè)增加兩個繞組和。 與繞組、 與繞組采用雙線并繞而成， 但是與繞組之間不是采用“差接”， 而是采用“和接”方式。 這樣(+)繞組的“和接”電壓經(jīng)整流濾波后所取出的信號Uf顯然正比于U， 即Uf正比于靈敏度S。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 圖12-14 差動變壓器式傳感器的反饋溫度補償原理電路圖 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 12.3.2 12.3.2 傳感器的非線性補償傳感器的非線性補償非線性補償也叫非線性校正， 或線性化。 多數(shù)傳感器都具有非線性特性， 它既不利于讀數(shù)和測量結(jié)果的分析處理， 而且是產(chǎn)生測量誤差的主要原因之一。 因此， 為了減小或消除

26、非線性誤差， 必須進行非線性補償。 目前， 實現(xiàn)非線性特性補償?shù)姆椒ê芏啵?典型的補償原理可分為開環(huán)式、 閉環(huán)式和增益控制式三種。 這些補償方法都是要求在測量回路中加入某個線性化器， 利用線性化器的非線性函數(shù)去補償傳感器的非線性特性。 例如， 對于常用的線性化器可以用硬件電路構(gòu)成， 也可以用計算機軟件構(gòu)成。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 常見的傳感器非線性特性可分為兩種類型：指數(shù)型曲線和有理代數(shù)型曲線。 指數(shù)曲線型非線性特性的輸出量y和輸入量x的關(guān)系可表示為 y=aebx+c （12-10） 式中， a、b、c為常數(shù)。 例如熱敏電阻傳感器、 射線測厚儀等， 其特性屬于這種類型。它們可以

27、用對數(shù)函數(shù)的線性化器進行補償。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 有理代數(shù)曲線型非線性特性的輸出量y和輸入量x關(guān)系可表示為 y=a0+a1x+a2x2+anxn （12-11） 式中，a0、a1an為常數(shù)。 這類傳感器特性可以用連續(xù)擬合或分段擬合的線性化器進行校正。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 1. 硬件法非線性補償硬件法非線性補償 1） 非線性函數(shù)放大器非線性函數(shù)放大器是一種增益與輸入信號成某種函數(shù)關(guān)系的特殊放大電路。 它通過分段直線逼近的方法來實現(xiàn)傳感器非線性特性的線性化， 即用一段直線來代替一段曲線， 分段越多， 折線越逼近實際的非線性曲線， 分段數(shù)目由精度決定。 因此，

28、非線性函數(shù)放大器實質(zhì)上是分段線性函數(shù)放大器。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) （1） 精密漸減函數(shù)放大器。 如圖12-15（a）所示為一種精密漸減函數(shù)放大器的電路，它能抑制二極管正向壓降UD受環(huán)境溫度變化對轉(zhuǎn)折點電壓產(chǎn)生的影響。 該電路由反相放大器A0、求和放大器A3和轉(zhuǎn)折點電路A1、A2An（需要n個轉(zhuǎn)折點就需n個運放電路）組成。 圖中，Rf1=R01，輸入信號Ui經(jīng)A0后得-Ui。 只要使R11/R12R21/R22Rn1/Rn2，即可保證各轉(zhuǎn)折點斜率逐步下降， 實現(xiàn)漸減特性。 圖12-15(b)為輸入/輸出電壓波形。 現(xiàn)以兩個轉(zhuǎn)折點為例， 說明電路的工作原理。 第12章 傳感器的信

29、號處理與接口技術(shù) 當0Ui (R11/R12)UR時，轉(zhuǎn)折點電路中的二極管都不導(dǎo)通， 輸出電壓為 imfmoURRU （12-12） 直線斜率為 mfm1tanRR（12-13） 當(R11/R12)URUi (R12/R22)UR時，VD12導(dǎo)通，VD11及其余二極管都不導(dǎo)通， 輸出電壓為 R1211i11f113fmimfmoURRURRRRURRU（12-14） 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 直線斜率為 11f113fmmfm2tanRRRRRR（12-15） 依此類推，下一個轉(zhuǎn)折點是當Ui (R21/R22)UR時，VD12、 VD22導(dǎo)通，其余二極管都不導(dǎo)通，輸出電壓為 R2

30、221i21f223fmR1211i11f113fmimfmoURRURRRRURRURRRRURRU（12-16） 直線斜率為 21f223fm11f113fmmfm3tanRRRRRRRRRR（12-17） 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) （2） 漸增函數(shù)放大器：利用隨輸出（或輸入）信號的增加而逐個導(dǎo)通的二極管去減小運放輸入回路電阻的方法， 可實現(xiàn)漸增函數(shù)放大器。 實際應(yīng)用的精密漸增函數(shù)放大器如圖12-16所示。與圖12-15相比，它僅僅是改變了輸入電壓和二極管的極性，在運算放大器A中實現(xiàn)依次相加運算，從而得到增益漸增的函數(shù)關(guān)系。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 圖12-15

31、精密漸增函數(shù)放大器第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 圖12-16 精密漸增函數(shù)放大器（a） 電路； （b） 輸入/輸出電壓波形 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 用與精密漸減函數(shù)放大器同樣的分析方法可得 R22212iR12111 i23fm22f213fm11f1mfm313fm11f1mfm2mfm1tantantanURRUURRURRRRRRRRRRRRRRRRRR（12-18） 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 2） 多功能轉(zhuǎn)換器多功能轉(zhuǎn)換器是一種獨立的模擬電路，只要對其外部引腳作適當?shù)木幊蹋?就能產(chǎn)生多種復(fù)雜的非線性函數(shù)，因而可將多功能轉(zhuǎn)換器作為傳感器的線性化電路，如4

32、302、4303等。 （1） 電路原理： 多功能轉(zhuǎn)換器由對數(shù)、反對數(shù)、對數(shù)比值放大器組成。 其內(nèi)電路如圖12-17所示。該組件有X、Y、Z三個獨立的輸入端， 其值可以是010 V之間的任意值。下面分析其輸入-輸出關(guān)系。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 圖12-17 多功能轉(zhuǎn)換器框圖 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 對數(shù)比值電路的輸出為lg(UX/UZ)=lgUX-lgUZ。該信號在mb引腳輸出。 將該信號送到求和電路的反相輸入端mc，并附加若干增益m，則求和電路的輸出為 lglg)lg(lgmXZYYZXUUUUUUm此信號再經(jīng)反對數(shù)放大器處理， 得組件的輸出 mXZYUUUUUU

33、UmXZY)/(lgoe（12-19） 式中，m為指數(shù)，其值可以在0.25之間變化。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 如圖12-18所示的是多功能電路的指數(shù)選擇方法。電阻R1和R2構(gòu)成分壓器，若m1，則對數(shù)比值輸出直接由R1和R2進行衰減; 若m1，則由R1和R2決定對數(shù)比值放大器的增益。 圖12-18 多功能轉(zhuǎn)換器的指數(shù)選擇 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) （2） 多功能轉(zhuǎn)換器的基本應(yīng)用：從式(12-19)可見，多功能轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)指數(shù)運算，且指數(shù)m可在0.25之間連續(xù)變化。 這種非整數(shù)指數(shù)的傳輸特性能夠擬合類似(1/UX)m、UZm之類的校正函數(shù)， 從而實現(xiàn)傳感器特性的線性化。

34、下面以半導(dǎo)體氣敏元件為例說明4302型多功能組件的應(yīng)用。 已知氣敏元件的輸出電壓U與待測氣體濃度之間有如下非線性關(guān)系 ncU(12-20) 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 式中，c、n是由氣敏元件、 測量氣體種類及測試條件決定的常數(shù)。 因n1， 故上式為開方關(guān)系。 根據(jù)開環(huán)式非線性補償原理， 傳感器應(yīng)后接具有乘方關(guān)系的線性化器。具有乘方關(guān)系的電路一般可用對數(shù)、 反對數(shù)器組合實現(xiàn)，但若用多功能組件， 則具有結(jié)構(gòu)簡單、 調(diào)試方便的優(yōu)點，如圖12-19所示。由圖可見，UZ=U，UX1 V，調(diào)節(jié)電位器RP2使m1/n，則由式(12-19)可得 Uo=UYUm=UY（cn）m=UYCm=S (12

35、-21) 式中，SUYCm為測量靈敏度， 調(diào)節(jié)電位器RP1可改變UY值， 進而改變S值。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 圖12-19 氣敏元件線性化電路 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) （3） 多功能轉(zhuǎn)換器的擴展應(yīng)用： 多功能轉(zhuǎn)換器除了直接應(yīng)用外， 還能與運算放大器組合， 擴展出許多其他非線性傳輸函數(shù)。 其中有些函數(shù)能對常見的弓形或S形非線性曲線進行校正。 下凸響應(yīng)電路： 如圖12-20所示的電路可產(chǎn)生具有下凸特性的二項冪級數(shù)展開式。 下凸響應(yīng)電路的輸出為 )()()(xi4i343121o14i343121omYUUURURRRRRRURURRRRRRU（12-22） 取圖中所

36、示的元件參數(shù)，則Uo=0.5Ui+(Ui/4)m。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 圖12-20 下凸響應(yīng)電路 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 上凸響應(yīng)電路：要對下凸曲線進行補償， 就需用上凸曲線。 如圖12-21所示，將轉(zhuǎn)換器與差分放大器組合即可獲得具有上凸特性的二項冪級數(shù)展開式。上凸響應(yīng)電路的輸出為 ii12omXYUUUURRU（12-23） 將圖中所示參數(shù)代入上式，可得Uo=1.1Ui-(Ui/6.3)m。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 圖12-21 上凸響應(yīng)電路 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) S形曲線校正電路：另一種常見的非線性曲線是S形， 交替地向一直線

37、的兩邊畸變。 要獲得適當?shù)男Ｕ€，就要把運算放大器置于多功能轉(zhuǎn)換器的反饋回路中，如圖12-22所示， 該組合電路的輸出為 mXmXUURRUURRUUi13i13Ro1（12-24） 將圖中所示參數(shù)代入上式可得： mmUUU)5/(1)5/(10iio第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 圖12-22 S形或壓縮擴展響應(yīng)電路 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 2. 2. 軟件法非線性補償軟件法非線性補償1） 校正函數(shù)法所謂校正函數(shù)法，實質(zhì)是采用開環(huán)式非線性補償原理。 如果傳感器的非線性特性是已知的，則可以利用相應(yīng)的校正函數(shù)進行補償。 將傳感器輸出的模擬電壓信號， 經(jīng)過放大和A/D轉(zhuǎn)換后送

38、往計算機，計算機按校正函數(shù)進行運算，則結(jié)果便與被測參數(shù)成線性關(guān)系。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 2） 查表法查表法就是把事先計算好的校正值按一定順序制成表格， 然后利用查表程序根據(jù)被測量的大小查出校正后的結(jié)果。 該方法的優(yōu)點是速度快， 精度高， 也最為簡單， 但需占用較多的內(nèi)存以儲存大量的數(shù)據(jù)。 查表程序與制表的方法有關(guān)。 當表格的排列是任意的， 無一定規(guī)律或表格較短時， 可采用順序查表法； 當表格的排列有一定規(guī)律， 如它滿足從大到小(或從小到大)時， 則可采用計算查表法或?qū)Ψ炙阉鞑楸矸ā?第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 3） 線性插值法在智能儀器中更常用的是線性插值法。如圖1

39、2-23所示為用線性插值法對熱電偶進行非線性補償?shù)氖疽鈭D。圖中x代表熱電偶輸出電壓，y代表被測溫度。 首先將傳感器的非線性曲線yf(x)按精度要求分成n段， 當n足夠大時， 每一小段均可看成是直線， 則可用n段折線代替yf(x)， 然后將分段基點xi，yi值(i1，2，n)標出，排列成表格， 如表12-2所示。 分段數(shù)越多， 精度越高，但占內(nèi)存也多， 計算時間也長，一般分為10段即可。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 圖12-23 分段線性插值法 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 表表12-2 線性插值數(shù)據(jù)表線性插值數(shù)據(jù)表第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 由于各段均用直線代替曲線

40、，因此微型機很容易根據(jù)采樣值x的大小進行查表搜索。首先找出采樣值所在的區(qū)段， 然后利用線性插補公式算出所對應(yīng)的y值。 設(shè)x在xi與xi-1之間，則插補公式為 y=yi-1+Ki-1（x-xi-1） （12-25） 式中，為第i段直線的斜率。 1111iiiixxyyK第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 圖12-24 線性插值法計算流程圖 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 4） 二次拋物線插值法線性插值法僅僅利用兩個結(jié)點上的信息，精度較低，僅適用于輸入/輸出特性曲線彎度不大的場合， 如熱電偶特性， 差壓式流量計特性等。 對于彎曲很大的特性曲線， 用線性插值法必將帶來很大的誤差y，如圖12-

41、25所示。 若增加分段的數(shù)目， 雖然可減少誤差， 但占用很多內(nèi)存單元， 且計算速度也減慢。 采用二次拋物線插值法即可解決這一矛盾。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 圖12-25 線性插值誤差 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 圖12-26 二次值法 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 拋物線插值法的基本原理是通過特性曲線上的三個點作一拋物線，用它代替曲線。 如圖12-26所示，有一特性曲線yf(x)，用拋物線來逼近它， 拋物線方程為三元一次方程， 其一般形式為 y=k0+k1x+k2x2 （12-26） 式中，k0、k1、 k2為待定系數(shù)， 由曲線yf(x)的三個點A、 B、C的三

42、元一次方程組聯(lián)解求得。 為了使計算簡便， 采用另外一種形式： y=m0+m1(x-x0)+m2(x-x1) (12-27) 式中，m0、m1、m2為待定系數(shù)，由A、B、C三點的值決定。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 當x=x0，y=y0時，有y0=m0； 當x=x1， y=y1時，有y1=m0+m1（x-x0），得 01011xxyym（12-28） 當x=x2，y=y2時，有 )()(120220010102xxxxmxxxxyyyy， 得 12010102012)/()()/()(xxxxyyxxyym（12-29) 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 12.3.3 12.3.3

43、 傳感器的標度變換傳感器的標度變換在多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，各種被測量都有著不同的量綱和數(shù)值。如用熱電偶測溫，溫度單位為，但不同熱電偶輸出電勢不同，分度號為S熱電偶在1600時為16.716 mV，分度號為K熱電偶在1200時為48.087 mV；又如測量壓力的彈性元件膜片、 膜盒以及彈簧管等，其壓力范圍從正負幾帕到幾十甚至幾百兆帕。這些量綱不同、滿度電壓值也不同的信號經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換成05 V的標準信號，又經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成00FFH(8位)的數(shù)字量，同樣的數(shù)字往往代表著不同的被測量。為了進行顯示、 記錄、打印及報警等，必須把這些數(shù)字量轉(zhuǎn)換成與被測量相應(yīng)的量綱，這就是標度變換。對一般線性儀表，標度變換公

44、式為 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 0m0 x0m0)(NNNNAAAAx（12-30） 式中，A0為一次測量儀表的下限，Am為一次測量儀表的上限，Ax為實際測量值，N0為儀表下限所對應(yīng)的數(shù)字量，Nm為儀表上限所對應(yīng)的數(shù)字量，Nx為測量值所對應(yīng)的數(shù)字量。 設(shè)計專門的子程序， 把各個不同參數(shù)所對應(yīng)的A0、Am、 N0、Nm存放在存儲器中， 然后當某一個參量需要進行標度變換時， 只要調(diào)用標度變換子程序即可。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 12.4 傳感器與微機的接口技術(shù)傳感器與微機的接口技術(shù) 12.4.1 12.4.1 數(shù)據(jù)采集的概念數(shù)據(jù)采集的概念1. 1. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的配置數(shù)據(jù)

45、采集系統(tǒng)的配置典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器（T）、放大器（IA）、 模擬多路開關(guān)（MUX）、 采樣保持器（SHA）、 A/D轉(zhuǎn)換器、 計算機（MPS）或數(shù)字邏輯電路組成。 根據(jù)它們在電路中的位置可分為同時采集、 高速采集、 分時采集和差動結(jié)構(gòu)四種配置， 如圖12-27所示。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 圖12-27 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的配置（a） 同時采集； （b） 高速采集； （c） 分時采集； （d） 差動結(jié)構(gòu) 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) （1） 同時采集系統(tǒng)： 圖12-27（a）為同時采集系統(tǒng)配置方案，可對各通道傳感器輸出量進行同時采集和保持，然后分時轉(zhuǎn)換和存儲，可保證獲得各

46、采樣點同一時刻的模擬量。 （2） 高速采集系統(tǒng)： 圖12-27（b）為高速采集配置方案， 在時實控制中對多個模擬信號的同時實時測量是很有必要的。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) （3） 分時采集系統(tǒng)： 圖12-27（c）為分時采集方案， 這種系統(tǒng)價格便宜， 具有通用性， 傳感器與儀表放大器匹配靈活， 有的已實現(xiàn)集成化， 在高精度、 高分辨率的系統(tǒng)中， 可降低IA和ADC的成本， 但對MUX的精度要求很高， 因為輸入的模擬量往往是微伏級的。 這種系統(tǒng)每采樣一次便進行一次A/D轉(zhuǎn)換并送入內(nèi)存后方才對下一采樣點采樣。 這樣， 每個采樣點值間存在一個時差(幾十到幾百微秒)， 使各通道采樣值在時軸

47、上產(chǎn)生扭斜現(xiàn)象。 輸入通道數(shù)越多， 扭斜現(xiàn)象越嚴重， 不適合采集高速變化的模擬量。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) （4） 差動結(jié)構(gòu)分時采集系統(tǒng)：在各輸入信號以一個公共點為參考點時，公共點可能與IA和ADC的參考點處于不同電位而引入干擾電壓UN，從而造成測量誤差。采用如圖12-27（d）所示的差動配置方式可抑制共模干擾， 其中MUX可采用雙輸出器件， 也可用兩個MUX并聯(lián)。 顯然， 圖12-27中（a）、（b）兩種方案的成本較高， 但在810位以下的較低精度系統(tǒng)中， 經(jīng)濟上也十分實惠。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 2. 2. 采樣周期的選擇采樣周期的選擇采樣就是以相等的時間間隔

48、對某個連續(xù)時間信號a（t）取樣，得到對應(yīng)的離散時間信號的過程， 如圖12-28所示。 其中， t1、t2 為各采樣時刻, d1、d2為各時刻的采樣值, 兩次采樣之間的時間間隔稱為采樣周期TS。 圖中虛線表示再現(xiàn)原來的連續(xù)時間信號?？梢钥闯?， 采樣周期越短，誤差越?。徊蓸又芷谠介L，失真越大。為了盡可能保持被采樣信號的真實性， 采樣周期不宜過長。根據(jù)香農(nóng)采樣定理：對一個具有有限頻譜(minmax)的連續(xù)信號進行采樣，當采樣頻率S=2/TS）2max時，采樣結(jié)果可不失真。實用中一般取S（2.53）max, 也可取（510）max。但由于受機器速度和容量的限制，采樣周期不可能太短， 一般選TS為采樣對

49、象純滯后時間0的1/10左右；當采樣對象的純滯后起主導(dǎo)作用時，應(yīng)選TS=0 ； 若采樣對象具有純滯后和容量滯后時， 應(yīng)選擇TS接近對象的時間常數(shù)。通常對模擬量的采樣可參照表12-3的經(jīng)驗數(shù)據(jù)來選擇。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 圖12-28 連續(xù)時間信號的取樣 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 表表12-3 采樣周期的選擇采樣周期的選擇第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 3. 3. 量化噪聲量化噪聲( (量化誤差量化誤差) )模擬信號是連續(xù)的，而數(shù)字信號是離散的，每個數(shù)又是用有限個數(shù)碼來表示， 二者之間不可避免地存在誤差，稱為量化噪聲。 一般A/D轉(zhuǎn)換的量化噪聲有1 LSB和L

50、SB/2兩種。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 12.4.2 ADC12.4.2 ADC接口技術(shù)接口技術(shù)1. A/D1. A/D轉(zhuǎn)換器（轉(zhuǎn)換器（ADCADC）的主要技術(shù)指標）的主要技術(shù)指標1） 分辨力 分辨力表示ADC對輸入量微小變化的敏感度， 它等于輸出數(shù)字量最低位一個字（1 LSB）所代表的輸入模擬電壓值。 如輸入滿量程模擬電壓為Um的N位ADC，其分辨率為 NNUU21-2LSB1mm（12-31） ADC的位數(shù)越多，分辨力越高。因此, 分辨力也可以用A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)表示。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 2） 精度 精度分為絕對精度和相對精度。 （1） 絕對精度： 它是指輸

51、入模擬信號的實際電壓值與被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的理論電壓值之間的差值。 它包括量化誤差、 線性誤差和零位誤差。 絕對精度常用LSB的倍數(shù)來表示， 常見的有1/2 LSB和1 LSB。 （2） 相對精度： 它是指絕對誤差與滿刻度值的百分比。 由于輸入滿刻度值可根據(jù)需要設(shè)定， 因此相對誤差也常用LSB為單位來表示。 可見， 精度與分辨率相關(guān)，但卻是兩個不同的概念。相同位數(shù)的ADC，其精度可能不同。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 3） 量程(滿刻度范圍)量程是指輸入模擬電壓的變化范圍。 例如，某轉(zhuǎn)換器具有10 V的單極性范圍或-55 V的雙極性范圍，則它們的量程都為10 V。 應(yīng)當指出，滿刻度只是

52、個名義值，實際的A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的最大輸出值總是比滿刻度值小1/2N。例如滿刻度值為10 V的12位A/D轉(zhuǎn)換器，其實際的最大輸出值為。 這是因為模擬量的0值是2N個轉(zhuǎn)換狀態(tài)中的一個，在0值以上只有2N-1個梯級。 但習(xí)慣上轉(zhuǎn)換器的模擬量范圍總是用滿刻度來表示的。 V2111012第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 4） 線性度誤差理想的轉(zhuǎn)換器特性應(yīng)該是線性的， 即模擬量輸入與數(shù)字量輸出成線性關(guān)系。 線性度誤差是轉(zhuǎn)換器實際的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換關(guān)系與理想直線不同而出現(xiàn)的誤差， 通常也用LSB的倍數(shù)來表示。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 5） 轉(zhuǎn)換時間 轉(zhuǎn)換時間指從發(fā)出啟動轉(zhuǎn)換脈沖開始到輸

53、出穩(wěn)定的二進代碼， 即完成一次轉(zhuǎn)換所需要的最長時間。 轉(zhuǎn)換時間與轉(zhuǎn)換器工作原理及其位數(shù)有關(guān)。 同種工作原理的轉(zhuǎn)換器， 通常位數(shù)越多， 其轉(zhuǎn)換時間則越長。 對大多數(shù)ADC來說， 轉(zhuǎn)換時間就是轉(zhuǎn)換頻率（轉(zhuǎn)換的時鐘頻率）的倒數(shù)。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 2. ADC的主要類型及特點的主要類型及特點1） 按轉(zhuǎn)換原理分類按A/D轉(zhuǎn)換的原理，ADC主要分為比較型和積分型兩大類。 其中，常用的是逐次逼近型、雙積分型和V/F變換型（電荷平衡式）。 （1） 逐次逼近ADC： 它是以數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC為核心，配上比較器和一個逐次逼近寄存器，在邏輯控制器操縱下逐位比較并寄存結(jié)果。它也可以由DAC、比較器

54、和計算機軟件構(gòu)成。 逐次逼近ADC的特點是： 轉(zhuǎn)換速度較高(1 s1 ms)，814位中等精度，輸出為瞬時值，抗干擾能力差。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) （2） 雙積分型ADC：它的轉(zhuǎn)換周期由兩個單獨的積分區(qū)間組成。未知電壓在已知時間內(nèi)進行定時積分，然后轉(zhuǎn)換為對參比電壓反向定壓積分，直至積分輸出返回到初始值。 雙積分ADC測量的是信號平均值， 對常態(tài)噪聲有很強的抑制能力， 精度很高， 分辨率達1220位， 價格便宜， 但轉(zhuǎn)換速度較慢(4 ms1 s)。 （3） V/F轉(zhuǎn)換器：它是由積分器、比較器和整形電路構(gòu)成的VFC電路，把模擬電壓變換成相應(yīng)頻率的脈沖信號，其頻率正比于輸入電壓值，然

55、后用頻率計測量。 VFC能快速響應(yīng)，抗干擾性能好，能連續(xù)轉(zhuǎn)換，適用于輸入信號動態(tài)范圍寬和需要遠距離傳送的場合， 但轉(zhuǎn)換速度慢。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 2） 按輸入、輸出方式分類不同的芯片具有不同的連接方式，其中最主要的是輸入、 輸出以及控制信號的連接方式。（1） 輸入方式。 從輸入端來看，有單端輸入和差動輸入兩種方式。 差動輸入有利于克服共模干擾。 輸入信號的極性有單極性和雙極性， 由極性控制端的接法決定。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) （2） 輸出方式。從輸出方式來看，主要有以下兩種： 數(shù)據(jù)輸出寄存器具有可控的三態(tài)門。此時芯片輸出線允許和CPU的數(shù)據(jù)總線直接相連，并在

56、轉(zhuǎn)換結(jié)束后利用讀信號RD控制三態(tài)門將數(shù)據(jù)送上總線。 不具備可控的三態(tài)門。 輸出寄存器直接與芯片管腳相連，此時芯片的輸出線必須通過輸入緩沖器連至CPU的數(shù)據(jù)總線。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 3） ADC芯片的啟動轉(zhuǎn)換信號ADC芯片的啟動轉(zhuǎn)換信號有電平和脈沖兩種形式。 對要求用電平啟動轉(zhuǎn)換的芯片， 如果在轉(zhuǎn)換過程中撤去電平信號， 則將停止轉(zhuǎn)換而得到錯誤的結(jié)果。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 3. ADC3. ADC的選擇與使用的選擇與使用在實際使用中，應(yīng)根據(jù)具體情況選用合適的ADC芯片。例如某測溫系統(tǒng)的輸入范圍為0500，要求測溫的分辨率為2.5， 轉(zhuǎn)換時間在1 ms之內(nèi)，可選

57、用分辨率為8位的逐次比較式ADC0809芯片，如果要求測溫的分辨率為0.5（即滿量程的1/1000），轉(zhuǎn)換時間為0.5 s，則可選用雙積分型ADC芯片14433。 ADC轉(zhuǎn)換完成后，將發(fā)出結(jié)束信號，以示主機可以從轉(zhuǎn)換器讀取數(shù)據(jù)。 結(jié)束信號可以用來向CPU發(fā)出中斷申請，CPU響應(yīng)中斷后， 在中斷服務(wù)子程序中讀取數(shù)據(jù)； 也可用延時等待和查詢的方法來確定轉(zhuǎn)換是否結(jié)束， 以讀取數(shù)據(jù)。第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 4. ADC4. ADC的工作原理的工作原理1） 比較式ADC的工作原理如圖12-29所示為逐次逼近式ADC原理框圖。當啟動脈沖送至START端時，控制邏輯電路首先將移位寄存器的最高位

58、（MSB）置成1，其余位清成0，寄存器的數(shù)字為10 000。D/A轉(zhuǎn)換器將這個數(shù)字轉(zhuǎn)換成模擬電壓URD（=UR/2）送到比較器與模擬輸入電壓Ui進行比較，若Ui URD，則該位保留1；若Ui URD，則該位清0。再將下一位（次高位）置1， 與上一次結(jié)果一起經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后與Ui進行比較。 重復(fù)該過程，直到確定最低位D0為止，轉(zhuǎn)換結(jié)束。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 圖12-29 逐次逼近式ADC 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 2） 雙積分式ADC的工作原理如圖12-30所示，雙積分式ADC的工作過程分為以下三個階段： （1）準備期：開關(guān)S1斷開，S2接通，積分電容C被短路， 輸出

59、為0。 （2） 采樣期：開關(guān)S2斷開，S1與接點1閉合，積分器對輸入模擬電壓+Ui進行積分， 積分時間固定為T1，T1為計數(shù)器滿度計數(shù)時間。 當計數(shù)器溢出時， 積分器輸出電壓為 iav1oURCTU (12-32) 式中，Uiav為被測模擬電壓在T1時間內(nèi)的平均值。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) （3） 比較期：從T1結(jié)束時刻開始，開關(guān)S2斷開，S1與接點2閉合，對與被測模擬電壓極性相反的標準電壓-UR進行反向積分。當積分器的輸出回到0時, 則有 iav1R2URCTURCT可得比較周期為 iavR12UUTT (12-33) 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 圖12-30 雙積分

60、式A/D轉(zhuǎn)換器（a） 工作原理； （b） 工作波形 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 3） VFC式A/D轉(zhuǎn)換器原理（1） VFC A/D轉(zhuǎn)換原理：VFC是根據(jù)電荷平衡原理工作的， 如圖12-31所示。 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 圖12-31 VFC原理及其組成的A/D轉(zhuǎn)換器框圖(a) VFC電路原理； (b) VFC電路工作波形； (c) VFC組成的A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖 第12章 傳感器的信號處理與接口技術(shù) 所謂電荷平衡原理是指在一個周期中，積分電容得到的電荷量與放出的電荷量相等， 即（Ui/Rf）T0=IjTj。因此，輸出頻率可表示為 ifjii01KURTIUTf（12