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河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系第7章傳感器與微機(jī)的接口技術(shù)掌握傳感器信號(hào)的預(yù)處理方法、信號(hào)放大電路、數(shù)字采集系統(tǒng)掌握線性化方法、標(biāo)度變換河第7章傳感器與微機(jī)的接口技術(shù)掌握傳感器信號(hào)的預(yù)1第一講傳感器信號(hào)的預(yù)處理方法一、傳感器與微機(jī)的接口二、傳感器信號(hào)的預(yù)處理第一講傳感器信號(hào)的預(yù)處理方法一、傳感器與微機(jī)的接口2一、傳感器與微機(jī)的接口輸入接口:介于傳感器與計(jì)算機(jī)之間的部分。其作用是將傳感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)所能接受的數(shù)字量,并按一定程序輸入計(jì)算機(jī)。傳感器與計(jì)算機(jī)的接口電路組成:信號(hào)預(yù)處理電路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)接口電路組成。如圖7-1-1所示為傳感器與計(jì)算機(jī)的接口框圖。圖7-1-1傳感器與計(jì)算機(jī)的接口框圖一、傳感器與微機(jī)的接口輸入接口:介于傳感器與計(jì)算機(jī)之間的部分3預(yù)處理電路:將傳感器輸出的非電壓量轉(zhuǎn)換成具有一定幅值的電壓量;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng):將模擬電壓量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量;計(jì)算機(jī)接口電路:把A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī),并將計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)送至輸入接口的各功能部件。預(yù)處理電路:將傳感器輸出的非電壓量轉(zhuǎn)換成具有一定幅值的電壓量4二、傳感器信號(hào)的預(yù)處理方法1、傳感器按輸出的變化形式成分類如圖7-1-2所示為按輸出形式分類。圖7-1-2傳感器按輸出方式分類二、傳感器信號(hào)的預(yù)處理方法1、傳感器按輸出的變化形式成分類如52、傳感器按輸出的變化形式成分類在將傳感器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量之前需要進(jìn)行某些預(yù)處理。該預(yù)處理和轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的工作內(nèi)容,由傳感器輸出方式不同而各不相同。1)開(kāi)關(guān)量信號(hào)預(yù)處理的方法被測(cè)對(duì)象輸入給傳感器的物理量高于“某一定值”時(shí),輸出ON(接通)狀態(tài),而低于該值時(shí),就輸出OFF(斷開(kāi))狀態(tài)。這里的“某一定值”稱為值或門限電平。2、傳感器按輸出的變化形式成分類在將傳感器輸6如圖7-1-3所示為這類開(kāi)關(guān)傳感器的理想特性。但這種特性并不實(shí)用,因?yàn)樵趥鞲衅鞯妮斎胄盘?hào)中總要疊加一些噪聲成分,這些噪聲成分就會(huì)改變輸出的狀態(tài)。圖7-1-4為開(kāi)/關(guān)式傳感器的實(shí)用特性。圖7-1-3開(kāi)/關(guān)傳感器的理想特性圖7-1-4實(shí)用特性如圖7-1-3所示為這類開(kāi)關(guān)傳感器的理想特性。但這種7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,或稱為脈沖整形電路,多使用施密特觸發(fā)器。為了消除噪聲及改善特性,常接入具有遲滯特性的82)模擬脈沖式傳感器信號(hào)預(yù)處理
①脈沖峰值式傳感器是在每次被測(cè)物理量入射到傳感器上時(shí)(不論是隨機(jī)的還是周期性的都一樣)就產(chǎn)生脈沖形式的輸出信號(hào),該信號(hào)的峰值與入射到傳感器的物理量的值成比例。有代表性的用途是測(cè)量射線(帶電粒子)能量的傳感器。
出于該峰值信息是模擬量,所以必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后才能輸入到計(jì)算機(jī)中。轉(zhuǎn)換成數(shù)字量需要使用A/D轉(zhuǎn)換器,這種轉(zhuǎn)換需要一定的操作時(shí)間。在操作時(shí)間內(nèi)如果A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入發(fā)生了變化,就會(huì)使轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息出現(xiàn)錯(cuò)誤。因此,傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器之間必須具有在操作時(shí)間內(nèi)使峰值保持一定的功能。脈沖峰值保持電路就是為了實(shí)現(xiàn)這一功能而設(shè)置的。2)模擬脈沖式傳感器信號(hào)預(yù)處理①脈沖峰值9脈沖寬度式傳感器中,每當(dāng)被測(cè)物理量入射到傳感器時(shí)(不論是隨機(jī)的還是周期性的)就產(chǎn)生一個(gè)脈沖狀的輸出信號(hào),該脈沖信號(hào)的寬度與入射到傳感器上的物理量的大小成比例。
脈沖間隔式傳感器中.每當(dāng)被測(cè)物理量入射到傳感器上時(shí),就產(chǎn)生兩種脈沖信號(hào),每種產(chǎn)生一個(gè)脈腫,二者產(chǎn)牛的時(shí)刻差(時(shí)間間隔)與入射到傳感器的物理量大小成比例。
②脈沖寬度式和脈沖間隔式傳感器脈沖寬度式傳感器中,每當(dāng)被測(cè)物理量入射到傳感器時(shí)(不10其處理方法分為兩種。一種方法是直接對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行數(shù)字計(jì)數(shù),使它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息;另一種方法是將時(shí)間信息轉(zhuǎn)換成峰值信息,再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將峰值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息。時(shí)間峰值轉(zhuǎn)換器(TimetoAmplitudeConverter,簡(jiǎn)稱TAC)在巾場(chǎng)上也以單片形式銷售。其處理方法分為兩種。一種方法是直接對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)113)模擬連續(xù)式傳感器信號(hào)預(yù)處理圖7-1-7模擬連續(xù)輸出預(yù)處理的一般體系3)模擬連續(xù)式傳感器信號(hào)預(yù)處理圖7-1-7模擬連續(xù)輸出預(yù)12
模擬連續(xù)式傳感器隨輸入給傳感器的被測(cè)物則量x的變化,傳感器輸出的電量s是連續(xù)變化的。這里的電量可以是電阻、電壓、電流、電感或電容。電阻式傳感器常用交、直流電橋?qū)㈦娮枳兓D(zhuǎn)換為電壓變化;通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。電感式和電容式傳感器常用交流電橋或諧振電路進(jìn)行預(yù)處理。交流電橋的輸出為調(diào)幅信號(hào),諧振電路的輸出有調(diào)幅和調(diào)頻兩種,差動(dòng)變壓器的輸出也是一個(gè)調(diào)幅信號(hào),它們要經(jīng)過(guò)檢波或鑒頻才能變成直流電壓信號(hào),再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。調(diào)頻信號(hào)可以直接用數(shù)字頻率計(jì)計(jì)數(shù)。模擬連續(xù)式傳感器隨輸入給傳感器的被測(cè)物則量134)頻率變化式傳感器信號(hào)的預(yù)處理
模擬頻率變化式傳感器多用于多普勒效應(yīng)測(cè)速計(jì)(如棒球的測(cè)速槍及交通速度管制的多普勒雷達(dá)等)中,由于輸入到傳感器的被測(cè)物理量值的大小不同,傳感器產(chǎn)生的連續(xù)周期信號(hào)的頻率將會(huì)模擬地變化。脈沖重復(fù)頻率式傳感器產(chǎn)生脈沖信號(hào),在單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)隨著輸入到傳感器的被測(cè)物理量值的大小不同而變化。這種傳感器多用于利用光的非接觸式轉(zhuǎn)速表等方面。這兩種傳感器所產(chǎn)生的信息基本上都是單位時(shí)間內(nèi)波的數(shù)量(頻率)或脈沖的個(gè)數(shù)。由于二者的內(nèi)容是等價(jià)的,所以可以把它們當(dāng)作頻率來(lái)處理。4)頻率變化式傳感器信號(hào)的預(yù)處理模擬頻率變14因此,如果將這些傳感器都看作頻率變化式傳感器,則用數(shù)字頻率計(jì)計(jì)數(shù),即轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息;或者利用頻率電壓轉(zhuǎn)換電路把頻率轉(zhuǎn)換成電壓,再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換即成,如圖7-1-8所示。圖7-1-8頻率變化式傳感器信號(hào)的預(yù)處理因此,如果將這些傳感器都看作頻率變化式傳感器,則用數(shù)155)數(shù)字電量式傳感器信號(hào)的預(yù)處理數(shù)字脈沖式傳感器是將傳感器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)直接作為輸出信息。圖7-1-9數(shù)字脈沖式傳感器的預(yù)處理5)數(shù)字電量式傳感器信號(hào)的預(yù)處理數(shù)字脈沖式傳16數(shù)字編碼式傳感器的特點(diǎn)是傳感器的輸出本身就是數(shù)字代碼形式,這種傳感器簡(jiǎn)稱為代碼式化感器。代碼式傳感器多用于位置測(cè)量。圖7-1-10數(shù)字編碼式傳感器的預(yù)處理數(shù)字編碼式傳感器的特點(diǎn)是傳感器的輸出本身就是17河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系第7章傳感器與微機(jī)的接口技術(shù)掌握傳感器信號(hào)的預(yù)處理方法、信號(hào)放大電路、數(shù)字采集系統(tǒng)掌握線性化方法、標(biāo)度變換河第7章傳感器與微機(jī)的接口技術(shù)掌握傳感器信號(hào)的預(yù)18第一講傳感器信號(hào)的預(yù)處理方法一、傳感器與微機(jī)的接口二、傳感器信號(hào)的預(yù)處理第一講傳感器信號(hào)的預(yù)處理方法一、傳感器與微機(jī)的接口19一、傳感器與微機(jī)的接口輸入接口:介于傳感器與計(jì)算機(jī)之間的部分。其作用是將傳感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)所能接受的數(shù)字量,并按一定程序輸入計(jì)算機(jī)。傳感器與計(jì)算機(jī)的接口電路組成:信號(hào)預(yù)處理電路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)接口電路組成。如圖7-1-1所示為傳感器與計(jì)算機(jī)的接口框圖。圖7-1-1傳感器與計(jì)算機(jī)的接口框圖一、傳感器與微機(jī)的接口輸入接口:介于傳感器與計(jì)算機(jī)之間的部分20預(yù)處理電路:將傳感器輸出的非電壓量轉(zhuǎn)換成具有一定幅值的電壓量;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng):將模擬電壓量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量;計(jì)算機(jī)接口電路:把A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī),并將計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)送至輸入接口的各功能部件。預(yù)處理電路:將傳感器輸出的非電壓量轉(zhuǎn)換成具有一定幅值的電壓量21二、傳感器信號(hào)的預(yù)處理方法1、傳感器按輸出的變化形式成分類如圖7-1-2所示為按輸出形式分類。圖7-1-2傳感器按輸出方式分類二、傳感器信號(hào)的預(yù)處理方法1、傳感器按輸出的變化形式成分類如222、傳感器按輸出的變化形式成分類在將傳感器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量之前需要進(jìn)行某些預(yù)處理。該預(yù)處理和轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的工作內(nèi)容,由傳感器輸出方式不同而各不相同。1)開(kāi)關(guān)量信號(hào)預(yù)處理的方法被測(cè)對(duì)象輸入給傳感器的物理量高于“某一定值”時(shí),輸出ON(接通)狀態(tài),而低于該值時(shí),就輸出OFF(斷開(kāi))狀態(tài)。這里的“某一定值”稱為值或門限電平。2、傳感器按輸出的變化形式成分類在將傳感器輸23如圖7-1-3所示為這類開(kāi)關(guān)傳感器的理想特性。但這種特性并不實(shí)用,因?yàn)樵趥鞲衅鞯妮斎胄盘?hào)中總要疊加一些噪聲成分,這些噪聲成分就會(huì)改變輸出的狀態(tài)。圖7-1-4為開(kāi)/關(guān)式傳感器的實(shí)用特性。圖7-1-3開(kāi)/關(guān)傳感器的理想特性圖7-1-4實(shí)用特性如圖7-1-3所示為這類開(kāi)關(guān)傳感器的理想特性。但這種24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,或稱為脈沖整形電路,多使用施密特觸發(fā)器。為了消除噪聲及改善特性,常接入具有遲滯特性的252)模擬脈沖式傳感器信號(hào)預(yù)處理
①脈沖峰值式傳感器是在每次被測(cè)物理量入射到傳感器上時(shí)(不論是隨機(jī)的還是周期性的都一樣)就產(chǎn)生脈沖形式的輸出信號(hào),該信號(hào)的峰值與入射到傳感器的物理量的值成比例。有代表性的用途是測(cè)量射線(帶電粒子)能量的傳感器。
出于該峰值信息是模擬量,所以必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后才能輸入到計(jì)算機(jī)中。轉(zhuǎn)換成數(shù)字量需要使用A/D轉(zhuǎn)換器,這種轉(zhuǎn)換需要一定的操作時(shí)間。在操作時(shí)間內(nèi)如果A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入發(fā)生了變化,就會(huì)使轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息出現(xiàn)錯(cuò)誤。因此,傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器之間必須具有在操作時(shí)間內(nèi)使峰值保持一定的功能。脈沖峰值保持電路就是為了實(shí)現(xiàn)這一功能而設(shè)置的。2)模擬脈沖式傳感器信號(hào)預(yù)處理①脈沖峰值26脈沖寬度式傳感器中,每當(dāng)被測(cè)物理量入射到傳感器時(shí)(不論是隨機(jī)的還是周期性的)就產(chǎn)生一個(gè)脈沖狀的輸出信號(hào),該脈沖信號(hào)的寬度與入射到傳感器上的物理量的大小成比例。
脈沖間隔式傳感器中.每當(dāng)被測(cè)物理量入射到傳感器上時(shí),就產(chǎn)生兩種脈沖信號(hào),每種產(chǎn)生一個(gè)脈腫,二者產(chǎn)牛的時(shí)刻差(時(shí)間間隔)與入射到傳感器的物理量大小成比例。
②脈沖寬度式和脈沖間隔式傳感器脈沖寬度式傳感器中,每當(dāng)被測(cè)物理量入射到傳感器時(shí)(不27其處理方法分為兩種。一種方法是直接對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行數(shù)字計(jì)數(shù),使它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息;另一種方法是將時(shí)間信息轉(zhuǎn)換成峰值信息,再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將峰值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息。時(shí)間峰值轉(zhuǎn)換器(TimetoAmplitudeConverter,簡(jiǎn)稱TAC)在巾場(chǎng)上也以單片形式銷售。其處理方法分為兩種。一種方法是直接對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)283)模擬連續(xù)式傳感器信號(hào)預(yù)處理圖7-1-7模擬連續(xù)輸出預(yù)處理的一般體系3)模擬連續(xù)式傳感器信號(hào)預(yù)處理圖7-1-7模擬連續(xù)輸出預(yù)29
模擬連續(xù)式傳感器隨輸入給傳感器的被測(cè)物則量x的變化,傳感器輸出的電量s是連續(xù)變化的。這里的電量可以是電阻、電壓、電流、電感或電容。電阻式傳感器常用交、直流電橋?qū)㈦娮枳兓D(zhuǎn)換為電壓變化;通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。電感式和電容式傳感器常用交流電橋或諧振電路進(jìn)行預(yù)處理。交流電橋的輸出為調(diào)幅信號(hào),諧振電路的輸出有調(diào)幅和調(diào)頻兩種,差動(dòng)變壓器的輸出也是一個(gè)調(diào)幅信號(hào),它們要經(jīng)過(guò)檢波或鑒頻才能變成直流電壓信號(hào),再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。調(diào)頻信號(hào)可以直接用數(shù)字頻率計(jì)計(jì)數(shù)。模擬連續(xù)式傳感器隨輸入給傳感器的被測(cè)物則量304)頻率變化式傳感器信號(hào)的預(yù)處理
模擬頻率變化式傳感器多用于多普勒效應(yīng)測(cè)速計(jì)(如棒球的測(cè)速槍及交通速度管制的多普勒雷達(dá)等)中,由于輸入到傳感器的被測(cè)物理量值的大小不同,傳感器產(chǎn)生的連續(xù)周期信號(hào)的頻率將會(huì)模擬地變化。脈沖重復(fù)頻率式傳感器產(chǎn)生脈沖信號(hào),在單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)隨著輸入到傳感器的被測(cè)物理量值的大小不同而變化。這種傳感器多用于利用光的非接觸式轉(zhuǎn)速表等方面。這兩種傳感器所產(chǎn)生的信息基本上都是單位時(shí)間內(nèi)波的數(shù)量(頻率)或脈沖的個(gè)數(shù)。由于二者的內(nèi)容是等價(jià)的,所以可以把它們當(dāng)作頻率來(lái)處理。4)頻率變化式傳感器信號(hào)的預(yù)處理模擬頻率變31因此,如果將這些傳感器都看作頻率變化式傳感器,則用數(shù)字頻率計(jì)計(jì)數(shù),即轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息;或者利用頻率電壓轉(zhuǎn)換電路把頻率轉(zhuǎn)換成電壓,再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換即成,如圖7-1-8所示。圖7-
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