前向通道設(shè)計

前向通道設(shè)計第一頁，共九十六頁，2022年，8月28日多輸入通道的前向通道結(jié)構(gòu)傳感器放大A/D主控電路傳感器放大多路開關(guān)多路選擇控制傳感器A/D主控電路傳感器多路開關(guān)增益選擇控制可編程增益放大多路選擇控制第二頁，共九十六頁，2022年，8月28日二、

前向通道設(shè)計特點(diǎn)組成前向通道的電路大多屬于模擬電路，有以下一些特點(diǎn)：單元電路類型較多：傳感、電源、放大、變換、處理、脈沖產(chǎn)生、調(diào)制、解調(diào)等；電路工作于線性狀態(tài)，有工作點(diǎn)選擇、工作點(diǎn)的穩(wěn)定性，運(yùn)行范圍的線性度要求；不僅有功能規(guī)定，還有精度指標(biāo)的規(guī)定；設(shè)計中的重點(diǎn)之一是輸入單元與信號源之間的匹配，包括阻抗匹配、線性范圍匹配、負(fù)載能力匹配、高低電平匹配，以及信號時序匹配等；調(diào)試難度大，特別對于高頻、高精度或微弱信號系統(tǒng)更是這樣。這類系統(tǒng)中的元器件布置、連線、接地、供電、去耦等對性能指標(biāo)影響很大。自動化設(shè)計進(jìn)展比較緩慢。第三頁，共九十六頁，2022年，8月28日三、前向通道設(shè)計內(nèi)容信號的拾取：傳感器的選擇是至關(guān)重要。信號的調(diào)節(jié)：除了小信號放大、濾波、整形外，還有諸如零點(diǎn)校正、線性化處理、溫度補(bǔ)償、誤差修正、量程切換等諸多方面的任務(wù)。模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路選擇：大多數(shù)的應(yīng)用場合都采用A/D轉(zhuǎn)換電路，包括多路模擬開關(guān)的選用、采樣/保持電路、A/D轉(zhuǎn)換器的選擇等?？垢蓴_措施：前向通道是干擾侵襲的主要渠道，必須充分考慮到干擾的抑制與隔離。第四頁，共九十六頁，2022年，8月28日傳感器組成敏感元件；轉(zhuǎn)換元件；測量電路。2.2傳感器一、傳感器組成與分類應(yīng)該說明的是：并不是所有的傳感器都可以明顯地將這三部分區(qū)分開。傳感器是指將各種非電量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于處理與傳輸?shù)碾娏康难b置。第五頁，共九十六頁，2022年，8月28日傳感器分類按檢測的物理量分：光、溫度、磁、超聲波、濕度、壓力、位移、速度、加速度等；按轉(zhuǎn)換原理分：熱電式、光電式、壓電式、電磁式等；按材料的半導(dǎo)體物理現(xiàn)象分：力敏、熱敏、光敏、氣敏等；按組成分：敏感元件、傳感器、測量儀表。第六頁，共九十六頁，2022年，8月28日表示測量結(jié)果與被測量的真值之間的一致程度的參數(shù)。兩者之差稱為絕對誤差，絕對誤差與真值之比稱相對誤差；精確度常用等級來表示，如0.1，0.5，1.0級的傳感器，表示它們的精確度分別為0.1%，0.5%和1%；測量儀表常用下式表示精確度：=1.0％X±0.5％FS，式中X為視值，F(xiàn)S為滿量程值。二、傳感器主要參數(shù)

1.靜態(tài)參數(shù)

精確度(準(zhǔn)確度)靈敏度

傳感器的輸出變化量ΔY與引起此變化的輸入變化量ΔX之比，靈敏度可能與激勵值有關(guān)。第七頁，共九十六頁，2022年，8月28日分辨率

指傳感器的指示裝置對相鄰兩個值有效辨別的能力，即為最小檢測量。一般認(rèn)為模擬式指示裝置的分辨率為標(biāo)尺最小分度值的一半，數(shù)字式指示裝置的分辨率為末位數(shù)的一個字碼。滯后

由于外加輸入量的方向(正行程和反行程)不同，傳感器對同樣的輸入值給出不同的輸出值，此兩者之差的絕對值稱回程誤差。零值誤差

當(dāng)輸入為零時，傳感器輸出偏離零位的值。第八頁，共九十六頁，2022年，8月28日2.動態(tài)參數(shù)時間常數(shù)τ上升時間tr

常用的動態(tài)參數(shù)有時間常數(shù)τ、上升時間tr、穩(wěn)定時間ts、過沖量δ、頻帶寬度BW。在恒定輸入條件下，傳感器輸出從零到穩(wěn)態(tài)值的63%的時間(只適用于一階系統(tǒng))。在恒定輸入條件下，傳感器輸出從穩(wěn)態(tài)值的10%～90%所經(jīng)歷的時間。第九頁，共九十六頁，2022年，8月28日穩(wěn)定時間ts過沖量δ在恒定輸入條件下，傳感器輸出上下波動進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值規(guī)定百分比以內(nèi)(如±1%)所經(jīng)歷的最小時間。在恒定輸入條件下，傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值。過沖只在二階以上系統(tǒng)且阻尼較小時才會發(fā)生。頻帶寬度BW在同一幅值不同頻率信號輸入條件下，傳感器輸出幅值下降到額定值的1／√2的頻率定義為上限頻率fH和下限頻率fL，兩者之差定義為帶寬BW。第十頁，共九十六頁，2022年，8月28日此類傳感器可用于測量壓力、拉力、應(yīng)力、推力、旋轉(zhuǎn)力、長度、厚度、位移、速度、加速度、重量等。三、力傳感器

作用

常用力學(xué)量傳感器電阻應(yīng)變式傳感器，它將機(jī)械構(gòu)件上應(yīng)力的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化；壓電式壓力傳感器，它是利用某些材料（如壓電晶體等）的壓電效應(yīng)原理制成；電容式傳感器，它是利用電容兩極板之間的距離或面積發(fā)生變化時引起電容量變化的原理；電感式傳感器，它是利用線圈自感、互感的變化來檢測被測物理量；壓阻式傳感器，它是利用半導(dǎo)體電阻率與應(yīng)力之間的相互關(guān)系來實(shí)現(xiàn)檢測的。第十一頁，共九十六頁，2022年，8月28日電阻應(yīng)變式傳感器又稱作應(yīng)變片。如圖是應(yīng)變片的外形和安裝圖。當(dāng)電阻絲被拉伸或壓縮時，它的阻值就發(fā)生相應(yīng)變化。將應(yīng)變片接成橋路，通過測量電路完成檢測任務(wù)。電阻應(yīng)變式傳感器的原理

第十二頁，共九十六頁，2022年，8月28日是指能檢測光信號并能把光信號轉(zhuǎn)變成電信號的元件。四、光傳感器

作用

分類光電發(fā)射效應(yīng)——光電管、光電倍增管、超正析象管；光電導(dǎo)效應(yīng)——硫化鎘光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等；光電勢效應(yīng)——太陽電池、硒光電池等。第十三頁，共九十六頁，2022年，8月28日光敏電阻是利用光電導(dǎo)制成的光電元件。某些半導(dǎo)體材料(如硒、硫化鎘等)在某一波長光線的照射下，本身的電阻就會改變。光敏電阻工作原理光敏電阻主要參數(shù)亮電阻RL：光敏電阻在有光線照射時(規(guī)定條件)的阻值；暗電阻RD：光敏電阻在室溫條件下，全暗后經(jīng)過一段時間所具有的阻值；最大功率損耗PMAX：環(huán)境溫度為25℃時的功率；最大外加電壓VMAX：在黑暗中可連續(xù)施加元件的最大電壓。1.光敏電阻第十四頁，共九十六頁，2022年，8月28日光敏電阻實(shí)例光敏電阻應(yīng)用照相機(jī)自動測光、光電控制、光控?zé)簟⒐饪匾魳稩C、工業(yè)控制、電子玩具等。型號最大電壓VMAX最大功耗PMAX光譜峰值λ亮電阻RL暗電阻RD響應(yīng)時間tr

tfGL5528150V100mW540nm10~20kΩ1MΩ20mS30mS第十五頁，共九十六頁，2022年，8月28日光敏晶體管有光敏二極管和光敏三極管；光敏二極管PN結(jié)無光照射反偏時電流很小，當(dāng)有光照射時，因PN結(jié)吸收能量使少數(shù)載流子濃度大增，電流增大；光敏三極管除了將光信號變?yōu)殡娏餍盘柾猓瑫r又將電流信號加以放大。光敏晶體管工作原理2.光電晶體管第十六頁，共九十六頁，2022年，8月28日當(dāng)光線射到光敏二極管時，光敏二極管通過電流，使繼電器吸合，對其它設(shè)備進(jìn)行控制。光電開關(guān)第十七頁，共九十六頁，2022年，8月28日放A1的作用是將光照度引起的電流變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘栞敵?；A2則是電壓/電流變換器，使電路輸出電流與照射到光敏二極管的光強(qiáng)度成正比；如果用輸出電流去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以制成光自動控制裝置。照度計第十八頁，共九十六頁，2022年，8月28日光斷續(xù)器是將近紅外發(fā)光二極管與光敏三極管相對放置并封裝起來的器件；主要有透射式和反射式兩種封裝形式。光斷續(xù)器（光電斷路器）透射式：發(fā)光二極管窗口與光敏三極管的窗口正好相對，常用來檢測物體的有無、物體的移動和轉(zhuǎn)速等。反射式：發(fā)射孔和接收孔位于同一側(cè)，常用于生產(chǎn)流水線的產(chǎn)品計數(shù)、智能電動小車循跡或躲避障礙物的傳感器。第十九頁，共九十六頁，2022年，8月28日光敏晶體管主要參數(shù)型號正向壓降VF(V)反向電流IR(μA)集電極暗電流ICEO(μA)集電極亮電流IL

(mA)飽和壓降VCE(V)響應(yīng)時間tr

tf

(μs)HT1511.25(IF=20mA)10(VR=3V)2(VCE=20V)4(VCE=5VIF=8mA)0.4(IF=8mAIc=0.4mA)55(IF=20mA

VCE=5V

Rc=100Ω)ST1781.25(IF=20mA)10(VR=3V)1(VCE=20V)0.4(VCE=5VIF=8mA)0.4(IF=8mAIc=0.15mA)1010(IF=20mA

VCE=5V

Rc=100Ω)第二十頁，共九十六頁，2022年，8月28日光敏晶體管應(yīng)用紅外線遙控器；生產(chǎn)流水線產(chǎn)品計數(shù)；集中抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集；位置、速度測量系統(tǒng)；傳真機(jī)、碎紙機(jī)等辦公設(shè)備。1+5VR1180R23.3kR34.7kR420k4093VO9014第二十一頁，共九十六頁，2022年，8月28日溫度是最常遇到的物理量，因此測溫傳感器使用非常廣泛而且種類繁多。分類（按測溫原理）體積熱膨脹：如水銀溫度計、雙金屬溫度計等；熱電阻：如鉑、銅、鎳等金屬熱電阻，半導(dǎo)體熱敏電阻等；熱電偶：如銅—康銅熱電偶；PN結(jié)溫度傳感器：如熱敏半導(dǎo)體二極管；集成溫度傳感器：如LM35、AD590，DS1820等。五、溫度傳感器

第二十二頁，共九十六頁，2022年，8月28日是一種用雙金屬片作為感溫組件的溫控器，屬于體積膨脹式溫度傳感器；正常工作時，雙金屬片處于自由狀態(tài)，觸點(diǎn)處于閉合/斷開狀態(tài)；當(dāng)溫度達(dá)到動作溫度時，雙金屬片受熱產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而迅速動作，打開/閉合觸點(diǎn)，切斷/接通電路，從而起到控溫作用；廣泛應(yīng)用于家電領(lǐng)域和辦公設(shè)備中。1.突跳式溫控器第二十三頁，共九十六頁，2022年，8月28日鉑、銅、鎳等金屬的電阻隨溫度而變化，因此可通過測電阻值的變化測出溫度的變化。通常把這些金屬做成細(xì)絲繞在線圈架上；用金屬絲做成的溫度傳感器性能穩(wěn)定，精度高(可達(dá)0.15級)，線性好，測溫范圍廣(鉑-259～1064℃，鎳-50～300℃，銅0～120℃)，它們的缺點(diǎn)是反應(yīng)慢、靈敏度差、價格貴等，一般用于工業(yè)測量；半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻，其阻值隨溫度變化比較顯著，具有升溫迅速、可靠、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，所以獲得了廣泛的應(yīng)用，特別是在家電領(lǐng)域中。2.熱電阻式溫度傳感器第二十四頁，共九十六頁，2022年，8月28日熱電偶的工作原理是基于熱電效應(yīng)。即兩種不同材料的金屬兩端連接起來，組成一個閉合回路，如果兩端結(jié)點(diǎn)溫度不同，則回路中形成一定大小的電流；熱電偶有以下特點(diǎn)：測溫范圍廣(-269～2800℃)。由于它的輸出是一電勢信號，所以測量時一般不需外加電源，構(gòu)造簡單、使用方便、不易損壞。其缺點(diǎn)是終端要補(bǔ)償，靈敏度較低。3.熱電偶傳感器第二十五頁，共九十六頁，2022年，8月28日集成溫度傳感器實(shí)質(zhì)上是一種半導(dǎo)體集成電路。它利用晶體管的b－e結(jié)壓降VBE與溫度T之間呈線性關(guān)系實(shí)現(xiàn)對溫度的檢測；集成溫度傳感器線性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便，得到廣泛應(yīng)用；集成溫度傳感器輸出型式分為電壓輸出、電流輸出和數(shù)字量輸出三種。常見集成溫度傳感器：型號測溫范圍封裝輸出型式溫度系數(shù)LM35-55～+150℃TO-46TO-92(3端)電壓型10mV/℃AD590-55～+150℃TO-52(2端)電流型1μA/℃DS1820-55～+125℃PR35(3端)數(shù)字量0.5溫度/字4.集成溫度傳感器第二十六頁，共九十六頁，2022年，8月28日LM35封裝基本電路AD590封裝基本電路+15V100950AD590VO=1mV/K+15V27kAD581VO=100mV/KAD590+-36k2k91k10k-15V第二十七頁，共九十六頁，2022年，8月28日特點(diǎn)采用單總線結(jié)構(gòu)，通過一根I/O口線與主控CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令的傳送；內(nèi)含溫度傳感器、ROM、RAM和I/O接口等，可以免去外加的運(yùn)算放大器和A/D轉(zhuǎn)換器等器件，使檢測電路得到簡化；測量結(jié)果可以由用戶程序設(shè)定為9、10、11或12位二進(jìn)制數(shù)，對應(yīng)溫度分辨率分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃；有體積小、功耗低、性能穩(wěn)定、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此在溫度測控系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。DS18B20封裝第二十八頁，共九十六頁，2022年，8月28日對磁敏感的傳感器稱為磁性傳感器；磁性傳感器主要有干簧管、磁敏二極管、磁敏三極管、磁阻傳感器及霍爾元件等；霍爾元件以磁場作媒介，可直接檢測磁場、電流，還可檢測位移、振動、速度、加速度、壓力、功率等多種物理量；霍爾元件的主要優(yōu)點(diǎn)是：可以實(shí)現(xiàn)非接觸式測量；當(dāng)磁場采用永磁體產(chǎn)生時，不需要附加電源；尺寸小、價格便宜、應(yīng)用電路簡單、可靠性高。六、

磁性傳感器

第二十九頁，共九十六頁，2022年，8月28日霍爾元件工作原理在用半導(dǎo)體材料做成的薄片上，制作四個歐姆接觸電極a、b、c、d，當(dāng)在Z軸方向上加一個磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場，若a、b端輸入控制電流I，則在c、d端就會產(chǎn)生電壓VH(霍爾電勢)，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)；如果磁場B固定不變，則VH可反映電流I的變化；如果控制電流I固定不變，則VH可反映磁場B的變化；如果磁場B由移動磁鐵產(chǎn)生，則VH可反映移動磁鐵的位置；在測量系統(tǒng)中，霍爾元件常用于大電流測量。第三十頁，共九十六頁，2022年，8月28日SS495A封裝形式把霍爾元件、溫度補(bǔ)償電路、放大器及穩(wěn)壓電源等做在一個芯片上然后封裝起來就構(gòu)成了霍爾傳感器；霍爾傳感器可分為線性和開關(guān)型兩種。1.線性霍爾傳感器線性型霍爾傳感器的輸出電壓與外加磁感應(yīng)強(qiáng)度之間是線性關(guān)系。霍爾傳感器第三十一頁，共九十六頁，2022年，8月28日輸出特性典型應(yīng)用電路構(gòu)成電流檢測器+VS1輸出RLH23第三十二頁，共九十六頁，2022年，8月28日SS111A封裝形式2.開關(guān)型霍爾傳感器開關(guān)型霍爾傳感器的輸出電壓只有2種狀態(tài)。穩(wěn)壓電源AH+VSGNDVO123內(nèi)部電路組成包括穩(wěn)壓電源、霍爾元件、放大器、滯回比較器及OC輸出管等。第三十三頁，共九十六頁，2022年，8月28日工作原理類似于施密特反向器；當(dāng)外加磁感應(yīng)強(qiáng)度超過BOP時，傳感器輸出低電平；而當(dāng)外加磁感應(yīng)強(qiáng)度低于BRP時，傳感器輸出為高電平。VOH0.4VVOBOPBRP0BHB基本應(yīng)用電路+VS1RL1～2kH23VOSN第三十四頁，共九十六頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)數(shù)測量裝置液位檢測和控制裝置第三十五頁，共九十六頁，2022年，8月28日超聲波傳感器一般采用壓電陶瓷晶片制成，它可以將加在其上的電信號，轉(zhuǎn)換為超聲機(jī)械波向外輻射；也可以將作用在其上的超聲機(jī)械波，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號；超聲波檢測裝置包含有一個發(fā)射器和一個接收器。七、超聲波傳感器外形與符號T40-16：發(fā)射器；R40-16：接收器。第三十六頁，共九十六頁，2022年，8月28日1.

基本特性頻率特性超聲發(fā)射器的中心頻率f0處所產(chǎn)生的超聲機(jī)械波最強(qiáng)，產(chǎn)生的超聲聲壓能級也最高；超聲波接收器在f0處最尖銳，輸出電信號的幅度最大，接收靈敏度也最高；超聲接收器的頻率特性曲線和輸出端外接電阻R有很大關(guān)系，如果R很大，頻率特性是尖銳共振的；如果R較小頻率特性曲線變得平滑，并且最大靈敏度向稍低的頻率移動。第三十七頁，共九十六頁，2022年，8月28日指向特性當(dāng)θ=0o時聲壓最大，角度逐漸增大時，聲壓減??；超聲傳感器的指向角一般為40o～80o。第三十八頁，共九十六頁，2022年，8月28日2.應(yīng)用電路發(fā)射電路用與非門組成的超聲波發(fā)射電路調(diào)制信號由G2輸入；G1、G2和電阻R、電容C組成多諧振蕩電路，電路的振蕩頻率f0近似等于1/(2.2RC)；G3為驅(qū)動器，為超聲波發(fā)射器提供驅(qū)動所需的電壓、電流信號。&&&STRS47kR12kC1000G174HC00G2G3調(diào)制輸入NE55534876215VCCR12kR23kR310kC14700pST調(diào)制輸入C20.01μ用555集成定時器組成的超聲波發(fā)射電路調(diào)制信號由555的4＃腳輸入；電路的振蕩頻率f0近似等于1.44/(R1+2R2)C；信號經(jīng)555的3＃腳輸出送超聲波發(fā)射器。第三十九頁，共九十六頁，2022年，8月28日接收電路由運(yùn)算放大器組成信號通過電容C1的耦合送入運(yùn)放同向端；R2、R3組成分壓電路，使運(yùn)放同相端的電位為1/2電源電壓；運(yùn)放將信號比例放大后輸出。用CMOS非門組成CMOS非門當(dāng)做放大器，它具有輸入阻抗高、功耗低、成本低、電路簡單等優(yōu)點(diǎn)；Cf為防止高頻自激而設(shè)，容量約取1000pF，具體數(shù)值在調(diào)整時確定。+-+12VR1100kR2100kR3100kC10.01μC24.7μR41kR51MVOSR+1SRVOViCfRf

第四十頁，共九十六頁，2022年，8月28日水銀開關(guān)又稱傾側(cè)開關(guān)，是震動開關(guān)的一種，以一接有電極的小巧容器儲存有一小滴水銀；因?yàn)橹亓Φ年P(guān)系，水銀水珠會向容器中較低的地方流去。如果水銀同時接觸到兩個電極的話，兩個電極便會閉合，否則，兩個電極處于斷開狀態(tài)。八、震動傳感器1.

水銀開關(guān)基本構(gòu)造圖（a）是玻璃外殼水銀開關(guān)，缺點(diǎn)是玻璃外殼容易破碎；圖（b）是塑料外殼水銀開關(guān)，克服了玻璃外殼容易破碎的缺點(diǎn)；圖（c）是金屬外殼水銀開關(guān)，可承受較大的沖擊加速度。第四十一頁，共九十六頁，2022年，8月28日主要參數(shù)開關(guān)允許電流：一般合金絲電極最大允許電流為0.3～1A；使用溫度：可以在-35～+90℃溫度范圍之內(nèi)使用；開關(guān)接觸電阻：水銀開關(guān)電極間的接觸電阻<100mΩ。主要應(yīng)用廣泛應(yīng)用于杠桿開關(guān)、繼電器、安全報警及工程機(jī)械等方面；在高溫情況下使用有一定的危險性；對人體及環(huán)境均有毒害，使用時避免破出，不用時也不要隨意丟棄。第四十二頁，共九十六頁，2022年，8月28日震動開關(guān)也叫振動開關(guān)、彈簧開關(guān)、震動傳感器、搖晃開關(guān)，是在感應(yīng)震動力時產(chǎn)生觸發(fā)動作，并使電路啟動工作的電子開關(guān)；在平時不受振動時彈簧和觸發(fā)接腳間是不導(dǎo)通的，受到振動后，彈簧抖動接觸到觸發(fā)接腳從而通電產(chǎn)生觸發(fā)信號；廣泛用于玩具、鞋燈、防盜報警器、電子秤等各種電子產(chǎn)品上。2.

震動開關(guān)第四十三頁，共九十六頁，2022年，8月28日大多數(shù)傳感器與系統(tǒng)之間的傳輸信號是模擬電壓信號或模擬電流信號。要充分發(fā)揮傳感器的特性，除了要正確選擇傳感器以外，還要設(shè)計合理的傳感器接口電路。在設(shè)計傳感器接口電路時主要涉及的問題有：模擬信號傳輸、信號轉(zhuǎn)換、非線性校正與溫度補(bǔ)償，以及干擾抑制問題。1.模擬信號傳輸九、傳感器接口第四十四頁，共九十六頁，2022年，8月28日電壓信號傳輸

當(dāng)傳送距離較遠(yuǎn)時，由于導(dǎo)線電阻的增大，則要求系統(tǒng)輸入端的輸入阻抗增大；增大輸入阻抗又易于引入干擾，因此電壓信號一般不適合作遠(yuǎn)距離傳輸；為了盡可能提高信噪比，現(xiàn)在的集成傳感器多把敏感元件與放大器集成在一起，將模擬電壓信號放大后進(jìn)行傳輸。第四十五頁，共九十六頁，2022年，8月28日電流信號傳輸

電流信號適合于遠(yuǎn)距離傳送。因?yàn)檫@樣可使用高輸出阻抗的傳感器，從而形成一個相當(dāng)于電流源信號傳輸回路；電流信號傳輸?shù)膰H標(biāo)準(zhǔn)是4～20mA的直流電流，供電電壓為24V；4～20mA電流傳輸可以采用專用集成芯片，如B-B公司的XTＲ101型小信號雙線變送器，AD公司生產(chǎn)的AD694等。第四十六頁，共九十六頁，2022年，8月28日傳感器的輸出信號在傳輸過程中，經(jīng)常需要進(jìn)行各種轉(zhuǎn)換。2.信號轉(zhuǎn)換電壓轉(zhuǎn)換成電流信號如前所述，可采用XTＲ101、AD694等。電壓、電流轉(zhuǎn)換成頻率信號把模擬信號轉(zhuǎn)換成頻率信號來傳送可提高系統(tǒng)的精度和抗干擾能力。因?yàn)檫@相當(dāng)于將模擬傳輸方式改成數(shù)字傳輸方式；電壓/頻率轉(zhuǎn)換集成芯片有LM331、AD654等。傳輸回路的阻抗變換在電壓信號傳輸中，當(dāng)傳感器的輸出阻抗比較高時，在傳輸過程中會產(chǎn)生信號衰減。為此在傳感器輸出端可接入一個高輸入阻抗和低輸出阻抗的匹配器；常用電路有帶自舉電路的射極輸出器、場效應(yīng)管的源極輸出器或用運(yùn)算放大器組成的阻抗匹配器等。第四十七頁，共九十六頁，2022年，8月28日3.非線性校正和溫度補(bǔ)償

許多傳感器輸出的電信號與被測物理量之間是非線性關(guān)系，會影響測量精度，因此需將此類信號作線性化處理；線性化處理可用硬件（加非線性器件）或軟件（查表）來實(shí)現(xiàn)。4.信號傳輸中的干擾抑制

傳感器的輸出信號通常比較小，在信號傳輸中干擾影響特別嚴(yán)重，因此要充分考慮對干擾的消除和抑制；常用的措施：①差分傳輸方式；②隔離傳輸方式；③屏蔽和濾波；④對通斷信號可接入具有遲滯特性的電路。第四十八頁，共九十六頁，2022年，8月28日2.3信號放大與變換電路一、集成運(yùn)算放大器應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)放是模擬系統(tǒng)中一個應(yīng)用非常廣泛的單元電路，按集成運(yùn)放應(yīng)用特點(diǎn)可把它們分為通用集成運(yùn)放和專用集成運(yùn)放兩大類。通用集成運(yùn)放參數(shù)是按工業(yè)上的普通用途設(shè)定的，各方面性能都較差或中等，價格低廉；常用的有μA741、μA747、LM358、LM324、NE5532、AD508等。1.集成運(yùn)放的分類第四十九頁，共九十六頁，2022年，8月28日低漂移高精度型特點(diǎn)是失調(diào)、漂移都很小，噪聲很低、共模抑制比大；工作速度往往較低；典型產(chǎn)品有OP-07、OP-27、OP-37、μA725、ICL7650等。高速型增益帶寬乘積大、轉(zhuǎn)換速率高；常用于處理頻帶寬、變化速度快的信號；常用產(chǎn)品有LF357、LM318、OP-17、OP-37等。高輸入阻抗型輸入阻抗高（可達(dá)l012Ω以上）、輸入偏流?。ǖ椭翈讉€pA）；常用于積分及保持電路等；常用產(chǎn)品有LF353、LF357、CA3140、TL081/082/084等。第五十頁，共九十六頁，2022年，8月28日高壓型供電電源、輸入信號范圍和輸出信號范圍較大；如LM343，其供電電源及輸入、輸出信號電壓達(dá)±34V。低功耗型本身功率損耗較??；可用于電池供電系統(tǒng)；如μPC253功耗僅為1.8mW，而通用運(yùn)放μA741有50mW功耗。大功率型輸出信號有較大功率驅(qū)動能力；可用于直接驅(qū)動功率負(fù)載；如μA791可輸出高達(dá)1000mA驅(qū)動電流。第五十一頁，共九十六頁，2022年，8月28日輸入失調(diào)電壓VOS：集成運(yùn)放輸入為0時輸出并不為0，為使輸出回到0，需在輸入端加入一非0的補(bǔ)償電壓，稱為輸入失調(diào)電壓，其值影響系統(tǒng)的零點(diǎn)誤差；輸入失調(diào)電壓溫漂?VOS/?T：輸入失調(diào)電壓的溫度系數(shù)，反映輸入失調(diào)電壓隨溫度而變化的程度；差模輸入電阻RIN：輸入差模電壓變化量與引起的輸入電流變化量之比，差模輸入電阻越大，運(yùn)放從信號源索取的電流越?。还材Ｒ种票菴MRR：表示了集成運(yùn)放對共模信號(通常是一種干擾信號)的抑制能力，這一指標(biāo)在微弱信號放大場合非常重要；擺率(轉(zhuǎn)換速率)SR：是表示運(yùn)放所允許的輸出電壓VO對時間變化率的最大值，反映了集成運(yùn)放對信號變化速度的響應(yīng)能力；增益帶寬乘積GBW：開環(huán)差模增益與上限截止頻率的乘積，GBW通常是一個常數(shù)，從中可推出該運(yùn)放在實(shí)際工作條件下所具有的帶寬。2.集成運(yùn)放的主要參數(shù)第五十二頁，共九十六頁，2022年，8月28日集成運(yùn)放實(shí)例型號輸入失調(diào)電壓VOS

(mV)輸入失調(diào)電壓溫漂?VOS/?T(μV/℃)差模輸入電阻RIN(MΩ)共模抑制比CMRR(dB)擺率SR

(V/μS)增益帶寬乘積GBW(MHz)μA7412152900.50.3NE55320.550.3100910OP-070.060.5331200.30.6LM318431007015LF357351061005020第五十三頁，共九十六頁，2022年，8月28日為簡化分析，通常將集成運(yùn)算放大器看成一個理想運(yùn)算放大器，即：開環(huán)差模電壓增益AVD＝∞，輸入電阻RIN＝∞；當(dāng)集成運(yùn)放構(gòu)成負(fù)反饋放大器，且工作在線性范圍內(nèi)，則：V+＝V-，I+＝I-＝0；例：∵I+＝0

∴V-＝V+＝0∵I-＝0∴(Vi-0)/R1＝(0-Vo)/R2∴

Vo＝-(R2/R1)Vi3.集成運(yùn)放電路分析第五十四頁，共九十六頁，2022年，8月28日若無特殊要求，應(yīng)盡量選用通用型運(yùn)算放大器；對手冊中給出的運(yùn)放性能指標(biāo)應(yīng)有全面的認(rèn)識，不要盲目片面追求指標(biāo)的先進(jìn)；各種參數(shù)指標(biāo)是在一定的測試條件下測出的，如果使用條件和測試條件不一致，則指標(biāo)的數(shù)值也將會有差異；做弱信號放大時，應(yīng)特別注意選用低失調(diào)、低噪聲系數(shù)、高精度的運(yùn)算放大器，同時應(yīng)保證運(yùn)放同相端與反相端對地的等效直流電阻的匹配與平衡等；用于直流放大時，必須妥善進(jìn)行調(diào)零；為了消除運(yùn)算放大器的高頻自激，應(yīng)參照推薦電路在規(guī)定的消振引腳之間接人適當(dāng)電容消振，同時應(yīng)盡量避免兩級以上放大級級連，以減小消振困難。4.集成運(yùn)放選用要點(diǎn)第五十五頁，共九十六頁，2022年，8月28日二、常用放大電路帶偏移的放大電路1.反相輸入比例放大器電阻取值限制R1取值不能太小，否則信號源輸出電流較大，一般在1kΩ以上；R2取值不能太大，否則易受潮濕環(huán)境影響，一般在1MΩ以下；因此該電路不可能有較大的單級增益。第五十六頁，共九十六頁，2022年，8月28日帶偏移的放大電路2.正相輸入比例放大器不但具有放大作用，還可對信號起到平移的作用。第五十七頁，共九十六頁，2022年，8月28日特點(diǎn)3.增益大于1的反相放大器單級電路獲得較大的放大倍數(shù)。4.反相加法器實(shí)現(xiàn)對多個輸入信號按權(quán)相加與放大的功能。第五十八頁，共九十六頁，2022年，8月28日5.差動放大電路當(dāng)R2/R1＝R4/R3時：可以實(shí)現(xiàn)對輸入的差值信號進(jìn)行放大的功能。第五十九頁，共九十六頁，2022年，8月28日特點(diǎn)6.帶驅(qū)動的反相放大器放大器各表達(dá)式與反相放大器相同，但此電路可以輸出更大電流。第六十頁，共九十六頁，2022年，8月28日測量放大器又稱儀表放大器、數(shù)據(jù)放大器或橋路放大器；測量放大器具有全面高性能指標(biāo)，如高增益、高共模抑制比、高精度（低失調(diào)、低漂移）、高輸入阻抗、低輸出阻抗等；常用于熱電偶、應(yīng)變電橋、流量計量、生物測量以及其他有較大共模干擾的微弱差值信號的放大；常用測量放大器按性能分類有：通用型如AD620、INA114、INA131等，高精度型如AD522、INA128、AD624等，低噪聲低功耗型如INA102、INA103等，以及可編程型如AD526、PGA102、PGA204等。三、測量放大器第六十一頁，共九十六頁，2022年，8月28日原理A1和A2構(gòu)成第一級，由于A1和A2均為同相輸入，因此放大電路具有很高的等效輸入阻抗；第二級A3接成差動形式（減法器），可把雙端輸入信號轉(zhuǎn)換成單端輸出；由于內(nèi)部電路完全對稱，因此可獲得很高的共模抑制比。+-R110kVO輸入-++-R110kRGR210kR210kR210kR210kR3100kR3100kR410kVIN+VIN-A1A2A3第六十二頁，共九十六頁，2022年，8月28日數(shù)據(jù)放大器參數(shù)差模增益型號輸入失調(diào)電壓VOS

(mV)輸入失調(diào)電壓溫漂?VOS/?T(μV/℃)差模輸入電阻RIN(MΩ)共模抑制比CMRR(dB)擺率SR

(V/μS)增益帶寬乘積GBW(MHz)μA7412152900.50.3NE55320.550.3100910OP-070.060.5331200.30.6LM318431007015LF357351061005020AD6200.030.31041301.21第六十三頁，共九十六頁，2022年，8月28日電壓/電流轉(zhuǎn)換器又稱跨導(dǎo)型放大器，常用于遠(yuǎn)距離傳送信號時，消除導(dǎo)線電阻的影響和外界干擾造成的誤差；電壓/電流轉(zhuǎn)換器以所接負(fù)載形式不同可以兩種類型：浮動型和接地型。四、電壓/電流轉(zhuǎn)換器1.浮動負(fù)載轉(zhuǎn)換器負(fù)載的兩個端點(diǎn)都不受約束；無論何種負(fù)載，輸出電流表達(dá)式都成立；圖（a）輸出電壓的有限范圍，圖（b）iO必須來自源vi本身。+-Vi+負(fù)載RiOVL-+-Vi-RiOVL+負(fù)載VOVO第六十四頁，共九十六頁，2022年，8月28日原理可見，負(fù)載電流IL與RL無關(guān)，滿足了恒流的要求；常用集成電壓/電流轉(zhuǎn)換器有XTＲ101、AD694等。2.接地負(fù)載轉(zhuǎn)換器第六十五頁，共九十六頁，2022年，8月28日輸入電流信號ii流過采樣電阻RS

，并在采樣電阻兩端產(chǎn)生輸出電壓信號：vO=RS·ii；當(dāng)輸入信號是一個非理想的電流源時，造成輸出電壓vO的衰減。五、電流/電壓轉(zhuǎn)換器簡單電路

vOiiRSRORSiivo第六十六頁，共九十六頁，2022年，8月28日

輸入電流ii流過電阻R，產(chǎn)生輸出電壓信號vO

=-R·ii；運(yùn)算放大器在輸入和輸出端都消除了負(fù)載效應(yīng)。用運(yùn)放來實(shí)現(xiàn)的電路高靈敏度I/V轉(zhuǎn)換器高靈敏度的應(yīng)用可能會要求不現(xiàn)實(shí)的大阻值電阻；這個電路是靠倍乘因子k是來增加R的。這樣就可以從一個合理的R值出發(fā)，然后乘以所需要的k值來實(shí)現(xiàn)高靈敏度。vO=-k·R·ii

+-iiRvo+-iiRvoR1R2v1第六十七頁，共九十六頁，2022年，8月28日1.積分電路2.差動積分電路六、積分、微分、濾波電路對輸入信號按時間積分的電路。對輸入的差分信號按時間積分的電路。集成運(yùn)算放大器除了可以構(gòu)成信號放大電路外，還可以構(gòu)成各種類型的信號處理電路。第六十八頁，共九十六頁，2022年，8月28日3.微分電路4.一階慣性環(huán)節(jié)對輸入信號按時間微分的電路。等效為一階低通濾波電路。第六十九頁，共九十六頁，2022年，8月28日5.壓控低通有源濾波電路截止頻率（或中心頻率）調(diào)節(jié)方便；可提供通帶內(nèi)一定的增益；輸出阻抗低；便于級聯(lián)組合成高階濾波器，或組合成帶通或帶阻濾波器；受運(yùn)放帶寬的限制，RC有源濾波器僅適用于低頻范圍。RC有源濾波器特點(diǎn)改善了二階低通有源濾波器的通帶特性；直流增益A＝1+R3/R4應(yīng)小于3，否則會產(chǎn)生自激振蕩；截止頻率：壓控低通有源濾波電路特點(diǎn)第七十頁，共九十六頁，2022年，8月28日6.壓控高通有源濾波電路將壓控低通有源濾波電路中的R1與C1、R2與C2位置互換，就構(gòu)成高通有源濾波電路；截止頻率：第七十一頁，共九十六頁，2022年，8月28日7.無限增益低通濾波電路這種濾波電路不會因?yàn)橹绷髟鲆鍭=-R2/R1過大而產(chǎn)生自激振蕩；截止頻率：第七十二頁，共九十六頁，2022年，8月28日8.無限增益高通濾波電路將無限增益低通濾波電路中的電阻與電容互換，就構(gòu)成無限增益高通有源濾波電路；截止頻率：第七十三頁，共九十六頁，2022年，8月28日1.電壓比較器七、電壓比較器與施密特觸發(fā)器放大、積分、濾波等電路都工作在線性狀態(tài)，電壓比較器和施密特觸主要工作在飽和與截止?fàn)顟B(tài)；主要作用是對模擬系統(tǒng)中采集的頻率量或開關(guān)量做放大與整形。電壓比較器的作用是將它的一個輸入端上的電壓vP，與另一個輸入端上的電壓vN進(jìn)行比較；根據(jù)：vP<vN或vP>vN輸出可以是一個低電壓VOL或高電壓VOH。+-CMPVOVCCVEEVPVNVDVOVOHVOLVD0第七十四頁，共九十六頁，2022年，8月28日比較器的速率用響應(yīng)時間來表征，也稱為傳播延遲tPD，是從輸入某一預(yù)定的階躍電壓信號開始，到完成輸出轉(zhuǎn)換的50％所需要的時間；當(dāng)速率不再是重要因素時，運(yùn)算放大器可以成為一個極好的比較器。比較器響應(yīng)速率+-CMPVOViViVOD-100mVt0VOtPD50％t0VOHVOL運(yùn)放構(gòu)成比較器的缺點(diǎn)由于運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率限制，輸出是要延遲一段時間，例如采用741運(yùn)算放大器，tR=Vsat/SR=(13V)/(0.5V/μs)=26μs；輸出飽和電平對于數(shù)字電路的接口來說通常無法接受。第七十五頁，共九十六頁，2022年，8月28日當(dāng)vP<vN時，輸出三極管Q處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，可以吸收50mA的電流；當(dāng)vP>vN時，Q處于截止?fàn)顟B(tài)，漏電流一般為0.2nA，可忽略不計；三極管Q的集電極和發(fā)射極都連接到了器件的引腳上，因此可以對Q進(jìn)行自定偏置。LM311工作原理另一類高增益放大器就是集成電壓比較器。第七十六頁，共九十六頁，2022年，8月28日LM311典型應(yīng)用輸入信號范圍取決于VCC和VEE，當(dāng)VCC

=+15V，VEE=-15V時，VP、VN允許范圍為-14.7~+13.8V；輸出信號范圍取決于VCC(logic)

和VEE(logic)

，當(dāng)VCC(logic)=5V和VEE(logic)=0V時，VO可以兼容TTL和CMOS電平。+1VOVCCRCVPVNVEE-VCC(logic)VEE(logic)23478311+1VORCVP<VN-VCC(logic)VEE(logic)237VCE(sat)311+1VORCVP>VN-VCC(logic)VEE(logic)237311其他電壓比較器LM393：雙電壓比較器，LM339：四電壓比較器；LT1016、LT1719：高速的電壓比較器。第七十七頁，共九十六頁，2022年，8月28日2.施密特觸發(fā)器在運(yùn)算放大器上用一個分壓器來提供正直流反饋，構(gòu)成反相施密特觸發(fā)器；可以把這個電路看成一個反相型閾值檢測器，它有兩個可能的閾值；觀察電壓轉(zhuǎn)移曲線可以發(fā)現(xiàn)，在曲線垂直部分上的移動只能按順時針方向進(jìn)行；這種有兩個單獨(dú)的躍變點(diǎn)的VTC稱為磁滯現(xiàn)象，將磁滯寬度定義為：ΔVT=VTH–VTL。反相施密特觸發(fā)器第七十八頁，共九十六頁，2022年，8月28日把vI接在了同相輸入端上，構(gòu)成同相施密特觸發(fā)器；電壓轉(zhuǎn)移曲線在垂直線段上的移動必須按照逆時針方向進(jìn)行；磁滯寬度：同相施密特觸發(fā)器第七十九頁，共九十六頁，2022年，8月28日消除抖動：施密特觸發(fā)器的應(yīng)用比較器抖動：利用磁滯現(xiàn)象消除抖動：第八十頁，共九十六頁，2022年，8月28日2.4信號的模/數(shù)轉(zhuǎn)換載有信息的變量通常是以模擬量的形式表示的。為了便于處理、傳輸和存儲，需要將這些信息轉(zhuǎn)換為用數(shù)字量形式；與模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路相關(guān)的還有采樣/保持電路和多路模擬開關(guān)等。在多路和多參數(shù)的采集、控制系統(tǒng)中，通常采用公共的采樣/保持電路及A/D轉(zhuǎn)換電路，有時甚至可將某些放大電路共用；每一路都單獨(dú)采用各自的輸入回路，不僅成本比單路成倍增加，而且會導(dǎo)致系統(tǒng)體積龐大；由于模擬器件、阻容元件參數(shù)特性不一致，每路單獨(dú)采用一個回路對系統(tǒng)的校準(zhǔn)也會帶來很大困難。要實(shí)現(xiàn)這種設(shè)計，往往要采用多路模擬開關(guān)。一、多路模擬開關(guān)第八十一頁，共九十六頁，2022年，8月28日干簧管或繼電器：動作速度慢，可靠性差，壽命短；多路數(shù)據(jù)選擇器：傳輸過程電壓幅度有一定變化，用于對多路數(shù)字信號選擇；多路模擬開關(guān)：CMOS多路模擬開關(guān)傳輸非線性失真小，精度高，功耗低，可用于模擬信號傳輸。CMOS傳輸門。1.多路開關(guān)的類型2.多路模擬開關(guān)原理第八十二頁，共九十六頁，2022年，8月28日通道數(shù)量；通道數(shù)量需要滿足信號采集和控制路數(shù)的要求；通道越多，漏電流越大，通道間的干擾也越多。泄漏電流：泄漏電流越小越好；切換速度：對于傳輸快速度化的信號，要求切換速度高；開關(guān)電阻：與開關(guān)串聯(lián)的負(fù)載為低阻抗時，應(yīng)選擇導(dǎo)通電阻足夠低的多路模擬開關(guān)；其他：參數(shù)的漂移性、每路電阻的一致性及開關(guān)的使用壽命等。3.多路模擬開關(guān)的主要參數(shù)第八十三頁，共九十六頁，2022年，8月28日型號CD4066CD4051CD4052CD4053CD4067CD4097通道數(shù)量4個獨(dú)立8選1雙4選1三2選116選1雙8選1電源電壓（V）3～18數(shù)字3～20模擬20VP-P數(shù)字3～20模擬20VP-P數(shù)字3～20模擬20VP-P3～183～18導(dǎo)通電阻（Ω）250470470470470470通道電阻差（Ω）251515151515泄露電流（nA）0.050.010.010.010.10.1平均傳輸延遲時間（ns）203030303030封裝DIP14、SOP14DIP16、SOP16DIP16、SOP16DIP16、SOP16DIP24、SOP24DIP24、SOP24應(yīng)該說明的是：處理微小電壓信號時，由于信號十分微弱，因而集成化多路模擬開關(guān)往往不能有效地傳遞所需信號；使用繼電器一類的接點(diǎn)開關(guān)是比較方便和比較理想的。4.常用多路模擬開關(guān)第八十四頁，共九十六頁，2022年，8月28日采樣/保持電路是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中常用的一個部件，常用于逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的前端，用于保證A/D轉(zhuǎn)換的精度。當(dāng)開關(guān)閉合時，電容CH充電達(dá)到輸入信號電平；當(dāng)開關(guān)斷開后，電容器保持這個電平。二、采樣/保持電路1.工作原理第八十五頁，共九十六頁，2022年，8月28日捕獲時間TACTAC為接到采樣命令（t0）到vo能在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)跟蹤vi的時間（t1）之間的時間；采樣脈沖寬度必須大于捕獲時間TAC?？讖綍r間（TAP）又稱斷開延時時間，指發(fā)出保持命令（t2）到開關(guān)真正斷開（t3）這一小段延遲時間；在孔徑時間內(nèi)，輸入模擬信號的任何變化都會引入誤差，稱作孔徑誤差。保持電壓下降在保持期間，電容器CH的電荷緩慢泄放，造成輸出電壓下降。2.主要參數(shù)第八十六頁，共九十六頁，2022年，8月28日CH品種外接保持電容CH要選用低泄露電流的高質(zhì)量的電容器，如聚苯乙烯電容、聚四氟乙烯電容、云母電容等；CH電容值CH電容值要根據(jù)輸入信號的頻率和轉(zhuǎn)換精度要求來選擇，CH太大有利于保持但不利于跟蹤，太小則有利于跟蹤卻不利于保持；例如，查閱AD582數(shù)據(jù)手冊，當(dāng)CH=100pF時，TAC=6μS，=±0.1％；當(dāng)CH=1000pF時，TAC

=25μS，=±0.01％。3.應(yīng)用中的幾點(diǎn)說明第八十七頁，共九十六頁，2022年，8月28日根據(jù)采樣定理：采樣頻率必須大于模擬信號頻譜中最高頻率成分的兩倍以上?？紤]到采集精度：轉(zhuǎn)換期間信號的變化范圍不能超過允許值，會對輸入信號的最高頻率有十分嚴(yán)格的限制?！纠浚河幸粩?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，10位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間Tconv＝10μs，試分析接入采樣/保持器的作用?！窘狻浚?.根據(jù)采樣定理，fi（max）

<1/（2Tconv）=50kHz； 2.考慮轉(zhuǎn)換精度，要求轉(zhuǎn)換誤差不大于1LSB，則：4.是否要接入采樣/保持電路的說明第八十八頁，共九十六頁，2022年，8月28日3.若在A/D之前接入采樣/保持器，設(shè)TAP=1ns，則：4.若采樣/保持器用AD582，且根據(jù)精度要求選取CH=100pF，則TAC=6μs，γ＝±0.1％，則：

Tconv’=TAC+TAP+Tconv≈10+6μs=16μs

再次運(yùn)用采樣定