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(dǎo)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(jì)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(yùn)動、位置、ph 、光強(qiáng)等。但是傳感器信號不能直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，因?yàn)閭鞲衅鬏敵鍪窍喈?dāng)小的電壓、電流或變化，因此，在變換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)之前必須進(jìn)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(jì)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(yùn)動、位置、ph 、光強(qiáng)等。但是傳感器信號

2、不能直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，因?yàn)閭鞲衅鬏敵鍪窍喈?dāng)小的電壓、電流或變化，因此，在變換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)之前必須進(jìn)行調(diào)理。調(diào)理就是放大，緩沖或定標(biāo)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(jìn)行數(shù)字化，并把數(shù)字信號送到微控制器 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。放大放大器 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

3、的) 超過數(shù)字化儀輸入范圍時是十分必要的。這種形式的信號調(diào)理降低了輸入信號的幅度，從而經(jīng)調(diào)理的信號處于adc范圍之內(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(shè)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(shè)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(hù)了操作人員也保護(hù)了昂貴的測量設(shè)備。4。多路復(fù)用通過多路復(fù)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(kuò)大系統(tǒng)通道數(shù)量。多路復(fù)用對于任何高通道數(shù)的應(yīng)用是十分必要的.5. 過濾濾波器 在一定的頻率范圍

4、內(nèi)去處不希望的噪聲。幾乎所有的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用都會受到一定程度的50hz或 60hz的噪聲（來自于電線或機(jī)械設(shè)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(shè)計(jì)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(yīng)變計(jì)，電熱調(diào)節(jié)器，和rtd需要外部電壓或電流激勵信號。通常rtd和電熱調(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(yīng)變計(jì)，一個超低電 阻 的 設(shè) 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(bǔ)償冷端補(bǔ)償是一種用于精確熱電偶測量的技術(shù)。任何時

5、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(diǎn)的溫度（因?yàn)檫@個連接點(diǎn)代表測量路徑上另一個“熱電偶 并且通常在您的測量中引入一個偏移) 來計(jì)算熱電偶正在測量的真實(shí)溫度。信號調(diào)理 電路設(shè)計(jì)實(shí)例1、硬件設(shè)計(jì)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(jī)控制等幾大部分。信號輸入電路由精密基準(zhǔn)電源 max872 、光 繼電器 aqw212e、運(yùn)放 4502 及精密儀表開關(guān)電容模塊ltc1043 等組成。其中精密基準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的在線自校正。max872 具有

6、較寬的電壓輸入范圍(2.7 20v) ，輸出精度可達(dá)2。500v 0.2 。 ltc1043cn 是雙精密儀表開關(guān)電容, 電容外接，多用于精密儀表放大電路、壓頻轉(zhuǎn)換電路和采樣保持電路等。當(dāng)內(nèi)部開關(guān)頻率被設(shè)定在額定值300hz 時， ltc1043cn 的傳輸精確度最高, 此時電容器cs 和 ch大小均為1 f 。ltc1043cn 和 運(yùn) 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是通過電容完成電壓的傳輸

7、， 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(shè)計(jì)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(yùn)放l t 1 0 1 3 和數(shù)字電位器x9241m 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)?500mv的電壓信號 , 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(luò)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(jī)改變其余光繼電器

8、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(shí)現(xiàn)分壓后變?yōu)?。251。 25v的電壓信號加在數(shù)字電位器x9241的 0 號電位器v0 的兩端，經(jīng)過軟件實(shí)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 信號 , 加ltc1043cn 的電容 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(yīng)為1, 才能保證在運(yùn)放l t 1 0 1 3 的輸出端最大電壓不超過500mv ；

9、具體如何設(shè)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(dǎo)線的電阻帶來的誤差。采集過來的電阻值接在in1、in2 兩端 ,in2 、in3 被三線制接法后短接，2.5v 基準(zhǔn)電壓此時加在熱電阻及r8、r9 上, 變?yōu)楹练夒妷盒盘栞斎?。?dāng)為pt100 輸入 390.26ω時轉(zhuǎn)換為約290mv左右的電壓輸出。(3) 采集每個通道信號前還要采集兩個不同的基準(zhǔn)電壓，實(shí)現(xiàn)儀表在測量中的自校正功能。電路中精密基準(zhǔn) 電 源max872 輸 出 的2 。 5v 電

10、 壓 經(jīng) 精 密 電 阻r1（66k&omega ； ） 、 r3(192k&omega ； ) 分壓后 , 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(shè)計(jì)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(shè)定數(shù)字電位器x9241 中各數(shù)字電位器滑動端的位置。本模塊采用單片機(jī)控制，可與其它模塊單片機(jī)或上位機(jī)進(jìn)行通信 . 信號類型的設(shè)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(yīng)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

11、電位器rw1,rw2， rw3 的數(shù)值 n1， n2, n3 可用下面計(jì)算方法得到，使得當(dāng)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rw3 兩 端 的 電 壓v3=500h63(mv ）由 vi=（v3h63 ）n3+（500h63)n1 得到 n3=( 63 63h500） vi 63n1其中 vi 為信號輸入上限值時對應(yīng)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

12、存8 個字節(jié)的通道信號類型。當(dāng)巡回采集07 八個通道時，根據(jù)不同的通道號，一方面從 eeprom 中取出 x9241滑動端相應(yīng)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?jì)數(shù)寄存器wcr 以設(shè)置滑動端的位置; 另一方面從eeprom 中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 的開合狀態(tài)，并將 x9241 的 0 號電位器 rw 置上合適的數(shù)值, 實(shí)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)換以及直接變送器 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(diǎn)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(yùn)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(shè)備輸入范圍. 大多數(shù)傳感器的輸出范圍在mv級, 而 a/d轉(zhuǎn)換設(shè)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(hù)你的后端