第12章檢測(cè)裝置的信號(hào)處理

1、第十二章 、檢測(cè)裝置的信號(hào)處理技術(shù) 1、在檢測(cè)系統(tǒng)中，被測(cè)的非電信號(hào)經(jīng)傳感器后可變換為電信號(hào)，如電壓、電流、電阻等。但傳感器輸出的電信號(hào)往往很微弱且輸出阻抗高，輸出信號(hào)在包含被測(cè)信號(hào)的同時(shí)，不可避免地被噪聲所污染。2、因此檢測(cè)裝置的信號(hào)處理技術(shù)是比較復(fù)雜的，它包括微弱信號(hào)的放大、濾波、隔離、標(biāo)準(zhǔn)化輸出、線(xiàn)性化處理、溫度補(bǔ)償、誤差修正、量程切換等。3、本章介紹信號(hào)的放大與隔離、信號(hào)的變換、線(xiàn)性化處理等比較重要的處理技術(shù)。 4、隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，目前的放大電路幾乎都采用運(yùn)算放大器，由于其輸入阻抗高，增益大，可靠性高，價(jià)格低廉，使用方便，因而得到廣泛應(yīng)用。5、隨著半導(dǎo)體工藝的不斷改進(jìn)和完善，運(yùn)算

2、放大器的精度越來(lái)越高，品種也越來(lái)越多，現(xiàn)在已經(jīng)生產(chǎn)出各種專(zhuān)用或通用運(yùn)算放大器以滿(mǎn)足高精度檢測(cè)系統(tǒng)的需要，其中有測(cè)量放大器(亦稱(chēng)數(shù)據(jù)放大器)、可編程放大器、隔離放大器等。6、信號(hào)放大特別是微弱信號(hào)放大的技術(shù)是電子學(xué)的專(zhuān)門(mén)研究領(lǐng)域，這方面的書(shū)籍很多，所以有關(guān)運(yùn)算放大器的原理等不再贅述?？紤]到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要，本節(jié)重點(diǎn)討論測(cè)量放大器、隔離放大器、可編程放大器。實(shí)際應(yīng)用中，一次測(cè)量?jī)x表的安裝環(huán)境和輸出特性千差萬(wàn)別，也很復(fù)雜，因此選用哪種類(lèi)型的放大器應(yīng)取決于應(yīng)用場(chǎng)合和系統(tǒng)要求。 一、運(yùn)算放大器 各種非電學(xué)量的測(cè)量，通常由傳感器將非電量轉(zhuǎn)換成電壓(或電流)信號(hào)，此電壓(或電流)信號(hào)一般情況下屬于微弱信號(hào)。對(duì)

3、一個(gè)單純的微弱信號(hào)，可采用運(yùn)算放大器進(jìn)行放大。 1、反相放大器 用運(yùn)算放大器構(gòu)成的反相放大器電路如圖12-1a所示。圖12-1、運(yùn)算放大器應(yīng)用根據(jù)"虛地"原理，即U0，反相放大器的傳遞函數(shù)為 ：由拉氏變換終值定理，當(dāng)S0時(shí)，反相放大器放大倍數(shù)為：當(dāng)R1=R2時(shí)，則為反相跟隨器： 2、同相放大器 反相放大器存在輸入阻抗R1較低的問(wèn)題，通常R2為幾千歐。采用圖12-1b同相放大器電路，可以得到較高的輸入阻抗。根據(jù)“虛地原理”同相放大器的放大倍數(shù)為： 二、測(cè)量放大器 1、測(cè)量放大器的特點(diǎn) 1）、運(yùn)算放大器對(duì)微弱信號(hào)的放大，僅適用于信號(hào)回路不受干擾的情況。2）、傳感器的工作環(huán)境往往

4、比較惡劣，在傳感器的兩個(gè)輸出端上經(jīng)常產(chǎn)生較大的干擾信號(hào)，有時(shí)是完全相同的，完全相同的干擾信號(hào)稱(chēng)為共模干擾。雖然運(yùn)算放大器對(duì)直接輸入到差動(dòng)端的共模信號(hào)有較強(qiáng)的抑制能力；對(duì)簡(jiǎn)單的反相輸入或同相輸入接法，由于電路結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱(chēng)，抵御共模干擾的能力很差，故不能用在精密測(cè)量場(chǎng)合。3）、測(cè)量放大器，又稱(chēng)儀用放大器、數(shù)據(jù)放大器，它廣泛用于傳感器的信號(hào)放大，特別是微弱信號(hào)及具有較大共模干擾的場(chǎng)合。 4）、測(cè)量放大器除了對(duì)低電平信號(hào)進(jìn)行線(xiàn)性放大外，還擔(dān)負(fù)著阻抗匹配和抗共模干擾的任務(wù)，它具有高共模抑制比、高速度、高精度、寬頻帶、高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、低輸出阻擾、低噪聲等特點(diǎn)。 2、測(cè)量放大器的組成 1）、測(cè)量放大器

5、的基本電路如圖12-2所示。測(cè)量放大器由三個(gè)運(yùn)算放大器組成，其中Al、A2二個(gè)同相放大器組成前級(jí)，為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，輸入信號(hào)加在A(yíng)l、A2的同相輸入端，從而具有高抑制共模干擾的能力和高輸入阻抗。差動(dòng)放大器A3為后級(jí)，它不僅切斷共模干擾的傳輸，還將雙端輸入方式變換成單端輸出方式，適應(yīng)對(duì)地負(fù)載的需要。2）、測(cè)量放大器的放大倍數(shù)用下面公式計(jì)算： （12-4）式中：RG為用于調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的外接電阻，通常RG采用多圈電位器，并應(yīng)靠近組件，若距離較遠(yuǎn)，應(yīng)將聯(lián)線(xiàn)絞合在一起。改變RG可使放大倍數(shù)在11000范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。若按以下電路，測(cè)量放大器的放大倍數(shù)計(jì)算：圖12-2、測(cè)量放大器原理圖 (1) (2) (3) (4

6、)設(shè): R2=R2；R3=R3解得：由(4)式 (5)由(3)式: 代入(5) (6)將(2)代人(6)式得：若R1=R1=R則：又R2=R3=R則：若按以下電路，測(cè)量放大器的放大倍數(shù)計(jì)算：I=Ui/RG (1)U1-U2=I(R1RGR1)=(R1RGR1)Ui/RG (2)I3=U2/R2+R3)U3=I3R3=R3U2/(R2+R3) (3)I2=(U1-U3)/R2=(U3-U0)/R3 (4)設(shè): R2=R2；R3=R3解得：由(4)式 (U3-U0)= (U1-U3)R3/R2U0=U3-(U1-U3)R3/R2=U3(1+R3/R2)-U1R3/R2 (5)由(3)式:U3=R3

7、U2 /(R2+R3)代入(5)U0=U3(1+R3/R2)-U1R3/R2=（1+R3/R2）R3U2/(R2+R3)-U1R3/R2= R3U2（R2+R3）/(R2+R3)R2-U1R3/R2=U2R3/R2-U1R3/R2=(U2-U1)R3/R2 U0=(U2-U1)R3/R2 (6)將(2)代人(6)式得：U0=(U2-U1)R3/R2=-(1+（R1R1）/RG（R3/R2）Ui若R1=R1=R則：U0=-(12R/ RG)（R3/R2）Ui又R2=R3=R則：U0=-(1+2R/RG)Ui 3、實(shí)用測(cè)量放大器 1）、國(guó)內(nèi)外已有不少?gòu)S家生產(chǎn)了許多型號(hào)的單片測(cè)量放大器芯片。國(guó)內(nèi)74

8、9廠(chǎng)生產(chǎn)的有ZF605、ZF603、ZF604、ZF606等。美國(guó)公司提供的有AD521、AD522、AD612、AD605 等。在信號(hào)處理中需對(duì)微弱信號(hào)放大時(shí)，可以不必再用分立的通用運(yùn)算放大器來(lái)構(gòu)成測(cè)量放大器。采用單片測(cè)量放大器芯片顯然具有性能優(yōu)異、體積小、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。下面介紹兩種單片測(cè)量放大器。 (1)、 AD521 、AD521的管腳功能與基本接法如圖12-3所示。 、管腳OFFSET (4、6)用來(lái)調(diào)節(jié)放大器零點(diǎn)，調(diào)整方法是將該端子接到10k電位器的兩固定端，滑動(dòng)端接負(fù)電源端。、測(cè)量放大器計(jì)算公式為： （12-5）放大倍數(shù)在O.1到1000范圍內(nèi)調(diào)整，選用Rs=1000

9、k土15%時(shí)，可以得到較穩(wěn)定的放大倍數(shù)。 、在使用AD521 (或其他測(cè)量放大器)時(shí)，都要特別注意為偏置電流提供回路。為此，輸入(1或3)端必須與電源的地線(xiàn)相連構(gòu)成回路。可以直接相連，也可以通過(guò)電阻相連。 a)、管腳功能； b)、基本接法圖12-3、AD521管腳功能與基本接法、圖（12-4）中給出了信號(hào)處理電路中與傳感器不同的藕合方式下的接地方法。圖12-4、AD521輸入信號(hào)耦合方式 圖12-4、AD521的輸入信號(hào)藕合方式 a)變壓器藕合 b)熱電偶直接藕合 c)電容器藕合電容器糯合通過(guò)電阻R為偏置電流提供回路 (2)、 AD522、 AD522也是單芯片集成精密測(cè)量放大器，當(dāng)放大倍數(shù)為

10、100時(shí)，非線(xiàn)性?xún)H為O.005，在O.lHz到100Hz頻帶內(nèi)噪聲的峰值為1.5mV，其中共模抑制比CMRR大于120dB (當(dāng)放大倍數(shù)為1000時(shí))。 、AD522的管腳功能如圖12-5所示。管腳4、6是調(diào)零端， 2和14端連接調(diào)整放大倍數(shù)的電阻。與AD521不同的是，該芯片引出了電源地9和數(shù)據(jù)屏蔽端13，該端用于連接輸入信號(hào)引線(xiàn)的屏蔽網(wǎng)，以減少外電場(chǎng)對(duì)輸入信號(hào)的干擾。圖12-5、AD522的管腳功能、圖12-6所示為AD522在信號(hào)處理中與直流測(cè)量電橋的連接圖。 圖中的信號(hào)地必須與電源地相連，以便為放大器的偏置電流構(gòu)成通路。連接在端子2和14之間的RG是調(diào)整增益電位器，調(diào)整RG大小，即可調(diào)

11、整測(cè)量放大器的倍數(shù)。SENSE：檢測(cè)端子； REF：參考端子；這兩個(gè)端子的作用主要是消除放大器負(fù)載的影響，在該電路中分別接在放大器輸出端和電源公共端。輸出電壓U。計(jì)算如下： （12-6） 當(dāng)共模抑制比CMRR 1時(shí)，上式變?yōu)椋?（12-7） 圖12-6、測(cè)量放大器AD522用于電橋的典型電路 三、程控測(cè)量放大器PGA 、當(dāng)傳感器的輸出與自動(dòng)測(cè)試裝置或系統(tǒng)相連接時(shí)，特別是在多路信號(hào)檢測(cè)時(shí)，各檢測(cè)點(diǎn)因所采用的傳感器不同，即使同一類(lèi)型傳感器，根據(jù)使用條件的不同，輸出的信號(hào) 電平也有較大的差異，通常從微伏到伏，變化范圍很寬。、由于A(yíng)/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓通常規(guī)定為O10V或者±5V，因此若將上

12、述傳感器的輸出電壓直接作為A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓，就不能充分利用A/D轉(zhuǎn)換器的有效位，影響測(cè)定范圍和測(cè)量精度。因此，必需根據(jù)輸入信號(hào)電平的大小，改變測(cè)量放大器的增益，使各輸入通道均用最佳增益進(jìn)行放大。、為滿(mǎn)足此需要，在電動(dòng)單元組合儀表中，常使用各種類(lèi)型的變送器。、在含有微機(jī)的檢測(cè)系統(tǒng)則采用一種新型的可編程增益放大器PGA (Programmabll Gain Amplifier)，它是通用性很強(qiáng)的放大器，其特點(diǎn)是硬件設(shè)備少，放大倍數(shù)可根據(jù)需要通過(guò)編程進(jìn)行控制，使A/D轉(zhuǎn)換器滿(mǎn)量程信號(hào)達(dá)到均一化。、例如，工業(yè)中使用的各種類(lèi)型的熱電偶，它們的輸出信號(hào)范圍大致在060mV左右，而每一個(gè)熱電偶都有其最

13、佳測(cè)溫范圍，通?？蓜澐譃椋篛±10mV， 0±20mV， 0±40mV、O±80mV四種量程；針對(duì)這四種量程，只需相應(yīng)地把放大器設(shè)置為500，250，125，62.5四以種增益，則可把各種熱電偶輸出信號(hào)都放大到0±5V。 圖12-7、程控測(cè)量放大器1、程控測(cè)量放大器原理結(jié)構(gòu) 1）、圖12-7為程控測(cè)量放大器的原理結(jié)構(gòu)圖，它是圖12-2電路的擴(kuò)展，增加了模擬開(kāi)關(guān)和驅(qū)動(dòng)電路。增益選擇開(kāi)關(guān)、成對(duì)動(dòng)作，每一時(shí)刻僅有一對(duì)開(kāi)關(guān)閉合，當(dāng)改變數(shù)字量輸入編碼，則可改變閉合的開(kāi)關(guān)號(hào)，選擇不同的反饋電阻，達(dá)到改變放大器增益的目的。2）、LH0084程控測(cè)量放大器：、

14、圖12-8是由美國(guó)AD公司生產(chǎn)的LH0084。圖12-8、LH0084程控測(cè)量放大器原理圖、在圖12-8中，開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)由譯碼-驅(qū)動(dòng)器和雙4通道模擬開(kāi)關(guān)1組成，開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字輸入由D0和 D1二位狀態(tài)決定，經(jīng)譯碼后可有四種狀態(tài)輸出，分別控制、四組雙向開(kāi)關(guān)，從而獲得不同的輸入級(jí)增益。、為保證線(xiàn)路正常工作，必須滿(mǎn)足R2=R3、 R4=R5、 R6=R7；、該模塊也通過(guò)改變輸出端的接線(xiàn)方式來(lái)改變后一級(jí)放大器A3的增益。當(dāng)管腳6與10相連作為輸出端，管腳13接地時(shí)，則放大器A3的增益G3=1。改變連線(xiàn)方式，即改變 A3的輸入電阻和反饋電阻，可分別得到4倍到10倍的增益。但這種改變的方法不能用程序?qū)崿F(xiàn)。 3

15、）、程控測(cè)量放大器的應(yīng)用 程控測(cè)量放大器(PGA)的優(yōu)越性之一 就是能進(jìn)行量程自動(dòng)切換。特別當(dāng)被測(cè)參數(shù)動(dòng)態(tài)范圍比較寬時(shí)，采用程控測(cè)量放大器會(huì)更方便，更靈活。例如：數(shù)字電壓表，其測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍可以從幾微伏到幾百伏，過(guò)去是用于撥動(dòng)切換開(kāi)關(guān)進(jìn)行量程選擇， 現(xiàn)在，在智能化數(shù)字電壓表中，采用程控放大器和微處理器，可以很容易實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)切換，其原理如圖12-9所示。設(shè)PGA的增益為1、10、100三檔，A/D轉(zhuǎn)換器為12位雙積分式。圖12-9、具有量程自動(dòng)切換的數(shù)字電壓表原理圖用軟件實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)切換的框圖如圖12-10所示。圖12-10、自動(dòng)切換量程的程序框圖自動(dòng)切換量程的過(guò)程如下:、當(dāng)對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，

16、并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，CPU便判斷是否超值。、若超值，且這時(shí)PGA的增益已經(jīng)降到最低檔，則說(shuō)明被測(cè)量超過(guò)數(shù)字電壓表的最大量程，需轉(zhuǎn)入超量程處理。、若未在最低檔的位置，則把PGA的增益降一檔，再重復(fù)前面的處理。若不超值，便判斷最高位是否為零。如果是零，則再查增益是否為最高一檔，如不是最高檔，將增益升高一級(jí)再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換及判斷；如果是1，或PGA已經(jīng)升到最高檔，則說(shuō)明量程已經(jīng)切換到最合適擋，此時(shí)微處理器對(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)再進(jìn)一步處理。因此智能化數(shù)字電壓表可自動(dòng)選取最合適的量程，提高了測(cè)量精度。 四、隔離般大器 1）、在一個(gè)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，都希望在輸人通道中把工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器輸出的模擬信號(hào)與檢測(cè)系統(tǒng)的后續(xù)

17、電路隔離開(kāi)來(lái)，即無(wú)電的聯(lián)系。 2）、這樣可以避免工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)送出的模擬信號(hào)帶來(lái)的共模電壓及各種干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。解決模擬信號(hào)的隔離問(wèn)題要比解決數(shù)字信號(hào)的隔離問(wèn)題困難得多。目前，對(duì)于模擬量信號(hào)的隔離，廣泛采用隔離放大器。這是近十幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型器件。3）、隔離放大器按原理分有兩種類(lèi)型：一種是按變壓器藕合的方式；一種是利用線(xiàn)性光藕合器再加相應(yīng)的補(bǔ)償?shù)姆绞健?）、按變壓器藕合方式工作的隔離放大器：按變壓器藕合方式工作的隔離放大器先將現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)調(diào)制成交流信號(hào)，通過(guò)變壓器藕合給解調(diào)器，輸出的信號(hào)再送給后續(xù)電路。例如：計(jì)算機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器。1、隔離放大器的原理結(jié)構(gòu) 、隔離放大器由四個(gè)基本部分組成：如圖1

18、2-11所示。、輸入部分包括：輸入運(yùn)算放大器、調(diào)制器；、輸出部分包括：解調(diào)器、輸出運(yùn)算放大器；、信號(hào)藕合變壓器；、隔離電源。圖12-11、隔離放大器示意圖、這四個(gè)基本部分裝配在一起，組成模塊結(jié)構(gòu)，不但用戶(hù)使用方便，同時(shí)提高了可靠性。此種隔離放大器組件的核心技術(shù)是超小型變壓器及其精密裝配技術(shù)。這樣一個(gè)非常復(fù)雜的功能組件，其體積只有64×12×9mm3，安裝形式為雙列直插式，插座用40腳插座。、國(guó)內(nèi)應(yīng)用較廣泛的是美國(guó)AD公司的隔離放大器；如：Mode1277、Mode1278、AD293、AD294等。、典型的隔離放大器原理圖如圖12-12所示。圖12-12、典型隔離放電器（a

19、）：原理框圖，圖12-12、典型隔離放電器（b）:為簡(jiǎn)化的功能圖。、對(duì)它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)要說(shuō)明如下：外加直流電源Vs；經(jīng)穩(wěn)壓器后為電源振蕩器提供電源，可產(chǎn)生100kHz的高頻電壓，分兩路輸出。一路到輸入部分，其中C繞組作為調(diào)制器的交流電源，而b繞組供給1號(hào)隔離電源形成士15V的浮空電源，可作為前置放大器Al及外附加電路的直流電源。另一路到輸出部分，e繞組作為解調(diào)器的交流電源，而d繞組供給2號(hào)隔離電源形成土15V直流電源，供給輸出放大器A2等。 2、隔離放大器工作原理 、輸入部分的作用是將傳感器來(lái)的信號(hào)濾波和放大，并調(diào)制成交流信號(hào)，通過(guò)隔離變壓器藕合到輸出部分。、輸出部分完成的作用，是把交流信號(hào)解調(diào)變成

20、直流信號(hào)，再經(jīng)濾波和放大，最后輸出O±10V的直流電壓。 、由于放大器的兩個(gè)輸入端都是浮空的，它能夠有效地作為測(cè)量放大器，又因采用變壓器藕合，所以輸入部分和輸出部分是隔離的。 、隔離放大器總電壓增益為： （12-8）式中：為輸入部分電壓增益；為輸出部分電壓增益。 第二節(jié)：信號(hào)在傳輸過(guò)程中變換技術(shù)一、信號(hào)在傳輸過(guò)程中變換的意義 1）、在成套儀表系統(tǒng)及自動(dòng)檢測(cè)裝置中，都希望傳感器和儀表之間及儀表和儀表之間的信號(hào)傳送都采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，這樣不僅便于使用微機(jī)進(jìn)行巡回檢測(cè)，同時(shí)可以使指示、記錄儀表單一化。2）、若通過(guò)各轉(zhuǎn)換器，如氣-電轉(zhuǎn)換器、電-氣轉(zhuǎn)換器等還可將電動(dòng)儀表和氣功儀表聯(lián)系起來(lái)混合

21、使用，從而擴(kuò)大儀表的使用范圍。3）、目前，世界各國(guó)均采用直流信號(hào)作為統(tǒng)一信號(hào)，并將直流電壓05V和直流電流010mA或420mA作為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。4）、采用直流信號(hào)作為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與交流信號(hào)相比有以下優(yōu)點(diǎn):、在信號(hào)傳輸線(xiàn)中，直流不受交流感應(yīng)的影響，干擾問(wèn)題易于解決；、直流不受傳輸線(xiàn)路的電感、電容及負(fù)荷性質(zhì)的影響，不存在相位移問(wèn)題，使接線(xiàn)簡(jiǎn)單；、直流信號(hào)便于A(yíng)/D轉(zhuǎn)換，因而巡回檢測(cè)系統(tǒng)都是以直流信號(hào)作為輸入信號(hào)。 5）、為了信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳送。經(jīng)常將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成010mA或420mA的電流信號(hào)，以減少干擾的影響和長(zhǎng)線(xiàn)電壓傳輸?shù)男盘?hào)損失。6）、在檢測(cè)系統(tǒng)需接收電壓信號(hào)時(shí)，可在電流回路串入一個(gè)負(fù)

22、載電阻獲得電壓信號(hào)。通常傳感器輸出的信號(hào)多數(shù)為電壓信號(hào)，為了將電壓信號(hào)變成電流信號(hào)，需采用電壓-電流信號(hào)變換器(V/I變換器)。二、常用的信號(hào)變換方法 1）、V/I變換器的作用是將電壓變換為標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)，具有恒流性能。要求輸出電流隨負(fù)載電阻變化所引起的變化量不超過(guò)允許值。2）、一般的V/I變換器構(gòu)成的主要部件是運(yùn)算放大器；3）、O10mAV/I變換的典型電路：、典型電路如如圖12-13所示。、電路原理：、運(yùn)算放大器A接成同相放大器，由電路分析可知，此變換電路屬于電流串聯(lián)負(fù)反饋，具有很好的恒流性能；R3為電流反饋電阻，R為負(fù)載電阻，它小于R3。三極管VT1和VT2組成電流輸出級(jí)，用來(lái)擴(kuò)展電流。

23、 、若運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益和輸入阻抗足夠大，不難證明 （12-9) 、輸出電流I0僅與輸入電壓Ui和反饋電阻R3有關(guān)，與負(fù)載電阻R無(wú)關(guān)；說(shuō)明它具有較好的恒流性能。選擇合適的反饋電阻R3的值便能得到所需的變換關(guān)系。 、O10mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)僅適用于II型儀表；圖12-13、O10mAV/I變換的典型電路4）、420mA V/I變換的典型電路：如圖12-13所示。、為了更加提高儀表的精度和穩(wěn)定性，使儀表工作更可靠，擴(kuò)大應(yīng)用功能，目前廣泛采用了III型儀表及智能化儀表，這些儀表是420mA的直流電流作為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，即規(guī)定傳感器從零到滿(mǎn)量程的統(tǒng)一輸出信號(hào)為420mA 的直流電流。、實(shí)現(xiàn)該特性的典型電

24、路如圖12-14所示。 圖12-14、420mA V/I變換的典型電路、電路原理：、該變換電路由運(yùn)算放大器A和三極管VT1、VT2組成。、運(yùn)算放大器主要完成信號(hào)的放大和比較作用，VT1為倒相放大級(jí)， VT2為電流輸出級(jí)。Ub為偏置電壓，用以進(jìn)行零點(diǎn)遷移。 、輸出電流I。流經(jīng)R3得到反饋電壓UF，此電壓經(jīng)R5、R4加到運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端，形成差動(dòng)輸入信號(hào)。由于此電路具有深度電流串聯(lián)負(fù)反饋，因此有較好的恒流性能。 、R2=R4 R7=R1 UT=UH則：Uf=Ub+Ui例題：當(dāng)Ui=0-4V時(shí)，I0=420mA,求：R3=?、Ub=?解：4mA=Ub/R3 20mA=(Ub+4V)/R34/2

25、0=Ub/(Ub+4V) (Ub+4V) =5Ub Ub=4V/4=1.0V R3=Ub/4mA=1000/4=250則：Ui=4V時(shí)：I0=(Ub+4V)/R3=5V/250=20mA、采用420mA電流信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，還可以實(shí)現(xiàn)傳送線(xiàn)的斷線(xiàn)自檢功能。斷線(xiàn)自檢電路如圖12-15所示。由于這種傳送信號(hào)方式在正常工作時(shí)有4mA的基本電流，因此接收端信號(hào)電壓為15V。當(dāng)傳送圖12-15 4-20mA電流信號(hào)傳送斷線(xiàn)自檢電路線(xiàn)斷時(shí)，接收端的信號(hào)為零值。據(jù)此即可以檢出斷線(xiàn)。圖12-15、4-20mA電流信號(hào)傳送斷線(xiàn)自檢電路第三節(jié)：信號(hào)的非線(xiàn)性補(bǔ)償技術(shù)1）、在自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，往往存在非線(xiàn)性環(huán)節(jié)，特別是

26、傳感器的輸出量與被測(cè)物理量之間的關(guān)系，絕大部分是非線(xiàn)性的。2）、造成非線(xiàn)性的原因主要有兩個(gè)：、是許多傳感器的轉(zhuǎn)換原理并非線(xiàn)性；例如：溫度測(cè)量時(shí)，熱電阻的阻值與溫度、熱電偶的電動(dòng)勢(shì)與溫度都是非線(xiàn)性關(guān)系；流量測(cè)量時(shí)，孔板輸出的差壓信號(hào)與流量輸入信號(hào)之間也是非線(xiàn)性關(guān)系。、是采用的測(cè)量電路的非線(xiàn)性；例如：測(cè)量熱電阻用四臂電橋，電阻的變化引起電橋失去平衡，此時(shí)輸出電壓與電阻之間的關(guān)系為非線(xiàn)性。3）、對(duì)于這類(lèi)問(wèn)題的解決，在模擬量自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，一般采用三種方法：、縮小測(cè)量范圍，并取近似值；、采用非線(xiàn)性的指示刻度；、增加非線(xiàn)性補(bǔ)償環(huán)節(jié) (亦稱(chēng)線(xiàn)性化器)。4）、顯然前兩種方法的局限性和缺點(diǎn)比較明顯，我們著重介

27、紹增加非線(xiàn)性補(bǔ)償環(huán)節(jié)的方法。5）、常用的增加非線(xiàn)性補(bǔ)償環(huán)節(jié)的方法有:、硬件電路的補(bǔ)償方法，通常是采用模擬電路、數(shù)字電路，如二極管陣列開(kāi)方器，各種對(duì)數(shù)、指數(shù)、三角函數(shù)運(yùn)算放大器等數(shù)字控制分段校正、非線(xiàn)性A/D轉(zhuǎn)換等。、微機(jī)軟件的補(bǔ)償方法，利用微機(jī)的運(yùn)算功能可以很方便地對(duì)一個(gè)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的非線(xiàn)性進(jìn)行補(bǔ)償。 一、非續(xù)性補(bǔ)償環(huán)節(jié)特性的獲取方法 在一個(gè)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，由于存在著傳感器等非線(xiàn)性環(huán)節(jié)，因此從系統(tǒng)的輸入到系統(tǒng)的輸出就是非線(xiàn)性的，引人非線(xiàn)性補(bǔ)償環(huán)節(jié)的作用就是利用其本身的非線(xiàn)性補(bǔ)償系統(tǒng)中的非線(xiàn)性環(huán)節(jié)，保證系統(tǒng)的輸入輸出具有線(xiàn)性關(guān)系。工程上求取非線(xiàn)性補(bǔ)償環(huán)節(jié)特性的方法有兩種；現(xiàn)分述如下。 1、解析計(jì)

28、算法 設(shè)圖12-16中所示的傳感器特性解析式為： （12-10) 放大器特性的解析式為 （12-11)要求整個(gè)檢測(cè)儀表的輸入與輸出特性為 （12-12) 為了求出非線(xiàn)性補(bǔ)償環(huán)節(jié)的輸入與輸出關(guān)系表達(dá)式，將以上三式聯(lián)立求解消去中間變量 U1和x可得： （12-13)圖12-16、引人非線(xiàn)性補(bǔ)償環(huán)節(jié)的檢測(cè)系統(tǒng)示意圖2、圖解法 當(dāng)傳感器等環(huán)節(jié)的非線(xiàn)性特性用解析式表示比較復(fù)雜或比較困難時(shí)，我們可用圖解法求取非 線(xiàn)性補(bǔ)償環(huán)節(jié)的輸入-輸出特性曲線(xiàn)。圖解法的步驟如下(見(jiàn)圖12-17): 1)、將傳感器的輸入輸出特性曲線(xiàn)畫(huà)在直角坐標(biāo)的第一象限，橫坐標(biāo)表示被測(cè)量x，縱坐標(biāo)表示傳感器的輸出U1。 2)、將放大器的輸

29、入與輸出特性畫(huà)在第二象限，橫坐標(biāo)為放大器的輸出U2，縱坐標(biāo)為放大器的輸入U(xiǎn)1。 3)、將整臺(tái)測(cè)量?jī)x表的線(xiàn)性特性畫(huà)在第四象限，縱坐標(biāo)為輸出Uo，橫坐標(biāo)為輸入X。 4)、將x軸分成n段，段數(shù)n由精度要求決定。由點(diǎn)1、2、n各作x軸垂線(xiàn)，分別與U1=f1(x)曲線(xiàn)及第四象限中U0=kx直線(xiàn)交于11，12， 13，1n及41，42，43，4n各點(diǎn)。爾后以第一象限中這些點(diǎn)作x軸平行線(xiàn)與第二象限U2=GU1直線(xiàn)交于21，22，23，2n各點(diǎn)。 5)、由第二象限各點(diǎn)作x軸垂線(xiàn)，再由第四象限各點(diǎn)作x軸平行線(xiàn)，兩者在第三象限的交點(diǎn)連線(xiàn)即為校正曲線(xiàn)Uo=f2(U2)。這也就是非線(xiàn)性補(bǔ)償環(huán)節(jié)的非線(xiàn)性特性曲線(xiàn)。 圖1

30、2-17、圖解法求取非線(xiàn)性補(bǔ)償環(huán)節(jié)特性曲線(xiàn)二、非續(xù)性補(bǔ)償環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)方法 1、硬件電路的實(shí)現(xiàn)方法 1）、當(dāng)我們用解析法或圖解法求出非線(xiàn)性補(bǔ)償環(huán)節(jié)的輸入-輸出特性曲線(xiàn)之后，就要研究如何用適當(dāng)?shù)碾娐穪?lái)實(shí)現(xiàn)。顯然在這類(lèi)電路中需要有非線(xiàn)性元件或者利用某種元件的非線(xiàn)性區(qū)域。 2）、目前最常用的是利用二極管組成非線(xiàn)性電阻網(wǎng)絡(luò)，配合運(yùn)算放大器產(chǎn)生折線(xiàn)形式的輸入，輸出特性曲線(xiàn)。3）、由于折線(xiàn)可以分段逼近任意曲線(xiàn)，從而就可以得到非線(xiàn)性補(bǔ)償環(huán)節(jié)所需要的特性曲線(xiàn)。 4）、折線(xiàn)逼近法如圖12-18所示，將非線(xiàn)性補(bǔ)償環(huán)節(jié)所需要的特性曲線(xiàn)用若干個(gè)有限的線(xiàn)段代替，然后根據(jù)各折點(diǎn)局和各段折線(xiàn)的斜率ki來(lái)設(shè)計(jì)電路。 根據(jù)折線(xiàn)逼近

31、法所作的各段折線(xiàn)可列出下列方程： y=k1x x1>x>O y=k1x1+k2(x-x1) x2>x>x1y=k1x1+k2(x2-x1)+k3(x-x2) x3>x>x2 y=k1x1+k2 (x2-x1)+k3(x3-x2)+kn-1(xn-1-xn-2)+kn(x-xn-1)式中：Xi為折線(xiàn)的各轉(zhuǎn)折點(diǎn)；ki為各段的斜率，是k1=tgl， k2=tg2 ，kn=tgn。 可以看出：轉(zhuǎn)折點(diǎn)越多，折線(xiàn)越逼近曲線(xiàn)，精度也越高；但太多則會(huì)因電路本身誤差而影響精度。圖12-19是一個(gè)最簡(jiǎn)單的折點(diǎn)電路，其中E決定了轉(zhuǎn)折點(diǎn)偏置電壓，二極管VD作開(kāi)關(guān)用，其轉(zhuǎn)折電壓為：

32、(12-14)式中，Uo為二極管正向壓降。由式(12-14)可知轉(zhuǎn)折電壓不僅與E有關(guān)，還與二極管正向壓降Uo有關(guān)。圖12-18、折線(xiàn)逼近法 圖12-19、簡(jiǎn)單的折點(diǎn)電路圖(12-20)為精密折點(diǎn)單元電路，它是由理想二極管與基準(zhǔn)電源E組成：當(dāng)Ui與E之和為正時(shí)，運(yùn)算放大器的輸出為負(fù)，VD2導(dǎo)通，VDl截止，電路輸出為零。當(dāng)Ui與E之和為負(fù)時(shí)，VDl導(dǎo)通，VD2截止，電路組成一個(gè)反饋放大器，輸出電壓隨Ui的變化而改變，有： （12-15）在這種電路中，折點(diǎn)電壓只取決于基準(zhǔn)電壓E，避免了二極管正向電壓UD的影響，在這種精密折點(diǎn)單元電路組成的線(xiàn)性化電路中，各折點(diǎn)的電壓將是穩(wěn)定的。圖12-20、精密折點(diǎn)

33、單元電路圖2、微機(jī)軟件的實(shí)現(xiàn)方法 1）、采用硬件電路雖然可以補(bǔ)償測(cè)量系統(tǒng)的非線(xiàn)性，但由于硬件電路復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，精度低，通用性差等，很難達(dá)到理想效果。2）、在有微機(jī)的智能化檢測(cè)系統(tǒng)中利用軟件功能可方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的非線(xiàn)性補(bǔ)償。這種方法實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性化的精度高、成本低、通用性強(qiáng)。3）、線(xiàn)性化的軟件處理經(jīng)常采用的有：線(xiàn)性插值法、二次曲線(xiàn)插值法、查表法。 、線(xiàn)性插值法、線(xiàn)性插值法就是先用實(shí)驗(yàn)測(cè)出傳感器的輸入輸出數(shù)據(jù)，利用一次函數(shù)進(jìn)行插值，用直線(xiàn)逼近傳感器的特性曲線(xiàn)。、假如傳感器的特性曲線(xiàn)曲率大，可以將該曲線(xiàn)分段插值，把每段曲線(xiàn)用直線(xiàn)近似，即用折線(xiàn)逼近整個(gè)曲線(xiàn)。這樣可以按分段線(xiàn)性關(guān)系求出輸入值所對(duì)應(yīng)的輸出值。、圖12-21所示是用三段直線(xiàn)逼近傳感器等器件的非線(xiàn)性曲線(xiàn)。圖中y是被測(cè)量，x是測(cè)量數(shù)據(jù)。由于每條直線(xiàn)