第9章傳感器信號處理電路

1、第十一章 傳感器信號處理電路n傳感器信號處理電路的基本要求n傳感器的匹配n信號放大電路n信號變換電路n信號濾波電路n傳感器電路的噪聲與抑制n基本要求：l信號的選取與抗干擾能力 要求電路本身是低噪聲的；采用恰當(dāng)?shù)钠帘?、隔離，合理的布線與接地； 被測信號的調(diào)制和解調(diào)。第一節(jié) 傳感器信號處理電路概述l穩(wěn)定性 溫漂：處理的結(jié)果在一次運行中發(fā)生漸變長期穩(wěn)定性：由于元器件老化、插接件彈性疲勞、氧化等原因 短期穩(wěn)定性：示值重復(fù)性。l頻率特性與響應(yīng)速度隨著科技的發(fā)展，對于快速變化的過程進行動態(tài)測量的要求越來越多。l線性度檢測的非線性由傳感器、傳感器電路、顯示執(zhí)行機構(gòu)這三部分的非線性度產(chǎn)生。l分辨率l適當(dāng)提高傳

2、感器電路的分辨率有利于減小誤差、方便讀數(shù)；l模擬電路中，為了提高分辨率應(yīng)適當(dāng)提高放大器放大倍數(shù)；l數(shù)字電路中，為了減小量化誤差必須增加數(shù)字量的位數(shù)，以減小最低位所對應(yīng)的被測量。l輸入輸出阻抗l輸入級的輸入阻抗與傳感器的輸出阻抗相匹配，使放大器的輸出信噪比達到最大值；l傳感器電路的輸出阻抗應(yīng)與它所驅(qū)動的顯示執(zhí)行機構(gòu)或微機接口的阻抗相匹配。傳感器的匹配 不同的傳感器的輸出阻抗不一樣； 輸出阻抗大高輸入阻抗運算放大器 壓電陶瓷、光敏二極管（100M） 輸出阻抗小變壓器匹配 動圈式傳聲器（30-70）l高輸入阻抗放大器求：輸入阻抗Ri=?解：根據(jù)虛地原理111foiRURUiIiRRUUf110iRR

3、RRRRRUUoUIffio)(12212112122fooRURUiIiRRRRoRRoUUUfff2121221iRRRRRRRRoiiUIIIff)(2121211121RRRRRRRRIUiffiiR21212111111RRRRiR所以：輸入阻抗：令Rf1=R2 Rf2=2R1 則：第二節(jié) 信號放大電路一、電壓放大器電路例：K型熱電偶，將0500的溫度轉(zhuǎn)換為0-5V電壓信號。已知1 對應(yīng)熱電偶輸出電壓40uV，500 對應(yīng)滿量程電壓20.64mV。求：（1）信號電路增益AV?（2）描述電路各部分作用。解：（1）（2）R3、C1為低通濾波器，消除噪聲； LM35D及其周圍電路補償冷端溫

4、度； R6完成斷線檢測。24264.205mVVVA提問：（1）R3為什么不能太大? （2）斷線檢測功能為什么要求運放的輸入偏置電流小？（因為運放有輸入偏置電流）（因為運放輸入偏置電流在R6上產(chǎn)生很大的壓降）二、差動放大器電路例：一種壓力傳感器的信號調(diào)理電路如圖所示。壓力傳感器采用絕對壓力傳感器PS3000S-102A，此傳感器為恒流驅(qū)動，驅(qū)動電流為1.5mA，最大量程為200mV。電路中VD1穩(wěn)定電壓為2.5V，作為壓力傳感器提供1.5mA恒流源的基準(zhǔn)電壓。 求：(1)為了保證壓力傳感器恒流驅(qū)動工作，試計算電阻的R2阻值；(2)如果信號調(diào)理電路的輸出范圍為0-1V，試計算可調(diào)電阻的取值；(3

5、)如果當(dāng)壓力為0時，由于橋路本身的不平衡，傳感器橋路1、2兩端有的電壓，試對照圖說明如何進行零點補償消除其對輸出的影響。解：（1）（2） 則：Rp1=10KKRmAV1675 . 15 . 225)21(20015713mVVRRRRvPA（3）調(diào)節(jié)Rp2三、電荷放大器Q+AU08CfU0 = - Q / Cf+8CsQCcGcCiGiCfGfU0傳感器電纜放大器電荷放大器實際等效電路U0 =Cf（1+Ad） AdQ QCfCs壓電傳感器固有電容Cc輸入電纜等效電容Ci放大器輸入電容Cf反饋電容Gc輸入電纜的漏電導(dǎo)Gi放大器的輸入電導(dǎo)Gf反饋電導(dǎo)n特點1.輸入阻抗高，最大可達109；2. 偏置

6、電流低；3. 共模抑制比高；4. 平衡的差動輸入；5. 具有良好的溫度穩(wěn)定性；6. 增益可由用戶選擇不同的增益電阻來確定；7. 單端輸出四、集成儀用放大器(AD521 AD612 AD620)n主要參數(shù)1. 增益方程式:儀用放大器所要求的增益與放大器增益控制電阻的關(guān)系式為： V0 = ViRs / RG 2. 增益范圍：系指可提供的使放大器工作正常的增益范圍（典型值11000）。3. 失調(diào)電壓：系指為了使輸出電壓為零而需要在輸入端外加的電壓。4. 輸入偏流：系指保證直流放大器的輸入晶體管正常工作所需的偏置電流。5. 共模抑制比：系指當(dāng)兩個輸入端具有等量電壓變化時所測出的輸出電壓的變化。6. 非

7、線性度：系指實際的輸出和輸入的關(guān)系曲線與一條理想直線的偏差五、可編程增益放大器(PGA)+1234V081M110K20.4K10.1K10k1M增益開關(guān)1 2 3 41005010211 1 1 10 1 1 11 0 1 1 1 1 0 11 1 1 0單運放可編程增益放大器+ARsRF1RF2R1=RB/RFViV08ViVoRBRF1RF2+A8單運放可編程增益放大器SW4SW1SW2SW3+CBADY-04V0ViQ3 D3 D2Q2 D1D0D4 D5 D6D774LS2738實用可編程增益放大器六、集成隔離放大器n定義： 集成隔離放大器是一種特殊的儀用放大器，其輸入、輸出和電源電

8、路之間，在電流上和電阻上彼此隔離而沒有直接的電路耦合。n 特點：1.具有保護系統(tǒng)硬件不受高共模電壓（CMV）損壞的能力；2. 沒有外偏流流入引線，泄漏電流很低，解決了噪聲拾取問題；3. 具有非常高的共模抑制能力。n 耦合方式：1.變壓器耦合 利用變壓器耦合實現(xiàn)載波調(diào)制，通常具有較高的線性度和隔離性能，但是帶寬被限制在1KHz以下。2. 光電耦合 利用LED光電耦合的方法實現(xiàn)載波調(diào)制，其隔離性能不如變壓器耦合，但可獲得10KHz的帶寬。調(diào)制器解調(diào)器濾波器）電源（60KHz振蕩器高端5輸入屏蔽1098721634地+VISO-VISO+Vs+RiVi8284J的原理框圖提問：Uout=?第三節(jié) 信

9、號變換電路1.電流電壓變換電路(電流放大器)+EfRf8e0iiZieifoRie電流電壓變換電路實例1A10A100A1mA F. S.全量程輸入端+1k5k5ke02e01Cf+15V-15V輸入保護電路+Cf+15V-15V-15V+15V5V5V950K 100K950K 10K950K 1K950 10020K10K3.3K3.3K100KRf4558A71488防止振蕩l將傳感器輸出的電壓或電流信號高低變成單位時間內(nèi)脈沖數(shù)的多少稱作對信號進行前處理。這樣就大大提高了信號傳輸?shù)目垢蓴_能力，解決了長距離傳輸?shù)膯栴}。l這種方法只適用于實時性要求不是太高的場合。2.電壓脈沖數(shù)變換電路電壓變

10、化型電流變化型電阻變化型電容變化型電感變化型頻率脈沖電流電壓變換電阻電壓變換電容脈沖率變換哈特來振蕩電路科比茲延遲電路電壓脈沖率變換脈沖率電壓變換A/D變換數(shù)字技術(shù)傳感器長距離傳輸前處理利用脈沖率形式的前處理體系+單穩(wěn)頻率輸出-Vs+VINS1-0.6V比較器積分器CINTCos+IinR1N1mA1088（a） V/F 轉(zhuǎn)換方框圖AD650原理+5V 結(jié)論：當(dāng)輸入電阻 Rin、定時電容 Cos 一定時，輸出頻率 Fo 正比于輸入電壓 Vin，而與積分電容 Cint 無關(guān)，它只決定積分器輸出鋸齒波的高度。 AD650基本應(yīng)用電路V1N-15VR1R31234567141312111098AD6

11、50R2VL1F20K250K+15V0.1FCINTRIN圖 單極性輸入V/F 轉(zhuǎn)換電路Cos 對AD650 單極性正輸入電壓V/F 轉(zhuǎn)換電路，當(dāng) Vin=0-10V 時，F(xiàn)o=0-100Khz； 對AD650 單極性負(fù)輸入電壓V/F 轉(zhuǎn)換電路，當(dāng) Vin=-10V0V 時，F(xiàn)o=1000 Khz； 對AD650 雙極性輸入電壓V/F 轉(zhuǎn)換電路，當(dāng) Vin=-5V+5V 時，F(xiàn)o=0-100Khz； AD650 應(yīng)用很廣，幾乎可代替目前所有的V/F 轉(zhuǎn)換電路。它具有以下優(yōu)點：工作頻率高；抗干擾和共模電壓能力強；非線形和溫漂低；可靠性高；適用與遠距離傳輸；且輸入方式靈活，價格低廉。3.脈沖數(shù)電

12、壓變換電路 脈沖數(shù)-電壓變換電路即頻率-電壓轉(zhuǎn)換器，簡稱 F/V 轉(zhuǎn)換器； 由于轉(zhuǎn)換的閾值和增益可調(diào)，且具有很低的非線性誤差，它在電機轉(zhuǎn)速控制、電源頻率監(jiān)視器和VCO 穩(wěn)定電路方面都具有廣泛的應(yīng)用；VCO（壓控振蕩器）： 主要利用它的結(jié)電容隨反偏壓變化而變化的特性,通過改變變?nèi)荻O管兩端的電壓便可改變電容的大小,從而改變振蕩頻率。(1)基本工作原理模塊式 451 和 453 型 F/V 轉(zhuǎn)換器。+1+濾波器84相加點3頻率輸入+15VEos校準(zhǔn)12-15V頻率輸入精密電荷分配器CeRosRF9滿刻度校準(zhǔn)輸出Cc濾波電容RH10K100K1K+VsA188A2型號CF(pF)Ros(M)RH(M

13、)RF(K)4510.0153.32.2184530.0013.91.022(2)應(yīng)用舉例+8增益調(diào)節(jié)傳感器258892131634模擬地Fi雙扭線（010）kHz（010）kHz差動線驅(qū)動器差動線接收器F/V451V/F450/456模擬儀表儀用放大器圖6-23 FVC在兩線制數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用第四節(jié) 濾波電路n 作用： 濾除各種外接干擾所引起的噪聲以及多余的不需要的信號，提高信噪比(S/N)。n 分類：l無源濾波器、有源濾波器l模擬濾波器、數(shù)字濾波器l低通、高通、帶通、帶阻、全通理想濾波器ioUU低通低通高通高通帶通帶通帶阻帶阻ioUUioUUioUU一、低通濾波器 無源低通濾波器11)

14、(SRCsG缺點缺點 ： 帶負(fù)載能力差；帶負(fù)載能力差； 無放大作用；無放大作用； 特性不理想，邊沿不陡。特性不理想，邊沿不陡。 有源低通一階濾波器oFURRRU11iUCRCUj1j1iURCj11UURCRRUUFioj11)1 (1傳遞函數(shù)中出現(xiàn)傳遞函數(shù)中出現(xiàn) 的一次項，故稱為的一次項，故稱為一階濾波器一階濾波器。RR1RFC+-+iUoU21)(11)1 (oFioRRUU)1(RCooargtg幅頻特性：幅頻特性：相頻特性：相頻特性： 90RCo1max21T T maxT)1 (1RRUUFio有放大作用有放大作用21)1 (1RRUUFio3. 運放輸出，帶負(fù)載能力強。運放輸出，帶

15、負(fù)載能力強。幅頻特性與一階無幅頻特性與一階無源低通濾波器類似源低通濾波器類似n電路的特點：電路的特點：2. = o 時時1. =0 時時 有源低通二階濾波器 傳遞函數(shù)sCUsCUURUUoRUURUURRURUifo2121211112)(11RRAfK20220201)3()()(wsswKRCsKRCsKsGQwAAARCw10AKQ31注意 ：由于C引入了正反饋，所以KA不能太大 (KA3)。 否則失去穩(wěn)定性。【例】設(shè)計一個截止頻率f0=2kHz，品質(zhì)因素Q=2的低通濾波器?！窘狻堪瓷鲜鏊?，有：若選C=0.1uF,則：R=795.8;由于KA=2.5,若R1=5.1K,則：Rf=7.6

16、5K5.2310958.7215210AfKRCn有源濾波器的優(yōu)點有源濾波器的優(yōu)點 不使用電感元件，體積小重量輕；不使用電感元件，體積小重量輕； 有源濾波電路中可加電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使有源濾波電路中可加電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使輸入電輸入電阻高、輸出電阻低阻高、輸出電阻低，輸入輸出之間具有良好的隔，輸入輸出之間具有良好的隔離。只需把幾個低階濾波電路串起來就可構(gòu)成高離。只需把幾個低階濾波電路串起來就可構(gòu)成高階濾波電路，無需考慮級間影響；階濾波電路，無需考慮級間影響； 除濾波外，還可放大信號，放大倍數(shù)容易調(diào)節(jié)。除濾波外，還可放大信號，放大倍數(shù)容易調(diào)節(jié)。n有源濾波器的缺點有源濾波器的缺點 不宜用于高頻、高電壓

17、、大電流；不宜用于高頻、高電壓、大電流； 可靠性較差可靠性較差 使用時需外接直流電源使用時需外接直流電源二、高通濾波器oFURRRU11UUiUCRRUj1iURC1j11RCRRUUFio1j11)1 (1R1RF+-+iUoU高通濾波器高通濾波器RRCRRUUFio1j11)1 (12111)1 (oFioRRUU幅頻特性：幅頻特性：ioUU0 o707. 011RRF11RRF第五節(jié) 傳感器電路的噪聲與抑制一、傳感器電路的構(gòu)成被測對象傳感器差分放大低通濾波A/D變換計算機測量結(jié)果外來噪聲模擬噪聲處理數(shù)字噪聲處理圖637 傳感器電路的構(gòu)成 噪聲消除的模型傳感器低通濾波器信號電壓Vs等效噪聲

18、電壓VnsV0V1V2VfAVsA噪聲源VnVn（C和M耦合）二、傳感器的噪聲來源n傳感器和電路元件產(chǎn)生的噪聲1) 電阻產(chǎn)生的噪聲(熱噪聲：自由電子隨機熱運動）2) 晶體管產(chǎn)生的噪聲（散粒噪聲+1/f噪聲）3) 放大器產(chǎn)生的噪聲4) 接觸噪聲（接觸面導(dǎo)電率不一樣）5) 開關(guān)器件產(chǎn)生的噪聲6) 寄生振蕩干擾（布線不合理）n 外部噪聲源引起的噪聲1) 雷電、大氣電離、宇宙射線、其他電磁波；2) 電磁場、電火花、電弧焊接、高頻加熱。三、干擾的耦合方式1、靜電耦合（電容性耦合） 由于兩個電路之間存在著分布電容，當(dāng)其中一個電路的電位發(fā)生變化時，該電路的電荷就會通過分布電容傳送到另一個電路。niioEjw

19、CZjwCZE1結(jié)論：（1）干擾源的頻率越高，靜電耦合引起的干擾越嚴(yán)重；（2）降低接收電路輸入阻抗，可減少靜電耦合干擾；（3）通過合理布線，減少分布電容C，減少靜電耦合干擾。2、電磁耦合（互感性耦合） 當(dāng)兩個電路之間有互感存在時，一個電路的電流產(chǎn)生變化就會通過磁場耦合到另一個電路。jwMIEo3、共阻抗耦合 當(dāng)一個電路的電流流經(jīng)共阻抗產(chǎn)生電壓降時，就成為其他電路的干擾電壓。 通過電源內(nèi)阻的共阻抗耦合干擾 減小電源內(nèi)阻 各電路接去耦濾波電路 通過公共地線的共阻抗耦合干擾 采用一點接地4、漏電流耦合 由于測量電路內(nèi)部存在漏電阻產(chǎn)生漏電流引起的干擾。niioEZRZE例：設(shè)直流放大器輸入阻抗Zi=1

20、08，干擾源電動勢En=15V,絕緣電阻R=1010，求耦合干擾Eo=?。四、噪聲的抑制n噪聲的抑制途徑l消除或抑制干擾源l減少接收電路對干擾的靈敏度l阻斷干擾的傳輸途徑和耦合方式n傳感器和電路器件產(chǎn)生的噪聲的抑制（1）為減少電路元件的熱噪聲，應(yīng)使放大器的外部電阻盡量?。唬?）使用雙極型晶體管的前置放大器來放大傳感器的輸出信號的場合，選取 IC值盡可能??；（3）選用 Vna、Ina 小的運算放大器來組成傳感器電路；（4）對于開關(guān)噪聲，設(shè)置相應(yīng)的偽電路，用差分來消除開關(guān)噪聲。n降低噪聲的信號處理方法（1）濾波（只能去除帶外噪聲）； （2）相位檢波（基于信號是周期的，而噪聲是隨機的原理） 。l外部

21、噪聲是通過靜電耦合和磁耦合串入傳感器電路。l具體方法：1、屏蔽技術(shù)（1 1）靜電屏蔽）靜電屏蔽用一個金屬罩（銅、鋁）把信號源或測量電路包封起來并接地，使屏蔽盒內(nèi)的電力線不會傳到外部，當(dāng)然也避免了外部電場對電路的影響，起到抑制干擾源的作用。(為什么要用導(dǎo)體?)（2 2）驅(qū)動屏蔽）驅(qū)動屏蔽將被屏蔽導(dǎo)體的電位，經(jīng)嚴(yán)格的1:1電壓跟隨器去驅(qū)動屏蔽層導(dǎo)體的電位，而使兩者電位相等，可以有效地抑制由于分布電容引起的靜電耦合干擾。 （3 3）電磁屏蔽）電磁屏蔽n電磁場屏蔽是利用屏蔽體阻止電磁場在空間傳播的一種措施。n電磁場屏蔽的機理：當(dāng)電磁波到達屏蔽體表面時，由于空氣與金屬的交界面當(dāng)電磁波到達屏蔽體表面時，由于空氣與金屬的交界面上阻抗的不連續(xù)，對入射波產(chǎn)生的反射。這種反射不要上阻抗的不連續(xù)，對入射波產(chǎn)生的反射。這種反射不要求屏蔽材料必須有一定的厚度，只要求交界面上的不連求屏蔽材料必須有一定的厚度，只要求交界面上的不連續(xù)；續(xù)； 未被表面反射掉而進入屏蔽體的能量，在體內(nèi)向前傳播未被表面反射掉而進入屏蔽體的能量，在體內(nèi)向前傳播的過程中，被屏蔽材料所衰減。也就是所謂的吸收；的過程中，被屏蔽材料所衰減。也就是所謂的吸收； 在屏蔽體內(nèi)尚未衰減掉的剩余能量，傳到材料的另一表在屏蔽體內(nèi)尚未衰減掉的剩余能量，傳到材料的另一表面時，遇到金屬空氣