傳感器與微處理器

1、長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室模塊九 傳感器與微處理器 接口電路 課題 傳感器輸出信號(hào)的檢測(cè)電路 任務(wù)目標(biāo) 掌握計(jì)算機(jī)控制現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)的基本組成； 了解各種傳感器輸出電信號(hào)的特點(diǎn)； 掌握常見傳感器輸出信號(hào)的檢測(cè)電路； 根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)，靈活與計(jì)算機(jī)對(duì)接。 長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室一、接口電路概述 以計(jì)算機(jī)為中心的現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)，采用數(shù)據(jù)采集與傳感器相結(jié)合的方式，能最大限度地完成測(cè)試工作的全過程。既能實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的檢測(cè)，又能對(duì)所獲信號(hào)進(jìn)行分析處理求得有用信息。圖9-1所示為計(jì)算機(jī)控制現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)，它能完成對(duì)多點(diǎn)、多種隨時(shí)間變化的被測(cè)參量的快速、實(shí)時(shí)測(cè)量，并能排除噪聲干擾，進(jìn)行數(shù)據(jù)處

2、理、信號(hào)分析，由測(cè)得的信號(hào)求出與研究對(duì)象有關(guān)信息的量值或給出其狀態(tài)的判別。 長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室圖9-1 計(jì)算機(jī)控制現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng) 傳感器的作用是完成信號(hào)的獲得，它把各種被測(cè)參量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。計(jì)算機(jī)是系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，它使整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)成為一個(gè)智能化的有機(jī)整體。長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室輸入通道是傳感器及其他裝置向計(jì)算機(jī)傳送數(shù)據(jù)及信息的通道。其主要功能是將傳感器送來的信號(hào)變換成微機(jī)所能接收的數(shù)字量，以便進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算。這一通道又可稱為傳感器接口電路。傳感器接口電路的選擇是根據(jù)傳感器的輸出信號(hào)特點(diǎn)和用途確定的，所以傳感器接口電路具有多樣性。 長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室二、傳感器

3、輸出信號(hào)的特點(diǎn) 1傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)（1）傳感器輸出信號(hào)的類型不同分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)又分為數(shù)字開關(guān)量、數(shù)字脈沖列。例如輸出量為電阻、電容、電感、電壓、電流等都是模擬量，開關(guān)量信號(hào)是一種接點(diǎn)信號(hào)，即由繼電器或其他電器接點(diǎn)的接通、斷開產(chǎn)生的“通”、“斷”信號(hào)，如機(jī)械觸點(diǎn)的閉合與斷開和電子開關(guān)導(dǎo)通與截止。數(shù)字脈沖列是一種電平信號(hào)，由信號(hào)電平的“高”、“低”組成的脈沖序列，如頻率信號(hào)。（2）傳感器輸出信號(hào)一般比較微弱長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室（3）傳感器的輸出阻抗比較高會(huì)使傳感器輸出信號(hào)在傳遞過程中產(chǎn)生較大的衰減。（4）傳感器內(nèi)部噪聲由于傳感器內(nèi)部噪聲的存在，使輸出信號(hào)與噪聲混合

4、在一起。當(dāng)傳感器的信噪比小，而輸出信號(hào)又比較弱時(shí)，信號(hào)淹沒在噪聲中。（5）傳感器的輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍很寬輸出信號(hào)隨著輸入信號(hào)的變化而變化，一部分傳感器的輸入與輸出特性呈線性或基本成線性比例關(guān)系，但部分傳感器的輸入與輸出特性是非線性的，如按指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)或開方函數(shù)等而變化。 長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室（6）傳感器的輸出特性會(huì)受干擾傳感器的輸出特性會(huì)受外界環(huán)境干擾及各種電磁干擾的影響，其中主要是受溫度的影響，有溫度系數(shù)存在。（7）傳感器的輸出特性與電源性能有關(guān)，一般需采用恒壓供電或恒流供電 。長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室2傳感器接口電路應(yīng)滿足的要求（1）要考慮阻抗匹配的問題（2）輸出信

5、號(hào)的幅值要足夠大能驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的后續(xù)電路。一般由放大電路將微弱的傳感器輸出信號(hào)放大。（3）傳感器的輸出信號(hào)為不同的變量要進(jìn)行信號(hào)處理，通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。（4）考慮到環(huán)境溫度的影響，要加溫度補(bǔ)償電路（5）要考慮傳感器的輸出特性不是線性的情況在傳感器的輸出特性不是線性的情況下，可通過線性化電路來進(jìn)行線性校正?，F(xiàn)在也可通過軟件由微機(jī)進(jìn)行線性化處理。長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室（6）接口電路要能夠抗干擾，具有較好的穩(wěn)定性對(duì)噪聲要進(jìn)行噪聲抑制，對(duì)電磁干擾要進(jìn)行濾波、屏蔽和隔離。（7）當(dāng)輸出信號(hào)有多個(gè)時(shí)當(dāng)輸出信號(hào)有多個(gè)（如多點(diǎn)巡回檢測(cè)）時(shí)，一臺(tái)微機(jī)要對(duì)它們實(shí)時(shí)分時(shí)采樣，需在輸入通道的某個(gè)適

6、當(dāng)位置配置多路模擬開關(guān)。另外，當(dāng)模擬量變化較快時(shí)，要加采樣保持器。（8）傳感器的輸出信號(hào)為模擬量時(shí)傳感器的輸出信號(hào)為模擬量時(shí)，經(jīng)放大、信號(hào)處理后，輸入計(jì)算機(jī)前要進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，常用轉(zhuǎn)換電路有A/D轉(zhuǎn)換器、V/F轉(zhuǎn)換器等。 長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室三、傳感器輸出信號(hào)的檢測(cè)電路 傳感器的接口電路中完成對(duì)傳感器輸出信號(hào)預(yù)處理的各種接口電路統(tǒng)稱為檢測(cè)電路，經(jīng)檢測(cè)電路預(yù)處理過的信號(hào)，應(yīng)成為可供測(cè)量、控制使用及便于向微型計(jì)算機(jī)輸入的信號(hào)形式。 1阻抗匹配器（1）半導(dǎo)體管阻抗匹配器半導(dǎo)體管阻抗匹配器是一個(gè)BJT共集極電路，又稱為射極輸出器，也被稱為電壓跟隨器。其特點(diǎn)是：電壓增益小于1而近于1，輸出電

7、壓與輸入電壓同相，輸入阻抗高，可減小放大器對(duì)信號(hào)源（或前級(jí)）所取的信號(hào)電流，同時(shí)輸出阻抗低，可減小負(fù)載變動(dòng)對(duì)放大倍數(shù)的影響。另外，它對(duì)電流仍有放大作用。長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室圖9-2 射極輸出器電路圖 圖9-3 采用自舉電路射極輸出器電路圖 在射極輸出基本電路的基礎(chǔ)上，可以采取若干措施來進(jìn)一步提高輸入電阻。圖9-3為采用自舉電路以提高射極輸出器輸入電阻的電路。 長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室（2）場(chǎng)效應(yīng)管阻抗匹配器 場(chǎng)效應(yīng)管阻抗匹配器為場(chǎng)效應(yīng)管共漏極電路源極輸出器。電路如圖9-4所示。源極輸出器特點(diǎn)是：電壓增益小于1而近于1，輸入輸出電壓同相，輸入阻抗高，輸出阻抗低。圖9-4 源極

8、輸出器電路圖 圖9-5 采用自舉電路的源極輸出器電路圖 長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室（3）運(yùn)算放大器阻抗匹配器 圖9-6為自舉型高輸入阻抗放大器。A1、A2為理想放大器。根據(jù)虛地原理，A1的“-”端與“+”端電位相同均為0；而A2與A1情況相同。 圖9-6 自舉型高輸入阻抗放大器經(jīng)計(jì)算可得，當(dāng)Rf1=R2，Rf2=2R1，可得輸入阻抗為 ：i1ii1URRRRRR故選擇適當(dāng)阻值，Ri很大，若(R-R1)/R 為0.01%時(shí)，R1=10k，則Ri=100M。 長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室2電橋電路（1）直流電橋直流電橋主要用于電阻或傳感器中作R/V轉(zhuǎn)換電路。圖9-7為直流電橋的原理圖，E

9、為直流電源，R1R4為直流電阻，構(gòu)成四個(gè)橋臂，其輸出電壓為圖9-7 直流電橋原理路231401234()()R RR RUERRRR當(dāng)電橋平衡時(shí)，U0=0，利用這一關(guān)系可以很方便地為傳感器設(shè)置零點(diǎn)。 長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室若采用如圖9-8所示電路，此電路為全橋電路，其輸出圖9-8 直流全橋電路原理圖 0RUER不但靈敏度得到了提高，輸出為線性，且可起到溫度補(bǔ)償作用，因此全橋電路應(yīng)用較廣。 長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室（2）交流電橋交流電橋主要用于測(cè)量電容式傳感器、電感式傳感器的電容、電感的變化。圖9-9為交流電橋電路，Z1和Z2為阻抗元件，同時(shí)為電感或電容，電橋兩臂為差動(dòng)方式。電

10、橋平衡條件為 Z1=Z2=Z0當(dāng)電橋平衡時(shí)U0=0測(cè)量時(shí)，若Z1=Z0+Z，Z2=Z0-Z，則電橋輸出電壓為002ZUUZ圖9-9 交流電橋電路原理圖長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室3放大電路（1）反相放大器反相放大器基本電路如圖9-10所示，輸入信號(hào)Ui通過R1接到反相輸入端，同相輸入端接地。輸出信號(hào)Uo通過反饋電阻Rf反饋到反相輸入端。輸出電壓Uo的表達(dá)式為foi1RUUR 圖9-10 反相放大器基本電路長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室反相放大器特點(diǎn)： 輸出電壓與輸入電壓反相。 放大倍數(shù)只取決于Rf與R1的比值，既可大于1，也可小于1，具有很大的靈活性。因此反相放大器也被稱為比例放大器，廣

11、泛應(yīng)用于各種比例運(yùn)算中。（2）同相放大器同相放大器的基本電路如圖9-11所示，輸入電壓Ui直接接入同相輸入端，輸出電壓通過反饋電阻Rf反饋到反相輸入端。輸出電壓Uo的表達(dá)式為 foi1(1)RUUR長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室圖9-11 同相放大器基本電路同相放大器特點(diǎn)： 輸出電壓與輸入電壓同相。 放大倍數(shù)取決于Rf與R1的比值，但數(shù)值不能小于1（只能放大，不能縮?。?。長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室（3）差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器的基本電路如圖9-12所示，兩個(gè)輸入電壓U1和U2分別經(jīng)R1和R2加到運(yùn)算放大器的反相輸入端和同相輸入端，輸出電壓Uo經(jīng)反饋電阻Rf反饋到反相輸入端。由疊加原理可得輸

12、出電壓Uo為3ffo211231(1)RRRUUURRRR令R1=R2，Rf=R3，可得 fo211()RUUUR長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室圖9-12 差動(dòng)放大器基本電路 由上式可得差動(dòng)放大器的特點(diǎn)： 輸出電壓正比于U2與U1的差值。 抗干擾能力強(qiáng)，既能抑制共模信號(hào)，又能抑制零點(diǎn)漂移。 長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室4電荷放大器電荷放大器是一種帶電容負(fù)反饋的高輸入阻抗（電荷損失很少）、高放大倍數(shù)的運(yùn)算放大器，其原理圖如圖9-13所示。圖9-13 電荷放大器原理圖輸入信號(hào)為電荷量Q，輸出信號(hào)電壓Uo經(jīng)反饋電容Cf反饋到反相輸入端，同相端接地。由“虛地”可知Ui=0Q=(0-Uo)Cf 即

13、ofQUC 長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室5抗擾電路在傳感器獲取的測(cè)量信號(hào)中，往往混入一些與被測(cè)量無關(guān)的干擾信號(hào)，使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差，控制裝置誤動(dòng)作。所以需采取相應(yīng)措施，提取有用信號(hào)，抑制噪聲等干擾信號(hào)。對(duì)系統(tǒng)內(nèi)噪聲重要的是抑制噪聲源，選用質(zhì)量好的器件；對(duì)系統(tǒng)間噪聲是要防止外來噪聲的侵入，主要采用屏蔽、濾波、隔離電路等來完成。（1）屏蔽屏蔽就是用低電阻材料或磁性材料把元件、傳輸導(dǎo)線、電路及組合件包圍起來，以隔離內(nèi)外電磁或電場(chǎng)的相互干擾。屏蔽可分三種，即電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁屏蔽。 長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室電場(chǎng)屏蔽電場(chǎng)屏蔽主要用來防止元器件或電路間因分布電容耦合產(chǎn)生的干擾。用完整的金

14、屬屏蔽體將帶正電導(dǎo)體包圍起來，在屏蔽體的內(nèi)側(cè)將感應(yīng)出與帶電導(dǎo)體等量的負(fù)電荷，外側(cè)出現(xiàn)與帶電導(dǎo)體等量的正電荷，如果將金屬屏蔽體接地，則外側(cè)的正電荷將流入大地，外側(cè)將不會(huì)有電場(chǎng)存在，即帶正電導(dǎo)體的電場(chǎng)被屏蔽在金屬屏蔽體內(nèi)。長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室磁場(chǎng)屏蔽磁場(chǎng)屏蔽主要用來消除元器件或電路間因磁場(chǎng)寄生耦合產(chǎn)生的干擾，磁場(chǎng)屏蔽的材料一般都選用高磁導(dǎo)系數(shù)的磁性材料。磁場(chǎng)屏蔽是利用高磁導(dǎo)率的材料構(gòu)成低磁阻通路，使大部分磁場(chǎng)被集中在屏蔽體內(nèi)。屏蔽體的磁導(dǎo)率越高，厚度越大，磁阻越小，磁場(chǎng)屏蔽的效果越好。當(dāng)然要與設(shè)備的重量相協(xié)調(diào)。長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室電磁屏蔽電磁屏蔽主要用來防止高頻電磁場(chǎng)的干擾

15、。電磁屏蔽的材料應(yīng)選用高磁導(dǎo)系數(shù)的材料，如銅、銀等，利用電磁場(chǎng)在屏蔽金屬內(nèi)部產(chǎn)生渦流而起屏蔽作用。電磁屏蔽體可以不接地，但為防止分布電容的影響，可以使電磁屏蔽體接地，兼起電場(chǎng)屏蔽作用。電場(chǎng)屏蔽體必須可靠接地。一般采用電導(dǎo)率高的材料作屏蔽體，并將屏蔽體接地。它是利用屏蔽體在高頻磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生反方向的渦流磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)抵消而削弱高頻磁場(chǎng)的干擾，又因屏蔽體接地而實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)屏蔽。長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室（2）濾波濾波器是一種能使有用頻率信號(hào)順利通過而同時(shí)抑制（或大為衰減）無用頻率信號(hào)的電子裝置?？梢允怯蒖、L、C組成的無源濾波器，也可以是由運(yùn)算放大器和R、C組成的有源濾波器。濾波電路通?？煞譃橐?/p>

16、下幾類： 低通濾波器 ； 高通濾波器 ； 帶通濾波器 ； 帶阻濾波器 。長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室（3）隔離當(dāng)前后兩個(gè)電路信號(hào)端接地時(shí)，易形成環(huán)路電流，引起噪聲干擾。所以需采用隔離的方法，把兩個(gè)電路從電路上隔開。 變壓器隔離。在兩個(gè)電路之間加入隔離變壓器，將電路分為互相絕緣的兩部分，電路上完全隔離，而輸入信號(hào)經(jīng)變壓器以磁通耦合方式傳遞到輸出端，這樣以磁為媒介，實(shí)現(xiàn)了電信號(hào)的傳輸。 光電隔離。光電隔離電路由發(fā)光二極管和光敏三極管構(gòu)成。如圖9-22所示，當(dāng)輸入端加上電信號(hào)，發(fā)光二極管有電流流過而發(fā)光，使光敏三極管受到光照后而導(dǎo)通。當(dāng)輸入端無電信號(hào)，發(fā)光二極管不亮，光敏三極管截止。這樣通過光電

17、耦合的方法實(shí)現(xiàn)電路的隔離，即以光為媒介，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的傳輸。長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室圖9-22 光電隔離電路 長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室四、傳感器與微型計(jì)算機(jī)的連接由檢測(cè)電路預(yù)處理過的檢測(cè)信號(hào)在輸入微型計(jì)算機(jī)前還要經(jīng)相應(yīng)的接口電路進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成CPU能直接進(jìn)行運(yùn)算處理的信號(hào)，如模擬信號(hào)要轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，而數(shù)字信號(hào)也要轉(zhuǎn)換成能被計(jì)算機(jī)所能接受的數(shù)字量。不同類型的傳感器，其輸出信號(hào)類型不同，進(jìn)入計(jì)算機(jī)前的接口電路也不同。多路模擬信號(hào)輸入通道的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)如圖9-23所示，下面分別介紹各個(gè)組成單元。 長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室圖9-23 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖長(zhǎng)江工程職

18、業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室1多路模擬開關(guān)（MUX）在輸入信號(hào)有多個(gè)時(shí)，常用多路模擬開關(guān)對(duì)它們進(jìn)行巡回檢測(cè)，以節(jié)省A/D轉(zhuǎn)換器和I/O接口。這種開關(guān)的種類很多，但它們的工作原理基本上是一樣的。下面以CD4051模擬開關(guān)為例介紹其工作原理。 長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室表9-1 CD4051引腳功能說明長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室表9-2 真值表長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室2采樣保持器（S/H）A/D轉(zhuǎn)換芯片完成一次轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間。當(dāng)被測(cè)量變化很快時(shí)，為了使A/D轉(zhuǎn)換芯片的輸入信號(hào)在轉(zhuǎn)換期間保持不變，需要應(yīng)用采樣保持器。圖9-25為采樣保持器工作波形示意圖，圖中每一采樣值被保持到下一次采樣為止。圖9-25 采樣保持器工作波形示意圖 長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室3模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路（ADC）A/D轉(zhuǎn)換器是集成在