傳感器信號處理和微機接口技術(shù)課件

1、傳感器信號處理和微機接口技術(shù)引言被測的各種非電量信號經(jīng)傳感器檢測后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺@些信號很微弱，并與輸入的被測量之間呈非線性關(guān)系，所以需進行信號放大、隔離、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、線性化處理、誤差修正等處理。 7/23/20222傳感器信號處理和微機接口技術(shù)主要章節(jié)傳感器信號的預處理 傳感器信號的放大電路 傳感器與微機的接口技術(shù) 抗干擾技術(shù)7/23/20223傳感器信號處理和微機接口技術(shù)傳感器信號的預處理傳感器與微機接口電路主要由信號預處理電路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計算機接口電路組成。 傳感器與微機的接口框圖 7/23/20224傳感器信號處理和微機接口技術(shù)11.1.1 開關(guān)式輸出信號的預處理 在輸入傳

2、感器的物理量小于某閾值范圍內(nèi)，傳感器處于“關(guān)”的狀態(tài)，而當輸入量大于該閾值時，傳感器處于“開”的狀態(tài)，這類傳感器稱為開/關(guān)式傳感器。為了消除噪聲及改善特性，常接入具有遲滯特性的電路，稱為鑒別器或稱脈沖整形電路，多使用施密特觸發(fā)器 7/23/20225傳感器信號處理和微機接口技術(shù) 開關(guān)量傳感器特性示意圖 7/23/20226傳感器信號處理和微機接口技術(shù)11.1.2 模擬連續(xù)式輸出信號的預處理 模擬連續(xù)式傳感器的輸出參量可以歸納為5種形式：電壓、電流、電阻、電容和電感。這些參量必須先轉(zhuǎn)換成電壓量信號，然后進行放大及帶寬處理才能進行A/D轉(zhuǎn)換。 7/23/20227傳感器信號處理和微機接口技術(shù)1電流

3、/電壓變換電路（I/V變換） I/V變換器作用是將電流信號變換為標準的電壓信號，它不僅要求具有恒壓性能，而且要求輸出電壓隨負載電阻變化所引起的變化量不能超過允許值。7/23/20228傳感器信號處理和微機接口技術(shù)采用運放的I/V轉(zhuǎn)換電路 7/23/20229傳感器信號處理和微機接口技術(shù)2.電壓/電流變換（V/I變換） V/I變換器的作用是將電壓信號變換為標準的電流信號，它不僅要求具有恒流性能，而且要求輸出電流隨負載電阻變化所引起的變化量不能超過允許值。7/23/202210傳感器信號處理和微機接口技術(shù) 420mA的V/I變換電路 7/23/202211傳感器信號處理和微機接口技術(shù)3.模擬頻率式

4、輸出信號的預處理 模擬頻率式輸出信號，一種方法是直接通過數(shù)字式頻率計變?yōu)閿?shù)字信號；另一種方法是用頻率/電壓變換器變?yōu)槟M電壓信號，再進行A/D轉(zhuǎn)換。 7/23/202212傳感器信號處理和微機接口技術(shù) 頻率/電壓變換器原理框圖 7/23/202213傳感器信號處理和微機接口技術(shù)4.數(shù)字式輸出信號的預處理 數(shù)字式輸出信號分為數(shù)字脈沖式信號和數(shù)字編碼式信號。數(shù)字脈沖式輸出信號可直接將輸出脈沖經(jīng)整形電路后接至數(shù)字計數(shù)器，得到數(shù)字信號。 傳感器信號的預處理，應根據(jù)傳感器輸出信號的特點及后續(xù)檢測電路對信號的要求選擇不同的電路。 7/23/202214傳感器信號處理和微機接口技術(shù)傳感器信號的放大電路測量放

5、大器又叫做儀表放大器（簡稱IA），廣泛應用于信號微弱及存在較大共模干擾的場合，具有精確的增益標定，因此又稱為數(shù)據(jù)放大器。7/23/202215傳感器信號處理和微機接口技術(shù)11.2.1 通用IA 通用IA由3個運算放大器A1、A2、A3組成 .7/23/202216傳感器信號處理和微機接口技術(shù)11.2.2 增益調(diào)控IA 為了節(jié)約費用，多種傳感器共用一個IA。當切換通道時，必須迅速調(diào)整IA的增益，稱為增益調(diào)控IA。在模擬非線性校正中也要使用增益調(diào)控IA。增益調(diào)控IA分為自動增益IA和程控增益IA兩大類。 7/23/202217傳感器信號處理和微機接口技術(shù)自動增益IA基本工作過程 工作速度較慢，不適

6、用于高速系統(tǒng)。 程控測量放大器的原理結(jié)構(gòu) 7/23/202218傳感器信號處理和微機接口技術(shù)11.2.3 IA的技術(shù)指標 （1）非線性度 （2）偏置漂移 （3）建立時間 （4）恢復時間 （5）共模抑制比 7/23/202219傳感器信號處理和微機接口技術(shù)11.2.4 常用集成儀表放大電路 集成運算放大器OP07，斬波自動穩(wěn)零集成運算放大器7650，集成儀表放大器AD522，集成變送器WS112、XTR101，TD系列變壓器耦合隔離放大器，ISO100等光耦合隔離放大器，ISO102等電容耦合隔離放大器，PG系列程控放大器、2B30/2B31電阻信號適配器等 7/23/202220傳感器信號處理

7、和微機接口技術(shù)傳感器與微機的接口技術(shù)傳感器輸出的信號經(jīng)預處理變?yōu)槟M電壓信號后，需轉(zhuǎn)換成數(shù)字量方能進行數(shù)字顯示或送入計算機。 11.3.1 數(shù)據(jù)采集的概念 7/23/202221傳感器信號處理和微機接口技術(shù)1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的配置 典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器（T）、放大器（IA）、 模擬多路開關(guān)（MUX）、采樣保持器（SHA）、A/D轉(zhuǎn)換器、計算機（MPS）或數(shù)字邏輯電路組成。根據(jù)電路中的位置分為同時采集、高速采集、分時采集和差動結(jié)構(gòu)4種配置 7/23/202222傳感器信號處理和微機接口技術(shù)7/23/202223傳感器信號處理和微機接口技術(shù)2.采樣周期的選擇 采樣就是以相等的時間間隔對某個連續(xù)

8、時間信號a（t）取樣，得到對應的離散時間信號的過程 連續(xù)時間信號的取樣 7/23/202224傳感器信號處理和微機接口技術(shù)香農(nóng)采樣定理 對一個具有有限頻譜（minmax）的連續(xù)信號進行采樣，當采樣頻率S=2/TS2max時，采樣結(jié)果可不失真。 7/23/202225傳感器信號處理和微機接口技術(shù)模擬量的采樣參照的經(jīng)驗數(shù)據(jù) 輸入物理量采樣周期Ts/s說 明流量15一般選用12s壓力310一般選用68s液位68溫度1520串級系統(tǒng)TS=0，副環(huán)TS=（1/41/5）主環(huán)TS成分15207/23/202226傳感器信號處理和微機接口技術(shù)3.量化噪聲（量化誤差） 模擬信號是連續(xù)的，而數(shù)字信號是離散的，每

9、個數(shù)又是用有限個數(shù)碼來表示，二者之間不可避免地存在誤差，這種誤差稱為量化噪聲。一般A/D轉(zhuǎn)換的量化噪聲有1 LSB和LSB/2兩種。7/23/202227傳感器信號處理和微機接口技術(shù)11.3.2 ADC接口技術(shù) （1）分辨力 分辨力表示ADC對輸入量微小變化的敏感度，它等于輸出數(shù)字量最低位一個字（1 LSB）所代表的輸入模擬電壓值。 ADC的位數(shù)越多，分辨力越高。因此，分辨力也可以用A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)表示。1A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）的主要技術(shù)指標 7/23/202228傳感器信號處理和微機接口技術(shù)（2）精度精度分為絕對精度和相對精度。絕對精度：它是指輸入模擬信號的實際電壓值與被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的理論

10、電壓值之間的差值。它包括量化誤差、線性誤差和零位誤差。絕對精度常用LSB的倍數(shù)來表示，常見的有1/2LSB和1LSB。相對精度：它是指絕對誤差與滿刻度值的百分比。由于輸入滿刻度值可根據(jù)需要設(shè)定，因此相對誤差也常用LSB為單位來表示。 7/23/202229傳感器信號處理和微機接口技術(shù)（3）量程（滿刻度范圍）量程是指輸入模擬電壓的變化范圍。 7/23/202230傳感器信號處理和微機接口技術(shù)（4）線性度誤差線性度誤差是轉(zhuǎn)換器實際的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換關(guān)系與理想直線不同而出現(xiàn)的誤差，通常也用LSB的倍數(shù)來表示。 7/23/202231傳感器信號處理和微機接口技術(shù)（5）轉(zhuǎn)換時間 轉(zhuǎn)換時間指從發(fā)出啟動轉(zhuǎn)換脈沖

11、開始到輸出穩(wěn)定的二進代碼，即完成一次轉(zhuǎn)換所需要的最長時間。 7/23/202232傳感器信號處理和微機接口技術(shù)的選擇與使用 按A/D轉(zhuǎn)換的原理，ADC主要分為比較型和積分型兩大類。其中，常用的是逐次逼近型、雙積分型和V/F變換型（電荷平衡式）。 7/23/202233傳感器信號處理和微機接口技術(shù)選擇的標準逐次逼近ADC的特點是轉(zhuǎn)換速度較高（1s1 ms），814位中等精度，輸出為瞬時值，抗干擾能力差；雙積分ADC測量的是信號平均值，對常態(tài)噪聲有很強的抑制能力，精度很高，分辨率達1220位，價格便宜，但轉(zhuǎn)換速度較慢（4 ms1 s）；V/F轉(zhuǎn)換器是由積分器、比較器和整形電路構(gòu)成的VFC電路，把模

12、擬電壓變換成相應頻率的脈沖信號，其頻率正比于輸入電壓值，然后用頻率計測量。VFC能快速響應，抗干擾性能好，能連續(xù)轉(zhuǎn)換，適用于輸入信號動態(tài)范圍寬和需要遠距離傳送的場合，但轉(zhuǎn)換速度慢。 7/23/202234傳感器信號處理和微機接口技術(shù)轉(zhuǎn)換器及其與單片機的接口 （1）傳感器采集接口組成7/23/202235傳感器信號處理和微機接口技術(shù)（2）A/D轉(zhuǎn)換器及接口電路ADC0808/0809與8031的接口連接 7/23/202236傳感器信號處理和微機接口技術(shù)8031的8路連續(xù)采樣程序 MOV DPTR，#7FF8H ；設(shè)置外設(shè)（A/D）口地址和通道號 MOV R0，#40H ；設(shè)置數(shù)據(jù)指針 MOV

13、IE，#84H ；允許外部中斷1中斷 SETB IT1 ；置邊沿觸發(fā)方式 MOVX DPTR，A ；啟動轉(zhuǎn)換7/23/202237傳感器信號處理和微機接口技術(shù)LOOP：CJNE R0，#48，LOOP；判斷8個通道是否完畢 RET ；返回主程序AINT：MOVX A，DPTR ；輸入數(shù)據(jù) MOV R0， A INC DPTR ；修改指針 INC R0 MOVX DPTR，A ；啟動轉(zhuǎn)換 RETI ；中斷返回7/23/202238傳感器信號處理和微機接口技術(shù)抗干擾技術(shù)1.外部干擾 （1）從外部侵入檢測裝置的干擾稱為外部干擾。 （2）電氣設(shè)備干擾的特點,工頻干擾 ,射頻干擾 ,電子開關(guān)通斷干擾 1

14、1.4.1 干擾的來源及形式7/23/202239傳感器信號處理和微機接口技術(shù)2.內(nèi)部干擾 （1）固有噪聲源 （2）信噪比（S/N）7/23/202240傳感器信號處理和微機接口技術(shù)3.干擾的傳輸途徑 （1）通過“路”的干擾（2）通過“場”的干擾7/23/202241傳感器信號處理和微機接口技術(shù)4.干擾的作用方式（1）串模干擾凡干擾信號和有用信號按電勢源的形式串聯(lián)（或按電流源的形式并聯(lián)）起來作用在輸入端的稱為串模干擾，串模干擾又常稱為差模干擾，它使測量裝置的兩個輸入端電壓發(fā)生變化， 所以影響很大。 串模干擾等效電路 7/23/202242傳感器信號處理和微機接口技術(shù)（2）共模干擾 干擾信號使兩

15、個輸入端的電位相對于某一公共端一起變化（漲落）的屬共模干擾。共模干擾本身不會使兩輸入端電壓變化，但在輸入回路兩端不對稱的條件下，便會轉(zhuǎn)化為串模干擾。因共模電壓一般都比較大，所以對測量的影響更為嚴重。共模干擾等效電路 7/23/202243傳感器信號處理和微機接口技術(shù)（3）共模抑制比（CMRR）共模噪聲只有轉(zhuǎn)換成差模噪聲才能形成干擾，這種轉(zhuǎn)換是由測量裝置的特性決定。因此，常用共模抑制比衡量測量裝置抑制共模干擾的能力，定義為 7/23/202244傳感器信號處理和微機接口技術(shù)11.4.2 干擾的抑制技術(shù) （1）消除或抑制干擾源 （2）破壞干擾途徑 （3）削弱接收電路對干擾的敏感性例如電路中的選頻措

16、施可以削弱對全頻帶噪聲的敏感性，負反饋可以有效削弱內(nèi)部噪聲源， 常用的抗干擾技術(shù)有屏蔽、接地、浮置、濾波、隔離技術(shù)等。1抑制干擾的方法 7/23/202245傳感器信號處理和微機接口技術(shù)2.屏蔽技術(shù) （1）靜電屏蔽 選用銅、鋁等低電阻金屬材料作屏蔽盒。 屏蔽盒要良好地接地。 盡量縮短被屏蔽電路伸出屏蔽盒之外的導線長度。 （2）電磁屏蔽 （3）磁屏蔽 （4）驅(qū)動屏蔽的概念7/23/202246傳感器信號處理和微機接口技術(shù)磁屏蔽的原理圖 驅(qū)動屏蔽原理圖 7/23/202247傳感器信號處理和微機接口技術(shù)3.接地技術(shù) （1）電氣、電子設(shè)備中的地線 接地起源于強電技術(shù)。為保障安全，將電網(wǎng)零線和設(shè)備外殼

17、接大地，稱為保安地線。對于以電能作為信號的通信、測量、計算控制等電子技術(shù)來說，把電信號的基準電位點稱為“地”，它可能與大地是隔絕的，稱為信號地線。信號地線分為模擬信號地線和數(shù)字信號地線兩種。另外從信號特點來看，還有信號源地線和負載地線。7/23/202248傳感器信號處理和微機接口技術(shù)（2）一點接地原則 機內(nèi)一點接地 7/23/202249傳感器信號處理和微機接口技術(shù)檢測系統(tǒng)的一點接地示意圖 系統(tǒng)一點接地 7/23/202250傳感器信號處理和微機接口技術(shù)（3）電纜屏蔽層的一點接地 信號源不接地，測量電路接地， 信號源接地，測量電路不接地，電纜屏蔽層應接到信號源的地端 7/23/202251傳感器信號處理和微機接口技術(shù)4.浮置技術(shù) 如果測量裝置電路的公共線不接機殼也不接大地，即與大地之間沒有任何導電性的直接聯(lián)系（僅有寄生電容存在），這種接線法稱為浮置。 7/23/202252傳感器信號處理和微機接口技術(shù)“浮置屏蔽”的檢測系統(tǒng) 7/23/202253傳感器信號處