傳感器及其應(yīng)用（第三版）傳感器電路

傳感器電路14.1傳感器的匹配

14.2信號處理電路

14.3信號傳輸

14.4抗干擾設(shè)計

14.5實際傳感器電路舉例

14.1傳感器的匹配

14.1.1變壓器匹配

利用變壓器可以很方便地進行阻抗匹配，在一定的帶寬范圍內(nèi)，無畸變地傳輸電壓信號。具體電路應(yīng)該根據(jù)傳感器信號的情況而定。

例如，動圈式麥克風(fēng)的輸入通常用一個小型的變壓器來匹配，如圖14.1所示。圖14.1變壓器匹配14.1.2高輸入阻抗放大器

在實際應(yīng)用中，很多傳感器的阻抗很高，如壓電換能器，光敏二極管、壓電加速度計等。要進行高精度的測量，傳感器和輸入電路必須很好地匹配。這就要求放大器有較高的輸入阻抗，其數(shù)量級在MΩ以上。由于場效應(yīng)管或集成運算放大器的本身的輸入阻抗非常高，所以通常用場效應(yīng)管或集成運算放大器來實現(xiàn)高阻抗放大器。下面通過兩個例子，介紹高阻抗匹配的方法。

場效應(yīng)管的電路，雖然可以用自生偏置來獲得靜態(tài)工作電壓。但是，為了使場效應(yīng)管工作在線性區(qū)，通常用分壓電路來獲得靜態(tài)工作電壓。在圖14.2中的電路中，電源電壓E經(jīng)過R1和R2分壓，通過Rg耦合，作為場效應(yīng)管的偏置電壓。圖14.2場效應(yīng)管的自舉反饋電路我們來觀察一下圖14.2中電路的輸入阻抗。這是一個跟隨電路。我們觀察Rg兩端的電壓，交變信號通過電容C1耦合到電阻Rg的一端，同時，由于是跟隨設(shè)計，所以場效應(yīng)管G的源極的電壓和柵極的電壓大小近似相等，相位相同。這個信號通過C2耦合到電阻Rg的另一端。這樣，Rg兩端的電壓接近相同，所以流過Rg的電流很小。也就是說，場效應(yīng)管的輸入阻抗并沒有因為分壓電路的存在而降低。當然，只為了提高輸入阻抗，可以不使用自舉電路，而采用阻值很高的Rg，如Rg可選用達到MΩ量級的電阻，如圖14.3所示。但是當Rg很大時，自身的穩(wěn)定性會變差，噪聲會變大，這對放大器的低噪聲設(shè)計帶來不利。圖14.3普通的場效應(yīng)管電路在實際應(yīng)用中，通常還采用運算放大器來實現(xiàn)放大器的高阻抗輸入。圖14.4為自舉型高輸入阻抗放大器。圖中A1、A2為理想放大器。我們來分析一下該電路的原理。根據(jù)虛地原理，放大器A1的“－”端電位與“+”端相同，為0；而從“－”到“+”的電流為0。放大器A2的情況與A1相同。這樣，就有(14.2)(14.1)圖14.4自舉型高輸入阻抗放大器

同理

所以

所以(14.6)(14.5)(14.4)(14.3)因此輸入阻抗為

我們令Rf1=R2，Rf2=2R1，則(14.8)(14.7)14.1.3電荷放大器

電荷放大器，顧名思義是用來放大電荷的。其輸出的電壓正比于輸入電荷。它要求放大器的輸入阻抗非常高，以至于電荷損失很少。通常，電荷放大器利用高增益的放大器和絕緣性能很好的電容來實現(xiàn)，如圖14.5所示。

圖14.5中，電容Cf是反饋電容，將輸出信號Uo反饋到反向輸入端。當A為理想放大器時，根據(jù)虛地原理，反向端接地，所以，Ui=0。有Q=(0－Uo)Cf，即

所以，輸出電壓和電荷成正比，比例決定于反饋電容Cf。理論上與信號的頻率特性沒有關(guān)系。(14.9)圖14.5電荷放大器示意圖

14.2信號處理電路

14.2.1濾波電路

濾波電路可以由電感、電容、電阻這些無源器件組成，成為無源濾波器；也可以將無源器件和放大器結(jié)合，組成有源濾波器。有源濾波器可以只用阻容器件實現(xiàn)，因此體積小。由于采用集成放大器，帶寬和增益控制非常方便。

濾波器通?？煞譃榈屯V波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器等。

1)低通濾波器

低通濾波器用于衰減高頻信號，而讓頻率較低的信號過去。圖14.6是阻容濾波器和它的幅頻特性。圖14.6阻容低通濾波器和幅頻特性曲線雖然阻容濾波器電路簡單，但是它的缺點是明顯的。其在通頻帶內(nèi)，增益隨著頻率的增大而下降。所以，為了改善在上界頻率附近的頻響特性，通常可以采用有源濾波，如圖14.7所示的電路。

該電路中，電信號經(jīng)過阻容低通濾波器后，經(jīng)過同相放大，一部分通過電阻反饋到同相輸入端。該低通濾波器的高端的頻響有較好的改善。它的傳輸函數(shù)為(14.10)圖14.7有源低通濾波器我們令f0=1/(2πRC)，Q=1/(3－KA)，KA=Rf/R1，所以

其幅頻特性曲線，如圖14.8所示。

其中，KA必須小于3，否則會引起自激振蕩。(14.11)圖14.8有源低通濾波器的幅頻曲線

2)高通濾波器

與低通濾波器相反，高通濾波器用于衰減低頻信號，而讓頻率較高的信號通過。圖14.9是阻容高通濾波器和它的幅頻特性。圖14.9阻容高通濾波器和特性曲線和阻容低通濾波器相同，雖然阻容高通濾波器電路簡單，但是在其通頻帶內(nèi)，幅頻特性曲線不是特別理想。增益隨著頻率的下降而下降。所以，為了改善其下界的頻率附近的頻響，可以采用如圖14.10所示的電路。

該電路經(jīng)過阻容高通濾波器后，經(jīng)過同相放大，一部分信號通過電阻反饋到輸入端。該高通濾波器的低端的頻響有較好的改善。它的傳輸函數(shù)為

其中，f0=1/(2πRC)，Q=1/(3－KA)，KA=Rf/R1。其幅頻特性曲線，如圖14.11所示。(14.12)圖14.10有源高通濾波器圖14.11有源高通濾波器的幅頻曲線

3)帶通濾波器

帶通濾波器的特點是讓在某一個頻率段的信號通過。圖14.12是典型的有源帶通濾波器電路。

其增益為

(14.14)圖14.12有源帶通濾波器其中

其典型的幅頻特性曲線如圖14.14所示。

為了保證環(huán)路的穩(wěn)定，KA<a。另外，當增益KA減小時,Q增大，帶寬增加；而增益越大，則帶寬越窄。圖14.14有源帶通濾波器的幅頻曲線

4)帶阻濾波器

與帶通濾波器相反，帶阻濾波器是使某一個頻段的信號被阻隔，其余部分可以通過。最典型的是雙T橋帶阻濾波器，如圖14.14所示。其幅頻特性如圖14.15所示。

該電路的電壓增益為(14.14)圖14.14有源帶阻濾波器圖14.15有源帶阻濾波器的幅頻曲線14.2.2電平轉(zhuǎn)換電路

對于一些采樣器件，輸入的電壓必須限制在一定的范圍內(nèi)。所以，需要將電平調(diào)整為合適值。圖14.16是最基本的電平轉(zhuǎn)換電路。

圖中的電位器Rp用來調(diào)整信號的電平偏移。U1、U2為采樣器件對輸入電平的上下限。選擇合適的A，使得信號范圍在U1～U2之間。D1、D2用于限定輸入范圍，起到過壓保護的作用。

電平轉(zhuǎn)換電路的形式是多樣的，應(yīng)該根據(jù)具體的要求設(shè)計。圖14.16電平轉(zhuǎn)換電路14.2.3采樣—保持電路

采樣-保持電路通過邏輯指令控制，使電路對輸入信號進行采樣，并使電路的輸出級跟蹤輸入量。通過保持指令，使輸入量在電路中一直保留著，直到下一個新的采樣指令到來。在需要對輸入信號瞬時采樣和存儲的場合，都需要采樣保持電路，如峰值檢波、瞬時量的測量和模擬信號的采樣電路。

采樣-保持電路主要由模擬開關(guān)、電容和緩沖器組成，如圖14.17所示。圖14.17采樣保持電路原理示意圖14.2.4

A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換電路，是指把模擬電信號轉(zhuǎn)化成為數(shù)字量的電路。根據(jù)采樣的原理，可以分為雙積分型、跟蹤型、逐次逼近型和并列型等。在此介紹雙積分型和并列型兩種。

雙積分型的原理如圖14.18所示。開關(guān)K在時間0～T1內(nèi)，連接K1側(cè)，積分器的輸出電壓為Uo(t)。可以看出

這是一個充電的過程，T1為充電時間。此時比較器的輸出是高電平，時鐘脈沖通過與門驅(qū)動計數(shù)器。圖14.18雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器原理假設(shè)從T1時刻開始，開關(guān)K連接K2側(cè)，一直到t1時刻，期間由于積分器上加上基準電壓Ur，輸出電壓Uo(t)為

這是一個放電的過程，積分器的輸出電壓逐漸下降。

假設(shè)到了T2時刻，積分器的輸出電壓Uo比0低，比較器反轉(zhuǎn)，輸出低電平，與門被封，計數(shù)器停止計數(shù)。即把T2代入上式中的t1，有Uo(T2)=0。則輸入電壓Ui和基準電壓Ur的關(guān)系為開關(guān)K的倒向?qū)嶋H由計數(shù)器的進位位Cj決定。當開始時,進位位Cj=0，開關(guān)倒向K1，當Cj=1時，開關(guān)倒向K2。計數(shù)器的進位位Cj從0到1的時間也就是T1，如果計時脈沖的頻率fc為常數(shù)，那么

從T1到T2，計數(shù)器的值為N，則

這樣由于Ur是基準電壓，其值是已知的，N由計數(shù)器計出，因此Ui可以求出。

雖然雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器需要較長的時間，但是如果Ur精度取得較高，計數(shù)器的位數(shù)足夠高，雙積分型A/D可以得到較高的精度。Uo和t的關(guān)系如圖14.19所示。

并列型的A/D轉(zhuǎn)換器是常用的轉(zhuǎn)換器。如圖14.20所示。模擬信號通過一組比較器，獲得和基準電壓的各個分壓的比較結(jié)果(1或0)。經(jīng)過邏輯電路網(wǎng)絡(luò)的編碼，最后輸出與輸入的模擬電壓相對應(yīng)的數(shù)字量。

并列型A/D轉(zhuǎn)換器進行并行工作，其時延主要是比較器和邏輯電路，所以它的轉(zhuǎn)換時間很短，常用于高速轉(zhuǎn)換的場合。圖14.19

Uo和t的關(guān)系圖14.20并列型A/D轉(zhuǎn)換器原理14.2.5數(shù)字信號處理器

電信號經(jīng)過前放預(yù)處理后，用專門的數(shù)字信號處理芯片對信號進行處理。采樣、濾波，甚至是鎖相環(huán)，都可以在數(shù)字芯片里去實現(xiàn)。數(shù)字信號處理器的出現(xiàn)，給傳感器電路的設(shè)計帶來了極大的方便，可以使得儀器儀表體積更小，智能化程度更高。

數(shù)字信號處理器的功能強大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且每一種廠家的產(chǎn)品用法不同，使用的時候必須遵照芯片的使用手冊。在此不一一列舉。

14.3信號傳輸

在有些場合，傳感器采集的信號需要送到遠處的主控系統(tǒng)。為了增強傳輸?shù)目垢蓴_能力，通常采用電流環(huán)來傳輸信號。有兩種傳輸?shù)姆绞剑环N是模擬信號的直接傳輸；另一種是先把信號轉(zhuǎn)變成為數(shù)字量，然后傳輸。電流環(huán)的最大優(yōu)點是低阻的傳輸線對電氣噪聲不敏感。

模擬信號的直接傳輸，通過電壓-電流轉(zhuǎn)換的方法來實現(xiàn)U-I。我們可以選用AD694或ZF2B20芯片，將電壓信號轉(zhuǎn)化成為電流信號。圖14.21是用ZF2B20作為變送器。圖14.21

ZF2B20的0～10V/0～10mA圖14.21中，0～10V電壓輸入后，直接轉(zhuǎn)化成為0～10mA的電流。在遠程RL上可以取出信號。其他的芯片，如AD694等，可以查閱相關(guān)的手冊。

20mA電流環(huán)路是數(shù)字遠程傳輸?shù)某Ｓ梅椒?，通常與光電隔離一起使用，如圖14.22所示。圖14.22

20mA電流環(huán)

SN75452是集電極開路的與非門，TIL117是常用的光電耦合器件。這是一個常用的20mA電流環(huán)光電隔離的長線傳輸電路。

另一種數(shù)字遠程傳輸?shù)姆椒ㄊ鞘褂谜{(diào)制解調(diào)器(MODEM)。將數(shù)字信號“1”和“0”轉(zhuǎn)化成不同的正弦波信號。調(diào)制的方法有幅移鍵控ASK、頻移鍵控FSK、相移鍵控PSK。其中頻移鍵控FSK是最常用的調(diào)制方法，如圖14.23所示。圖14.23利用調(diào)制解調(diào)器傳輸數(shù)據(jù)

14.4抗干擾設(shè)計

14.4.1電阻器

電阻根據(jù)其材料和結(jié)構(gòu)特征，可以分為繞線電阻、非繞線電阻和敏感電阻器電阻。繞線電阻是用電阻絲繞在絕緣骨架上構(gòu)成，有各種形狀。非繞線電阻可以分為膜式電阻、實芯電阻、金屬玻璃釉電阻等。敏感電阻在前面的章節(jié)已經(jīng)介紹過。

電阻的干擾來自于電阻中的電感、電容效應(yīng)，以及電阻本身的熱噪聲。不同類型的電阻的效果不同。

例如一個阻值為R的實芯電阻，等效于電阻R、寄生電容C、寄生電感L的串并聯(lián)，如圖14.24所示。圖14.24實芯電阻的等效電路一般來說，寄生電容大約為0.1～0.5pF，寄生電感大約在5～8nH。在頻率高于1MHz的時候，這些寄生的電感電容就不可忽視了。而且對于高頻的條件，阻值低的以寄生電感為主，阻值高的電阻以寄生電容為主。

又如一個阻值為R的繞線電阻，也等效于電阻R、寄生電容C、寄生電感L的串并聯(lián)，如圖14.25所示。具體寄生電容、寄生電感的值決定繞線的工藝。繞線電阻如果采用雙繞線的設(shè)計，雖然電感可以減小，但是旁路電容會增大。圖14.25繞線電阻的等效電路膜式電阻是將電阻材料采用真空被碳、真空蒸鍍、濺射和化學(xué)沉淀、熱分解沉積等方法被覆在絕緣線上制成的，它有螺旋型和曲折型兩種結(jié)構(gòu)，它的寄生電感比實芯電阻大，但是比繞線電阻小。

在強磁場中，非繞線電阻主要吸收電磁能產(chǎn)生熱效應(yīng)；繞線電阻由于其電感量較大，將產(chǎn)生電壓和電流。

各類電阻，都會產(chǎn)生熱噪聲。如果以Ut表示熱噪聲電壓，則

其中，R為電阻的阻值，k=1.374×10－23J/K(波耳茲曼常數(shù)),T為絕對溫度(K)，B為噪聲帶寬(Hz)。如果某一R=500kΩ，B=1MHz，在常溫下，T=20℃=293K，則Ut=90μV。如果信號為微伏數(shù)量級，則會被熱噪聲所掩蓋。

另外，電阻還會產(chǎn)生接觸噪聲。若以Uc表示接觸噪聲產(chǎn)生的電壓，則

其中，I為流過電阻的電流均方值，f為中心頻率，k是與材料的幾何形狀有關(guān)的常數(shù)。由于Uc在低頻段起重要的作用，所以它是低頻傳感器電路的主要噪聲源。14.4.2電容器

電容器有很多種的類型，通常從結(jié)構(gòu)上，可以分為紙質(zhì)電容器、聚酯樹脂電容器、云母電容器、陶瓷電容器、電解電容器、鉭電容器等，通常它們可以等效為如圖14.26所示的電路。圖14.26電容器的等效電路14.4.3電感器

電感器是電路中的常用元件，常用于高頻振蕩、濾波、延時等。電感器既是一個干擾源，同時也是抑制干擾的重要元件。

電感器工作時，其發(fā)出的磁力線會影響鄰近的回路；同時電感器也容易接收外來的電磁干擾。因此，應(yīng)該盡量采用閉環(huán)型的電感器，如圖14.27所示。圖14.27閉環(huán)型電感器14.4.4數(shù)字器件

數(shù)字電路工作時，電平狀態(tài)改變迅速，幅度較大，在公共電源和地上引起干擾，同時還會向空間輻射電磁波。常用的數(shù)字電路器件，其跳變速度快，約10ns，跳變電流的幅度也很大，約為16mA，所以其干擾水平較大。CMOS器件速度較慢，約為50～100ns，跳變電流小，不超過10mA。LP-TTL(低功耗)的跳變時間約為8ns，電流的跳變幅度約為8mA，稍好于TTL；而S-TTL(肖特基)的跳變時間約為3ns,而跳變電流的幅度高達30mA，是干擾水平最高的數(shù)字器件。而ECL(發(fā)射極邏輯)的上升速度為2ns，但是由于電流跳變約為1mA，所以其干擾水平和CMOS相仿。

因此，在設(shè)計電路的時候，在滿足設(shè)計要求的條件下,要盡可能避免使用高速數(shù)字器件。14.4.5電路干擾的控制

1)去耦電路

電源和電路的關(guān)系可以用如圖11.28所示的框圖來描述。

I=I1+I2+…+In

從圖14.28可以看出，如果電源存在干擾電壓Us，必然加到各個電路上去；同時，如果某一個電路產(chǎn)生干擾，必然會在Rs上產(chǎn)生干擾電壓，該電壓反過來將影響其他電路。應(yīng)該采用阻容去耦的方法來減少干擾，RC去耦電路如圖14.29所示。圖14.28電源供電電路示意圖圖14.29

RC去耦電路

2)線路板的布局

當選取了正確的元件，采取了抗干擾措施后，還需要考慮線路板的布局。如果元件的布局不合理，會導(dǎo)致嚴重干擾。

一般說來，布線時，干擾源和易受干擾的元件應(yīng)盡量分開；非輻射元件或單級元件，應(yīng)該盡量靠近，以減小公共地阻抗；低頻模擬電路和數(shù)字邏輯電路應(yīng)盡可能分開；高速電路應(yīng)占據(jù)最小回路面積和最短的引線；應(yīng)盡量避免窄長的平行長線，當不得不用長平行線的時候，可用地線隔開；地線和電源線的距離應(yīng)大于1mm；地線盡量粗些，但是不能太粗，否則寄生電容太大；如果頻率小于1MHz，可采用單點接地；當頻率在1～10MHz時，如果地線長度小于l/20，則可采用單點接地,否則應(yīng)采用多點接地；當頻率高于10MHz時，應(yīng)采用多點接地；當電路板上需要轉(zhuǎn)彎時，或者向兩個方向各轉(zhuǎn)45°，或者以圓弧連接；如果是多層板，所有元件與連接器都應(yīng)安裝在接地平面內(nèi)，即接地平面應(yīng)環(huán)繞每一個焊點和過孔的周長。

電源和地的布局，應(yīng)減小耦合回路以及電源和地間的分布阻抗。對于多個集成電路芯片的電路,通常采用如圖14.30所示的供電方式，而應(yīng)避免如圖14.31的供電方式。圖14.30正確的布線方式圖14.31不正確的布線方式

14.5實際傳感器電路舉例

14.5.1溫度測量電路

溫度測量電路是最常見的電路，可用多種方法實現(xiàn)，圖14.32所示的電路就是一種。該電路利用AD509實現(xiàn)。AD509是二端的集成電路溫度轉(zhuǎn)換器，它的輸出電流和絕對溫度成比例。利用它的電流輸出構(gòu)成電流環(huán)。AD580和電阻用來將絕對溫度轉(zhuǎn)換為攝氏溫度。雙絞線的屏蔽層與地相連。

該電路的測量范圍是－55°C～100°C。圖14.32

AD509溫度測量電路14.5.2高阻抗差動放大器

高阻抗差動放大器如圖14.33所示。

該電路中， ，當

時，可以獲得最佳共模抑制比。圖14.33高阻抗差動放大器14.5.3壓控可變增益放大器

壓控可變增益放大器如圖14.34所示。圖14.34壓控可變增益放大器14.5.4絕對值放大器

絕對值放大器如圖14.35所示。當輸入負電壓時，由反相端輸入，該電路是反相放大器；當輸入正電壓時，由同相端輸入，該電路是同相放大器。所以，無論輸入信號的極性如何，輸出都是正電壓。不過由于二極管結(jié)電壓的存在，當輸入電壓的幅值小于1V時，會出現(xiàn)失真。圖14.35絕對值放大器14.5.5容性負載的隔離放大器

這種放大器如圖14.36所示。

如果放大器的輸出直接去驅(qū)動容性負載，由于充放電的原因，信號會失真。因此，需要有隔離的電路。該電路中，Uout的變化率由CL和Iout(max)決定：圖14.36容性負載的隔離放大器14.5.6電纜跟隨電路

電纜跟隨電路如圖14.37所示。圖14.37電纜跟隨電路14.5.7電流放大器

電流放大器如圖14.38所示。圖14.38電流放大器14.5.8求和放大器

求和放大器如圖14.39所示。

該電路的輸出Uout=－(U1+U2+U3)。圖14.39求和放大器14.5.9窗口比較器

窗口比較器如圖14.40所示。

該電路中，UrefH是上限電壓，UrefL是下限電壓。如果輸入電壓在UrefH和UrefL之間，則輸出為0；否則，輸出為高電平。圖14.40窗口比較器14.5.10峰值電壓檢波器

峰值電壓檢波器如圖14.41所示。

當輸入正信號時，二極管導(dǎo)通，是一個跟隨器，對電容充電。由于二極管的內(nèi)阻和運放的輸出阻抗較低，充電時間較短，電容上的電壓和輸入電壓同步。當輸入的電壓下降，二極管截止，電容上的電壓只能通過R緩慢釋放。當R較大時，放電常數(shù)很大。因此，該電路能夠檢測到正的峰值電壓，并具有記憶效應(yīng)。圖14.41峰值電壓檢波器14.5.11抑制交流聲的可調(diào)窄帶帶阻濾波器

這種濾波器的電路如圖14.42所示。

通過調(diào)節(jié)電位器可以使該窄帶帶阻濾波器的中心頻率為45～90Hz之間的任意值。該濾波器抑制電力線交流聲的效果非常好，其抑制能力至少是30dB。圖14.42抑制交流聲的可調(diào)窄帶帶阻濾波器14.5.12電橋式壓力測量電路

電橋式壓力測量電路如圖14.43所示。

壓力傳感器通常采用由四個應(yīng)變電阻組成的惠斯頓電橋。XRT101通過10、11腳和LM129穩(wěn)壓管，向應(yīng)變電橋提供激勵源。應(yīng)力變化引起的電壓信號通過3、4腳進入XRT101。

該電壓信號經(jīng)過放大，電壓-電流轉(zhuǎn)換，由7腳、負載電阻RL、電源、二極管1N4002、8腳，構(gòu)成4～20mA的電流環(huán)輸出。1、2、14腳用于調(diào)整4mA的零位，5、6腳則用于調(diào)整滿量程。圖14.43電橋式壓力測量電路14.5.14帶通濾波器

帶通濾波器如圖14.44所示。圖14.44帶通濾波器

LTC1067是雙濾波器組件。該濾波器是一個四階5kHz的帶通濾波器。輸出噪聲為90μURMS，信噪比為80dB。頻響特性如圖14.45所示。圖14.45頻響特性14.5.14防雷器電路

防雷器電路如圖14.46所示。

當雷擊在傳輸線附近的時候，壓敏電阻對地放電。由于壓敏電阻有陡峭的電壓非線性，能夠釋放由雷電沖擊造