《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課件 第4次課傳感器前期信號(hào)處理

溫故知新1.電感式位移傳感器工作原理2.光柵位移傳感器由于莫爾條紋是明暗交替的，當(dāng)莫爾條紋上下移動(dòng)時(shí)，只要用光敏元件檢測(cè)出來(lái)明、暗的變化，就可得知位移的大小。根據(jù)被測(cè)位移改變磁阻的方式，它又分為變氣隙型、變面積型和螺線管型三種。2第3章傳感器檢測(cè)及其接口電路3.1傳感器3.2位移測(cè)量傳感器3.3速度、加速度傳感器3.4位置傳感器3.5傳感器前期信號(hào)處理3.6傳感器接口技術(shù)機(jī)電一體化系統(tǒng)中的控制器接收和處理的信號(hào)都是TTL電平信號(hào)，而傳感器所采集到的信號(hào)有模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩種。為了能夠?qū)鞲衅鞑杉男盘?hào)和控制器相匹配，需要針對(duì)信號(hào)的特點(diǎn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定的處理，如對(duì)模擬信號(hào)需要進(jìn)行放大、濾波、隔離和A/D轉(zhuǎn)換等；對(duì)數(shù)字信號(hào)需要進(jìn)行放大、隔離和濾波等。傳感器信號(hào)處理又稱為信號(hào)調(diào)理，信號(hào)調(diào)理中的部分功能（如濾波）可以由軟件實(shí)現(xiàn)。信號(hào)調(diào)理就是將現(xiàn)場(chǎng)輸入的狀態(tài)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、保護(hù)、濾波、隔離和A/D轉(zhuǎn)換等處理后轉(zhuǎn)換成為計(jì)算機(jī)可以接收的邏輯信號(hào)。一、信號(hào)放大器信號(hào)放大電路又稱放大器，用于將傳感器或經(jīng)基本轉(zhuǎn)換電路輸出的微弱信號(hào)不失真地加以放大，以便于進(jìn)一步加工和處理。1.同相電壓放大器同相電壓放大器電路如圖4?28所示，同相電壓放大器的增益為式中：??同相電壓放大器增益；

??放大器增益調(diào)電阻。2.反相電壓放大器反相電壓放大器電路如圖3-29所示，反相電壓放大器的輸入信號(hào)經(jīng)輸入端電阻送入反相輸入2端，同相輸入經(jīng)平衡電阻接地。為反饋電阻，它跨接在輸出端與反向端之間，形成深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋，稱之反饋放大電路。輸出電壓極性與輸入電壓極性相反。電路參數(shù)計(jì)算方法為式中：—反相放大器增益；

—增益可調(diào)電阻在電路中，取值，為100特點(diǎn)：具有極高的輸入阻抗和低的輸出阻抗，常用作阻抗變換器。3.差分放大器當(dāng)運(yùn)算放大器的反相端和同相端分別輸入信號(hào)和時(shí)，輸出電壓當(dāng)

，

時(shí)，放大電路為差分放大器，其差模電壓增益為輸入電阻為時(shí)，放大電路為減法器，輸出電壓為由于差動(dòng)放大器具有雙端輸入?單端輸入、共模抑制比較高（

）的特點(diǎn)，通常用作傳感器或測(cè)量?jī)x器的前端放大器。特點(diǎn)：共模抑制比高，抗共模干擾能力強(qiáng)，但輸入阻抗較低。通常用于雙端輸出的傳感器，如稱重傳感器。4.交流電壓放大器圖3?31所示為交流電壓放大器，可用于低頻交流信號(hào)的放大，其輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的關(guān)系為式中：

由于

和

都與頻率

有關(guān)，所以放大器的放大倍數(shù)也與頻率有關(guān)，因此在放大信號(hào)時(shí)，可以抑制直流漂移和高頻干擾電壓。4.測(cè)量放大器（儀表放大器）在許多檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，傳感器輸出的信號(hào)往往較弱，而且其中還包含工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對(duì)這種信號(hào)的放大就需要放大電路具有很高的共模抑制比及高增益、低噪聲和高輸人阻抗。習(xí)慣上將具有這種特點(diǎn)的放大器電路稱為測(cè)量放大器電路或儀表放大器電路。測(cè)量放大器電路的放大倍數(shù)為只要運(yùn)算放大器

性能對(duì)稱（主要輸入阻抗和電壓增益對(duì)稱)，過(guò)種電路的漂移就將大大減小。該電路具有高輸入阻抗和高共模抑制比，對(duì)微小的差模電壓很敏感，適用于測(cè)量遠(yuǎn)距離傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)，因而十分適宜于微小信號(hào)輸出的傳感器配合使用。是用來(lái)調(diào)整放大倍數(shù)的外接電阻。AD521/AD522等是一種集成運(yùn)算放大器，它具有比普通運(yùn)算放大器性能優(yōu)良，體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)。AD522主要用于惡劣環(huán)境條件下進(jìn)行高精度數(shù)據(jù)采集的場(chǎng)合，由于AD522具有低電壓漂移、低非線性、高共模抑制比、低喋聲、低失調(diào)電壓等特點(diǎn)，因而常用于12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。1.AD522123456781011121314+IN-INRG10KΩU-UOUTRS100KΩU+AD521基本連接方法引腳4，6用于調(diào)整放大器零點(diǎn)，將4，6端接到10KΩ電位器的兩個(gè)固定端。電位器滑動(dòng)端接負(fù)電源U-（腳5）。引腳10，13用于外接電阻RS，用于對(duì)放大倍數(shù)進(jìn)行微調(diào)。當(dāng)RS=100kΩ±15%

時(shí)，可以得到比較穩(wěn)定的放大倍數(shù)。1.AD522123456781011121314+IN-INRG10KΩU-UOUTRS100KΩU+AD521基本連接方法引腳2，14用于外接電阻RG，用于調(diào)整放大倍數(shù)。測(cè)量放大器的放大倍數(shù):其放大倍數(shù)可在1～1000的范圍內(nèi)調(diào)整。如果輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號(hào)是微弱的模擬信號(hào)，而測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的干擾比較大，對(duì)信號(hào)的傳遞精度要求又高，這時(shí)可以考慮在模擬信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)之前用隔離放大器進(jìn)行隔離，以保證系統(tǒng)的可靠性。隔離放大器的特點(diǎn)：輸入回路與輸出回路之間是電絕緣的。信號(hào)傳遞的主要方式:電磁耦合;光電耦合。隔離放大器1）光電耦合光電隔離是一種將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，再將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過(guò)程。其原理如圖2-28所示，Ui端輸入低電平電信號(hào)，發(fā)光二極管則發(fā)出光信號(hào)，而密封在同一殼體中的光電三極管收到光信號(hào)后處于導(dǎo)通狀態(tài)，則Uo端輸出為低電平；反之，當(dāng)Ui端輸入高電平電信號(hào)時(shí)，則在Uo端輸出高電平，既實(shí)現(xiàn)了電源之間的隔離（VCC1和VCC2），又保證了信號(hào)的傳輸。圖2-28

光電隔離原理1.光電耦合隔離放大器光電耦合器的特點(diǎn)：耦合器中的發(fā)光和光敏元件都是非線性器件；非線性器件傳輸模擬信號(hào)將會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真。克服非線性失真通常采取的措施:給非線性器件施加合適的直流偏置，在小范圍內(nèi)線性傳輸信息。采用負(fù)反饋技術(shù)。2）電磁隔離電磁隔離原理如圖2-32所示，首先輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后，在調(diào)制器的調(diào)制下轉(zhuǎn)化為高頻調(diào)制波信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)變壓器后進(jìn)入解調(diào)器進(jìn)行同步解調(diào)，然后輸出解調(diào)后的信號(hào)。圖2-32

電磁隔離原理二、濾波電路1、功能:濾波器是具有頻率選擇作用的電路或運(yùn)算處理系統(tǒng)，具有濾除噪聲和分離各種不同信號(hào)的功能。2、類型:按處理信號(hào)形式分:模擬濾波器和數(shù)字濾波器；按功能分:低通、高通、帶通、帶阻；按電路組成分:LC無(wú)源、RC無(wú)源、由特殊元件；構(gòu)成的無(wú)源濾波器、RC有源濾波器；按傳遞函數(shù)的微分方程階數(shù)分:-階、二階、高階。通帶阻帶濾波器的基本參數(shù)對(duì)于實(shí)際濾波器主要參數(shù)有截止頻率、帶寬、品質(zhì)因數(shù)(Q值)，倍頻程選擇性等。

一、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括：信號(hào)調(diào)理電路:放大器、濾波器等；多路模擬開(kāi)關(guān)；采樣/保持電路；A/D轉(zhuǎn)換器；接口控制邏輯電路。1．信號(hào)調(diào)理電路把信號(hào)調(diào)整到符合A/D轉(zhuǎn)換器工作所需要的數(shù)值（如放大、衰減、偏移等）；濾除信號(hào)中不需要的成分；把信號(hào)調(diào)整到進(jìn)一步處理的需要，如線性修正電路、改善信噪比的“相加平均”電路等。作用：用來(lái)切換模擬電壓信號(hào)輸入的關(guān)鍵元件。將多路模擬信號(hào)分時(shí)輪流送給后端數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。常用的多路開(kāi)關(guān)有CD4051,AD7501等。2．多路模擬開(kāi)關(guān)3．采樣/保持電路（S/H電路）在對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，從啟動(dòng)變換到變換結(jié)束的數(shù)字量輸出，需要一定的時(shí)間，即A/D轉(zhuǎn)換器的孔徑時(shí)間。當(dāng)輸入信號(hào)頻率提高時(shí)，由于孔徑時(shí)間的存在，會(huì)造成較大的轉(zhuǎn)換誤差。要防止這種誤差的產(chǎn)生，必須在A/D轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)將信號(hào)電平保持住，而在A/D轉(zhuǎn)換后又能跟蹤輸入信號(hào)的變化，即使輸入信號(hào)處于采樣狀態(tài)，能完成這種功能的器件叫采樣/保持器。從上面分析可知，采樣/保持器在保持階段相當(dāng)于一個(gè)“模擬信號(hào)存儲(chǔ)器”2.采樣/保持器原理采樣/保持器由存儲(chǔ)電容C，模擬開(kāi)關(guān)S等組成，如圖3-57所示。當(dāng)S接通時(shí)，輸出信號(hào)跟蹤輸入信號(hào)，稱采樣階段。當(dāng)S斷開(kāi)時(shí)，電容C端一直保持S斷開(kāi)時(shí)的電壓，稱為保持階段。目前采樣保持器電路大多集成在單一芯片中，但芯片內(nèi)不含保持電容，一般由用戶根據(jù)需要選擇并外接。保持電容應(yīng)選擇聚苯乙烯電容或聚四氟乙烯電容。電容值的選擇應(yīng)綜合烤爐進(jìn)度、采樣頻率、下降誤差、采樣/保持偏差等參數(shù)集成采樣/保持器的特點(diǎn)是：

（1）采樣速度快、精度高，一般在2~2.5s內(nèi)即可達(dá)到±0.01％～±0.003％的精度。（2）下降速率慢，如AD585，AD348為0.5mV/ms，SD389為0.1μV/ms。A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器的作用就是把模擬量變換成計(jì)算機(jī)能接收的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。按其變換原理可分成逐次逼近式、雙積分式、并行式、跟蹤比較式和V/F變換式等。逐次逼近式的精度、速度及價(jià)格都適中，應(yīng)用最廣泛；并行式速度快，但價(jià)格高；雙積分式精度高、抗干擾能力強(qiáng)、價(jià)格低，但速度偏低；V/F變換式的線性度和精度較高，價(jià)格也較低，但速度偏低。使用時(shí)可根據(jù)實(shí)際需要選擇不同芯片。逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器在反饋環(huán)路中使用了一個(gè)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)。當(dāng)加上啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，取樣?保持放大器(S&H)將模擬輸入量鎖存。然后控制單元開(kāi)始迭代過(guò)程，其中，數(shù)字值被逼近，數(shù)/模轉(zhuǎn)換器將其變換成模擬值，并且由比較器將該值同模擬輸入作比較。當(dāng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸出等于模擬輸入信號(hào)時(shí)，由控制單元發(fā)出終止信號(hào)，并在輸出端提供正確的數(shù)字輸出。若n為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，則完成轉(zhuǎn)換要用n步。更確切地說(shuō)。輸入與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器滿度(FS)值的二進(jìn)制分?jǐn)?shù)（1/2，1/4，1/8，······，1/2n）的組合作比較。控制單元首先接通寄存器的最高有效位(MSB)，而讓所有比它低的位為0。比較器測(cè)試相對(duì)于模擬輸人的DAC輸出若模擬輸入超過(guò)DAC輸出，則保留該MSB（高電平），否則便復(fù)位到0。然后，將這個(gè)步驟應(yīng)用于下一個(gè)更低的有效位并重新進(jìn)行比較。進(jìn)行n次比較之后，轉(zhuǎn)換器降到最低有效位（LSB）這樣，DAC的輸出便代表對(duì)模擬輸入的最佳數(shù)字逼近。過(guò)程結(jié)束時(shí)，控制單元設(shè)定轉(zhuǎn)換結(jié)束的終止信號(hào)。2.A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)(1)轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換速率：轉(zhuǎn)換時(shí)間是A/D完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間；轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)為轉(zhuǎn)換速率。并行式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間最短，為20~50μs，轉(zhuǎn)換速率為20~50MB/s；雙極性逐次逼近式轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間約為0.4μs，轉(zhuǎn)換速率為2.5MB/s。(2)分辨率：A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率表示輸出數(shù)字量變化一個(gè)相鄰數(shù)碼所需輸入電壓的變化量，習(xí)慣上以二進(jìn)制位數(shù)或BCD碼位數(shù)表示。例如，AD574A/D轉(zhuǎn)換器可輸出二進(jìn)制數(shù)12位，即用212個(gè)數(shù)進(jìn)行量化,其分辨率為1LSB(1LSB=1×2-12V)，用百分?jǐn)?shù)表示為1/212×100%=0.0244%。(3)量化誤差：量化過(guò)程引起的誤差為量化誤差，量化誤差是由于有限數(shù)字對(duì)模擬量進(jìn)行量化而引起的誤差。理論上規(guī)定量化誤差為一個(gè)單位分辨率的±1/2LSB，分辨率高的轉(zhuǎn)換器具有較小的量化誤差。(4)轉(zhuǎn)換精度：A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度定義為一個(gè)實(shí)際A/D轉(zhuǎn)換器與一個(gè)理想A/D轉(zhuǎn)換器在量化值上的差值。可用絕對(duì)誤差或相對(duì)誤差表示。3.常用A/D轉(zhuǎn)換芯片及其與單片機(jī)接口電路A/D轉(zhuǎn)換器集成芯片類型很多，生產(chǎn)廠家也很多，下面介紹廣泛應(yīng)用的AD574芯片，以供選用時(shí)參考。（1）AD574AD574是一種高性能的快速12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器.邏輯電源+5V輸出數(shù)據(jù)形式選擇信號(hào)，接VLOGIC（+5V）時(shí)，數(shù)據(jù)按12位并行輸出；接DGND時(shí)，數(shù)據(jù)按8位雙字節(jié)輸出。片選擇信號(hào)，低電平有效轉(zhuǎn)換和讀字節(jié)選擇信號(hào)。A0=0時(shí)，啟動(dòng)A/D變換，則按12位A/D方式工作；A0=1時(shí)，啟動(dòng)A/D變換，則按8位A/D方式工作。啟動(dòng)/讀數(shù)控制。為0時(shí)啟動(dòng)，為1時(shí)讀數(shù)片允許信號(hào)，高電平有效。正電源+15V參考輸出模擬地參考輸入負(fù)電源-15V雙極性偏置模擬信號(hào)輸入。單極性為0~10V，雙極性為-5~+5V。模擬信號(hào)輸入。單極性為0~20V，雙極性為-10~+10V。數(shù)字地轉(zhuǎn)換/完成狀態(tài)輸出。STS=1，表示正處于轉(zhuǎn)換中；STS=0，表示轉(zhuǎn)換完成。常用的A/D轉(zhuǎn)換器是逐次逼近型和雙斜積分型。A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程包括采樣、量化和編碼三個(gè)步驟。4．A/D轉(zhuǎn)換器接口電路的功能：實(shí)現(xiàn)邏輯電平、驅(qū)動(dòng)能力的匹配等。5．接口電路及控制邏輯控制邏輯的功能：實(shí)現(xiàn)時(shí)序要求上的匹配。

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接口數(shù)據(jù)采集器CBook2000系列高精度便攜數(shù)據(jù)采集器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由硬件+軟件組成。Log2580系列現(xiàn)場(chǎng)獨(dú)立智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)①采樣速率100kHz，16bit分辨率②輸入通道：16單端/8差分模擬信號(hào)，可擴(kuò)至256通道③14個(gè)可編程輸入量程，最