傳感器的信號(hào)處理

第4章傳感器的信號(hào)處理4.1傳感器信號(hào)的預(yù)處理4.2儀表放大器及A/D轉(zhuǎn)換器的選擇4.3傳感器信號(hào)非線性校正及標(biāo)度變換4.1傳感器信號(hào)的預(yù)處理4.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成1.傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)由于上述特點(diǎn)，再加上傳感器在使用時(shí)所處環(huán)境因素的影響，就完全有可能影響甚至破壞傳感器及其測(cè)量系統(tǒng)的正常工作。因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。信號(hào)處理部分常常分為兩個(gè)步驟，即在對(duì)信號(hào)加工之前進(jìn)行預(yù)處理。在進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況利用濾波、阻抗變化等手段將信號(hào)分離出來進(jìn)行放大。當(dāng)信號(hào)足夠大時(shí)，就可作信號(hào)的運(yùn)算、轉(zhuǎn)換、比較、取樣保持等不同的加工了。最后，一般要經(jīng)過放大才能驅(qū)動(dòng)負(fù)載，或者經(jīng)過模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換才能輸入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)按一定的處理要求對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的電路系統(tǒng)統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中最重要的器件是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器，也稱ADC)。下一頁(yè)返回4.1傳感器信號(hào)的預(yù)處理2.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由放大器、濾波器等在內(nèi)的信號(hào)調(diào)理電路、多路模擬開關(guān)、采樣/保持電路、A/D轉(zhuǎn)換器以及接口電路和控制邏輯電路所組成，根據(jù)它們?cè)陔娐分械奈恢?，可分為同時(shí)采集、高速采集、分時(shí)采集和差動(dòng)結(jié)構(gòu)四種配置。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型構(gòu)成形式如圖4-1所示。4.1.2傳感器信號(hào)的預(yù)處理方法根據(jù)傳感器的輸出信號(hào)特點(diǎn)，傳感器的輸出信號(hào)不能直接作為進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的輸入量，必須通過各種預(yù)處理電路將傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的電壓信號(hào)。將信號(hào)的這一轉(zhuǎn)換稱為預(yù)處理。常用的傳感器信號(hào)預(yù)處理方法有以下幾種。上一頁(yè)返回4.2儀表放大器及A/D轉(zhuǎn)換器的選擇4.2.1儀表放大器及選擇經(jīng)預(yù)處理后的信號(hào)，要送至A/D轉(zhuǎn)換器或其他顯示記錄裝置。傳感器信號(hào)的特點(diǎn)是電平差別很大，且疊加有很高的、來自工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的共模噪聲。因此對(duì)這些緩變、微弱的信號(hào)不僅要進(jìn)行放大，而且必須采用低噪聲、低漂移、輸入阻抗高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)的直流放大器。由于一般運(yùn)算放大器輸入阻抗太低，共模抑制能力受外部電阻適配精度所限，不能在精密測(cè)量中應(yīng)用。因此在檢測(cè)中常用調(diào)制型或隔離型直流放大器及專門設(shè)計(jì)的測(cè)量放大器。1.儀表放大器（IA）儀表放大器又稱測(cè)量放大器。它通常由三個(gè)運(yùn)算放大器、、組成，如圖4-2所示電路，其中，、組成具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的差動(dòng)輸入輸出級(jí)，差模增益為n+1，而共模下一頁(yè)返回4.2儀表放大器及A/D轉(zhuǎn)換器的選擇增益僅為1。將的差動(dòng)輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端輸出信號(hào)。的共模抑制精度取決于四個(gè)R3的匹配精度，通用IA的輸出電壓為式、—IA的兩個(gè)輸入端差動(dòng)輸入信號(hào)。2.IA的技術(shù)指標(biāo)儀表放大器最重要的技術(shù)指標(biāo)有:非線性度、偏置漂移、建立時(shí)間以及共模抑制比等。這些指標(biāo)均為增益的放大器的函數(shù)。儀表放大器的優(yōu)點(diǎn)是輸入阻抗高、共模抑制比高、噪聲低、穩(wěn)定好，它主要用于微弱信號(hào)的精確測(cè)量。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.2儀表放大器及A/D轉(zhuǎn)換器的選擇3.儀表放大器的選擇儀表放大器應(yīng)具有如下性能要求:(1)低噪聲采用低噪聲放大器件并采取有效的較小噪聲措施，以免測(cè)量信號(hào)被淹沒在噪聲中。

(2)高穩(wěn)定性低漂移、減小溫度漂移、防止自激振蕩等。

(3)高抗干擾性能放大器的前級(jí)最易受干擾，要盡量縮短導(dǎo)線影響，采用調(diào)制的方法和妥善的屏蔽措施等。

(4)高輸入阻抗由于傳感器輸出信號(hào)很微弱，要求放大器的接人盡可能強(qiáng)化傳感器的功能，特別是當(dāng)傳感器輸出阻抗很高時(shí)，更要求放大器有高輸入阻抗。

(5)高共模抑制比一方面由于被測(cè)量本身(錐度)是差模信號(hào)，另一方面由于許多干擾為共模干擾，因此高共模抑制比有利于提高抗干擾性能。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.2儀表放大器及A/D轉(zhuǎn)換器的選擇(6)高線性度在較大量程內(nèi)有良好的線性。

(7)適宜的頻率特性為使放大后的信號(hào)不失真，要求它有寬頻帶。為抑制某些干擾，又要求它有合適的頻帶。

4.2.2A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)

如上節(jié)所述，A/D轉(zhuǎn)換器的作用是將傳感器接口電路預(yù)處理過的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)，并輸入到計(jì)算機(jī)中去。1.ADC的主要類型按ADC的轉(zhuǎn)換方式，可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。2.ADC的性能指標(biāo)

(1)分辨率分辨率是指的N位ADC的分辨率為粵。ADC對(duì)微小輸入量變化的敏感度，輸入滿量程，模擬電壓為呱上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.2儀表放大器及A/D轉(zhuǎn)換器的選擇

(2)精度精度可分為絕對(duì)精度和相對(duì)精度。絕對(duì)精度是指對(duì)應(yīng)于一個(gè)給定的數(shù)字量，模擬量輸入實(shí)際值與理論值之差。它包括量化誤差、線性誤差和零位誤差。相對(duì)精度又稱相對(duì)誤差，是指絕對(duì)誤差與滿刻度值的百分比。由于單位輸入滿刻度值可根據(jù)需要設(shè)定，因此，相對(duì)誤差也常用ISB表示。

(3)轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間是指從模擬量輸入到數(shù)字輸出，完成一次轉(zhuǎn)換所需要的最長(zhǎng)時(shí)間。對(duì)大多數(shù)ADC來說，轉(zhuǎn)換時(shí)間就是轉(zhuǎn)換頻率(轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘頻率)的倒數(shù)。

3.ADC的選擇原則目前所生產(chǎn)的A/D轉(zhuǎn)換器具有模塊化、與計(jì)算機(jī)總線兼容等特點(diǎn)。使用者不必深入了解它的結(jié)構(gòu)原理，只需掌握A/D轉(zhuǎn)換器的外特性并正確選擇即可。從使用的角度看，A/D轉(zhuǎn)換器的外特性包括:模擬信號(hào)輸入部分;數(shù)字信號(hào)并行上一頁(yè)返回下一頁(yè)4.2儀表放大器及A/D轉(zhuǎn)換器的選擇輸出部分;啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的外部控制信號(hào);轉(zhuǎn)換完畢后由轉(zhuǎn)換器發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)等。在選擇A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，除需要滿足用戶的各種技術(shù)要求外，必須還要注意以下幾點(diǎn):數(shù)字輸出的方式;對(duì)啟動(dòng)信號(hào)、轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)的接口要求;轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換式中、轉(zhuǎn)換時(shí)間;穩(wěn)定性及抗干擾能力等。返回上一頁(yè)4.3傳感器信號(hào)非線性校正及標(biāo)度變換4.3.1傳感器信號(hào)的非線性校正在自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，利用傳感器把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電量時(shí)，大多數(shù)傳感器的輸出電量與被測(cè)量之間的關(guān)系并非線性關(guān)系。造成非線性的原因很多，主要有:目前，由于數(shù)字顯示技術(shù)的廣泛應(yīng)用，以及對(duì)測(cè)量范圍和測(cè)量精度要求的不斷提高，非線性校正就顯得更為現(xiàn)實(shí)與迫切。為了減小或消除非線性誤差，必須采用一些非線性校正電路，這些非線性校正電路是利用許多折線逼近所需補(bǔ)償特性曲線，只要折線段足夠多，就能以足夠高的精度構(gòu)造出任何形狀的補(bǔ)償特性。對(duì)于一些有規(guī)律的非線性關(guān)系，如開方、乘方、倒數(shù)、指數(shù)和對(duì)數(shù)特性，可以采用相應(yīng)的運(yùn)算電路進(jìn)行線性化處理。因此，下面介紹的主要是指無法用一般數(shù)學(xué)下一頁(yè)返回4.3傳感器信號(hào)非線性校正及標(biāo)度變換表達(dá)式描述的非線性校正電路。

1.校正曲線的求取當(dāng)已知變換器的輸出特性時(shí)，可以求出相應(yīng)的校正特性。一個(gè)簡(jiǎn)單的處理方法，就是先把校正環(huán)節(jié)的電壓增益看作是1，在已知的非線性的最大、最小值之間連一條直線;然后以此直線為對(duì)稱軸，作非線性特性的鏡像，則鏡像為所需的校正特性。如圖4-3所示。

圖4-4所示為一種斜率提升的校正電路，它是由反相放大器構(gòu)成的，當(dāng)VD,,VDZ均不通時(shí)，閉環(huán)放大器是一個(gè)負(fù)反饋放大器，隨著u;的增大，輸出電壓u。反饋增大，VD，導(dǎo)通，電路將引入正反饋，其結(jié)果使放大倍數(shù)提高。當(dāng)VDZ導(dǎo)通時(shí)，正反饋?zhàn)饔眉訌?qiáng)，放大倍數(shù)進(jìn)一步提高。因而u;-u。特性是一條斜率提升曲線，在圖中縱坐標(biāo)表示輸出電壓絕對(duì)值大小。其余校正電路可參閱有關(guān)書籍。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.3傳感器信號(hào)非線性校正及標(biāo)度變換3.數(shù)字量的非線性校正非線性校正裝置也可以放置在A/D轉(zhuǎn)換之后，過去這些數(shù)字量的線性化，都是采用硬件處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，硬件處理的一種方法是采用非線性A/D轉(zhuǎn)換器，它是利用A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換機(jī)理有意識(shí)地造成其某種非線性，以補(bǔ)償傳感器的非線性。目前，已有集成化產(chǎn)品，它結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)換精度高，使用方便。4.3.2標(biāo)度變換在多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，各參數(shù)都有不同的量綱和數(shù)值。如用熱電偶測(cè)溫，溫度單位為oC，但不同熱電偶輸出電動(dòng)勢(shì)不同，分度號(hào)為S的熱電偶在16000C時(shí)為16.716mV，分度號(hào)為K的熱電偶在12000C時(shí)為48.087My;又如測(cè)量壓力的彈性元件一膜片、膜盒以及彈簧管等，其壓力范圍上一頁(yè)下一頁(yè)返回項(xiàng)目一初步認(rèn)識(shí)Protel99SE任務(wù)一：創(chuàng)建設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)及設(shè)計(jì)文件任務(wù)二：如何在protel99se中進(jìn)行文件管理任務(wù)三：設(shè)置原理圖編輯器的工作環(huán)境Protel99SE，是一個(gè)工作在Windows平臺(tái)下的電子線路設(shè)計(jì)EDA軟件，功能強(qiáng)大，是一個(gè)完整的電子電路原理圖和印制電路板電子設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該軟件采用Client/Server（客戶/服務(wù)器）體系結(jié)構(gòu)，包含了電子電路原理圖設(shè)計(jì)、多層印制電路板設(shè)計(jì)（包含印制電路板自動(dòng)布線）、通用可編程邏輯器件設(shè)計(jì)、模擬電路與數(shù)字電路混合信號(hào)仿真及分析、圖表生成、電子表格生成、同步設(shè)計(jì)、聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)、3D模擬等功能。

Protel99SE的使用的硬件環(huán)境：CPU：Pentium100/166以上RAM：16MB以上硬盤：剩余1GB以上顯示器分辨率：800×600（建議使用1024×768）顯示卡：顯存1MB以上

Protel99SE的使用的軟件環(huán)境：建議使用的操作系統(tǒng)為Windows98、WindowsNT、Windows2000、WindowsXP等。任務(wù)一：創(chuàng)建設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)及設(shè)計(jì)文件

一、啟動(dòng)Protel99SE

可以通過以下兩種方法：（1）在桌面上雙擊Protel99SE的快捷方式圖標(biāo)。（2）通過Windows“開始”菜單啟動(dòng)。單擊開始→程序→Protel99SE。

Protel99SE的啟動(dòng)之后，屏幕出現(xiàn)啟動(dòng)畫面，隨后進(jìn)入如下圖所示

Protel99SE的主窗口。

二、創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)庫(kù)文件在Protel99SE的主窗口，可以創(chuàng)建一個(gè)新的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)文件。執(zhí)行菜單File→New，彈出下圖所示的新建設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)文件對(duì)話框。

在對(duì)話框中可以進(jìn)行以下設(shè)置：（1）修改設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)文件類型。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)文件類型有兩種：MSAccessDatabase（微軟數(shù)據(jù)庫(kù)文件）和WindowsFilesystem（Windows系統(tǒng)文件），一般選擇系統(tǒng)默認(rèn)的MSAccessDatabase。（2）輸入新的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)文件名。系統(tǒng)默認(rèn)的文件名為“MyDesign.ddb。若要更改文件名，不要?jiǎng)h除數(shù)據(jù)庫(kù)文件的擴(kuò)展名“.ddb”。（3）更改設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)文件保存的路徑。系統(tǒng)默認(rèn)的文件保存路徑為Protel99SE安裝時(shí)的安裝路徑。（4）設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)文件密碼，點(diǎn)擊“Password”標(biāo)簽頁(yè)，進(jìn)入密碼設(shè)置對(duì)話框，如下圖所示。選擇“YES”單選項(xiàng)，輸入密碼及確認(rèn)密碼即可。

設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)文件對(duì)話框設(shè)置完畢后，點(diǎn)擊OK按鈕，將彈出如下圖所示的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)管理器界面。圖中，“DesignTeam”為設(shè)計(jì)組文件夾，里面包括三個(gè)子文件夾；“RecycleBin”為回收站，存放刪除的各種文件；“Documents”為普通文件夾，可以進(jìn)行新建、刪除、更名等操作。

三、啟動(dòng)各種文件編輯器在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)管理器中執(zhí)行File→New菜單命令，將彈出如下圖所示的新建文件對(duì)話框，共有10種不同的文件類型。選擇需要的文件類型，點(diǎn)擊OK進(jìn)入相對(duì)應(yīng)的文件編輯器。Protel99SE文件類型

序號(hào)說明序號(hào)說明1CAM輸出配置文件6原理圖文件2文件夾7原理圖元件庫(kù)文件3PCB文件8表格文件4PCB封裝庫(kù)文件9文本文件5PCB打印文件10波形文件

任務(wù)二：如何在protel99se中進(jìn)行

文件管理

一、打開已有的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)文件雙擊文件夾中已有的Protel99SE設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)文件；或在“Protel99SE初始界面”中執(zhí)行菜單命令File→Open，將彈出下圖所示的“打開設(shè)計(jì)文件”對(duì)話框，找到要打開的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)文件，點(diǎn)擊“打開”按鈕。

如果要打開的文件設(shè)置了密碼，系統(tǒng)會(huì)彈出下圖所示的輸入用戶名及密碼對(duì)話框。值得注意的是，這里的用戶名并不是設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)文件名，而是系統(tǒng)默認(rèn)的用戶名“Admin”（管理員）和“Guest”（客人），當(dāng)然，管理員和客人這兩種用戶模式所具有的權(quán)限是不一樣的。

二、刪除設(shè)計(jì)文件在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)管理器界面中，點(diǎn)擊要?jiǎng)h除的文件，再執(zhí)行菜單命令Edit→Delete或在選中的文件上點(diǎn)擊右鍵，再執(zhí)行Delete命令，即可將文件刪除到回收站中。注意，在刪除某一文件之前，必須先將該文件的編輯器窗口關(guān)閉，一邊打開文件，一邊刪除文件是不允許的。

三、設(shè)計(jì)文件的復(fù)制、粘貼在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)管理器界面中，點(diǎn)擊要復(fù)制的文件，執(zhí)行菜單命令Edit→Copy或在選中的文件上點(diǎn)擊右鍵，再執(zhí)行Copy命令；去到存放復(fù)制文件的文件夾，執(zhí)行菜單命令Edit→Paste或點(diǎn)擊右鍵，執(zhí)行Paste命令，即可將文件復(fù)制。任務(wù)三：設(shè)置原理圖編輯器的工作環(huán)境

電路原理圖的設(shè)計(jì)是整個(gè)電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，它決定了后續(xù)工作的進(jìn)展。

設(shè)置合適的圖紙是電路原理圖設(shè)計(jì)的第一步而圖紙參數(shù)的設(shè)置關(guān)系到成品圖紙的效果。圖紙格式是根據(jù)電路原理圖的規(guī)模和復(fù)雜程度而設(shè)定的。

一、啟動(dòng)原理圖編輯器在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)管理器界面中，執(zhí)行菜單命令File→New，在系統(tǒng)彈出的新建文件對(duì)話框中選擇新建原理圖文件，如下圖所示。

雙擊圖標(biāo)或選中圖標(biāo)后單擊OK按鈕，都可以建立原理圖文件，如下圖所示，在文件管理器中新增加了一個(gè)Sheet1.Sch的原理圖文件。可以對(duì)該文件進(jìn)行重命名的操作，但是擴(kuò)展名.Sch要保留，不要進(jìn)行修改。

雙擊原理圖文件即可啟動(dòng)原理圖編輯器，如下圖所示。Protel99SE原理圖編輯器的各種菜單命令如下：File：進(jìn)行文件管理方面的操作，如新建、保存、打開和關(guān)閉等。Edit：進(jìn)行編輯方面的操作，如復(fù)制、粘貼、選擇、刪除和跳轉(zhuǎn)等。View：進(jìn)行顯示管理方面的操作，如窗口的放大與縮小、工具欄的顯示與關(guān)閉、狀態(tài)欄的顯示與關(guān)閉等。Place：進(jìn)行放置各種電氣對(duì)象和非電氣對(duì)象的操作，如放置電源端口，電氣節(jié)點(diǎn)和電器元件等。Design：進(jìn)行電路圖的設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)表的生成、元件庫(kù)的管理等操作。Tools：進(jìn)行原理圖的編號(hào)、原理圖編輯器環(huán)境設(shè)置和ERC檢查等。Simulate：進(jìn)行電路模擬仿真等操作。PLD：如果電路中使用了PLD元件，即可進(jìn)行

PLD方面的操作。Report：生成原理圖的各種報(bào)表，如元件清單等。Window：進(jìn)行窗口方面的管理。Help：?jiǎn)?dòng)各種幫助信息。

二、設(shè)置圖紙?jiān)陔娐吩韴D編輯器中，執(zhí)行菜單命令Design→Options，出現(xiàn)下圖所示的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，選擇SheetOptions選項(xiàng)卡即可進(jìn)行圖紙參數(shù)設(shè)置。1、設(shè)置圖紙幅面單擊“StandardStyle”下拉選項(xiàng)按鈕，在彈出的下拉菜單中選擇你所需要的一種圖紙幅面標(biāo)準(zhǔn)，即可完成圖紙大小的設(shè)置。

2、設(shè)置圖紙方向單擊“Orinetation”下拉選項(xiàng)按鈕，可以設(shè)置圖紙的放置方向，Protel99SE提供了兩種圖紙方向供選擇。分別為“Landscape”（水平放置）和“Portrait”（垂直放置）。3、設(shè)置工作區(qū)顏色在默認(rèn)情況下，Protel99SE工作區(qū)的顏色為淡黃色，如果需要改變背景顏色，則單擊“SheetColor”圖紙顏色選項(xiàng)框，則會(huì)彈出一個(gè)“ChooseColor”顏色選擇對(duì)話框，設(shè)置好的背景顏色后確認(rèn)即可。

4、設(shè)置系統(tǒng)字體單擊“ChangeSystemFont”設(shè)置系統(tǒng)字體按扭，即可進(jìn)入字體對(duì)話框，選擇你所需要的字體確認(rèn)即可。5、圖紙信息設(shè)置在圖紙參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中選擇“Organization”選項(xiàng)卡，即可設(shè)置圖紙信息，如下圖所示。

三、設(shè)置網(wǎng)格及光標(biāo)在Protel99SE中進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)時(shí)，圖紙上的網(wǎng)格能為放置元件、對(duì)齊元件、連接線路等工作帶來許多方便，提高工作效率。在電路原理圖編輯器中，執(zhí)行菜單命令Tools→Preferences，并選擇“GraphicalEditing”選項(xiàng)卡，如下圖所示。1、網(wǎng)格