傳感器檢測及其接口電路

1、第3章傳感器檢測及其接口電路23.1傳感器概述 3.2位移及測力傳感器 3.3速度（轉(zhuǎn)速）傳感器 3.4溫度傳感器 3.5傳感器前期信號處理（含 放大、濾波、非線性補(bǔ)償） 3.6傳感器的接口技術(shù)右3.5傳感器前期信號處理一、小信號放大P52通常采用運算放大器實現(xiàn)。常用運放：LM324, LM358, OP07, 76501反相比例放大器特點：輸入阻抗較小，近似心為弘，輸出阻抗也較小。=電壓增禱為，旦 百心為平衡電阻，RRJ/Rf2、同相比例放大器特點：輸入阻抗較大， 輸出阻抗較小。電壓增益為：終&心為平衡電阻，R2=Rl/Rf而R同相比例放大器電壓跟隨器：w0=Wj即A=1 特點：具有

2、極高的輸入阻抗和低 的輸出阻抗，常用作阻抗變換器。Z/j O電壓跟隨器J3差動（分）放大器 當(dāng) Rig，Rj=Rs 時差動放大器的技術(shù)指標(biāo)之一:共模抑制比一表示差分放大器對同時加到兩個輸入端上的共模信號的抑制能力。英文全稱是CommonMode Rejection Ratio,因此一般用簡寫CMRR來表示。 特點：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、測量（儀表）放大器右圖為三個運放組成的測量 放大器，差動輸入端S和U 2分別 是兩個運算放大器（4|、人2）的同 相輸入端，因此輸入阻抗很高。 采用對稱電路結(jié)構(gòu)，而且被測信 號直接加入到輸入端

3、上,從而保 證了較強(qiáng)的抑制共模信號的能 力。生實際上是一差動跟隨器, 其增葢近似為1。測量放大器的 放大倍數(shù)由下式確定：測量放大器原理圖Uq =乞（+ Re +）U2-Ux R-AD522的外圍電路高共模抑制比（U0dB,增益為1000時）、低噪聲、低失調(diào)圖325 AD522的典型應(yīng)用AD522運算放大器：AD522主要可用于惡劣環(huán)境下要求進(jìn)行高精度數(shù)據(jù)采 集的場合。由于AD522具有低電壓漂移（2pV/C）、低非線 性（0.005% ,增益為100時）、電壓等特點，因而可用于許多12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。右圖為AD522的典型接法。AD522運算放大器:4、測量（儀表）放大器5、程控增益放大器圖

4、示為一利用改變反饋電阻的-<>利用數(shù)據(jù)防護(hù)端可以克服上述影響（如圖 325所示）。對于無此端子的儀器用放大器, 如AD524、AD624等，可在屜（如圖325 所示）端取得共模電壓，再用一運放作為它的 輸出緩沖屏蔽驅(qū)動器。運放應(yīng)選用具有較低偏 流的場效應(yīng)管運放，以減少偏流流經(jīng)增益電阻 時對增益產(chǎn)生的誤差。辦法來實現(xiàn)量程變換的可變換增益 放大器電路。當(dāng)開關(guān)Si閉合，S2和 R S?斷開時，放大倍數(shù)為A.,=而當(dāng)S?閉合,而其余兩個開關(guān)斷開程控增益放大器原理圖時,其放大倍數(shù)為選擇不同的開關(guān)閉合，即可實現(xiàn)增益的變換。如果利用 軟件對開關(guān)閉合情況進(jìn)行選擇，即可實現(xiàn)程控增益變換。5、程控增益

5、放大器圖示為AD521測量放大器與模擬開關(guān)4052 (4選丄兩通道模擬開關(guān))結(jié)合組成的程控增益放大器，通過 改變其外接電阻R的辦法可實現(xiàn)增益控制。7©由AD521和模擬開關(guān)4052構(gòu)成的程控增益放大器4052Rml1HHT5、程控增益放大器G=1000URqG = 10G=100圖3-28 AD524原理圖U.135、程控增益放大器圖328為AD524的結(jié)構(gòu)原理圖，其特點是具有低 失調(diào)電壓(50 mV),低失調(diào)電壓漂移(05pV/°C ),低噪聲(0.3|jV (P-P)、0.1.10Hz), 低非線性(0.003%.增益為丄時)，高共模抑制 比(丄20dB、增益為1000

6、時、增益帶寬為25MHz), 具有輸入保護(hù)等。從其結(jié)構(gòu)圖可知，對于:U 10.使用時只需一個模擬開關(guān)的控制即可達(dá)到目的；對于100和丄000倍的整數(shù)倍增益，無需外接電阻，在具體 其他倍數(shù)的增益控制，也可用外接增益調(diào)節(jié)電阻的方法 來實現(xiàn)，同樣也可用改變反饋電阻與D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)合、甚至改變其參考端電壓的方法來實現(xiàn)程控增益。136、隔離放大器由于隔離放大器釆用了浮離式設(shè)計，消除 了輸入、輸出端之間的耦合，因此還具有以下 特點:(1) 能保護(hù)系統(tǒng)元件不受高共模電壓的 損害，防止高壓對低壓信號系統(tǒng)的損壞。(2)泄漏電流低，對于測量放大器的輸入端無須提供偏流返回通路。(3)共模抑制比高，能對直流和低頻信

7、 號(電壓或電流)進(jìn)行準(zhǔn)確、安全的測量。14圖3-29 284型隔離放大器的電路結(jié)構(gòu)圖156、隔離放大器圖341為284型隔離放大器的電路結(jié)構(gòu)圖。為提高微電流和低頻信號的測量精度，減小漂移, 其電路釆用調(diào)制式放大，其內(nèi)部分為輸入、輸出 和電源三個彼此相互隔離的部分，并由低泄漏高 頻載波變壓器耦合在一起。通過變壓器的耦合，將電源電壓送入輸入電路 并將信號從輸出電路送出。輸入部分包括雙極型 前置放大器、調(diào)制器；輸出部分包括解調(diào)器和濾 波器，一般在濾波器后還有緩沖放大器。17二、濾波P63在微機(jī)控制系統(tǒng)的模擬輸入信號中，一般均含有各種噪聲和干擾，他們來自被測信號源本身、傳 感器、外界干擾等。為了進(jìn)行

8、準(zhǔn)確測量和控制，必 須消除被測信號中的噪聲和干擾。噪聲主要有兩大類：一類為周期性的，其典型 代表為50Hz的工頻干擾，對于這類信號，通過硬 件濾波器可有效地消除其影響；另一類為非周期的 不規(guī)則隨機(jī)信號，對于隨機(jī)干擾，可以用數(shù)字濾波 方法予以削弱或濾除。二、濾波P63K濾波器的分類:硬件(模擬)濾波 軟件(數(shù)字)濾波 2、硬件濾波根據(jù)選頻作用不同，可以分成四大類:(1) 低通濾波器(2) 高通濾波器(3) 帶通濾波器(4) 帶阻濾波器3、數(shù)字濾波所謂數(shù)字濾波，就是通過一定的計算或判斷程序減少干 擾信號在有用信號中的比重，因此它實際上是一個程序濾波。 數(shù)字濾波器克服了模擬濾波器的許多不足，它與模擬

9、濾波器 相比有以下優(yōu)點：(1) 數(shù)字濾波器是用軟件實現(xiàn)的，不需要增加硬設(shè)備， 也不存在阻抗匹配問題，可靠性高，穩(wěn)定性好，成本低。(2) 數(shù)字濾波器可以對頻率很低(如001 Hz)的信號進(jìn)行 濾波，而模擬濾波器由于受電容容量的限制，頻率不可能太 低。(3) 數(shù)字濾波器可以根據(jù)信號的不同，采用不同的濾波方 法或濾波參數(shù)，具有靈活、方便、功能強(qiáng)的特點。常用的數(shù)字濾波方法如下:(1)算術(shù)平均濾波法算術(shù)平均濾波法是對信號連續(xù)進(jìn)行次采樣，并以其算術(shù)平均值作為有效采樣值，即1畀X° = -應(yīng)用：該方法對壓力、流量等具有周期性脈動特點 的信號具有良好的濾波效果。釆樣次數(shù)越大，平滑度 越高，濾波效果越

10、好，但靈敏度也越低，為便于運算 處理，常取=4、8、16o該方法不適用于脈沖性干擾比較嚴(yán)重的場合。(2)中值濾波法般取大其原理是，對信號連續(xù)進(jìn)行兀次(n于3的奇數(shù))釆樣，并對釆樣值按由小到大或由大應(yīng)用:中值濾波方法對緩變化的信號(如到小的順序排序，然后取其中間的那個采樣值作 為本次采樣值。對溫度、液位信號等)中由于偶然因素引起的波動干擾具有良好的濾除效果。缺點：對流量.速度等快速變化的參數(shù)不宜。(3)防脈沖干擾平均值濾波法 即“去兩頭取平均”方法，該濾波法先對N個數(shù)據(jù)進(jìn) 行比較，去掉其中的最大值和最小值，然后計算余下的 N-2個數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。即：Y= (X2+X3+X4+Xn.1)/(N-

11、2)N值的選取：314,在一般工程應(yīng)用中，取N=5就可 滿足絕大多數(shù)系統(tǒng)的要求。這種方法可消除由于偶然出現(xiàn)的脈沖干擾所引起的采 樣值偏差。(4)程序判斷濾波法工程實踐表明，許多物理量的變化都需要一定的時間,相鄰兩次采樣值之間的變化有一定的限度。程序判斷濾波 就是根據(jù)實踐經(jīng)驗確定出相鄰兩次采樣信號之間可能出現(xiàn) 的最大偏差A(yù)X,若超出此偏差值，則表明該輸入信號是干 擾信號，應(yīng)該去掉；若小于此偏差值，可將信號作為本次 采樣值。應(yīng)用：當(dāng)采樣信號由于隨機(jī)干擾，如大功率用電設(shè)備的 啟動或停止，造成電流的尖峰干擾或誤檢測，以及變送器 不穩(wěn)定而引起的嚴(yán)重失真等，可采用程序判斷法進(jìn)行濾波。分類：程序判斷濾波根據(jù)

12、濾波方法的不同，可分為限幅 濾波和限速濾波兩種。1)限幅濾波 限帽濾波把兩次相鄰的釆樣值相減,求出其增量(以 絕対匪肅，然后與兩次釆樣允許的最大差值A(chǔ)X比較, 若小于或等于AX,則取本次采樣值；若大于AX,則取 上次釆樣值作為本次釆樣值。即：若I X,X" I <= AX,采樣值二X&； 若I Xi I > AX ,采樣值=X“。應(yīng)用：限幅濾波主要用于變化比較緩慢的參數(shù)，如溫度、物理位置等測量系統(tǒng)。門限值A(chǔ)X的選?。壕唧w應(yīng)用時，關(guān)鍵的問題是最大 允差A(yù)X的選取，AX太大，各種干擾信號將“乘虛而 入”，使系統(tǒng)誤差增大；AX太小，又會使某些有用信號 被“拒之門外”，使

13、計算機(jī)采樣效率變低。因此，門限 值A(chǔ)X的選取是非常重要的。通?？筛鶕?jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)獲得， 必要時也可由實驗得出。2）限速濾波限速濾波最多可用3次釆樣值來決定采樣結(jié)果,設(shè)順序釆樣 時刻tl, t2, t3的采樣值分別為XI, X2, X3,則若 I X2-X11 < AX,采樣值=X2；若1X2 -Xll> AX,X2不采用，再采樣一次，得X3；若 I X3-X21 < AX,采樣值=X2 ；若 I X3 -X21 > AX ,采樣值=(X3 +X2)/2。限速濾波較為折中，既照顧了采樣的實時性，又顧及了采 樣值變化的連續(xù)性。具體應(yīng)用時，可用（IX1-X2I+IX2-X3D/2

14、作為AX。三、非線性補(bǔ)償P59軟件校正非線性（軟件“線性化”處理）的方法很多,槪括起來有計算法、査表法、插值法和擬合法等。1、計算法計算法非線性校正的前提是：被測參數(shù)與傳感器的輸出 之間有確定關(guān)系，可用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示。方法：編制一段完成數(shù)學(xué)表達(dá)式計算的程序，將經(jīng)前期 處理的被測參數(shù)值輸入該程序，計算后的數(shù)值即為非線性 校正值。g 2、査表法表法是將事先計算或通過測量獲得的數(shù)據(jù)按 順序排列成表格形式存放在ROM中，由査表程序根據(jù) 被測參數(shù)的值通過查表找出相應(yīng)的結(jié)果。査表程序設(shè)計的優(yōu)劣及所用的檢索時間的長短，除 取決于表格本身的長短之外，還與表格的排列方法有關(guān)。不足：占用內(nèi)存較大，表格的編制較麻煩

15、。3、插值法插值法是將非線性曲線按一定要求分成若 干段，然后用直線代替 相應(yīng)的各段曲線。插值原理:如圖所分段插值原理右4、曲線擬合法曲線擬合，就是通過實驗獲得有限對測量數(shù)據(jù)（兀"必），利用這些數(shù)據(jù)來求取近似函數(shù)尸/（工）。式中兀為輸出量，丿為被測物理:該法釆用畀次多項式來逼近非線性曲線，該多項式方程的各個系數(shù)由最小二乘法確定。最小二乘法多項式曲線擬合的原理如下:右4、曲線擬合法對升和y的一組測量數(shù)據(jù)（心，幾），（心，兒）（Xm , ym）,欲求一個畀（n <tn）次多項式：f (x) = a0 + ax + a2x +anx'=工 a,x*/=0式中：畑 。力,心為待定

16、常數(shù)，來反映兀與y之間的函數(shù)關(guān)系，并使得在給定的節(jié)點心，心乂“上 由上式確定的似合值/3）與y：之間的均方差最小，BP：工乞（兀）一乳=工（勺+4召+勺兀三+ anxin）-yi2 i=i/=!=最小值量綱（標(biāo)度）轉(zhuǎn)換（補(bǔ)充）定義：控制系統(tǒng)中的各種被測參量（如溫度、壓力、流量等）的量綱和數(shù)值盡管各不相同，但它們經(jīng) 模擬輸入通道采集后得到的都是數(shù)字信號（8位: 00FFH, 12位：000FFFH）。而實際應(yīng)用中需要按被測參量的工程單位進(jìn)行顯示、打印、記錄 或報警，因此還必須把經(jīng)過處理后的數(shù)字信號轉(zhuǎn) 換成帶有不同工程單位的測量值。這項工作稱為 標(biāo)度變換。2、標(biāo)度變換的軟件實現(xiàn)這種標(biāo)度變換的前提是

17、參數(shù)值與A / D轉(zhuǎn)換結(jié)果成線性 系，它的變換公式如下：F）弟式中：Ax參數(shù)測量值；-參數(shù)量程上限；如一參數(shù)量程下限；-Am對應(yīng)的A / D轉(zhuǎn)換后的輸入值;佻對應(yīng)的A / D轉(zhuǎn)換后的輸入值;Nx -測量值£對應(yīng)的A / D轉(zhuǎn)換值。例：某煙廠用計算機(jī)采集煙葉發(fā)酵室的溫度變化數(shù)據(jù), 溫度測量范圍是20809,所得模擬信號為15 V, 采用鉗熱電阻(線性傳感元件)測溫。用8位A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn) 行轉(zhuǎn)換數(shù)字量。轉(zhuǎn)換器輸入05V時輸出是OOHOFFHo 某一時刻計算機(jī)采集到的數(shù)字量為0B7H,用計算機(jī)作工 程量線性轉(zhuǎn)換。解：在溫度為20°C時，檢測所得模擬電壓是IV,所以 相應(yīng)的數(shù)字量為

18、N°=255x£ = 51由給定條件得Ao=2O C 9 Ani=80 C 9而且當(dāng)A°=20°C 時，N“=51,當(dāng)Am = 80°C 時，m=0FFH=255,X=0B7H=183,則對測量數(shù)字量0B7H的工程量線性轉(zhuǎn)換結(jié)果為:=人)+(4”（M-叫）V” N°= 20/80-20)(183-51)=58 83OC255-51一般情況下，在編寫程序時，Am, A(), Ng,他都是己 知的，因而可把標(biāo)度變換式寫成如下形式：Y=aX+h作業(yè) 1、數(shù)字濾波器與模擬濾波器相比有何優(yōu)點？ 2、常用數(shù)字濾波方法有哪些？簡述其濾波原 理。 3

19、、常用的非線性補(bǔ)償方法有哪些？敘述其方 法。4、什么是標(biāo)度變換？寫出標(biāo)度變換公式。3.6傳感器接口技術(shù)1-傳感器信號的釆樣/保持從上面的分析也可知，釆樣/保持器在保持階 段相當(dāng)于一個“模擬信號存儲器”。在模擬量輸出通道，為使輸出得到一個平滑的 模擬信號,或?qū)Χ嗤ǖ肋M(jìn)行分時控制時，也常使用 采樣/保持器。361)采樣/保持器的原理采樣/保持器由存儲電容C,模擬開關(guān)S等組 成，如圖330所示。圖330采樣/保持原理372)集成釆樣/保持器集成釆樣/保持器的特點是:當(dāng)S接通時，輸出信號跟蹤輸入信號，稱采樣 階段。當(dāng)S斷開時，電容C端一直保持S斷開時 的電壓，稱為保持階段。(1)釆樣速度快、精度高，一

20、般在2-2.5S內(nèi) 即可達(dá)到土 0(H%±0.003%的精度。(2)下降速率慢，如 AD585,AD348為05 mV / ms,AD389為0.1 V / ms。正因為集成釆樣/保持器有許多優(yōu)點,因此得 到了極為廣泛的應(yīng)用。下面以LF398為例，介紹 集成采樣/保持器的原理。圖343為LF398的 原理圖。由圖可知，其內(nèi)部由輸入緩沖級、輸出驅(qū) 動級和控制電路三部分組成O392)集成采樣/保持器+ 177(+15 V) (-15 V) 丄E_.I6持電容圖3-31 LF398的原理圖392)集成采樣/保持器主要技術(shù)指標(biāo)有：41(1) 工作電壓：±5土18 V(2) 釆樣時間

21、：10 ys(3) 可與TTL、PMOS、CMOS 兼容(4)當(dāng)保持電容為O.CHpF時,典型保持步 長為05 mV(5)低輸入漂移，保持狀態(tài)下輸入特性不變。(6)在釆樣或保持狀態(tài)時高電源抑制。2）集成采樣/保持器圖332為LF398的外引腳圖，圖333為其典型應(yīng)用圖。在有些情況下，還可采取兩級采樣保持串聯(lián)的方法，選用不同的保持電容，使前一級具有 較高的釆樣速度而使后一級保 持電壓下降速率慢，兩級結(jié)合圖3-32 LF398的外引腳圖構(gòu)成一個釆樣速度快而下降速度慢的高精度采樣/保持電路, 此時的釆樣總時間為兩個釆樣 /保持電路時間之和。圖333 LF398的典型應(yīng)用圖43圖3-48 AD7506

22、的外引腳圖和原理圖46431）單端8通道多路模擬開關(guān)2多通道模擬信號輸入常用多路模擬開關(guān)集成電路1）單端8通道1234 5 678 匚lhulj匚匚匸 1 D N 2 8 7 6 5 ANIE1ASSSS券5u:%nnn（）1 IA2AD7501是單片集成的CMOS 8選1 多路模擬開關(guān)，每次只選中8個輸入端的 一路與公共端接通，選通通道是根據(jù)輸 入地址編碼而得到的。所有數(shù)字量輸入 均可用TTL或CMOS電路。il)單端8通道多路模擬開關(guān)AD7501的主要參數(shù)有:(1)導(dǎo)通電阻&的典型值為丄70 (丄0V<VS<10 V)，導(dǎo)通電阻溫漂為0.5% / °C,路間偏差 為4%(2) 輸入電容：3 pF(3) 開關(guān)時間：ton =0.8 ps z 切=