第十章 傳感器信號(hào)的加工調(diào)理-1

1、天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 主講主講 王紅一王紅一第第10章章 傳感器信號(hào)的加工調(diào)理傳感器信號(hào)的加工調(diào)理第第10章章 傳感器信號(hào)的加工調(diào)理傳感器信號(hào)的加工調(diào)理原因：電信號(hào)幅度小，且大都混有、甚至淹沒(méi)在噪原因：電信號(hào)幅度小，且大都混有、甚至淹沒(méi)在噪聲之中，傳感器的輸入和輸出之間呈非線性關(guān)系，聲之中，傳感器的輸入和輸出之間呈非線性關(guān)系，輸出信號(hào)形式與后續(xù)應(yīng)用要求不匹配等。輸出信號(hào)形式與后續(xù)應(yīng)用要求不匹配等。方法：方法：1 輸出信號(hào)的放大輸出信號(hào)的放大 2 濾波濾波 3 非線性處理非線性處理 4 信號(hào)變換信號(hào)變換第第10章章 傳感器信號(hào)的加工調(diào)理傳感器信號(hào)的加工

2、調(diào)理10.1.1 10.1.1 同相和反相放大器同相和反相放大器10.1.2 10.1.2 差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器10.1.3 10.1.3 電橋放大器電橋放大器 10.1 基本放大電路基本放大電路10.1 基本放大電路基本放大電路同相放大器同相放大器 同相放大器，考慮運(yùn)算放同相放大器，考慮運(yùn)算放大器的正負(fù)輸入端口阻抗很大，大器的正負(fù)輸入端口阻抗很大，可以認(rèn)為電流不流入，且電位可以認(rèn)為電流不流入，且電位相等，即相等，即“虛短虛短”。43RuuRuioi基爾霍夫電流定律和基爾霍夫電流定律和“虛短虛短”概念，得：概念，得：o4i31uRAuR 10.1 基本放大電路基本放大電路反相放大器反相放大器根

3、據(jù)基爾霍夫電流定律和根據(jù)基爾霍夫電流定律和“虛虛地地”（因運(yùn)算放大器的正輸入（因運(yùn)算放大器的正輸入端通過(guò)端通過(guò)R3接地，且無(wú)電流，所接地，且無(wú)電流，所以負(fù)輸入端對(duì)地電位為零）的以負(fù)輸入端對(duì)地電位為零）的概念，可得概念，可得21RuRuoio2i1uRAuR 負(fù)號(hào)表示輸入輸出負(fù)號(hào)表示輸入輸出信號(hào)反相。信號(hào)反相。10.1 基本放大電路基本放大電路差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器 分別對(duì)運(yùn)算放大器正負(fù)輸分別對(duì)運(yùn)算放大器正負(fù)輸入端列基爾霍夫電流方程：入端列基爾霍夫電流方程：i1NNo12uuuuRRi2PP12uuuRRNPuuo2i2i11uRAuuR11RR22RR設(shè)：設(shè)：10.1 基本放大電路基本放大電路惠

4、斯頓電橋惠斯頓電橋bobbfuuEuuRRRaaafxuuEuRRRx(1)(1/)RRRR Rabuufof1(1/)(1)REuRR Rfof2/REuRR R/RR1 輸出電壓輸出電壓uo與傳感器電阻相對(duì)變化與傳感器電阻相對(duì)變化 成正比，即與被測(cè)物成正比，即與被測(cè)物理量成正比。理量成正比。10.1 基本放大電路基本放大電路ABAB222 2xxxxE RRREEEuuuRRRRAB4EuffoAB114RR EuuRR110.1 基本放大電路基本放大電路運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器 A2 是跟隨器是跟隨器CDuu又由于流過(guò)兩個(gè)電阻又由于流過(guò)兩個(gè)電阻R2 的電流相等，所以的電流相等，所以DoD22

5、uuEuRRCDo1()2uuEu除了反饋部分，其它部分與前頁(yè)圖相似，用除了反饋部分，其它部分與前頁(yè)圖相似，用uc代替前式中的代替前式中的 ECAB2(2)uu10.1 基本放大電路基本放大電路fff1Cooo11()2(2)22(2)4(2)RRRRuEuuEuRR代入代入CAB2(2)uu將將ffoAB114RR EuuRR得：得：f1of1/8(4/)ERRuRR調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)Rp，使，使 ，則有，則有f1/4RRfo18RuER10.1 基本放大電路基本放大電路1如果沒(méi)有特殊要求，可選通用型。因?yàn)樗N類多、價(jià)格較低、挑選余地大。如果沒(méi)有特殊要求，可選通用型。因?yàn)樗N類多、價(jià)格較低、挑選余地大

6、。實(shí)際上，通用型中還有單放、雙放、四放等多種之分，可根據(jù)實(shí)際需要確定；實(shí)際上，通用型中還有單放、雙放、四放等多種之分，可根據(jù)實(shí)際需要確定；2如果傳感器輸出阻抗很大，例如電容式和壓電式傳感器可達(dá)如果傳感器輸出阻抗很大，例如電容式和壓電式傳感器可達(dá) 108歐，可歐，可選高輸入阻抗型運(yùn)算放大器，選高輸入阻抗型運(yùn)算放大器， MOSFET 類的集成運(yùn)算放大器有：類的集成運(yùn)算放大器有：CA3140 、CA3260等，等，F(xiàn)ET類的有：類的有：LF356/A、LF412、LF444 和和 LM310等，它們的等，它們的輸入阻抗可達(dá)輸入阻抗可達(dá) 。610 M3. 如果傳感器獲得的電信號(hào)在毫伏級(jí)或者更微弱，可選

7、高精度、低漂移和低如果傳感器獲得的電信號(hào)在毫伏級(jí)或者更微弱，可選高精度、低漂移和低噪聲類型的運(yùn)算放大器，如噪聲類型的運(yùn)算放大器，如LMP7732、AD8628/AD8629/AD8630 等；等； 4對(duì)高速采樣保持、高頻振蕩等選用高速寬帶型運(yùn)算放大器，對(duì)高壓輸入對(duì)高速采樣保持、高頻振蕩等選用高速寬帶型運(yùn)算放大器，對(duì)高壓輸入輸出場(chǎng)合選高壓型運(yùn)算放大器，對(duì)寬范圍電壓控制振蕩、伺服放大與驅(qū)動(dòng)，可輸出場(chǎng)合選高壓型運(yùn)算放大器，對(duì)寬范圍電壓控制振蕩、伺服放大與驅(qū)動(dòng)，可選跨導(dǎo)型、電流型運(yùn)算放大器。選跨導(dǎo)型、電流型運(yùn)算放大器。 10.2 測(cè)量信號(hào)放大電路測(cè)量信號(hào)放大電路10.2.1 10.2.1 儀器放大器儀

8、器放大器10.2.2 10.2.2 可編程增益放大器可編程增益放大器10.1.1 10.1.1 隔離放大器隔離放大器10.2 測(cè)量信號(hào)放大電路測(cè)量信號(hào)放大電路 測(cè)量信號(hào)放大器也叫儀器放大器（測(cè)量信號(hào)放大器也叫儀器放大器（instrumentation amplifier）、數(shù)據(jù)放大器（）、數(shù)據(jù)放大器（data amplifier），其作用是對(duì)來(lái)自），其作用是對(duì)來(lái)自傳感器的電信號(hào)進(jìn)行放大。由于傳感器輸出信號(hào)電平低、內(nèi)阻傳感器的電信號(hào)進(jìn)行放大。由于傳感器輸出信號(hào)電平低、內(nèi)阻高、且伴有較高的共模電壓，所以對(duì)檢測(cè)信號(hào)放大器的要求為：高、且伴有較高的共模電壓，所以對(duì)檢測(cè)信號(hào)放大器的要求為：輸入阻抗應(yīng)該遠(yuǎn)

9、大于信號(hào)源內(nèi)阻（即高輸入阻抗），低輸出阻輸入阻抗應(yīng)該遠(yuǎn)大于信號(hào)源內(nèi)阻（即高輸入阻抗），低輸出阻抗，抗共模電壓干擾能力強(qiáng)，在預(yù)定的頻帶范圍有穩(wěn)定而較高抗，抗共模電壓干擾能力強(qiáng)，在預(yù)定的頻帶范圍有穩(wěn)定而較高的增益、良好的線性度，輸出性能穩(wěn)定。有些情況下，還要求的增益、良好的線性度，輸出性能穩(wěn)定。有些情況下，還要求這類放大器具備一些特別的功能，如：放大器增益可改變、放這類放大器具備一些特別的功能，如：放大器增益可改變、放大器輸入和輸出之間具有隔離功能等。大器輸入和輸出之間具有隔離功能等。由對(duì)稱同相放大器和差動(dòng)放大器兩部分構(gòu)成由對(duì)稱同相放大器和差動(dòng)放大器兩部分構(gòu)成RRR2134aRRR56bRRR可以

10、獲得高輸可以獲得高輸入阻抗，飄移入阻抗，飄移也大為減小也大為減小可獲得高共模抑可獲得高共模抑制比制比 (即強(qiáng)抗共即強(qiáng)抗共模電壓干擾能力模電壓干擾能力)i1i2iggguuuiRRABAB12ggig2()(1)RuuuRRR iuR考慮運(yùn)算放大器考慮運(yùn)算放大器A3正負(fù)輸入端電位相等，但無(wú)電流進(jìn)出，對(duì)其節(jié)正負(fù)輸入端電位相等，但無(wú)電流進(jìn)出，對(duì)其節(jié)點(diǎn)列基爾霍夫電流方程點(diǎn)列基爾霍夫電流方程 BCCabuuuRRACCoabuuuuRRbbboBAABiaaag2()(1)RRRRuuuuuRRRR obiag2(1)uRRGuRR obiag2(1)uRRGuRR 從增益從增益 G 的表達(dá)式看，改變的

11、表達(dá)式看，改變Rg、Ra 和和Rb均可改變均可改變 G 的大小，的大小，但實(shí)踐中是通過(guò)改變但實(shí)踐中是通過(guò)改變Rg 來(lái)實(shí)現(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn) G 的變化，其原因是的變化，其原因是:Ra或或Rb 的改的改變必須同時(shí)進(jìn)行變必須同時(shí)進(jìn)行R3、R4 或或R5、R6 的等值改變，否則，難以保證的等值改變，否則，難以保證電路的對(duì)稱性，并由此產(chǎn)生增益誤差和共模抑制比下降。電路的對(duì)稱性，并由此產(chǎn)生增益誤差和共模抑制比下降。 在弱信號(hào)、強(qiáng)干擾的測(cè)量場(chǎng)合，通用運(yùn)算放大器代替不了儀器放大器，其在弱信號(hào)、強(qiáng)干擾的測(cè)量場(chǎng)合，通用運(yùn)算放大器代替不了儀器放大器，其主要原因是：主要原因是： 通用運(yùn)算放大器抗共模干擾能力遠(yuǎn)低于儀器放大器，尤

12、其對(duì)交流共模信號(hào)，通用運(yùn)算放大器抗共模干擾能力遠(yuǎn)低于儀器放大器，尤其對(duì)交流共模信號(hào)，原因是它無(wú)法接入輸入保護(hù)電路；原因是它無(wú)法接入輸入保護(hù)電路； 為了提高抗共模干擾能力和抑制漂移影響，要求運(yùn)算放大器兩輸入端等效直為了提高抗共模干擾能力和抑制漂移影響，要求運(yùn)算放大器兩輸入端等效直流電阻對(duì)稱；流電阻對(duì)稱； 儀器放大器具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低溫漂、對(duì)小差模信號(hào)敏感、儀器放大器具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低溫漂、對(duì)小差模信號(hào)敏感、適合遠(yuǎn)距離傳來(lái)的傳感器信號(hào)。適合遠(yuǎn)距離傳來(lái)的傳感器信號(hào)。 【練習(xí)一練習(xí)一】設(shè)有一測(cè)量信號(hào)放大器，已知電路參數(shù)如設(shè)有一測(cè)量信號(hào)放大器，已知電路參數(shù)如下：下：R1=R2

13、=5K，Rg=100，R4=R3=10K，R5=R6=20K，試求此放大器的增益。，試求此放大器的增益。 AD521放大倍數(shù)范圍放大倍數(shù)范圍: 1-1000輸入阻抗為：輸入阻抗為：3M工作電壓范圍工作電壓范圍: 5-18V共模抑制比可達(dá)共模抑制比可達(dá)120dB放大倍數(shù)由放大倍數(shù)由 Rs/Rg 決定決定 值得一提的是，使用值得一提的是，使用AD521時(shí)應(yīng)為偏置電流提供回路，防止時(shí)應(yīng)為偏置電流提供回路，防止輸出飽和而不可控。具體做法：輸入端對(duì)地有一條通路，即輸出飽和而不可控。具體做法：輸入端對(duì)地有一條通路，即AD521輸入端輸入端 (1、3腳腳) 直接或經(jīng)電阻與電源的地線構(gòu)成回路。直接或經(jīng)電阻與電

14、源的地線構(gòu)成回路。AD521芯片的使用：芯片的使用：AD521與變壓器、熱電偶和電與變壓器、熱電偶和電容的連接耦合見(jiàn)圖：容的連接耦合見(jiàn)圖：AD521與電容連接與電容連接AD521與變壓器連接與變壓器連接AD521與熱電偶直接連接與熱電偶直接連接10.2 測(cè)量信號(hào)放大電路測(cè)量信號(hào)放大電路 對(duì)于自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，總是希望能夠根據(jù)輸入量的幅度，對(duì)于自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，總是希望能夠根據(jù)輸入量的幅度，自動(dòng)調(diào)整放大器的增益，使輸出信號(hào)維持在一個(gè)合適的動(dòng)態(tài)范自動(dòng)調(diào)整放大器的增益，使輸出信號(hào)維持在一個(gè)合適的動(dòng)態(tài)范圍，也就是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)量程切換。另外，在多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，圍，也就是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)量程切換。另外，在多路數(shù)據(jù)

15、采集系統(tǒng)中，經(jīng)常遇到各路輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍不相同的情況，于是希望對(duì)輸經(jīng)常遇到各路輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍不相同的情況，于是希望對(duì)輸入信號(hào)幅度小的支路，放大時(shí)獲得較大增益，輸入信號(hào)幅度大入信號(hào)幅度小的支路，放大時(shí)獲得較大增益，輸入信號(hào)幅度大的支路，放大時(shí)獲得較小增益，以實(shí)現(xiàn)盡管輸入幅度范圍不同，的支路，放大時(shí)獲得較小增益，以實(shí)現(xiàn)盡管輸入幅度范圍不同，但輸出幅度范圍相同。對(duì)于這些情況，需用到可編程增益放大但輸出幅度范圍相同。對(duì)于這些情況，需用到可編程增益放大器了。器了。 LH0084 是在儀器放大器的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的是在儀器放大器的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的PGA。l通過(guò)軟件輸出相應(yīng)的編碼控制信號(hào)通過(guò)軟件輸出相應(yīng)的編碼控制信

16、號(hào)D0和和D1，以選擇通道。，以選擇通道。l每個(gè)控制信號(hào)同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)對(duì)稱開(kāi)關(guān)閉合。每個(gè)控制信號(hào)同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)對(duì)稱開(kāi)關(guān)閉合。 舉例來(lái)說(shuō)，若編碼控制信號(hào)使開(kāi)關(guān)舉例來(lái)說(shuō)，若編碼控制信號(hào)使開(kāi)關(guān)S2A和和S2B閉合，則有：閉合，則有：Rg=8 k，R=16k（Rg 和和 R 等含義與儀器放大器相同）。等含義與儀器放大器相同）。 輸出級(jí)增益輸出級(jí)增益不是通過(guò)編程選擇的，而是通過(guò)芯片引腳的不同接線來(lái)實(shí)現(xiàn)不是通過(guò)編程選擇的，而是通過(guò)芯片引腳的不同接線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為了保證較高共模抑制比，接地電阻與反饋電阻需對(duì)稱使用，即引腳的。為了保證較高共模抑制比，接地電阻與反饋電阻需對(duì)稱使用，即引腳8（接引腳（接引腳10）和引腳

17、）和引腳11（接地）、或引腳（接地）、或引腳7（接引腳（接引腳10）和引腳）和引腳12（接地）、（接地）、或引腳或引腳6（接引腳（接引腳10）和引腳）和引腳13（接地）。（接地）。 例例10.1 假如編碼控制信號(hào)假如編碼控制信號(hào)D0和和D1使使S2A與與S2B閉合，同時(shí)，引腳閉合，同時(shí)，引腳7與與10相連，相連，12與地相連，試計(jì)算可編程測(cè)量放大器總增益。與地相連，試計(jì)算可編程測(cè)量放大器總增益。 解：由于解：由于S2A 和和 S2B閉合，且引腳閉合，且引腳7與與10相連，引腳相連，引腳12與地相接，與地相接，根據(jù)上圖，可以確定：根據(jù)上圖，可以確定： 、 、 、 (參見(jiàn)參見(jiàn)儀器放大器儀器放大器)

18、 ，根據(jù)式，根據(jù)式g8Rk16Rka10Rkb40Rkbag2402 16(1)(1)20108RRGRR obiag2(1)uRRGuRR 則有：則有：所以總增益為所以總增益為20。 注：其中關(guān)鍵是正確無(wú)誤地確定注：其中關(guān)鍵是正確無(wú)誤地確定R、Rg和和Rb表表10-1 LH0084增益配置表增益配置表閉合開(kāi)關(guān)閉合開(kāi)關(guān)輸入級(jí)增益輸入級(jí)增益輸出端子連輸出端子連接接輸出級(jí)增益輸出級(jí)增益總增益總增益與與與與與與與與12510610, 13地地112510與與與與與與與與12510710, 12地地4482040與與 與與與與 與與12510810, 11地地101020501000AS0BS1AS1

19、BS2AS2BS3AS3BS0AS0BS1AS1BS2AS2BS3AS3BS0AS0BS1AS1BS2AS2BS3AS3BS【思考題思考題】LH0084電路，現(xiàn)在要實(shí)現(xiàn)總增益為電路，現(xiàn)在要實(shí)現(xiàn)總增益為40，問(wèn)：輸出端應(yīng)，問(wèn)：輸出端應(yīng)該如何接線（即該如何接線（即6、7、8哪個(gè)端頭與哪個(gè)端頭與10端頭相接，端頭相接，11、12、13哪個(gè)哪個(gè)端頭與地相連，現(xiàn)在圖中的接法僅作示意），對(duì)稱開(kāi)關(guān)哪兩個(gè)閉端頭與地相連，現(xiàn)在圖中的接法僅作示意），對(duì)稱開(kāi)關(guān)哪兩個(gè)閉合？并說(shuō)明理由。合？并說(shuō)明理由。10.2 測(cè)量信號(hào)放大電路測(cè)量信號(hào)放大電路l目的：消除共模信號(hào)電流、抗干擾。目的：消除共模信號(hào)電流、抗干擾。l隔離要求

20、從信號(hào)和電源兩方面同時(shí)下手，使得輸入和輸出之隔離要求從信號(hào)和電源兩方面同時(shí)下手，使得輸入和輸出之間、電源與輸入間、電源與輸入/輸出之間均輸出之間均無(wú)直接電氣聯(lián)系無(wú)直接電氣聯(lián)系。l輸入、輸出和電源彼此隔離的，稱其為三端口和電源彼此之輸入、輸出和電源彼此隔離的，稱其為三端口和電源彼此之間在電氣上是隔離的，從而能有效地克服干擾。而僅輸入和輸間在電氣上是隔離的，從而能有效地克服干擾。而僅輸入和輸出隔離的，稱其為兩端（口）隔離。出隔離的，稱其為兩端（口）隔離。AD289隔離放大器結(jié)構(gòu)框圖隔離放大器結(jié)構(gòu)框圖 美國(guó)美國(guó)AD公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的AD289三端口變壓器耦合隔離放大器，其輸入、三端口變壓器耦合隔離

21、放大器，其輸入、輸出和電源彼此之間在電氣上是隔離的，從而能有效地克服干擾。其隔離輸出和電源彼此之間在電氣上是隔離的，從而能有效地克服干擾。其隔離工作原理如下：工作原理如下： 輸入輸入/輸出信號(hào)隔離：傳感器輸出信號(hào)經(jīng)端口和進(jìn)入隔離放大器，輸出信號(hào)隔離：傳感器輸出信號(hào)經(jīng)端口和進(jìn)入隔離放大器，經(jīng)濾波和放大后，調(diào)制成交流信號(hào)，并傳輸?shù)浇?jīng)濾波和放大后，調(diào)制成交流信號(hào)，并傳輸?shù)絋1變壓器原端，通過(guò)電磁耦變壓器原端，通過(guò)電磁耦合，從合，從T1次級(jí)端輸出的交流信號(hào)經(jīng)解調(diào)和濾波，還原成直流信號(hào)，最后經(jīng)次級(jí)端輸出的交流信號(hào)經(jīng)解調(diào)和濾波，還原成直流信號(hào)，最后經(jīng)電壓跟隨器輸出電壓跟隨器輸出010V 直流電壓?？梢?jiàn)，從

22、信號(hào)進(jìn)入到輸出，中間經(jīng)過(guò)直流電壓?？梢?jiàn)，從信號(hào)進(jìn)入到輸出，中間經(jīng)過(guò)了了T1的電磁耦合。的電磁耦合。 電源隔離：外加直流電源電源隔離：外加直流電源Us經(jīng)穩(wěn)壓后為高頻振蕩器提供電源，使振蕩經(jīng)穩(wěn)壓后為高頻振蕩器提供電源，使振蕩器產(chǎn)生器產(chǎn)生100KHz的交流信號(hào)，經(jīng)的交流信號(hào)，經(jīng)T2變壓器原端耦合到次級(jí)端的四個(gè)繞組：變壓器原端耦合到次級(jí)端的四個(gè)繞組： b、c、d 和和 e 。其中。其中 b 繞組供繞組供1號(hào)隔離電源產(chǎn)生號(hào)隔離電源產(chǎn)生15V 直流電，作前置放大級(jí)直流電，作前置放大級(jí)A1和外部使用，和外部使用， c 繞組作為調(diào)制器的交流電源，繞組作為調(diào)制器的交流電源，d 繞組供繞組供2號(hào)隔離電源產(chǎn)號(hào)隔離電

23、源產(chǎn)生生15V直流電，供電壓跟隨器使用，直流電，供電壓跟隨器使用，e 繞組作相敏解調(diào)器的交流電源。于繞組作相敏解調(diào)器的交流電源。于是，高頻電源的使用端與產(chǎn)生端之間是通過(guò)變壓器隔離的。是，高頻電源的使用端與產(chǎn)生端之間是通過(guò)變壓器隔離的。 2光電耦合的隔離放大器光電耦合的隔離放大器ISO100隔離放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)隔離放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 2光電耦合的隔離放大器光電耦合的隔離放大器 VD1作用是從作用是從LED的信號(hào)中引入反饋，的信號(hào)中引入反饋，VD2的作用是將的作用是將LED的信號(hào)進(jìn)行的信號(hào)進(jìn)行隔離傳送。隔離傳送。 單極性工作時(shí)，參考電流單極性工作時(shí)，參考電流IREF1和和 IREF2 分別接地，使其不起作用。當(dāng)分別接地，使其不起作用。當(dāng)ui 為為負(fù)時(shí)，由于負(fù)時(shí)，由于VD1的負(fù)反饋