傳感器與檢測(cè)技術(shù)第12章傳感器信號(hào)處理電路及抗干擾措施

1、1傳感器與檢測(cè)技術(shù) 同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系主講教師：徐和根 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系第十二章 傳感器信號(hào)處理電路 及抗干擾措施n12.1傳感器信號(hào)處理電路的基本要求n12.2 阻抗匹配n12.3信號(hào)放大n12.4 信號(hào)變換n12.5 信號(hào)濾波n12.6 線性化處理n12.7 噪聲干擾與抑制 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系l信號(hào)的選取與抗干擾能力 要求電路本身是低噪聲的；采用恰當(dāng)?shù)钠帘?、隔離，合理的布線與接地； 被測(cè)信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)。l穩(wěn)定性 溫漂：處理

2、的結(jié)果在一次運(yùn)行中發(fā)生漸變長(zhǎng)期穩(wěn)定性：由于元器件老化、插接件彈性疲勞、氧化等原因 短期穩(wěn)定性：示值重復(fù)性。12.1 傳感器信號(hào)處理電路基本要求 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系l線性度檢測(cè)的非線性由傳感器、傳感器電路、顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)這三部分的非線性度產(chǎn)生。l頻率特性與響應(yīng)速度隨著科技的發(fā)展，對(duì)于快速變化的過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量的要求越來越多。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系l分辨率l適當(dāng)提高傳感器電路的分辨率有利于減小誤差、方便讀數(shù)；l模擬電路中，為了提高分辨率應(yīng)適當(dāng)提高放大器放大倍數(shù)；l數(shù)字電路中，為了減小量化誤差必須增加數(shù)字

3、量的位數(shù)，以減小最低位所對(duì)應(yīng)的被測(cè)量。l輸入輸出阻抗l輸入級(jí)的輸入阻抗與傳感器的輸出阻抗相匹配，使放大器的輸出信噪比達(dá)到最大值；l傳感器電路的輸出阻抗應(yīng)與它所驅(qū)動(dòng)的顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)或微機(jī)接口的阻抗相匹配。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系12.2 傳感器的阻抗匹配n由于不匹配節(jié)點(diǎn)的存在，傳輸信號(hào)的能量在此將會(huì)出現(xiàn)反射損耗現(xiàn)象，那么它的后級(jí)得到的信號(hào)能量將小與前級(jí)的輸出能量，這就將影響信號(hào)的有效傳輸，嚴(yán)重時(shí)后即將無(wú)法工作，前級(jí)將可能毀壞，這特別顯著的體現(xiàn)在RF系統(tǒng)中。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系 阻抗匹配的定義阻抗匹配的定

4、義n阻抗匹配(Matching) 輸出、輸入阻抗的共軛匹配 輸出阻抗：Ro=X+jY 輸入阻抗：RI=X-jY 即要求輸出、輸入阻抗互為共軛復(fù)數(shù)nRonRI 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系n電阻匹配： 輸出、輸入電阻的匹配 在直流電路中我們通常需要電阻的匹配（如右圖），這樣我們會(huì)得到最大的功率（請(qǐng)同學(xué)們自己推導(dǎo)）傳輸特性。nRSnRLnVSn要求： RL= RS 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系nPo RL曲線 nPonRLnRSnRL RS 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系對(duì)于傳感器

5、：n1. 輸出功率通常微弱，不匹配導(dǎo)致功率損失。n2. 高頻系統(tǒng)中不匹配產(chǎn)生反射波，產(chǎn)生噪聲。因此，電路需要阻抗匹配。不同的傳感器的輸出阻抗不一樣；n輸出阻抗大用高輸入阻抗運(yùn)算放大器匹配電容式傳感器、壓電陶瓷、光敏二極管（100M）n輸出阻抗小用變壓器匹配動(dòng)圈式傳聲器（30-70）電感式傳感器 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系l例：自舉型高輸入阻抗放大器n求：輸入阻抗Ri=? 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系n解：根據(jù)虛地原理111foiRURUiIiRRUUf110iRRRRRRRUUoUIffio)(122121121

6、22fooRURUiIiRRRRoRRoUUUfff2121221iRRRRRRRRoiiUIIIff)(2121211121RRRRRRRRIUiffiiR21212111111RRRRiRn所以：n輸入阻抗：n令Rf1=R2 Rf2=2R1 則：當(dāng)R=R1時(shí)，輸入阻抗無(wú)窮大 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系12.3 12.3 微弱信號(hào)放大微弱信號(hào)放大n一、運(yùn)算放大器n輸出電壓：n sU210RRU n下一節(jié)n特點(diǎn)：n1. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單n2. 高輸入阻抗，較低輸出阻抗 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系120UUUAU)1 (

7、21WfffURRRRRAn二、測(cè)量二、測(cè)量放大器放大器A1U1RWU2A2Rf1Rf2Uo1RRUo2RLA3RiUo測(cè)量放大器所采用的上述電路形式，是它具有輸入阻抗高、增益調(diào)節(jié)方便、漂移相互補(bǔ)償以及輸出不包含共模信號(hào)等一系列優(yōu)點(diǎn)。這種放大器在許多高精度、低電平的放大方面是極其有用的，而且由于它的共模抑制能力強(qiáng)，所以能從高的共模信號(hào)背景中檢測(cè)出微弱的有用信號(hào)。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系利用利用改變反饋電阻的辦法來實(shí)現(xiàn)量程變換改變反饋電阻的辦法來實(shí)現(xiàn)量程變換的可變換增益放大器電路。當(dāng)開關(guān)的可變換增益放大器電路。當(dāng)開關(guān)S1閉閉合合,S2和和S3斷開時(shí)斷

8、開時(shí),放大倍數(shù)為放大倍數(shù)為而當(dāng)而當(dāng)S2閉合閉合,而其余兩個(gè)開關(guān)斷開時(shí)而其余兩個(gè)開關(guān)斷開時(shí),其放大倍數(shù)為其放大倍數(shù)為選擇不同的開關(guān)閉合選擇不同的開關(guān)閉合,即可實(shí)現(xiàn)增益即可實(shí)現(xiàn)增益的變換。如果利用軟件對(duì)開關(guān)閉合情況進(jìn)的變換。如果利用軟件對(duì)開關(guān)閉合情況進(jìn)行選擇行選擇,即可實(shí)現(xiàn)程控增益變換。即可實(shí)現(xiàn)程控增益變換。 RRAvf1RRAvf2三、程控三、程控增益放大器增益放大器R3R2R1S3S2S1UoRUiR 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系四、四、隔離放大器隔離放大器主要功能：主要功能：n在輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間在輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間提供優(yōu)良的歐姆隔離，其中提供

9、優(yōu)良的歐姆隔離，其中兩個(gè)輸入端是完全浮離的。兩個(gè)輸入端是完全浮離的。特點(diǎn)：特點(diǎn)：n具有保護(hù)系統(tǒng)硬件不受高共具有保護(hù)系統(tǒng)硬件不受高共模電壓損壞的能力；模電壓損壞的能力；n沒有外偏流流入引線，泄漏沒有外偏流流入引線，泄漏電流很低，解決了噪聲拾取電流很低，解決了噪聲拾取問題；問題；n具有非常高的共模抑制力。具有非常高的共模抑制力。n隔離集成運(yùn)放各引線示意圖隔離集成運(yùn)放各引線示意圖 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系n耦合方式：1.變壓器耦合 利用變壓器耦合實(shí)現(xiàn)載波調(diào)制，通常具有較高的線性度和隔離性能，但是帶寬被限制在1KHz以下。2.光電耦合 利用LED光電耦合的方

10、法實(shí)現(xiàn)載波調(diào)制，其隔離性能不如變壓器耦合，但可獲得10KHz的帶寬。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系主要應(yīng)用場(chǎng)合：主要應(yīng)用場(chǎng)合： 高共模電壓場(chǎng)合，例如：電力環(huán)境的測(cè)量。高共模電壓場(chǎng)合，例如：電力環(huán)境的測(cè)量。 高電壓隔離、漏電流極低，例如：醫(yī)療用監(jiān)護(hù)儀。高電壓隔離、漏電流極低，例如：醫(yī)療用監(jiān)護(hù)儀。 對(duì)電子儀器提供保護(hù)，防止高壓對(duì)儀器產(chǎn)生故障對(duì)電子儀器提供保護(hù)，防止高壓對(duì)儀器產(chǎn)生故障和損壞。和損壞。 必須浮地連接的信號(hào)源，例如在低電平信號(hào)測(cè)量必須浮地連接的信號(hào)源，例如在低電平信號(hào)測(cè)量中避免地線環(huán)路和噪聲的影響。中避免地線環(huán)路和噪聲的影響。 電子與信息工程學(xué)院控

11、制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系12.4 信號(hào)變換電路1.電流電壓變換電路(電流放大器)+EfRf8e0iiZieifoRie 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系2. 電荷-電壓變換電路Q+AU08CfU0 = - Q / Cf 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系n3. 阻抗變換電路輸出電壓輸出電壓: :32 41 32012341234()()BCDCzz zz zzVVVEEEzzzzzzzz采用平衡電橋平衡條件：z2z4=z1z3 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系l將傳

12、感器輸出的電壓或電流信號(hào)高低變成單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)的多少稱作對(duì)信號(hào)進(jìn)行前處理。這樣就大大提高了信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力，解決了長(zhǎng)距離傳輸?shù)膯栴}。l這種方法只適用于實(shí)時(shí)性要求不是太高的場(chǎng)合。n4.電壓脈沖數(shù)變換電路 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系（a） V/F 轉(zhuǎn)換方框圖+單穩(wěn)頻率輸出-Vs+VINS1-0.6V比較器積分器CINTCos+IinR1N1mA1088+5V 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系5.脈沖數(shù)電壓變換電路n脈沖數(shù)-電壓變換電路即頻率-電壓轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱 F/V 轉(zhuǎn)換器；n由于轉(zhuǎn)換的閾值和增益可調(diào)，且具有很低的

13、非線性誤差，它在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、電源頻率監(jiān)視器和VCO 穩(wěn)定電路方面都具有廣泛的應(yīng)用；nVCO（壓控振蕩器）：主要利用它的結(jié)電容隨反偏壓變化而變化的特性,通過改變變?nèi)荻O管兩端的電壓便可改變電容的大小,從而改變振蕩頻率。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系+1+濾波器84相加點(diǎn)3頻率輸入+15VEos校準(zhǔn)12-15V頻率輸入精密電荷分配器CeRosRF9滿刻度校準(zhǔn)輸出Cc濾波電容RH10K100K1K+VsA188A2 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系(2)應(yīng)用舉例+8增益調(diào)節(jié)傳感器258892131634模擬地Fi雙扭線（0

14、10）kHz（010）kHz差動(dòng)線驅(qū)動(dòng)器差動(dòng)線接收器F/VV/F模擬儀表儀用放大器FVC在兩線制數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系12.5 濾波電路n作用： 濾除各種外接干擾所引起的噪聲以及多余的不需要的信號(hào)，提高信噪比(S/N)。n分類：l無(wú)源濾波器、有源濾波器l模擬濾波器、數(shù)字濾波器l低通、高通、帶通、帶阻、全通 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系理想濾波器ioUU低通低通高通高通帶通帶通帶阻帶阻ioUUioUUioUU 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系一、低通濾波

15、器n無(wú)源低通濾波器11)(SRCsGn缺點(diǎn)缺點(diǎn) ：帶負(fù)載能力差；帶負(fù)載能力差；無(wú)放大作用；無(wú)放大作用；特性不理想，邊沿不陡。特性不理想，邊沿不陡。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系有源低通一階濾波器oFURRRU11iUCRCUj1j1iURCj11UURCRRUUFioj11)1 (1n傳遞函數(shù)中出現(xiàn)傳遞函數(shù)中出現(xiàn) 的一次項(xiàng)，故稱為的一次項(xiàng)，故稱為一階濾波器一階濾波器。RR1RFC+-+iUoU 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系21)(11)1 (oFioRRUU)1(RCooargtgn幅頻特性：幅頻特性：n相頻特性：

16、相頻特性： 90RCo1max21T T maxT 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系)1 (1RRUUFion有放大作用有放大作用21)1 (1RRUUFio3. 運(yùn)放輸出，帶負(fù)載能力強(qiáng)。運(yùn)放輸出，帶負(fù)載能力強(qiáng)。n幅頻特性與一階幅頻特性與一階無(wú)源低通濾波器類無(wú)源低通濾波器類似似n電路的特點(diǎn)：電路的特點(diǎn)：2. = o 時(shí)時(shí)1. =0 時(shí)時(shí) 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系n有源低通二階濾波器 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系n傳遞函數(shù)sCUsCUURUUoRUURUURRURUifo212

17、1211112)(11RRAfK20220201)3()()(wsswKRCsKRCsKsGQwAAARCw10AKQ31n注意 ：由于C引入了正反饋，所以KA不能太大 (KA3)。 否則失去穩(wěn)定性。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系【例】設(shè)計(jì)一個(gè)截止頻率f0=2kHz，品質(zhì)因素Q=2的低通濾波器。n【解】按上述所求，有：n若選C=0.1uF,則：R=795.8;n由于KA=2.5,若R1=5.1K,則：Rf=7.65K5.2310958.7215210AfKRC 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系n有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)有源濾波

18、器的優(yōu)點(diǎn)不使用電感元件，體積小重量輕；不使用電感元件，體積小重量輕；有源濾波電路中可加電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使有源濾波電路中可加電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使輸入電阻高、輸入電阻高、輸出電阻低輸出電阻低，輸入輸出之間具有良好的隔離。只需把幾，輸入輸出之間具有良好的隔離。只需把幾個(gè)低階濾波電路串起來就可構(gòu)成高階濾波電路，無(wú)需考個(gè)低階濾波電路串起來就可構(gòu)成高階濾波電路，無(wú)需考慮級(jí)間影響；慮級(jí)間影響；除濾波外，還可放大信號(hào)，放大倍數(shù)容易調(diào)節(jié)。除濾波外，還可放大信號(hào)，放大倍數(shù)容易調(diào)節(jié)。n有源濾波器的缺點(diǎn)有源濾波器的缺點(diǎn)不宜用于高頻、高電壓、大電流；不宜用于高頻、高電壓、大電流；可靠性較差可靠性較差使用時(shí)需外接直流電源使

19、用時(shí)需外接直流電源 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系二、高通濾波器oFURRRU11UUiUCRRUj1iURC1j11RCRRUUFio1j11)1 (1R1RF+-+iUoU高通濾波器高通濾波器R 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系RCRRUUFio1j11)1 (12111)1 (oFioRRUUn幅頻特性：幅頻特性：ioUU0 o707. 011RRF11RRF 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系12.6 非線性校正的方法具有開環(huán)式非線性校正的測(cè)量?jī)x表，其結(jié)構(gòu)原理可用下圖所示的框圖表

20、示。 傳感器將被測(cè)量物理量轉(zhuǎn)換成電量u1，這種轉(zhuǎn)換通常是非線性的。電量u1經(jīng)放大器放大后成為電量u2，放大器一般是線性的。引入線性化器的作用是利用它本身的非線性補(bǔ)償傳感器的非線性，從而使整臺(tái)儀表的輸出u0和輸入之間具有線性關(guān)系。這里解決的關(guān)鍵問題顯然有兩個(gè)： 一是在給定u0線性關(guān)系的前提下，根據(jù)已知的u1非線性關(guān)系和u2線性關(guān)系求出線性化器應(yīng)當(dāng)具有的u1u2非線性關(guān)系。二是設(shè)計(jì)適當(dāng)電路實(shí)現(xiàn)線性化器的非線性特性。工程上求取線性化器非線形特性的方法有兩種，分述如下。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系1.1.解析計(jì)算法解析計(jì)算法設(shè)上圖中所示的傳感器特性解析式為 （

21、12-1）放大器特性的解析式為 （12-2）要求測(cè)量工具有的刻度方程為 （12-3）將以上三式聯(lián)立，消去中間變量u1和x，就得到線性化器非線性特性的解析式 （12-4）根據(jù)式（12-4）即可設(shè)計(jì)線性化器的具體電路。)(11xfu 12Kuu sxu 0)(012sUKfu 12.6.1 12.6.1 求求取線性化器非線形特性的方法取線性化器非線形特性的方法 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系2 .2 .圖解法圖解法 當(dāng)傳感器等環(huán)節(jié)的非線性特性用解析式表示比較復(fù)雜或比較困難時(shí)，我們可用圖解法求取線性化器的輸入-輸入特性曲線。圖解法的步驟如下（見下圖）。 1)將傳

22、感器特性曲線作于直角坐標(biāo)的第一限，u1=f1（x）。 2)將放大器線性特性作于第二限，u2=Ku1。 3) 將整臺(tái)測(cè)量?jī)x表的線性特性作與第四象限，u0=sx。 4)將x軸n段，段數(shù)n由精度要求決定。由點(diǎn)1、2、3、n各作x軸垂線，分別與u1=f(x)曲線及第四象限中的u0=sx直線交于11、12、13、1n及4142434n各點(diǎn)。以后以第一象限中這些點(diǎn)作x軸平行線與第二象限u2=Ku1直線交于21、22、23、2n各點(diǎn)。 5)由第二象限各點(diǎn)作x軸垂線，再由第四象限各點(diǎn)作x軸平行線，兩者在第三象限的 交點(diǎn)連線即為校正曲線u0=f2(u2)。這也是線形化器的非線性特性曲線。 對(duì)測(cè)量?jī)x表中非線性環(huán)節(jié)

23、的校正還可以采用非線性反饋補(bǔ)償法，其原理可由圖7-7給出的框圖表示。 在放大器上增加非線性反饋之后，使u0 0與u1 1之間出現(xiàn)非線性關(guān)系，用以補(bǔ)償傳感器非線性，從而使整臺(tái)儀表輸入-輸出特性xu0 0j具有線性特性。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系圖解法求取線性化器的輸入-輸入特性曲線 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系12.6.2 非線性非線性校正電路校正電路 當(dāng)我們用解析法或圖解發(fā)求出線性化器的輸入-輸出特性曲線之后，接下來的問題就是如何用適當(dāng)?shù)碾娐穪韺?shí)現(xiàn)它。顯然在這類電路中需要有非線性元件或者利用某種元件的非線性區(qū)域

24、，例如將二極管或三極管置于運(yùn)算放大器的反饋回路中構(gòu)成的對(duì)數(shù)運(yùn)算放大器就能對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行對(duì)數(shù)運(yùn)算，構(gòu)成非線性函數(shù)運(yùn)算放大器，它可以用于射線測(cè)厚儀的非線性校正電路中。目前最常用的是利用二極管組成非線性電阻網(wǎng)絡(luò)，配合運(yùn)算放大器產(chǎn)生折線形式的輸入-輸出特性曲線。由于折線可以分段逼近任意曲線，從而就可以得非線性校正環(huán)節(jié)（線性化器）所需要的特性曲線。 折線逼近法如圖所示。將非線性校正環(huán)節(jié)所需要的特性曲線用若干有限的線段代替，然后根據(jù)各轉(zhuǎn)折點(diǎn)xi和各段折線的斜率ki來設(shè)計(jì)電路。折線逼近法 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系 根據(jù)折線逼近法所作的各段折線可列出下列方程： 式中

25、，xi為折線的各轉(zhuǎn)折點(diǎn)，ki為各線段的斜率， ， ， 。 xky101xx)(121xxkxky12xxx)()(231221xxkxxkxky23xxx)()()()(12112331221nnnnnxxkxxkxxkxxkxky 11tgk 22tgk nntgk 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系 可以看出，轉(zhuǎn)折點(diǎn)越多，折線越逼近曲線，精度也越高。但太多了則會(huì)電路本身誤差而影響精度。在校正電路中通常采用運(yùn)算放大器，當(dāng)輸入電壓為不同范圍時(shí)，相應(yīng)改變運(yùn)算放大器的增益，從而獲得所需要的斜率，其本身就是一個(gè)非線性放大器。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與

26、信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系12.6.3 非線性特性非線性特性軟件線性化處理軟件線性化處理 對(duì)測(cè)量系統(tǒng)非線性環(huán)節(jié)的線性化處理，除了采用前述的硬件電路來實(shí)現(xiàn)外，在有微機(jī)的只能化檢測(cè)系統(tǒng)中可利用軟件功能方便地實(shí)現(xiàn)非線性的線性變化。這種方法精度高，成本低，應(yīng)用靈活。 設(shè)某傳感器非線性校正曲線如圖7-14所示。它是一個(gè)非線性函數(shù)關(guān)系。我們將輸入量x按一定要求分為N個(gè)區(qū)間，每個(gè)xk都對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出yk。把這些（xk,yk）編制成表格存貯起來。實(shí)際的輸入量xi一定會(huì)落在某個(gè)區(qū)間（xk-1，xk）內(nèi)，即xk-1xi xk.軟件法的含義是用一段直線近似地代替這段區(qū)間里的實(shí)際曲線，然后通過近似插值公式計(jì)算出yi這

27、種方法稱為線性插值法。 由圖7-15可以看出，通過M1、M2兩點(diǎn)的直線斜率k為： ；而yi的計(jì)算公式為： (7-7)11kkkkxxyyxyk111111)()(kkkikkkkikixxxxyyyxxkyy 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系12.7 傳感器電路的噪聲與抑制12.7.1、傳感器電路的構(gòu)成被測(cè)對(duì)象傳感器差分放大低通濾波A/D變換計(jì)算機(jī)測(cè)量結(jié)果外來噪聲模擬噪聲處理數(shù)字噪聲處理 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系12.7.2、傳感器的噪聲來源n傳感器和電路元件產(chǎn)生的噪聲1)電阻產(chǎn)生的噪聲(熱噪聲：自由電子隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)

28、）2)晶體管產(chǎn)生的噪聲（散粒噪聲+1/f噪聲）3)放大器產(chǎn)生的噪聲4)接觸噪聲（接觸面導(dǎo)電率不一樣）5)開關(guān)器件產(chǎn)生的噪聲6)寄生振蕩干擾（布線不合理）n外部噪聲源引起的噪聲1)雷電、大氣電離、宇宙射線、其他電磁波；2)電磁場(chǎng)、電火花、電弧焊接、高頻加熱。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系12.7.3 干擾的耦合方式1、靜電耦合（電容性耦合） 由于兩個(gè)電路之間存在著分布電容，當(dāng)其中一個(gè)電路的電位發(fā)生變化時(shí)，該電路的電荷就會(huì)通過分布電容傳送到另一個(gè)電路。niioEjwCZjwCZE1n結(jié)論：（1）干擾源的頻率越高，靜電耦合引起的干擾越嚴(yán)重；（2）降低接收電路輸

29、入阻抗，可減少靜電耦合干擾；（3）通過合理布線，減少分布電容C，減少靜電耦合干擾。n干擾噪聲是通過耦合通道與檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)生作用的。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系n2、電磁耦合（互感性耦合） 當(dāng)兩個(gè)電路之間有互感存在時(shí)，一個(gè)電路的電流產(chǎn)生變化就會(huì)通過磁場(chǎng)耦合到另一個(gè)電路。jwMIEon3、共阻抗耦合 當(dāng)一個(gè)電路的電流流經(jīng)共阻抗產(chǎn)生電壓降時(shí)，就成為其他電路的干擾電壓。通過電源內(nèi)阻的共阻抗耦合干擾減小電源內(nèi)阻各電路接去耦濾波電路通過公共地線的共阻抗耦合干擾采用一點(diǎn)接地 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系EnUNZiCm圖10.2

30、.1 靜電耦合等效電路UNInM圖10.2.2 電磁耦合等效電路n 電磁耦合又稱互感耦合，它是由于兩個(gè)電路之間存在有互感，使一個(gè)電路的電流變化，通過磁交鏈影響到另一個(gè)電路。jwMIEon2、電磁耦合（互感性耦合） 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系52n3、共阻抗耦合 當(dāng)一個(gè)電路的電流流經(jīng)共阻抗產(chǎn)生電壓降時(shí)，就成為其他電路的干擾電壓。通過電源內(nèi)阻的共阻抗耦合干擾減小電源內(nèi)阻各電路接去耦濾波電路通過公共地線的共阻抗耦合干擾采用一點(diǎn)接地cNNZIU圖中Zc表示兩個(gè)電路之間的共有阻抗，In表示噪聲源的噪聲電流，UN表示被干擾電路的干擾電壓。UN圖10.2.3 共阻抗

31、耦合等效電路InZcZL 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系n4、漏電流耦合 由于測(cè)量電路內(nèi)部存在漏電阻產(chǎn)生漏電流引起的干擾。niioEZRZEn例：設(shè)直流放大器輸入阻抗Zi=108，干擾源電動(dòng)勢(shì)En=15V,絕緣電阻R=1010，求耦合干擾Eo=?。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系12.7.4 共模與共模與差模干擾差模干擾各種噪聲源產(chǎn)生的噪聲，必然要通過各種耦合方式進(jìn)入檢測(cè)裝置，對(duì)其產(chǎn)生干擾。根據(jù)噪聲進(jìn)入信號(hào)測(cè)量電路的方式以及與有用信號(hào)的關(guān)系，可將噪聲干擾分為差模干擾與共模干擾。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與

32、信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系55n12.7.4.1 差模干擾差模干擾 差模干擾又稱串模干擾、正態(tài)干擾、常態(tài)干擾、橫向干擾等，它使檢測(cè)儀器的一個(gè)信號(hào)輸入端子相對(duì)另一個(gè)信號(hào)輸入端子的電位差發(fā)生變化，即干擾信號(hào)與有用信號(hào)按電壓源形式串聯(lián)起來作用于輸入端。因?yàn)樗陀杏眯盘?hào)疊加起來直接作用于輸入端，所以它直接影響測(cè)量結(jié)果。差模干擾可用圖10.3.1所示兩種方式表示，圖a為串聯(lián)電壓源形式；圖b為并聯(lián)電流源形式。圖中es及Rs為有用信號(hào)源及內(nèi)阻：Un表示等效干擾電壓In表示等效干擾電流，Zn為干擾源等效阻抗Ri為接收器的輸入電阻。 esRsRiZnUn圖10.3.1 差模干擾等效電路esRsRiInZna)

33、b) 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系n圖a表示用熱電偶作敏感元件，進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，由于有交變磁通穿過信號(hào)傳輸回路產(chǎn)生干擾電動(dòng)勢(shì)，造成差模干擾；圖b表示高壓直流電場(chǎng)通過漏電流對(duì)動(dòng)圈式檢流計(jì)造成差模干擾。針對(duì)具體情況可以采用雙絞信號(hào)傳輸線、傳感器耦合端加濾波器、金屬隔離線、屏蔽等措施來消除差模干擾。 EIa)RaRib)圖10.3.2 產(chǎn)生差模干擾的例子 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系n12.7.4.2 共模干擾共模干擾 共模干擾又稱縱向干擾、對(duì)地干擾、同相干擾、共態(tài)干擾等，它是相對(duì)于公共的電位基準(zhǔn)點(diǎn)(通常為接地點(diǎn))，在檢測(cè)儀

34、器的兩個(gè)輸入端子上同時(shí)出現(xiàn)的干擾。雖然它不直接影響測(cè)量結(jié)果，但是當(dāng)信號(hào)輸入電路參數(shù)不對(duì)稱時(shí)，它會(huì)轉(zhuǎn)化為差模干擾，對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響。在實(shí)際測(cè)量過程中，由于共模干擾的電壓一般都比較大，而且它的耦合機(jī)理和耦合電路不易搞清楚，排除也比較困難，所以共模干擾對(duì)測(cè)量的影響更為嚴(yán)重。 造成共模干擾的原因很多，常見的共模干擾耦合有下面幾種：在檢測(cè)裝置附近有大功率的電氣設(shè)備，因絕緣不良或三相動(dòng)力電網(wǎng)負(fù)載不平衡，零線有較大電流時(shí)，都存在著較大的地電流和地電位差，這時(shí)，若檢測(cè)系統(tǒng)有兩個(gè)以上接地點(diǎn)，則地電位差就會(huì)造成共模于擾。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系如圖a所示熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)，

35、熱電偶的金屬保護(hù)套管通過爐體外殼與生產(chǎn)管路接地，而熱電偶的兩條溫度補(bǔ)償導(dǎo)線不接指示儀表外殼，但儀表外殼接大地，地電位差造成共模干擾。當(dāng)電氣設(shè)備的絕緣性能不良時(shí)，動(dòng)力電源會(huì)通過漏電阻耦合到檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)回路，形成干擾；圖b表示動(dòng)力電源通過漏電阻R對(duì)熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)形成共模干擾。在交流供電的電氣測(cè)量裝置中，動(dòng)力電源會(huì)通過電源變壓器的一次、二次側(cè)繞組間的雜散電容、整流濾被電路、信號(hào)電路與地之間的雜散電容到地構(gòu)成回路，形成工頻共模干擾，如圖c所示。ecma)b)圖10.3.4 產(chǎn)生共模干擾的例子Zcm 220V 220Vc)放大整流濾波 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程

36、系12.7.5 噪聲的抑制與抗干擾措施n噪聲的抑制途徑l消除或抑制干擾源l減少接收電路對(duì)干擾的靈敏度l阻斷干擾的傳輸途徑和耦合方式l對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪/抗干擾處理 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系n傳感器和電路器件內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲的抑制（1）為減少電路元件的熱噪聲，應(yīng)使放大器的外部電阻盡量??；（2）當(dāng)使用雙極型晶體管的前置放大器來放大傳感器的輸出信號(hào)時(shí)，選取 IC值盡可能?。唬?）選用 Vna、Ina 小的運(yùn)算放大器來組成傳感器電路；（4）對(duì)于開關(guān)噪聲，設(shè)置相應(yīng)的偽電路，用差分來消除開關(guān)噪聲。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系降

37、低噪聲的信號(hào)處理方法（1）濾波（只能去除帶外噪聲）； （2）調(diào)制/解調(diào)（基于噪聲是隨機(jī)的原理）（3） 信號(hào)相關(guān)處理（基于噪聲是隨機(jī)的原理）l外部噪聲是通過靜電耦合和電磁耦合串入傳感器電路l具體方法： 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系1、屏蔽技術(shù)（1 1）靜電屏蔽）靜電屏蔽用一個(gè)金屬罩（銅、鋁）把信號(hào)源或測(cè)量電路包封起來并接地，使屏蔽盒內(nèi)的電力線不會(huì)傳到外部，當(dāng)然也避免了外部電場(chǎng)對(duì)電路的影響，起到抑制干擾源的作用。(為什么要用導(dǎo)體?)（2 2）驅(qū)動(dòng)屏蔽）驅(qū)動(dòng)屏蔽將被屏蔽導(dǎo)體的電位，經(jīng)嚴(yán)格的1:1電壓跟隨器去驅(qū)動(dòng)屏蔽層導(dǎo)體的電位，而使兩者電位相等，可以有效地抑制由于分布電容引起的靜電耦合干擾。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系（3 3）電磁屏蔽）電磁屏蔽電磁屏蔽是采用導(dǎo)電良好的金屬材料做成屏蔽層，利用高頻干擾電磁場(chǎng)在屏蔽體，內(nèi)產(chǎn)生渦流，再利用渦流消耗高頻干擾磁場(chǎng)的能量，從而削弱高頻電磁場(chǎng)的影響。 若將電磁屏蔽層接地，則同時(shí)兼有靜電屏蔽的作用。也就是說，用導(dǎo)電良好的金屬材料做成的接