第11章 傳感器信號處理

傳感器信號處理技術(shù)

第11章傳感器信號處理

主要內(nèi)容分析電橋分析傳感器信號放大電路三分析信號濾波電路四分析信號轉(zhuǎn)換電路一.阻抗電橋的構(gòu)成及平衡條件

構(gòu)成：如圖所示，由四個阻抗構(gòu)成四個橋臂。A和C接入電源E，B和D端為輸出端。輸出電壓:橋臂阻抗可以是電阻、電感和電容式傳感器。當被測量為某一初始值并未發(fā)生變化時希望電橋輸出為0。

分析電橋與電橋的電源2.電橋的平衡條件

z2z4-z1z3=0 ——稱之為電橋平衡條件z2z4=z1z3

——即對邊乘積相等若為復(fù)阻抗

平衡條件可改寫為：

z2z4=z1z3

——模平衡條件

——相位平衡條件電橋與電橋的電源3工作方式單臂工作：電橋中只有一個臂接入被測量，其它三個臂采用固定電阻；雙臂工作：如果電橋兩個臂接入被測量，另兩個為固定電阻就稱為雙臂工作電橋，又稱為半橋形式；全橋方式：如果四個橋臂都接入被測量則稱為全橋形式。全橋形式靈敏度最高，結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，要綜合考慮選擇。直流電橋電橋與電橋的電源4輸出方式電橋的輸出方式根據(jù)負載情況有電流型和電壓型兩種a.電流輸出型：當電橋的輸出信號較大，輸出端又接入電阻值較小的負載時，如下圖所示，可得：直流電橋電橋與電橋的電源b.電壓輸出型：當電橋輸出端接有放大器時，由于放大器的輸入阻抗很高，所以可以認為電橋的負載電阻為無窮大，這時電橋以電壓的形式輸出。輸出電壓即為電橋輸出端的開路電壓，其表達式為直流電橋電橋與電橋的電源二分析傳感器信號放大電路測量放大器在許多檢測技術(shù)的應(yīng)用場合，傳感器輸出的信號比較弱，而且其中還包括了工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對這種信號的放大就需要放大電路具有很好的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗，習(xí)慣上將具有這樣特點的放大器稱為測量放大器或儀用放大器。傳感器信號放大電路測量放大器＋－＋－＋－A1U1RWU2A2Rf1Rf2Uo1RRUo2RLA3RiUo

圖中三個運放組成的測量放大器,差動輸入，輸入阻抗很高。采用對稱電路結(jié)構(gòu),較強的抑制共模信號的能力。A3實際上是一差動跟隨器,其增益近似為1。測量放大器的放大倍數(shù)由左式確定：

AD522主要可用于惡劣環(huán)境下要求進行高精度數(shù)據(jù)采集的場合。由于AD522具有低電壓漂移(2μV/℃)、低非線性(0.005％，增益為100時)、高共模抑制比(>110dB,增益為1000時)、低噪聲傳感器信號放大電路測量放大器U＋＋Ui－-UiRG8114236139111874510kWAD522輸出基準μ?地U－AD522的外圍電路 利用改變反饋電阻的辦法來實現(xiàn)量程變換的可變換增益放大器電路。當開關(guān)S1閉合,S2和S3斷開時,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)閉合情況進行選擇,即可實現(xiàn)程控增益變換。

傳感器信號放大電路 程控增益放大器R3R2R1S3S2S1UoR＋－UiR??隔離放大器的電路結(jié)構(gòu)圖傳感器信號放大電路 隔離放大器傳感器信號放大電路 隔離放大器由于隔離放大器采用了浮離式設(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,能對直流和低頻信號(電壓或電流)進行準確、安全的測量。三分析信號濾波電路1.什么是濾波

通過傳感器獲得的信號中，混淆有許多其他頻率的干擾。由于干擾的存在，有時得到不正確的測量值，有時有用的信號被淹沒在干擾噪聲中。為了突出有用信號，抑制噪聲干擾，我們就要對傳感器獲得的信號進行濾波。

按功能分：信號濾波電路2．濾波器的類型低通濾波器;高通濾波器;帶通濾波器;帶阻濾波器.低通濾波器

低頻通過，高頻衰減

從0～f2頻率之間，幅頻特性平直，它可以使信號中低于f2的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而高于f2的頻率成分受到極大地衰減。信號濾波電路低通濾波器信號濾波電路高通濾波器2)高通濾波器

低頻衰減，高頻通過與低通濾波相反，從頻率f1～∞，其幅頻特性平直。它使信號中高于f1的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而低于f1的頻率成分將受到極大地衰減。3)帶通濾波器

通帶內(nèi)通過，通帶外衰減它的通頻帶在f1～f2之間。它使信號中高于f1而低于f2的頻率成分可以不受衰減地通過，而其它成分受到衰減。信號濾波電路帶通濾波器4)帶阻濾波器

通帶內(nèi)衰減，通帶外通過與帶通濾波相反，阻帶在頻率f1～f2之間。它使信號中高于f1而低于f2的頻率成分受到衰減，其余頻率成分的信號幾乎不受衰減地通過。信號濾波電路帶阻濾波器實際濾波器

實際濾波器的幅頻特性圖中，通帶和阻帶之間應(yīng)沒有嚴格的界限。希望過渡帶越窄越好，也就是希望對通帶外的頻率成分衰減得越快、越多越好。信號濾波電路在測試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。因為在這一領(lǐng)域中，信號頻率相對來說不高。而RC濾波器電路簡單，抗干擾性強，有較好的低頻性能，并且選用標準的阻容元件，所以在工程測試的領(lǐng)域中最經(jīng)常用到的濾波器是RC濾波器。

1)一階RC低通濾波器

RC低通濾波器的電路及其幅頻、相頻特性如圖。

無源濾波器信號濾波電路2)一階RC高通濾波器

RC高通濾波器的電路及其幅頻、相頻特性如下圖。

當f很小時，A(f)=0，信號完全被阻擋，不能通過；當f很大時，A(f)=1，信號不受衰減的通過。

無源濾波器信號濾波電路3)RC帶通濾波器

帶通濾波器可以看作為低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián)，其電路及其幅頻、相頻特性如圖。無源濾波器信號濾波電路極低和極高的頻率成分都完全被阻擋，不能通過；只有位于頻率通帶內(nèi)的信號頻率成分能通過。

當高、低通兩級串聯(lián)時，應(yīng)消除兩級耦合時的相互影響，因為后一級成為前一級的“負載”，而前一級又是后一級的信號源內(nèi)阻。實際上兩級間常用射極輸出器或者用運算放大器進行隔離。所以實際的帶通濾波器常常是有源的。有源濾波器由RC調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和運算放大器組成。運算放大器既可起級間隔離作用，又可起信號幅值的放大作用。

有源濾波器信號濾波電路如果在低通濾波器后面接一個放大器,構(gòu)成有源低通濾波器其增益由確定，與時間常數(shù)RC無關(guān)。有源濾波器信號濾波電路A/D、D/A轉(zhuǎn)換器在數(shù)字系統(tǒng)中的應(yīng)用

數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換

四信號轉(zhuǎn)換電路A/D和D/A轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器的兩個組成部分及其作用：采樣保持A/D轉(zhuǎn)換器信號轉(zhuǎn)換電路量化編碼(1)采樣保持采樣開關(guān)S的控制信號CPs的頻率fs≥2fimax這樣就能將采樣保持后的不失真地恢復(fù)成輸入電壓uI(t)。該公式稱為采樣定理。

A/D轉(zhuǎn)換器信號轉(zhuǎn)換電路(2)量化編碼

量化:編碼:將量化后的有限個整量值用n位一組的某種數(shù)字代碼(如二進制碼、BCD碼或Gray碼等)對應(yīng)描述以形成數(shù)字量，