傳感器的信號處理

第4章傳感器的信號處理4.1傳感器信號的預(yù)處理4.2儀表放大器及A/D轉(zhuǎn)換器的選擇4.3傳感器信號非線性校正及標(biāo)度變換4.1傳感器信號的預(yù)處理4.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成1.傳感器輸出信號的特點由于上述特點，再加上傳感器在使用時所處環(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量系統(tǒng)的正常工作。因此需要對信號進(jìn)行處理。信號處理部分常常分為兩個步驟，即在對信號加工之前進(jìn)行預(yù)處理。在進(jìn)行預(yù)處理時，要根據(jù)實際情況利用濾波、阻抗變化等手段將信號分離出來進(jìn)行放大。當(dāng)信號足夠大時，就可作信號的運算、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)動負(fù)載，或者經(jīng)過模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換才能輸入計算機(jī)，由計算機(jī)按一定的處理要求對信號進(jìn)行處理。實現(xiàn)模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的電路系統(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)。下一頁返回4.1傳感器信號的預(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)它們在電路中的位置，可分為同時采集、高速采集、分時采集和差動結(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傳感器信號的預(yù)處理方法根據(jù)傳感器的輸出信號特點，傳感器的輸出信號不能直接作為進(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轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的電壓信號。將信號的這一轉(zhuǎn)換稱為預(yù)處理。常用的傳感器信號預(yù)處理方法有以下幾種。上一頁返回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，要送至A/D轉(zhuǎn)換器或其他顯示記錄裝置。傳感器信號的特點是電平差別很大，且疊加有很高的、來自工業(yè)現(xiàn)場的共模噪聲。因此對這些緩變、微弱的信號不僅要進(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，不能在精密測量中應(yīng)用。因此在檢測中常用調(diào)制型或隔離型直流放大器及專門設(shè)計的測量放大器。1.儀表放大器（IA）儀表放大器又稱測量放大器。它通常由三個運算放大器、、組成，如圖4-2所示電路，其中，、組成具有對稱結(jié)構(gòu)的差動輸入輸出級，差模增益為n+1，而共模下一頁返回4.2儀表放大器及A/D轉(zhuǎn)換器的選擇增益僅為1。將的差動輸出信號轉(zhuǎn)換為單端輸出信號。的共模抑制精度取決于四個R3的匹配精度，通用IA的輸出電壓為式、—IA的兩個輸入端差動輸入信號。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的精確測量。上一頁下一頁返回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，以免測量信號被淹沒在噪聲中。

(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，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量本身(錐度)是差模信號，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。上一頁下一頁返回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)處理過的模擬信號轉(zhuǎn)換成適合計算機(jī)處理的數(shù)字信號，并輸入到計算機(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下一頁返回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精度和相對精度。絕對精度是指對應(yīng)于一個給定的數(shù)字量，模擬量輸入實際值與理論值之差。它包括量化誤差、線性誤差和零位誤差。相對精度又稱相對誤差，是指絕對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，相對誤差也常用ISB表示。

(3)轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間是指從模擬量輸入到數(shù)字輸出，完成一次轉(zhuǎn)換所需要的最長時間。對大多數(shù)ADC來說，轉(zhuǎn)換時間就是轉(zhuǎn)換頻率(轉(zhuǎn)換的時鐘頻率)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、與計算機(jī)總線兼容等特點。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:模擬信號輸入部分;數(shù)字信號并行上一頁返回下一頁4.2儀表放大器及A/D轉(zhuǎn)換器的選擇輸出部分;啟動轉(zhuǎn)換的外部控制信號;轉(zhuǎn)換完畢后由轉(zhuǎn)換器發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號等。在選擇A/D轉(zhuǎn)換器時，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:數(shù)字輸出的方式;對啟動信號、轉(zhuǎn)換結(jié)束信號的接口要求;轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換式中、轉(zhuǎn)換時間;穩(wěn)定性及抗干擾能力等。返回上一頁4.3傳感器信號非線性校正及標(biāo)度變換4.3.1傳感器信號的非線性校正在自動檢測系統(tǒng)中，利用傳感器把被測量轉(zhuǎn)換成電量時，大多數(shù)傳感器的輸出電量與被測量之間的關(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，以及對測量范圍和測量精度要求的不斷提高，非線性校正就顯得更為現(xiàn)實與迫切。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)和對數(shù)特性，可以采用相應(yīng)的運算電路進(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)下一頁返回4.3傳感器信號非線性校正及標(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，可以求出相應(yīng)的校正特性。一個簡單的處理方法，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，閉環(huán)放大器是一個負(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，正反饋作用加強(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)表示輸出電壓絕對值大小。其余校正電路可參閱有關(guān)書籍。上一頁下一頁返回4.3傳感器信號非線性校正及標(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。如用熱電偶測溫，溫度單位為oC，但不同熱電偶輸出電動勢不同，分度號為S的熱電偶在16000C時為16.716mV，分度號為K的熱電偶在12000C時為48.087My;又如測量壓力的彈性元件一膜片、膜盒以及彈簧管等，其壓力范圍上一頁下一頁返回項目一初步認(rèn)識Protel99SE任務(wù)一：創(chuàng)建設(shè)計數(shù)據(jù)庫及設(shè)計文件任務(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，是一個工作在Windows平臺下的電子線路設(shè)計EDA軟件，功能強(qiáng)大，是一個完整的電子電路原理圖和印制電路板電子設(shè)計系統(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、多層印制電路板設(shè)計（包含印制電路板自動布線）、通用可編程邏輯器件設(shè)計、模擬電路與數(shù)字電路混合信號仿真及分析、圖表生成、電子表格生成、同步設(shè)計、聯(lián)網(wǎng)設(shè)計、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)計數(shù)據(jù)庫及設(shè)計文件

一、啟動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。單擊開始→程序→Protel99SE。

Protel99SE的啟動之后，屏幕出現(xiàn)啟動畫面，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)庫文件在Protel99SE的主窗口，可以創(chuàng)建一個新的設(shè)計數(shù)據(jù)庫文件。執(zhí)行菜單File→New，彈出下圖所示的新建設(shè)計數(shù)據(jù)庫文件對話框。

在對話框中可以進(jìn)行以下設(shè)置：（1）修改設(shè)計數(shù)據(jù)庫文件類型。設(shè)計數(shù)據(jù)庫文件類型有兩種：MSAccessDatabase（微軟數(shù)據(jù)庫文件）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)計數(shù)據(jù)庫文件名。系統(tǒng)默認(rèn)的文件名為“MyDesign.ddb。若要更改文件名，不要刪除數(shù)據(jù)庫文件的擴(kuò)展名“.ddb”。（3）更改設(shè)計數(shù)據(jù)庫文件保存的路徑。系統(tǒng)默認(rèn)的文件保存路徑為Protel99SE安裝時的安裝路徑。（4）設(shè)置數(shù)據(jù)庫文件密碼，點擊“Password”標(biāo)簽頁，進(jìn)入密碼設(shè)置對話框，如下圖所示。選擇“YES”單選項，輸入密碼及確認(rèn)密碼即可。

設(shè)計數(shù)據(jù)庫文件對話框設(shè)置完畢后，點擊OK按鈕，將彈出如下圖所示的設(shè)計數(shù)據(jù)庫管理器界面。圖中，“DesignTeam”為設(shè)計組文件夾，里面包括三個子文件夾；“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、啟動各種文件編輯器在設(shè)計數(shù)據(jù)庫管理器中執(zhí)行File→New菜單命令，將彈出如下圖所示的新建文件對話框，共有10種不同的文件類型。選擇需要的文件類型，點擊OK進(jìn)入相對應(yīng)的文件編輯器。Protel99SE文件類型

序號說明序號說明1CAM輸出配置文件6原理圖文件2文件夾7原理圖元件庫文件3PCB文件8表格文件4PCB封裝庫文件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)計數(shù)據(jù)庫文件雙擊文件夾中已有的Protel99SE設(shè)計數(shù)據(jù)庫文件；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)計文件”對話框，找到要打開的設(shè)計數(shù)據(jù)庫文件，點擊“打開”按鈕。

如果要打開的文件設(shè)置了密碼，系統(tǒng)會彈出下圖所示的輸入用戶名及密碼對話框。值得注意的是，這里的用戶名并不是設(shè)計數(shù)據(jù)庫文件名，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)計文件在設(shè)計數(shù)據(jù)庫管理器界面中，點擊要刪除的文件，再執(zhí)行菜單命令Edit→Delete或在選中的文件上點擊右鍵，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)計文件的復(fù)制、粘貼在設(shè)計數(shù)據(jù)庫管理器界面中，點擊要復(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)計是整個電路設(shè)計的基礎(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、啟動原理圖編輯器在設(shè)計數(shù)據(jù)庫管理器界面中，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Sheet1.Sch的原理圖文件?？梢詫υ撐募M(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)行放置各種電氣對象和非電氣對象的操作，如放置電源端口，電氣節(jié)點和電器元件等。Design：進(jìn)行電路圖的設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)表的生成、元件庫的管理等操作。Tools：進(jìn)行原理圖的編號、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表，如元件清單等。Window：進(jìn)行窗口方面的管理。Help：啟動各種幫助信息。

二、設(shè)置圖紙在電路原理圖編輯器中，執(zhí)行菜單命令Design→Options，出現(xiàn)下圖所示的參數(shù)設(shè)置對話框，選擇SheetOptions選項卡即可進(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”圖紙顏色選項框，則會彈出一個“ChooseColor”顏色選擇對話框，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)置對話框中選擇“Organization”選項卡，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)計時，圖紙上的網(wǎng)格能為放置元件、對齊元件、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”選項卡，如下圖所示。1、網(wǎng)格