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1、第7章 传感器接口电路与信号处理,第7章 传感器接口电路与信号处理,传感器接口与信号处理电路是检测系统一个非常重要的环节，其性能直接影响到整个系统的测量精度和灵敏度。在实际应用中，传感器接口与信号处理电路主要用于传感器信号检测和信号预处理，并起连接作用。传感器接口与信号处理电路的选择是根据传感器输出信号的特点及用途来确定的。不同传感器有不同的输出信号，而且，这些输出信号很微弱，并与输入的被测量之间一般呈非线性关系，为了获取有效的信息或数据，因而需要的接口与信号处理电路也各不相同。本章仅对一些重要的接口与信号处理电路加以介绍。,返回,7.1 电桥电路,7.1.1电桥的分类 电桥的分类方法有多种，
2、按电桥采用电源的不同，可分为直流电桥和交流电桥;按电桥的工作方式的不同，可分为平衡电桥和不平衡电桥;按电桥被测电阻接入方式的不同，可分为单臂电桥、双臂电桥和全桥 平衡电桥的应用是基于零位测量法。电桥平衡则输出为零，否则输出则不为零，这时可以通过调节电桥比较臂电阻的大小使电桥重新达到平衡，然后根据电桥平衡条件，计算出被测量的变化。不平衡电桥的应用是基于偏差测量法。电桥平衡则输出为零，否则输出量不为零，这时输出量的大小反映了被测量的变化情况。,下一页,返回,7.1 电桥电路,7.1.2 电桥的工作原理及主要性能指标 电桥电路的主要性能指标有输出特性、非线性误差和灵敏度，下面具体讨论有关电桥的工作原
3、理和这几项性能指标。直流电桥 直流电桥的基本形式如图7-1所示。图中R1，R2，R3，R4为电桥的桥臂电阻，RL为其负载。当RL趋于无穷时，电桥的输出电压UO用公式表示为:,上一页,下一页,返回,7.1 电桥电路,1)直流电桥的平衡条件。当电桥平衡时，UO=0，可以得到电桥平衡的条件，即:R1R2=R3R4 2)直流电桥的不平衡状态。直流电桥的不平衡状态有三种形式，即单臂电桥、双臂电桥和全桥。单臂电桥就是电桥中一桥臂为传感器，其余为固定值。假设只有R1是传感器，工作时其阻值变化为R，这时电桥的输出电压可用公式表示为:,上一页,下一页,返回,7.1 电桥电路,当满足条件R1=R2=R3=R4，且
4、R0 R1时，电桥的理想输出为:从上式可以看出，单臂电桥的理想输出与工作桥臂电阻的变化率为线性关系。但这一线性关系是在一定条件下的近似，其输出结果与电桥的实际输出之间存在一定的误差，这个误差称为非线性误差。电桥的灵敏度是指电桥的输出电压与被测电阻的变化率之间的比值。用公式表示为:,上一页,下一页,返回,7.1 电桥电路,双臂电桥就是电桥中两相邻桥臂为传感器，其余为固定值。如图7-1所示为R1，R2传感器，并且满足条件R1=R2=R3=R4=R0，同时R1=-R2=R0，则该电桥的输出为 上式表明，电桥的实际输出与电阻变化率成线性关系，则说明该电桥无非线性误差。又由于该电桥的输出电压比单臂电桥输
5、出电压提高一倍，则电桥的灵敏度也提高一倍。,上一页,下一页,返回,7.1 电桥电路,全桥就是电桥的四个臂均为传感器。如图7-1所示，若满足R1=R2=R3=R4=R0，同时R1=-R2=R4=-R3=R0，则该电桥的输出为:从上式可见，全桥输出电压是单臂电桥输出的电压的四倍，是双桥输出电压的两倍;全桥的灵敏度也是单臂电桥灵敏度的四倍，是双桥灵敏度的两倍，而且无非线性误差。,上一页,下一页,返回,7.1 电桥电路,2.交流电桥 交流电桥的工作电源为交流。把图7-1中的直流电源换成交流电源ui，它的四个桥臂换成电阻、电感、电容等任意组合的复阻抗Z1，Z2，Z3，Z4，根据直流电桥的分析方法，得交流
6、电桥的输出电压为:1)交流电桥的平衡条件。交流电桥的平衡条件分析与直流电桥平衡条件分析相似，可以知道其平衡条件为:Z2Z3=Z1Z4,上一页,下一页,返回,7.1 电桥电路,2)交流电桥的不平衡状态。交流电桥的不平衡状态与直流电桥的不平衡状态相似，也有三种形式，即单臂电桥、双臂电桥和全桥。单臂交流电桥的输出电压为:双臂交流电桥的输出电压为:全桥交流电桥的输出电压为:,上一页,返回,7.2 放大电路,传感器的输出信号一般比较微弱，因而在大多数情况下都需要放大电路。放大电路主要用来将传感器输出的信号进行放大处理，为检测系统提供高精度的输入信号，对检测系统的精度起着关键作用。目前，检测系统中的放大电
7、路，除特殊情况外，一般都采用运算放大器构成。常用的运算放大器有反相放大器、同相放大器和差动放大器等。,下一页,返回,7.2 放大电路,7.2.1 反相放大器 如图7-2是反相放大器的基本电路。输入电压通过电阻R1，加到反相输入端，同相输入端接地，输出电压通过电阻RF反馈到反相输入端，反相放大器的输出电压可表示为:负号表示输出电压与输入电压反相，其放大倍数取决于RF与R1的比值大小，具有很大的灵活性，因此反相放大器广泛用于各种比例运算中。,上一页,下一页,返回,7.2 放大电路,7.2.2 同相放大器 如图7-3是同相放大器的基本电路。输入电压直接从同相输入端加入，而输出电压通过电阻RF反馈到反
8、相输入端，同相放大器的输出电压可表示为：可以看出，同相放大器的增益也同样只取决于RF与R1，的比值大小，这个数值为正，说明输出电压与输入电压同相，而且其绝对值比反相放大器大。,上一页,下一页,返回,7.2 放大电路,7.2.3 差动放大器 如图7-4是差动放大器的基本电路。两个输入信号U1和U2分别经R1和R2输入到运算放大器的反相输入端和同相输入端，输出电压则经RF反馈到反相输入端。电路中要求R1=R2、RF=R3，差动放大器的输出电压可表示为:差动放大器最突出的优点是能够抑制共模信号。共模信号是指在两个输入端所加的大小相等、极性相同的信号。理想的差动放大器对共模输入信号的放大倍数为零，所以
9、差动放大器的零点漂移最小。,上一页,返回,7.3 噪声干扰的抑制,在非电量的自动检测与控制系统中，往往混入一些干扰与噪声信号，它们会使测量结果产生很大的误差，这些误差将导致控制程序的紊乱，从而造成控制系统中的执行机构产生误动作。因此，在传感器的信号处理中，噪声干扰的抑制也是传感器信号处理的重要内容之一。所谓噪声，就是任何不希望有的信号，广义地说就是在一有用频带内任何不希望有的干扰。7.3.1 噪声的分类 噪声就是测量系统混入的无用信号，按照噪声的来源的不同，可以将噪声分为两大类:一类是内部噪声，另一类是外部噪声。,下一页,返回,7.3 噪声干扰的抑制,1.内部噪声 内部噪声是由传感器或检测系统
10、内部电路元件带电微粒的无规则运动产生的。主要有:信号通过公共电源、地线和传输线的阻抗相互耦合形成的噪声;元件之间、导线之间通过寄生电容或互感耦合造成的噪声干扰;大功率和高压元件产生的电场;电子开关元件的电压或电流急剧变化而产生的噪声干扰;工作电源、交叉走线等产生的噪声干扰等。2.外部噪声 外部噪声是由传感器或检测系统外部人为因素或自然环境因素造成的。主要有:外部高压电源因绝缘不良形成的漏电;广播电视、高频感应加热等;空间电磁波的辐射;周围机械振动和冲击的影响等。,上一页,下一页,返回,7.3 噪声干扰的抑制,3.形成噪声的条件 形成噪声的三个条件是:噪声源、噪声的耦合通道及噪声的接收电路。噪声
11、的耦合通道即耦合方式，通常的耦合方式有电容性耦合、互感性耦合、公共地线的耦合、部分电路之间绝缘不良的漏电耦合及辐射电磁场耦合等。若要消除或削弱噪声干扰，必须从形成噪声的三个要素出发，采取相应的抗干扰措施。7.3.2 抑制噪声的方法 噪声的抑制方法很多，主要是采用接地、屏蔽、隔离、滤波和光电耦合等抑制方法。,上一页,下一页,返回,7.3 噪声干扰的抑制,1.接地 在检测系统中通常有四种接地系统:安全地、信号源地、数字信号地和模拟信号地。2.屏蔽 屏蔽的目的是为了防止电场或磁场的干扰，不同场合采用的屏蔽体也各不相同。静电屏蔽。静止电荷产生的电场称为静电场，当采用高灵敏度直流检测仪器时，静止电荷会感
12、应出异性静电荷从而使仪器的指针发生偏转，影响测量精度，甚至使测量无法进行。消除这种静电场噪声干扰的主要方法就是采用静电屏蔽。,上一页,下一页,返回,7.3 噪声干扰的抑制,低频磁感应屏蔽。低频磁感应屏蔽的原理是使绝大部分磁通量经屏蔽体通过，所以要选用导磁性能好的材料做屏蔽罩，一般选用铁磁材料，在要求高的场合，可采用双层屏蔽的方法。高频磁感应屏蔽。对高频磁场的屏蔽也就是对辐射电磁场的屏蔽，通常采用金属屏蔽罩。3.隔离 当信号电路在两端接地时，很容易形成环路电流，引起噪声干扰，消除这一干扰通常采用隔离的方法。,上一页,下一页,返回,7.3 噪声干扰的抑制,隔离一般是切断两个或多个系统之间电的直接联
13、系，而改用物理量实现系统之间的联系。按照采用隔离器件的不同，隔离方法主要有变压器隔离和光电耦合隔离两种。在两个电路之间加入隔离变压器可以切断地环路，实现前后电路的隔离，变压器隔离只适用于交流电路。在直流或超低频测量系统中，常采用光电耦合的方法实现电路的隔离。4.滤波 采用滤波器可以抑制电源噪声及耦合到本电路中的噪声。根据使用目的的不同，可将滤波器分成以下几种。电源滤波退耦滤波有源滤波数字滤波,上一页,下一页,返回,7.3 噪声干扰的抑制,5.光电耦合器 使用光电耦合器切断地环路电流干扰是十分有效的。由于两个电路之间采用光束来耦合，所以能把两个电路的地电位完全隔离开，这样一来，两个电路的地电位即
14、使不同也不会造成干扰。光电耦合对数字电路很适用，但在模拟电路中因其线性度较差而很少应用。近来在模拟电路中开始应用光反馈技术，光反馈技术对光电耦合器中的非线性失真可进行校正。随着科学技术的发展，光电耦合器的性能不断提高，其在模拟电路中的应用也会越来越广。,上一页,返回,7.4 调制与解调电路,在生产和科学实验中，经过传感器检测到信号多为微弱的、变化缓慢的、类似于直流的信号，若采用一般的直流放大器进行放大，产生的零点漂移会影响测量精度。通常情况需要将这种微弱的、变化缓慢的、类似于直流的信号经调制器变成某种频率的交流信号，经交流放大器放大后再送解调器解调，使交流信号重新恢复到原来的被测信号。同时，为
15、了提高信号的抗干扰能力，一般采用隔离式数据放大器。而这些都涉及直流一交流一直流变换的问题，本节作简单介绍。,下一页,返回,7.4 调制与解调电路,7.4.1调制 将直流信号变换成交流信号的过程，称为调制。如图7-6所示为调制原理图。1.调制原理 当开关S以一定的时间间隔打开和闭合时，电容C允电或放电，设开关打开和闭合的一个完整过程所需要的时间为T,即一个周期，并令R1=R2 在前半个周期内，设开关S打开，则等效电路如图7-7所示。在后半个周期内，开关S闭合，则等效电路如图7-8所示,上一页,下一页,返回,7.4 调制与解调电路,当电路处于稳定状态时，充电电荷等于放电电荷，故充电电流等于放电电流
16、，在负载RL两端的输出电压大小相等，方向相反。显然，在一个周期T内，输出电压是具有正负值的矩形交流电压，如果开关S按照一定时间规律断开和闭合，则会输出连续的矩形交流电压信号u0，其波形如图7-9所示。2.两种常见的调制器 由以上分析可知，经调制的输出电压频率是开关S每秒钟通断的次数。因此，实现调制的必备条件是开关元件和控制开关的信号。常见的调制器有晶体管调制器和提高输出电压的晶体管调制器。,上一页,下一页,返回,7.4 调制与解调电路,7.4.2解调 当直流信号被调制成交流信号后，若再将该交流信号还原成直流信号，这一过程称为解调。如图7-13所示为解调原理图。1.调制原理 当ui为正值、开关S
17、断开时，电容C通过电阻R充电，输出电压=;当为负值、开关S闭合时，电容C通过电阻R放电，输出电压UO=uC。当电路处于稳态时，充电电荷等于放电电荷，电容两端电压在允放电过程中变化很小，则负载RL，两端的电压为直流输出电压信号UO，其波形图如图7-14所示,上一页,下一页,返回,7.4 调制与解调电路,2.两种常见的解调器 常见的解调器主要有二极管解调器和三极管解调器，如图7-15和图7-16所示。,上一页,返回,7.5 D/A、A/D转换电路及接口,检测技术中，传感器的输出信号常为连续变化的量，若要满足数字仪表和数字控制系统中的传送、运算、处理和显示等需要，就需要将数字量变换为模拟量，或将模拟
18、量变换为数字量，即D/A,A/D转换。下面来介绍这两种转换电路。7.5.1 D/A转换电路 D/A转换的电路有多种形式，但用的较多的是T形电阻网络转换电路。如图7-18为四位D/A转换电路，主要由T形电阻网络、模拟开关S1，S2，S3，S4运算放大器A构成。,下一页,返回,7.5 D/A、A/D转换电路及接口,7.5.2 A/D转换电路 A/D转换的电路有多种，但用的较多的是逐次逼近法。如图7-19为四位A/D转换电路，主要由电压比较器、D/A转换器、顺序脉冲发生器、数码寄存器和逐次逼近寄存器等部分组成。逐次逼近寄存器由四个J-K 触发器构成，其输出是四位二进制数;顺序脉冲发生器是一个逻辑控制
19、电路，其输入是时钟脉冲C,输出是C1，C2，C3和C4。T形电阻网络是D/A转换器的核心部分，它的输入是逐次逼近寄存器的四位数码，输出是模拟量UO。,上一页,下一页,返回,7.5 D/A、A/D转换电路及接口,7.5.3 传感检测系统中的微机接口 传感检测系统中的微机接口是将被测的模拟量，如位移、速度、加速度、压力、流速、温度、震动等非电量，经过传感器、放大器、采样保持器、A/D转换后输入微机。如图7-21所示。1.传感检测系统中微机接口的基本方式 微机是数字装置，而传感检测信号有开关量、数字量和模拟量，与此相应的有三种基本接口方式。,上一页,下一页,返回,7.5 D/A、A/D转换电路及接口
20、,1)开关量接口方式。开关型传感器输出的是逻辑“1”或“0”，通过三态缓冲器即可传输给微机。2)数字量接口方式。数字型传感器输出的是二进制代码、BCD代码、脉冲序列等，可直接或通过三态缓冲器传送给微机。3)模拟量接口方式。微机处理的是数字信号，而传感器检测的信号多为模拟信号，需要通过A/D转换才能被微机接受。这三种基本接口方式与微机相连时，为解决外部设备与CPU之间通信的同步及中断等问题，常采用I/O接口芯片。,上一页,下一页,返回,7.5 D/A、A/D转换电路及接口,2.A/D转换器与CPU连接需解决的技术问题 A/D转换器与CPU连接需解决的技术问题主要有两个:一是A/D转换器与CPU的
21、时间协调，二是A/D转换器的位数大于CPU的数据位数时的连接方法。1)A/D车令换器与CPU的时间协调。A/D转换器又称ADC，其时间常数远比CPU的指令周期长，为了得到正确的转换结果，A/D转换器的转换与传送必须通过CPU进行控制。其控制方式有延时式、中断式和查询式三种。,上一页,下一页,返回,7.5 D/A、A/D转换电路及接口,2)A/D车令换器的位数大于CPU的数据位数时的连接方法。以12位ADC和8位CPU的连接为例，如图7-25所示。图中，通过外加三态锁存器以适应高、低字节分别传送信息的要求。CPU对口地址执行一条输出指令启动ADC，当转换结束时，再对该地址执行一条输入指令，将转换
22、的低8位直接送入CPU，同时将高4位打入三态锁存器，当对口地址执行一条输入指令时，将存于外加锁存器中的高4位数据送入CPU。,上一页,下一页,返回,7.5 D/A、A/D转换电路及接口,3.数据转换接口的典型结构 数据转换包括A/D转换和D/A转换两大类。以数据转换为核心，再根据需要附加多路转换开关、采样保持放大器或滤波器等，可构成完整的数据转换接口。由于电路成本与性能方面的不同要求，数据转换接口有不同的结构形式。1)高电平单路信号调理单ADC系统。如图7-26所示。这种结构性能一般，但成本低。其特点是全部输入通道共用一路信号调理电路，同时为了降低多路开关引人的误差，要求输入的模拟信号具有较高
23、的电平，否则需要采用能接受微弱信号的高精度多路模拟开关。,上一页,下一页,返回,7.5 D/A、A/D转换电路及接口,2)低电平多路信号调理单ADC系统。如图7-27所示。这是一种常见的数据采集系统结构框图，具有较高的性能，每个通道均有各自的信号调理电路，通过多路模拟开关分时与采样保持电路相连。该电路结构中的模拟输入一般为低电平的微弱信号，经信号调理电路后输出高电平信号送入多路模拟开关。由于模拟开关处理的是高电平模拟信号，因此误差要小些。3)多路信号调理多ADC系统。如图7-28所示。这种数据采集系统结构通过多路ADC转换的数字信号经多路数字开关送入微机。其成本较高，但性能较好。,返回,上一页
24、,图7-1 直流电桥电路,返回,图7-2 反相放大器的基本电路,返回,图7-3 同相放大器的基本电路,返回,图7-4 差动放大器的基本电路,返回,图7-6 调制原理图,返回,图7-7 调制等效原理图,返回,图7-8 调制等效原理图,返回,图7-9 调制电路输出波形图,返回,图7-13 解调原理图,返回,图7-14 解调器输出波形图,返回,图7-15 二极管解调器,返回,图7-16 三极管解调器,返回,图7-18 四位D/A转换电路,返回,图7-19 四位A/D转换电路,返回,图7-21 微机及其接口示意图,返回,图7-25 12位ADC和8位CPU的连接,返回,图7-26 高电平单路信号调理单ADC系统结构框图,返回,图7-27 低电平单路信号调理单ADC系统结构框图,返回,图7-28 多路信号调理多ADC系统结构框图,返回,返回,
