检测电路(9).ppt

第八章检测电路 同相比例放大器反相比例放大器电流电压变换放大器差动放大器自举型高输入阻抗放大器斩波稳零放大器仪用放大器隔离放大电路 同相比例放大 Au 1十Ri R2 输入阻抗 增益 ri ri 1十AF ri 运放的开环输入阻抗 A 运放的开环增益 F 电路的反馈系数 例 某放大器ri 104 开环增益为104 F 0 1 闭环增益为10 则放大器的闭环输入阻抗为107 反相比例放大 Au Rf R1 限制带宽 增益 特点 性能稳定 但输入阻抗较低 注意 在实际电路中 由于电阻的最大值不能超过10M R如果要提高反相放大器的输入阻抗 电路的增益要受到限制 电流电压变换放大 U0 Rf is U0 R1 R2 Rf i1 io A IS 增益 放大电路的精度取决于Rf的稳定性 差动放大 U0 A R1 R1 R2 R2 UC US 2 US 2 U U U1 U2 扩大输入共模电压范围 增益 特点 提高电路共模抑制比 减小温度漂移 自举型高输入阻抗放大器 I1 R 2R1 Ui A1 U0 A2 Rp R1 Rp R2 R2 I Ii U01 A1 斩波稳零放大器 1 闭环状态斩波稳零放大器 1 2 0 0 T1 T1 T2 T2 A1 OSC A2 Ui C1 S1 S3 S2 1 2 A3 Uo C2 图中开关S2和电容C1以及S3 C2 A3分别构成两个采样 保持电路 第一个采样 保持电路用来对放大器Al进行动态校零 第二个采样 保持电路用来维持输出电压的连续性 内部时钟CP由振荡器 OSC 提供 若在时钟 0 T1时间内 开关S1 S2 S3 停在 端位置 即S2接通 S1 S3断开 相应电路状态如下图 电路的工作分两个阶段 由时钟控制开关完成 第一阶段为误差检测与寄存第二阶段为动态校零和放大 在此时间内 电容Cl记存了Al的失调电压Uos1 此段时间是放大器误差检测和寄存阶段 由于此时A3与A1之间被切断 S3断开 所以A3的输出电压UO为 U0 Uc2 C2上记有的电压Uc2 是前一时刻放大器A1的输出电压 在时钟T1 T2时间内 开关S1 S2 S3停留在 端位置上 即S1 S3接通 S2断开 相应的电路状态如图 这时 Al同相端与输入信号Ui接通 由于A1的反相端还保存着前一时刻的失调电压Uc1 Uos1 所以这时A1的输出电压Uol为 上式表明 A1的输出电压不受放大器失调电压的影响 只与输入信号电压有关 因此 此段工作时间称为 动态校零和放大输入信号 的工作阶段 这时总输出电压Uo为 当时钟控制开关再回到 端位置时 Uc2保持不变 放大器A3 接成跟随器工作 继续以A1vUi的幅值向外输出 保证了输出电压的连续性 开关的反复通断 Al的漂移不断被校正 这就是动态校零的工作原理 开关S1 S2 S3一般用MOSFET完成 2 开环状态斩波稳零放大器 失调误差逐级存储放大器 开环状态斩波稳零放大器原理图 A2 A1 Ui Uos Uo1 Uc U01 S1 S2 C U0 当开关S1 S2都接地 即开关处于图示位置时 放大器输入端对地短路 输出失调电压Uoff使电容器C两端充电至Uc Uoff Uoff为 Uoff A1dUos 电容C上存储的误差信号为放大器输出失调电压 电容器C又称为记忆电容器 A1d为A1放大器的开环电压增益 当开关S2断开 S1接通输入信号Ui时 放大器输出电压U0为 输出到下一级的电压 可见 输出失调电压完全抵消 即失调电压被存储在输出回路的串接电容两端 利用此电压自行抵消放大器输出的失调 达到稳零的目的 由于误差采样期间放大器处于开环运用 必须防止放大器被失调电压驱入饱和状态 因此 每级的增益不能太高 一般低于100倍 为获得足够高的总增益 需要多级放大器串接 从而构成逐级采样存储MOS集成运放 如图 Uo Ui A1 A2 A3 S1 S2 S3 S4 C1 C2 Cn 电路工作的两个阶段由时钟控制MOSFET开关完成 以上分析建立在下一级Ri无穷大 Ci为零的理想条件下 如果不满足条件 则由于输入电阻引起的电流以及由于输入电容引起的电荷再分布 都会使即失调电压不能被完全抵消 此外 时钟控制脉冲经分布电容耦合到MOS管栅极 也将引入失调电压 实验表明 采用斩波稳零后 总失调电压可减小两个数量级 且温度稳定性很好 在实际电路中 采用差动式失调逐级存储斩波稳零放大器 可进一步改善失调和漂移 这种电路常见于大规模MOS模拟集成电路之中 如用作A D 模 数 转换器或比较器 仪用放大器 测量放大器由两级组成 两个对称的同相放大器构成第一级 第二级为差动放大器 减法器 失调参数的影响 假设由三运放失调电压VOS及失调电流IOS所引起的误差电压折算到各运放输入端的值分别为 V1 V2和 V3 误差电压极性如图 假设输入信号为零 则输出误差电压为 若R4 R5 图示极性的 V1和 V2所引起的输入误差是相互抵消的 若运放A1和A2的参数匹配 则失调误差大为减小 V3折算到放大器输入端的值为2 V3 Af1 所以等效失调参数很小 即对运放A3的失调参数要求可降低些 A1 Vo R11 R1 A3 R8 Vi2 R7 R6 Vi1 R9 R10 A2 R2 R3 R4 R5 RW 氖泡 NL2 22k NL1 22k 氖泡 10k 10k 2k 22k 22k 22k 22k 2k 9k 10k 图为用于人体心电信号检测的实用三运放电路 为了避免外科手术过程中可能存在的高电压进入放大器造成损坏 图中使用了两个微型的氖灯NL1 NL1 作为电压限幅器 微型的氖灯价廉且具有对称性 当两端的电压低于击穿电压时其电阻接近于无穷大 所以它对电路没有负载影响 一旦两端的电压超过其击穿电压 一般为60V 则氖灯迅速导通 击穿后 氖灯本身呈负阻特性 使其两端的电压降低接近于零伏 从而保护了放大器 图中电位器RW用于调整电阻的比例使得电路的共模抑制比最大 调试电路是 在两输入端加载一个1V左右的信号 一般为50Hz 调整电位器RW使电路的输出最小 即共模电压增益最小 从而共模抑制比最大 如果电路中有需要调整的参数 通常是电阻阻值 有时也需要调整电容值 把要调整的参数分成两部分 固定部分和可调整部分 在一般的要求时 固定部分的取值为该参数总的标称值的90 可变部分为20 在要求比较高时 固定部分的取值为该参数总的标称值的99 可变部分为2 隔离放大电路 指前级放大器与后级放大器之间没有电的联系 而是利用光或磁来耦合信号 iF iO iF iO iF iO c e iF iO e c 硅光敏二极管 传输线性良好和线性范围宽 传输增益最小 硅光敏三极管 有一定传输增益 但小电流与大电流增益严重不一致 传输线性较差 达林顿型 由于经过两次电流放大 故传输增益最大 但传输线性最差 一般使用硅光敏三极管或达林顿型光电耦合器作模拟信号传输时 应合理地选择工作点 并将其工作范围限制在近似的线性传输区 在要求低失真和宽频带的高性能传输时 宜用光敏二极管型 这时可采用外接放大器来弥补其传输增益低的缺点 注意 光电隔离放大器的前 后级之间不能有任何电的连接 即使是 地线 也不能连接在一起 前 后级也不能共用电源 否则就失去了隔离的意义 一般前级放大器可以采用电池供电 或采用DC DC变换器供电 VCC VCC A1 Vi R2 R1 A2 R3 T OE VO E 网上作业提交 不少于1000字1 叙述传感器的地位和作用2 设计一种传感器应用实例3 查找并写出教材以外的一种传感器的工作原理 应用实例提交至 SENSOR JLU EDU CN 网络课程 作业提交任选一题 独立完成 第九章现代检测系统 计算机检测系统基本组成框图传感器选择多路模拟开关A D转换器D A转换器取样保持电路 被测对象 传感器 信号调理 多路模拟开关 取样保持 检测系统 功率放大 激励装置 低通滤波 A D 显示 RAM CPU ROM 键盘 计算机总线 D A 计算机检测系统基本组成框图 传感器选择 基本参数指标 环境参数指标 可靠性指标 其他指标 量程指标 量程范围 过载能力等灵敏度指标 灵敏度 分辨力 满量程输出等精度有关指标 精度 误差 线性 滞后 重复性 灵敏度误差 稳定性动态性能指标 固定频率 阻尼比 时间常数 频率响应范围 频率特性 临界频率 临界速度 稳定时间等 温度指标 工作温度范围 温度误差 温度漂移 温度系数 热滞后等抗冲振指标 允许各向抗冲振的频率 振幅及加速度 冲振所引入的误差其他环境参数 抗潮湿 抗介质腐蚀等能力 抗电磁场干扰能力等 工作寿命 平均无故障时间 保险期 疲劳性能 绝缘电阻 耐压及抗飞弧等 使用有关指标 供电方式 直流 交流 频率及波形等 功率 各项分布参数值 电压范围与稳定度等外形尺寸 重量 壳体材质 结构特点等安装方式 馈线电缆等 多路模拟开关 主要技术指标 导通电阻 200 关断漏电流 nA pA开关时间 数百ns 译码器 A0 S0 A2 OUT S2 S1 S3 S5 S4 S7 S6 A D转换器 逐次逼近式 双积分式 V F变换式 并行式 串行式 过采样 型 逐次逼近式 逐次逼近式ADC特点 中速 中精度的反馈型 双积分式 控制逻辑 积分器 比较器 计数器 时钟 数字量输出 斜率固定 A B T T1 T2 积分输出 0 t R C Vi Vr S 过采样 型 以很低的采样分辨率和很高的采样速率将模拟信号数字化 通过使用过采样 噪声整形和数字滤波等方法增加有效分辨率 然后对ADC输出进行采样抽取处理以降低有效采样速率 过采样是指以远远高于奈奎斯特 Nyquist 采样频率的频率对模拟信号进行采样 V F变换式 由V F转换器和计数器构成 其特点 与积分式ADC一样 对工频干扰有一定的抑制能力 分辨率较高 特别适合现场与系统距离较远的应用场合 易于实现光电隔离 并行式 是一种非反馈型的高速ADC 采样速度可达1G次 秒 也称 闪烁式 ADC 串行式 将转换结果以串行方式逐位输出 D A转换器 R R R c b a 2R 2R 2R 2R S0 Sn 3 Sn 2 Sn 1 an 3 an 2 an 1 a0 UR A U0 RF 2R 取样保持电路 在对模拟信号进行A D变换时 从启动变换到变换结束 需要一定的时间 即A D转换器的孔径时间 当输入信号频率较高时 由于孔径时间的存在 会造成较大的孔径误差 要防止这种误差的产生 必须在A D转换开始时将信号电平保持不变 而在A D转换结束后又能跟踪输入信号的变化 即输入信号处于取样状态 能完成上述功能的器件称为取样保持器 取样保持器在保持阶段相当于一个 模拟信号存储器 在A D转换过程中 取样保持对保证A D转换的精确度具有重要作用 取样保持 x t S t t t 取样控制信号 输出 输入 S C 输入 控制信号 输出 a 取样保持电路 实际保持电压 延时引入误差 应保持电压 获得时间 保持 取样 b 取样保持工作状态 TheEnd 第十一章波式和射线式传感器 第一节超声波式传感器 振动在弹性介质内的传播称为波动 简称波 频率在16 2 104Hz之间 能为人耳所闻的机械波 称为声波 低于16Hz的机械波 称为次声波 频率高于2 104Hz的机械波 称为超声波 当超声波由一种介质入射到另一种介质时 由于在两种介质中传播速度不同 在介质面上会产生反射 折射和波形转换等现象 一 超声波的波形及其物理性质 1 超声波波型及其转换由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同 声波的波型也不同 通常有 纵波 质点振动方向与波的传播方向一致的波 它能在固体 液体和气体中传播 横波 质点振动方向垂直于传播方向的波 只能在固体中传播 表面波 质点的振动介于横波与纵波之间 沿着表面传播的波 表面波随深度增加衰减很快 表面波振动轨迹是椭圆型 在固体表面传播 2 波型转换 当纵波以某一角度入射到第二介质 固体 的界面上时 除有纵波的反射 折射外 还发生横波的反射和折射 在某种情况下 还能产生表面波 3 超声波的反射和折射 在两界面处 声波的传输与光传输类似 符合反射定律和折射定律 C1与C2为声波在第一介质和第二介质中传播声速 反射定律 入射波与反射波的波形相同 波速相等时 折射定律 超声波的反射和折射 4 超声波的衰减 声波在介质中传播时 随着传播距离的增加 能量逐渐衰减 其衰减的程度与声波的扩散 散射及吸收等因素有关 其声压和声强的衰减规律为 Px Ix 距声源x处的声压和声强 x 声波与声源间的距离 衰减系数 11 2 11 3 10 2超声波传感器的应用 一 超声波传感器为了以超声波作为检测手段 必须产生超声波和接收超声波 完成这种功能的装置就是超声波传感器 习惯上称为超声波换能器 或超声波探头 超声波测距原理 超声波发射探头发出的超声波脉冲在介质中传到相介面经过反射后 再反回到接收探头 超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷 称为压电式超声波探头 它是实现声 电转换的装置 利用压电材料的压电效应来工作的 逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动 从而产生超声波 可作为发射探头 利用正压电效应 将超声振动波转换成电信号 可用为接收探头 超声波频率与厚度的关系 晶片沿x轴的弹性模量 晶片密度 超声波频率f与其厚度 成反比 超声波探头结构 2 超声波液 物 位传感器 从探头发出超声波脉冲通过介质到达液面 经过反射后又被探头接收 测量发射与接收超声波脉冲的时间间隔和声波在介质中传播速度 可求出探头与液面之间的距离 实现液位 物位 的测量 根据发射和接收换能器的功能 传感器又可分为单换能器和双换能器 对于单换能器 复合换能器 来说 超声波从发射到液面 又从液面反射到换能器的时间为 对于双换能器 一对 来说 超声波从发射到被接收经过的路程为2s 而s 因此液位高度为 h s2 a2 1 2 2 超声波流量传感器 超声波传输时间差法测流量 超声波在流体中传输时 在静止流体和流动流体中的传输速度是不同的 利用这一特点可以求出流体的速度 再根据管道流体的截面积 便可知道流体的流量 如果在流体中设置两个超声波传感器 复合探头 它们可以发射超声波又可以接收超声波 一个装在上游 一个装在下游 其距离为L 如设顺流方向的传输时间为t1 逆流方向的传输时间为t2 流体静止时的超声波传输速度为c 流体流动速度为v t1 t2 超声波传播时间差为 t t2 t1 流体的流速为 v C V 实际应用中 超声波传感器安装在管道的外部 从管道的外面透过管壁发射和接收超声波不会给管路内流动的流体带来影响 也有利于安装 当探头1为发射探头 2为接收探头时 超声波传播速度为 顺流传播时间t1为 当探头2为发射探头 1为接收探头时 超声波传播速度为 逆流流传播时间t2为 时差为 流体的平均流速为 该方法测量精度取决于时间差的测量精度 且C是温度的函数 高精度测量需进行温度补偿 3 超声波探伤脉冲反射法 超声波发射到被测试件后 传播到有声阻抗的界面上 产生反射 反射波显示在示波器屏幕上 B F T 纵波探测分一次反射波法和多次反射波法 一次反射波按时间顺序屏幕上显示发射波 表面反射波和底面反射波 若工件内部有缺欠 对超声波有较强的吸收 底波幅度减小 多次反射波以多次底波反射为依据 底波反射回探头时 一部分声波被探头接收 另一部分又返回底部 多次反射 直至声能全部衰减完为止 当试件有缺欠时 声波衰减很大 底波反射次数减少 直至消失 由此判断有无缺欠及缺欠的严重程度 第二节微波式传感器 一 微波的基础知识 微波是波长为1m一1mm的电磁波 具有下列特点 空间辐射的装置容易制造 遇到各种障碍物易于反射 绕射能力较差 传输特性良好 介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例 水对微波的吸收作用最强 微波式传感器的组成 微波振荡器和微波天线 二 微波传感器 测量原理 由发射天线发出的微波 遇到被测物体时将被吸收或反射 使功率发生变化 若利用接收天线接收通过被测物或由被测物反射回来的微波 并将它转换成电信号 再由测量电路处理 就实现了微波检测 微波传感器可分为反射式与遮断式两种 1 反射式传感器 通过检测被测物反射回来的微波功率或经过时间间隔来表达被测物的位置 厚度等参数 2 遮断式传感器 通过检测接收天线接收到的微波功率的大小 来判断发射天线与接收天线间有无被测物或被测物的位置等参数 三 微波传感器的应用1 微波液位计 微波发射天线 微波接收天线 当发射功率 波长 增益均恒定时 只要测得接收功率 就可获得被测液面的高度 2 微波物位计 1 当被测物位较低时 发射天线发出的微波束全部由接收天线接收 经放大