传感器信号处理与接口1课件

1、传感器信号处理与接口(1)1第五节第五节 信号传送方式信号传送方式 传感器信号的传送方式，分为四线式、三传感器信号的传送方式，分为四线式、三线式、二线式。线式、二线式。 传感器信号的传送分两种情况，传感器信号的传送分两种情况，变送器前变送器前敏感元件后敏感元件后和和变送器后到二次仪表之间的信号变送器后到二次仪表之间的信号传送传送。传感器信号处理与接口(1)2一、四线式传送方式一、四线式传送方式123u1opamp_3t_virtual123u2opamp_3t_virtual123u3opamp_3t_virtualr110kohmr210kohmr310kohmr410kohmr510koh

2、mr610kohmr710kohmr8100ohmr9100ohmr10200ohmi11a传感器信号处理与接口(1)3二、二线式传送方式二、二线式传送方式传感器信号处理与接口(1)4三、三线式传送方式三、三线式传送方式v1rrrtrv2v+vo2314121234()()r rr rvvvrrrr2314121234sr rr rvvirrrr传感器信号处理与接口(1)5第六节第六节 转换电路转换电路一、电压一、电压-电流转换电路电流转换电路(v/i) 1. 分立元件分立元件 v-i变换的原理变换的原理 书中的实例书中的实例 （1）15v 电压信号转换为电压信号转换为420ma （2） 01

3、0 电压信号转换为电压信号转换为420ma传感器信号处理与接口(1)6传感器信号处理与接口(1)7传感器信号处理与接口(1)8010 电压信号转换为电压信号转换为420ma传感器信号处理与接口(1)9传感器信号处理与接口(1)102 集成芯片集成芯片 （1）电压电流转换接口芯片）电压电流转换接口芯片am442 am442是一个用于处理差分电桥信号的电压电流是一个用于处理差分电桥信号的电压电流转换接口集成电路。它不仅能通过二线制方式将输转换接口集成电路。它不仅能通过二线制方式将输入信号转换成标准的入信号转换成标准的4-20ma电流信号，而且也能通电流信号，而且也能通过三线制方式输出过三线制方式输

4、出0/4-20ma的电流信号。的电流信号。传感器信号处理与接口(1)11 xtr101 xtr101是一个精密、低漂移的双线变送器，是一个精密、低漂移的双线变送器，它可以把微弱的电压信号进行放大并变换成它可以把微弱的电压信号进行放大并变换成4ma4ma20ma20ma的电流信号后进行远距离传送。它由的电流信号后进行远距离传送。它由一个高精度的仪表放大器、压控输出电流源和一个高精度的仪表放大器、压控输出电流源和2 2个精密的个精密的1ma1ma电流源组成。电流源组成。（2）xtr 101 xtr103 xtr 104 xtr 105 xtr 106 xtr112 xtr 114传感器信号处理与接

5、口(1)12传感器信号处理与接口(1)13 二、电流二、电流-电流转换电路电流转换电路书中的实例书中的实例 （1）010ma 电流信号转换为电流信号转换为420ma （2）420ma 电流信号转换为电流信号转换为010ma传感器信号处理与接口(1)14三、电流三、电流-电压变换（电压变换（i/v） 1. 分立元件分立元件123u1opamp_3t_virtual123u2opamp_3t_virtual123u3opamp_3t_virtualr110kohmr210kohmr310kohmr410kohmr510kohmr610kohmr710kohmr8100ohmr9100ohmr102

6、00ohmi11a传感器信号处理与接口(1)15负载接地传感器信号处理与接口(1)162. 集成芯片集成芯片max 471 max472传感器信号处理与接口(1)17传感器信号处理与接口(1)18四、电阻四、电阻-电压变换电路电压变换电路n-channel silicon mosfet传感器信号处理与接口(1)19五、电压五、电压-频率变换电路频率变换电路(voltage -to-frequency converter)v/ff/vmcu传感器信号处理与接口(1)20 icl8038是intel公司生产的中规模集成电路，外加其它电路制作高质量v/f转换电路。 lm331是美国ns公司生产的性能

7、价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器、a/d转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。lm331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0v电源电压下都有极高的精度。lm331的动态范围宽，可达100db；线性度好，最大非线性失真小于0.01，工作频率低到0.1hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成v/f或f/v等变换电路，并且容易保证转换精度。传感器信号处理与接口(1)21传感器信号处理与接口(1)22传感器信号处理与接口(1)23六、电容量六、电容量-频率变换电路频率变换电路( ca

8、pacitance-to-frequency converter)传感器信号处理与接口(1)24七、频率七、频率-电压变换电路电压变换电路(frequency -to- voltage converter) f/v转换电路各种各样，通常用单稳态触发器转换电路各种各样，通常用单稳态触发器和平均电路构成。和平均电路构成。(0-100hz转为转为0- -10v)传感器信号处理与接口(1)25 f/v转换集成电路转换集成电路 advfc32 lm331传感器信号处理与接口(1)26传感器信号处理与接口(1)27八、电荷八、电荷-电压变换电路电压变换电路 (charge-to-voltage conve

9、rter)传感器信号处理与接口(1)28第七节第七节 模数转换电路模数转换电路a-d转换转换(analog-to-digital conversion)a-d转换器的种类转换器的种类 并行比较并行比较(“闪电闪电”式式)adc 逐次逼近逐次逼近adc 积分型积分型adc “流水线流水线” adc -adc传感器信号处理与接口(1)29一、直接转换一、直接转换adc 直接转换直接转换adc也称也称“闪电闪电”式式(flash)，这种结构的，这种结构的adc速速度极快，所有位的转换同时完度极快，所有位的转换同时完成，成， 但要求高密度集成数量巨但要求高密度集成数量巨大的比较器，一个大的比较器，一个

10、n位分辨率位分辨率的转换器需要的转换器需要2n-1个比较器。个比较器。参考电压由一个电阻网络设定，参考电压由一个电阻网络设定，彼此相差彼此相差vref/2n，当输入电压，当输入电压vin加上以后，所有比较器将加上以后，所有比较器将 vin与各自的参考电压值进行比与各自的参考电压值进行比较。输出经一个编码逻辑单元较。输出经一个编码逻辑单元编码后产生转换器的并行编码后产生转换器的并行 n位位数据输出，虽然直接转换数据输出，虽然直接转换 adc 具有最快的速度，具有最快的速度，(目前可达几目前可达几个个ghz)，但其分辨率受到集成，但其分辨率受到集成度的限制，其过大的输入电容度的限制，其过大的输入电

11、容及大量的比较器产生的功率耗及大量的比较器产生的功率耗散，都将使该种转换器的应用散，都将使该种转换器的应用受到影响。受到影响。 传感器信号处理与接口(1)30二、逐次逼近二、逐次逼近adc 逐次逼近逐次逼近adc或称为位权转换技术，这种结构如图或称为位权转换技术，这种结构如图 ，采用一个比较器和，采用一个比较器和一个一个n位数模转换器位数模转换器(dac)和一个逐次逼近寄存控制器和一个逐次逼近寄存控制器(sar)等组成，当开始等组成，当开始转换时，转换时，sar将高位设置为将高位设置为 1， dac将该值转换模拟量后由比较器与输入电压将该值转换模拟量后由比较器与输入电压进行比较，当高于输入电压

12、时则进行比较，当高于输入电压时则sar将第将第 1位设为位设为 0，同时设置第二位为，同时设置第二位为 1进进行下一次比较，当行下一次比较，当 dac电压低于输入电压时电压低于输入电压时 sar将该位设为将该位设为 1，同时设置下，同时设置下一位为一位为 1，这样直到第，这样直到第 n位设置并判断完成后，位设置并判断完成后， sar将此比较结果作为将此比较结果作为 adc的输出。这种转换技术具有功耗较低，很低的生产成本，但其输入带宽低，采的输出。这种转换技术具有功耗较低，很低的生产成本，但其输入带宽低，采样速率不高样速率不高(最高达最高达1mbps)。 传感器信号处理与接口(1)31三、积分型

13、三、积分型adc 积分型积分型adc又称双斜率转换技术，它包括两个主要部分，一部分电又称双斜率转换技术，它包括两个主要部分，一部分电路采样并量化输入电压，产生一个时域间隔，另一部分产生脉冲序列，路采样并量化输入电压，产生一个时域间隔，另一部分产生脉冲序列，再由一个记数器将其转换成数字量。如图再由一个记数器将其转换成数字量。如图6，图，图7，积分型，积分型 adc的速度和的速度和带宽都非常低，但它们抑制高频噪声和固定的低频干扰的能力很强。带宽都非常低，但它们抑制高频噪声和固定的低频干扰的能力很强。 传感器信号处理与接口(1)32四、四、-转换器转换器 -转换器又称过采样转换器，这种转换器由转换器

14、又称过采样转换器，这种转换器由-调制器及数字滤波器和调制器及数字滤波器和1位位dac构成，如图构成，如图8，输入信，输入信号送入号送入-adc后被后被1位位dac进行高速量化，经过数字进行高速量化，经过数字滤波处理后，得到转换记录。滤波处理后，得到转换记录。 传感器信号处理与接口(1)33五、五、“流水线流水线” adc “流水线流水线” adc又称为子区式模数转换器，它由级联的多级电路组成，又称为子区式模数转换器，它由级联的多级电路组成，每一级包含一个采样保持放大器，一个低分辨率每一级包含一个采样保持放大器，一个低分辨率adc和和dac，以及一个，以及一个求和电路和一个可提供增益的级间放大器

15、组成。首先由第一级执行较粗求和电路和一个可提供增益的级间放大器组成。首先由第一级执行较粗略的略的m位位a/d转换。按着由一个转换。按着由一个n位精度的位精度的dac将转换结果变回到将转换结果变回到2m的模的模拟电平与输入求差，最后由级间放大器将差值信号传入下一级，经过最拟电平与输入求差，最后由级间放大器将差值信号传入下一级，经过最后一级转换后，最后由较精确的低位闪电式转换器将最后的差值进行转后一级转换后，最后由较精确的低位闪电式转换器将最后的差值进行转换。将所有子区的转换结果组合起来，从而完成转换。换。将所有子区的转换结果组合起来，从而完成转换。 此结构简化了此结构简化了adc的设计，允许各子

16、区同时对多个采样进行处理。的设计，允许各子区同时对多个采样进行处理。非常低的功耗、很高的转换速度，可达非常低的功耗、很高的转换速度，可达10msps。该结构对噪声，带宽和。该结构对噪声，带宽和瞬态响应速度等都具有很大的改善。瞬态响应速度等都具有很大的改善。 “流水线流水线”adc不仅具有很高的采样率、很宽的输入频带，而且功耗不仅具有很高的采样率、很宽的输入频带，而且功耗低。低。传感器信号处理与接口(1)34简化的max1200系列14位流水线adc的内部逻辑传感器信号处理与接口(1)35六、六、3 位位a/d转换器转换器传感器信号处理与接口(1)36传感器信号处理与接口(1)37五、五、4 位

17、位a/d转换器转换器max1491 3 max1493/max1495 4 传感器信号处理与接口(1)38传感器信号处理与接口(1)39传感器信号处理与接口(1)40第八节第八节 数字显示数字显示一、荧光数码管显示一、荧光数码管显示传感器信号处理与接口(1)41二、二、led显示显示(light emitting diode ) 通过发光二极管芯片的适当连接（包括串联和并联）和适当的光学结通过发光二极管芯片的适当连接（包括串联和并联）和适当的光学结构。可构成发光显示器的发光段或发光点。由这些发光段或发光点可以组构。可构成发光显示器的发光段或发光点。由这些发光段或发光点可以组成数码管、符号管、米

18、字管、矩阵管、电平显示器管等。通常把数码管、成数码管、符号管、米字管、矩阵管、电平显示器管等。通常把数码管、符号管、米字管共称笔画显示器，而把笔画显示器和矩阵管统称为字符显符号管、米字管共称笔画显示器，而把笔画显示器和矩阵管统称为字符显示器。示器。 1. led字符显示器结构及分类字符显示器结构及分类 （一）（一）led显示器结构显示器结构 基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片按下图排列而成基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片按下图排列而成的。可实现的。可实现09的字符显示。的字符显示。 传感器信号处理与接口(1)42（二（二 ） led显示器分类显示器分类 a. 按字高分按字高分 b. 按颜色分按颜色分 c.按发光管电极的连接方式按发光管电极的连接方式 ：共阴极：共阴极 共阳极共阳极 d.按结构分：反射罩式按结构分：反射罩式 、条形七段数码管、单片集成、条形七段数码管、单片集成 传感器信号处理与接口(1)43led点阵式显示器点阵式显示器 led点阵式显示器与由单个发光二极管连成的显示器相比，具有焊点少、点阵式显示器与由单个发光二极管连成的显示器相比，具有焊点少、连线少，所有亮点在同平面、亮度均匀、外形美观等优点。连线少，所有亮点在同平面、亮度均匀、外形美观等优点。 点阵管根据其内部点阵管根据其内部le