第十章传感器信号的加工调理-2

1、天津工业大学天津工业大学电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院 主讲主讲 王红一王红一内容回顾内容回顾o4i31uRAuR o2i1uRAuR o2i2i11uRAuuR内容回顾内容回顾惠斯顿电桥惠斯顿电桥fof2/REuRR RffoAB114RR EuuRRf1of1/8(4/)ERRuRR内容回顾内容回顾RRR2134aRRR56bRRRobiag2(1)uRRGuRR obiag2(1)uRRGuRR 内容回顾内容回顾LH0084 是在仪器放大器的基础上实现的是在仪器放大器的基础上实现的PGA。l通过软件输出相应的编码控制信号通过软件输出相应的编码控制信号D0和和D1，以选择通道。，

2、以选择通道。l每个控制信号同时驱动两个每个控制信号同时驱动两个对称开关闭合对称开关闭合。l输出级增益输出级增益是通过是通过芯片引脚芯片引脚的不同接线来实现的。为了保的不同接线来实现的。为了保证较高共模抑制比，接地电阻与反馈电阻需证较高共模抑制比，接地电阻与反馈电阻需对称使用对称使用。l计算放大器增益的关键是正确无误地确定计算放大器增益的关键是正确无误地确定R、Rg和和Rb 。表表10-1 LH0084增益配置表增益配置表闭合开关闭合开关输入级增益输入级增益输出端子连输出端子连接接输出级增益输出级增益总增益总增益与与与与与与与与12510610, 13地地112510与与与与与与与与125107

3、10, 12地地4482040与与 与与与与 与与12510810, 11地地101020501000AS0BS1AS1BS2AS2BS3AS3BS0AS0BS1AS1BS2AS2BS3AS3BS0AS0BS1AS1BS2AS2BS3AS3BS第第10章章 传感器信号的加工调理传感器信号的加工调理第第10章章 传感器信号的加工调理传感器信号的加工调理 原因：在传感器将非电量转变成电信号的过程中，由于测试环境的电磁干原因：在传感器将非电量转变成电信号的过程中，由于测试环境的电磁干扰，以及传感器和放大器本身的原因，往往会产生扰，以及传感器和放大器本身的原因，往往会产生多种频率成分的噪声信号多种频率

4、成分的噪声信号，它们与有用的测量信号混杂在一起，影响着测量质量和效果。它们与有用的测量信号混杂在一起，影响着测量质量和效果。 分类：分类：（1）按滤波器的组成是否含有源器件：有源滤波器和无源滤波器；）按滤波器的组成是否含有源器件：有源滤波器和无源滤波器；（2）按选频特点：低通、高通、带通、带阻（或陷波）和全通滤波器；）按选频特点：低通、高通、带通、带阻（或陷波）和全通滤波器；（3）按电路的阶数：一阶滤波器、二阶滤波器和多阶滤波器；）按电路的阶数：一阶滤波器、二阶滤波器和多阶滤波器；（4）按实际幅频特性逼近理想幅频特性的方式：巴特沃斯滤波器；）按实际幅频特性逼近理想幅频特性的方式：巴特沃斯滤波器

5、；（Butterworth filter）、切比雪夫（）、切比雪夫（Chebyshev）滤波器、反切比雪夫）滤波器、反切比雪夫（Inverse Chebyshev）滤波器和考尔（）滤波器和考尔（Cauer）滤波器；）滤波器；（5）按信号形式：数字信号滤波器和模拟信号滤波器。）按信号形式：数字信号滤波器和模拟信号滤波器。（1）按滤波器的组成是否含有源器件：）按滤波器的组成是否含有源器件：有源滤波有源滤波是用是用【运放运放】【】【晶体管晶体管】等元件等元件【模拟模拟】电路中的电路中的【电感电感】【】【电电容容】组成滤波电路组成滤波电路; 无源滤波器无源滤波器是指用电感，电容，电阻，组成的滤波电路。

6、是指用电感，电容，电阻，组成的滤波电路。 （b）二阶带通有源滤波器）二阶带通有源滤波器 低通滤波器的功能是让直流信号在指定截止频率的低通滤波器的功能是让直流信号在指定截止频率的低频分量低频分量通过，而使高频分量有很大衰减通过，而使高频分量有很大衰减。低通滤波器一般用截止频。低通滤波器一般用截止频率率c、阻滞频率、阻滞频率s、直流增益、直流增益H0、通带波纹和阻带衰减等参、通带波纹和阻带衰减等参数来确定。数来确定。低通滤波器幅频特性低通滤波器幅频特性反馈式超低频低通滤波器反馈式超低频低通滤波器（2）按选频特点：）按选频特点：和全通滤波器；和全通滤波器； 高通滤波器是让高于指定截止频率高通滤波器是

7、让高于指定截止频率c的频率分量通过，而使的频率分量通过，而使直流及在指定阻滞频率直流及在指定阻滞频率s以下的低频分量有很大衰减。没有以下的低频分量有很大衰减。没有理想的幅频特性，由于寄生参数及有源器件带宽的限制，当理想的幅频特性，由于寄生参数及有源器件带宽的限制，当频率增至一定值时，幅值将下降。频率增至一定值时，幅值将下降。高通滤波器幅频特性高通滤波器幅频特性无限增益高通滤波器无限增益高通滤波器 带通滤波器是只允许通过某一频段的信号，在此频段两端带通滤波器是只允许通过某一频段的信号，在此频段两端以外的信号将被抑制或衰减。以外的信号将被抑制或衰减。带通滤波器幅频特性带通滤波器幅频特性二阶带通有源

8、滤波器二阶带通有源滤波器 带阻滤波器用来抑制或衰减某一频段的信号，让该频段以带阻滤波器用来抑制或衰减某一频段的信号，让该频段以外的信号通过。从输入信号中减去经带通滤波器处理过的外的信号通过。从输入信号中减去经带通滤波器处理过的信号，就可以得到带阻信号。因此可用带通滤波器和减法信号，就可以得到带阻信号。因此可用带通滤波器和减法电路合起来，就是一个带阻滤波器。电路合起来，就是一个带阻滤波器。低通滤波器幅频特性低通滤波器幅频特性二阶带阻滤波器二阶带阻滤波器以以 Butterworth 滤波器的传递函数为例滤波器的传递函数为例的传递函数为的传递函数为o00in( )( )( )11u sAAH ssu

9、 sRCs其中，其中，A0 通带电压增益，对无源滤波器有通带电压增益，对无源滤波器有A0=1; 为特征角频率。为特征角频率。幅频特性为幅频特性为: n1/RC02n()1AH j 传递函数为传递函数为2o0n22nin( )( )( )usAH su sssQ其中，其中，A0为通带电压增益；为通带电压增益； n 为特征角频率；为特征角频率； Q 为等效品质因数（为等效品质因数（quality factor） 。00224222nnnn()1121AAH jQQ对于低通滤波器，对于低通滤波器， 、和和是是一致的。一致的。幅频特性为幅频特性为若记若记 其中，其中，0( )( )AH sB s则对于

10、不同阶数的则对于不同阶数的 ，其，其 如表如表10-2所示。所示。 ( )H s( )B s( )B s1 s212ss2321 22(1)(1)ssssss 234221 2.6133.4142.613(1 0.765)(1 1.848)ssssssss2345221 3.2365.2365.2363.236(1)(1 0.618)(1 1.618)ssssssssss n12345表表10-2 Butterworth 多项式多项式nn/j/ss 本节讨论模拟有源低通和高通滤波器电路、传递函数和有关参数设计等问题。本节讨论模拟有源低通和高通滤波器电路、传递函数和有关参数设计等问题。 下图为有

11、限增益压控电压源的二阶低通滤波器二阶低通滤波器，由两个RC滤波电路和一个同相比例放大电路组成，同相比例放大电路就是压控电压源，具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点。下面推导传递函数，并设计有关参数。对同相放大器，其电压增益即对同相放大器，其电压增益即为低通滤波器通带电压增益：为低通滤波器通带电压增益：二阶低通滤波电路二阶低通滤波电路fO0UFP11RuAAuR (10-11)对对P点列基尔霍夫电流方程点列基尔霍夫电流方程APP1/()uuuRsC(10-12)再对再对A点列基尔霍夫电流方程点列基尔霍夫电流方程AoIAAP01/()uuuuuuRsCR(10-13) 联立式联立式 (10-11)(1

12、0-13) ，消除中间变量，消除中间变量uA和和uP ，即可得传递函数，即可得传递函数 OUF2IUF( )( )( )1+(3-)()usAH su sARCsRCs(10-14)二阶低通滤波电路二阶低通滤波电路OUF2IUF( )( )( )1+(3-)()usAH su sARCsRCs设设 ，以及，以及 n1/ RCUF13AQ则式（则式（10-14）变为典型二阶低通滤波器传递函数）变为典型二阶低通滤波器传递函数2UFn0222nnnn( )1s1QAAH ssssQ其中，其中， 为特征角频率，为特征角频率，Q 为等效品质因数。为等效品质因数。n 从式从式（10-14）可知，当可知，当

13、 时，电路稳定工作，当时，电路稳定工作，当 时，时， 有极点在有极点在s 右半平面或虚轴上，电路不能稳定工作。所以，这是一种右半平面或虚轴上，电路不能稳定工作。所以，这是一种有限增益的低通滤波器。有限增益的低通滤波器。0UF3AA0UF3AA( )H s(10-16)(10-15)(10-14) 例例10-2 按图按图 10-16 所示电路的巴特沃斯二阶低通滤波器电路，所示电路的巴特沃斯二阶低通滤波器电路，设计相关参数。具体要求为：截止频率设计相关参数。具体要求为：截止频率fH=100HZ，试确定电路元，试确定电路元件件C、R、R1和和 Rf 的参数。的参数。解：解：(1) 确定确定 C 和和

14、 R由于特征频率与截止频率相等，由于特征频率与截止频率相等，所以所以Hn1RC取取 ，则，则0.047FC 6H1133.863k21000.047 10RC设设 ，考虑二阶低通滤波器，由表，考虑二阶低通滤波器，由表 10-2 中中n=2 行，有行，有H/ss02( )21AH sss将此式与式将此式与式（10-16）相比较，由分母，有相比较，由分母，有 。1/2Q 由式（由式（10-15）有：）有： UF03 1/32AAQ再由式（再由式（10-11）有：）有： fUF1122RAR 所以所以 f10.586RR (2) 确定确定 和和 1RfR 考虑运算放大器两输入端外接电阻需满足平衡条件

15、，即考虑运算放大器两输入端外接电阻需满足平衡条件，即f1/67.726KRRRR再与式再与式（10-17）联立，可解得联立，可解得1183.3kR f107.413KR （10-17） 图中，运算放大器图中，运算放大器A1为工作在负反馈状态的放大器，为工作在负反馈状态的放大器，A2为同相放大器，为同相放大器， A3为电压跟随器。下面推导传递函数。为电压跟随器。下面推导传递函数。 反馈式超低频低通滤波器反馈式超低频低通滤波器 对对A1输入端口有：输入端口有： n1inifuuuuRRi2pnifRuuuRR消除消除un 后，有后，有 f21iiRuuuR对对 A2有有32o34RuuRR对对 A

16、3 有：有： ，且，且 abouuu(10-18)(10-19)(10-20)联立式（联立式（10-18）、（）、（10-19）和（）和（10-20），消去），消去u1和和u2，可得电路传递函数，可得电路传递函数12121/1/usCRRsCRuo11423fo1ii14123( )( )( )1RRRRRusH su sRRRR CsRR 令：令： 114123RRR CRR（时间常数），（时间常数）， 1f140i23ARRRRRR （增益）（增益）0A( )1H ss则上式可表达为则上式可表达为一阶低通滤波器一阶低通滤波器无限增益二阶高通滤波器无限增益二阶高通滤波器对对A点点列电流方程列

17、电流方程AOIAAA11320111uuuuuuRsCsCsC对对 N 点点列电流方程列电流方程OA231uuRsC联立上面两电流方程，消去联立上面两电流方程，消去 uA 后，有后，有 21221223231223( )1111CsCH sCssRC CCCR R C C无限增益二阶高通滤波器无限增益二阶高通滤波器令令 102ACC 12231CR R C C 3112223231QCRCCRCCC C上式变为上式变为202C0222CCCCAA( )11ssH sssssQQ即为二阶高通滤波电路传递函数。由于即为二阶高通滤波电路传递函数。由于 可任意配置，所以为可任意配置，所以为无限增益。无

18、限增益。 012A/CC (10-22)例例10-3 试设计一个下限频率为试设计一个下限频率为 、通带增益为、通带增益为 的的 Butterworth 滤波器。滤波器。 310 rad/sC 0A2102ACC 12231CR R C C 3112223231QCRCCRCCC C202C0222CCCCAA( )11ssH sssssQQ二阶高通滤波二阶高通滤波n=2时的Butterworth 滤波器的分母为：2( )12B sss 例例10-3 试设计一个下限频率为试设计一个下限频率为 、通带增益为、通带增益为 的的 Butterworth 滤波器。滤波器。 310 rad/sC 0A2

19、解：解：令令 ，由式（，由式（10-22）有）有 C/ss202A( )11sH sssQ查表查表10-2，n=2时的时的Butterworth 滤波器的分母为：滤波器的分母为：2( )12B sss 12Q 所以：所以：现在取：现在取： ，由式，由式 和和 ，有，有130.1 FCC0A2102ACC 20.05 FC 再由式再由式 和和 ，可得到，可得到1/ 2Q3112223231QCRCCRCCC C12425RR又由式又由式 ，有，有8122 10R R 由以上两式联立，解得由以上两式联立，解得15.656kR 235.35kR 至此，电路中的至此，电路中的 5 个元件参数个元件参数

20、 C1、C2 、C3 、R1 和和R2已经全部确定完毕。已经全部确定完毕。 12231CR R C C 102ACC 12231CR R C C 3112223231QCRCCRCCC C202C0222CCCCAA( )11ssH sssssQQ 21221223231223( )1111CsCH sCssRC CCCR R C C第第10章章 传感器信号的加工调理传感器信号的加工调理第第10章章 传感器信号的加工调理传感器信号的加工调理 传感器的输入量（被测物理量），传感器的输入量（被测物理量），与输出量之间的关系，在很多情况下都不是线性的，如果将传感与输出量之间的关系，在很多情况下都不是

21、线性的，如果将传感器的输入量作横坐标，输出量做纵坐标，在该坐标平面上描点画器的输入量作横坐标，输出量做纵坐标，在该坐标平面上描点画图，将是一条曲线，有时弯曲程度还很严重。这就是传感器存在图，将是一条曲线，有时弯曲程度还很严重。这就是传感器存在的非线性现象。这种非线性对于检测结果的显示或使用都带来了的非线性现象。这种非线性对于检测结果的显示或使用都带来了麻烦，应想办法加以解决。麻烦，应想办法加以解决。 造成非线性的原因造成非线性的原因：一是传感器的转换原理是非线性的，二：一是传感器的转换原理是非线性的，二是采用的测量电路存在非线性。是采用的测量电路存在非线性。 模拟校正法的思路是，通过增加模拟校

22、正法的思路是，通过增加，让其，让其有效地补偿或抵消传感器带来的非线性影响，最终使得检测有效地补偿或抵消传感器带来的非线性影响，最终使得检测器的器的。这种方法有开环校正和。这种方法有开环校正和闭环校正两种。闭环校正两种。校正最后要达到的目的是：校正最后要达到的目的是：ysx 其中，其中，y 为检测器输出，为检测器输出，x 为被测物理量，为被测物理量，s 为检测器灵敏为检测器灵敏度，是常数。度，是常数。 （A）开环校正）开环校正 由由 与与 ， 有有1( )uf x21uku2( )uk f x于是于是12()uxfk由最终目标，有由最终目标，有112( )uysxs fs ff xk 该式说明，

23、非线性校正的特性应与传感器非线性特性的反函数成比该式说明，非线性校正的特性应与传感器非线性特性的反函数成比例。也就是，如果传感器特性是非线性的，那么，校正环节的特性应与例。也就是，如果传感器特性是非线性的，那么，校正环节的特性应与传感器特性互为反函数。传感器特性互为反函数。 （A）开环校正）开环校正 1）在第）在第 I 象限作象限作非线性传感器非线性传感器特性曲线特性曲线： ， 然后选取横然后选取横坐标若干点：坐标若干点：xA 、xB 、 xN ，作其与曲线交点，获得对应的纵坐作其与曲线交点，获得对应的纵坐标：标：u1A、 u1B 、 、 u1N；1( )uf x 2）在第）在第 II 象限作

24、象限作线性放大器曲线性放大器曲线线： ，延长，延长 u1A、u1B 、 、 u1N ，与该曲线相交，由交点可得横，与该曲线相交，由交点可得横坐标：坐标： u2A、 u2B 、 、 u2N ，从交，从交点出发，向第点出发，向第 III 象限作直线，一象限作直线，一直延伸到第直延伸到第III象限；象限； 21uku （A）开环校正）开环校正 3）在第）在第 IV 象限，作象限，作目标曲目标曲线线： ， 过过 xA 、xB 、 xN 点，由第点，由第 I 象限向第象限向第 IV 象限方象限方向延伸向延伸 直线，直线，直至与直至与 相交，相交，ys xABNxxxx、 、 、ysx 4）在第）在第 III 象限，连接点象限，连接点 A 、B 、 、N ，即为所求，即为所求非线性校正非线性校正环节的特性曲线环节的特性曲线： 。 2AA(,)uy2BB(,)uy2NN(,)uy2()yu （B）闭环校正）闭环校正：