第十一章传感器信号处理及微机接口技术

1、第十一章第十一章 传感器信号处理及微机接口技术传感器信号处理及微机接口技术 无论是对无源型传感器还是有源型传感器，在将被测无论是对无源型传感器还是有源型传感器，在将被测信号转换为电信号之后，都需要对这个微弱的电信号进信号转换为电信号之后，都需要对这个微弱的电信号进行行放大隔离放大隔离、滤波、滤波、变换变换、零点校正、零点校正、线性化线性化、温度补、温度补偿、误差修正、量程切换等信号处理。偿、误差修正、量程切换等信号处理。11.1 传感器信号的预处理传感器与微机的接口框图11.2 传感器信号的放大电路同相放大器同相放大器反相放大器反相放大器iUZZ21iURR) 1(21 一、运算放大器基本电路

2、一、运算放大器基本电路 基本运算放大电路的缺点是抗干扰能力差。实际传感基本运算放大电路的缺点是抗干扰能力差。实际传感器输出信号往往有许多干扰，因此必须设计有足够放大能器输出信号往往有许多干扰，因此必须设计有足够放大能力且抑制共模干扰的精密放大器，即仪用放大器。力且抑制共模干扰的精密放大器，即仪用放大器。二、测量放大器电路二、测量放大器电路1. 原理电路原理电路同相放大器同相放大器差动放大器差动放大器)1 (1123GGioRRRRRRUU同相放大器同相放大器2. 2. 实用测量放大器电路实用测量放大器电路(1)AD521(1)AD521AD521芯片芯片AD521基本接法基本接法GsioRRU

3、UAD521的输入信号耦合方式的输入信号耦合方式A.变压器耦合变压器耦合 B.热电偶直接耦合热电偶直接耦合 C.电容器耦合电容器耦合(2)AD522(2)AD522应用应用AD522的典型测量电路的典型测量电路AD522芯片芯片)(2001 (21UURkUGo11.3 传感器与微机接口技术传感器与微机接口技术 传感器与微机的接口框图 数据采集数据采集 1.数据采集系统 数据采集系统的配置 2.采样周期的选择采样周期的选择3量化噪声量化噪声(量化误差量化误差)模拟信号是连续的，而数字信号是离散的，每个数又是用有限个数码来表示， 二者之间不可避免地存在误差，称为量化噪声。一般A/D转换的量化噪声

4、有1 LSB和LSB/2两种。 ADC接口技术接口技术 1. A/D转换器（ADC）的主要技术指标 分辨力 精度 精度分为绝对精度和相对精度。 量程(满刻度范围) 量程是指输入模拟电压的变化范围。例如，某转换器具有10V的单极性范围,或-55 V的双极性范围，则它们的量程都为10 V。 线性度误差 理想转换器特性应该是线性的，即模拟量输入与数字量输出成线性关系。线性度误差是转换器实际的模拟数字转换关系与理想直线不同而出现的误差，通常也用LSB的倍数来表示。 单片机的采集接口电路及单片机的采集接口电路及A/D转换器转换器 传感器采集接口框图单片机常用的A/D转换器及接口电路有： ADC0808、

5、ADC0809 。11.4 抗干扰技术抗干扰技术 11.4.1干扰的来源及形式 1.外部干扰 从外部侵入检测装置的干扰称为外部干扰。 来源于自然界的干扰称为自然干扰。自然干扰主要来自天空，如雷电、宇宙辐射、太阳黑子活动等 来源于其他电气设备或各种电操作的干扰，称为人为干扰（或工业干扰）。人为干扰来源于各类电气、电子设备所产生的电磁场和电火花，及其他机械干扰、热干扰、化学干扰等。 电气设备的干扰 工频干扰：大功率输电线，甚至就是一般室内交流电源线对于输入阻抗高和灵敏度甚高的测量装置来说都是威胁很大的干扰源。在电子设备内部，由于工频感应而产生干扰， 如果波形失真，则干扰更大。 射频干扰： 指高频感

6、应加热、高频介质加热、高频焊接等工业电子设备通过辐射或通过电源线给附近测量装置带来的干扰。 电子开关通断干扰：电子开关、电子管、晶闸管等大功率电子开关虽然不产生火花，但因通断速度极快，使电路电流和电压发生急剧的变化，形成冲击脉冲而成为干扰源。 2.内部干扰内部干扰固有噪声源 热噪声：又称为电阻噪声。由电阻内部载流子的随机热运动产生几乎覆盖整个频谱的噪声电压。 散粒噪声：它由电子器件内部载流子的随机热运动产生。 低频噪声：又称为1/f噪声。它取决于元器件材料表面的特性。接触噪声：它也是一种低频噪声。 信噪比(S/N)在测量过程中，人们不希望有噪声，但是噪声不可能完全排除，也不能用一个确定的时间函

7、数来描述。实践中只要噪声小到不影响检测结果, 是允许存在的，通常用信噪比来表示其对有用信号的影响，而用噪声系数Nf表征器件或电路对噪声的品质因数。 11.4.2 干扰的传输途径干扰的传输途径 通过“路”的干扰 泄漏电阻： 共阻抗耦合干扰： 经电源线引入干扰： 通过“场”的干扰 通过电场耦合的干扰：通过磁场耦合的干扰 通过辐射电磁场耦合的干扰 11.4.3 干扰的作用方式干扰的作用方式 串模干扰 串模干扰等效电路 共模干扰 共模干扰等效电路共模抑制比（CMRR） 共模噪声只有转换成差模噪声才能形成干扰， 这种转换是由测量装置的特性决定的。 因此，常用共模抑制比衡量测量装置抑制共模干扰的能力， 定

8、义为 dmcmlg20UUCMRRdmcmlg20AACMRR11.4.4 抑制干扰的途径抑制干扰的途径1.消除或抑制干扰源 如使产生干扰的电气设备远离检测装置；对继电器、接触器、断路器等采取触点灭弧措施或改用无触点开关；消除电路中的虚焊、假接等。 2.破坏干扰途径提高绝缘性能， 采用变压器、 光电耦合器隔离以切断“路”径； 利用退耦、 滤波、 选频等电路手段引导干扰信号转移； 改变接地形式消除共阻抗耦合干扰途径；对数字信号可采用甄别、限幅、整形等信号处理方法或选通控制方法切断干扰途径。 3.削弱接收电路对干扰的敏感性 例如电路中的选频措施可以削弱对全频带噪声的敏感性，负反馈可以有效削弱内部噪

9、声源，其他如对信号采用绞线传输或差动输入电路等。11.4.4 屏蔽技术屏蔽技术 1.静电屏蔽 众所周知， 在静电场作用下， 导体内部各点等电位， 即导体内部无电力线。 因此， 若将金属屏蔽盒接地， 则屏蔽盒内的电力线不会传到外部，外部的电力线也不会穿透屏蔽盒进入内部。 前者可抑制干扰源， 后者可阻截干扰的传输途径。 所以静电屏蔽也叫电场屏蔽， 可以抑制电场耦合的干扰。 2.电磁屏蔽 电磁屏蔽主要是抑制高频电磁场的干扰， 屏蔽体采用良导体材料（铜、 铝或镀银铜板）， 利用高频电磁场在屏蔽导体内产生涡流的效应， 一方面消耗电磁场能量， 另一方面涡电流产生反磁场抵消高频干扰磁场， 从而达到磁屏蔽的效

10、果。 当屏蔽体上必须开孔或开槽时， 应注意避免切断涡电流的流通途径。 若把屏蔽体接地， 则可兼顾静电屏蔽。 若要对电磁线圈进行屏蔽， 屏蔽罩直径必须大于线圈直径一倍以上， 否则将使线圈电感量减小，Q值降低。 3.磁屏蔽磁屏蔽 磁屏蔽的原理图4.驱动屏蔽的概念驱动屏蔽的概念 驱动屏蔽原理图 11.4.5 接地技术接地技术 1.电气、电子设备中的地线 接地起源于强电技术。为保障安全， 将电网零线和设备外壳接大地， 称为保安地线。 对于以电能作为信号的通信、测量、计算控制等电子技术来说，把电信号的基准电位点称为“地”， 它可能与大地是隔绝的，称为信号地线。信号地线分为模拟信号地线和数字信号地线两种。 另外从信号特点来看，还有信号源地线和负载地线。 2. 一点接地原则一点接地原则 机内一点接地 机内一点接地示意图系统一点接地 检测系统的一点接地3. 电缆屏蔽层的一点接地电缆屏蔽层的一点接地 缆屏蔽层的一点接地示意图 11.4.6 浮置技术浮置技术 如果测量装置电路的公共线不接机壳也不接大地， 即与大地之间没有任何导电性的直接联系(仅有寄生电容存在)，