检测系统中的信号处理及抗干扰技术

1、第七章 检测系统中的信号处理及抗干扰技术第一节 微弱信号放大第二节 线性化处理第三节 干扰的类型及其防止第四节 噪声源及噪声耦合方式第五节 共模与差模干扰第六节 常用的干扰抑制技术第七章 检测系统中的信号处理及抗干扰技术 一般测量系统通常由传感器、测量电路（信号转换与信号处理电路）以及显示记录部分组成。对于被测非电量变换为电路参数（R、L、C、M）的无源型传感器（如电阻式、电感式、电容式、电涡流式等），因为传感器的输出是电路参数的变化，因此，需要对他们先进行激励，通过不同的转换电路把电路参数转换成电流或电压信号，然后再经过放大输出；而对于直接把非电量变换为电学量（电流或电动热）的有源型传感器（

2、如电压式、磁电式、热电式等），虽然他们输出的是电量，但仍然需要进行放大或特殊处理。因此，一个非电量检测装置（或系统）中，必须具有对电信号进行转换和处理的电路。转换和处理电路的任务比较复杂。除了微弱信号放大、滤波外，还有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿，误差修正、量程切换等信号处理功能。信号处理电路的重点为微弱信号放大及线性化处理。 检测装置的抗干扰问题，实际上也是电子测量装置的抗于扰问题。为了有效地防止干扰，必须首先要弄清干扰的类型、来源及其传送的方式，才能根据不同的情况，提出相应的抗干扰措施，从而达到消除或减弱干扰的目的。第一节 微弱信号放大一、测量放大器电路原理 通常对一个单纯的微弱信号

3、，可以采用运算放大器进行放大，如图7-1所示。其中U，为传感器输出的电压，运算放大器为反相输入接法,U。为放大后的输出电压，此时 运算放大器也可以接成同相输入形式，由于传感器的工作环境往往比较恶劣，在传感器的两个输出端上经常产生干扰较大的信号，有时是完全相同的干扰信号称为共模干扰。虽然运算放大器对直接输入或同相输入的共模信号有较强的抑制能力，但是对简单的反相输入或同相输入节法，由于电路结构不对称，抵御共模干扰的能力很差。 sU210RRU 下一节 我们可以采用运算放大器的差动接法，从比较大的共模信号中检出差值信号并加以放大。对于传感器输出的微弱信号，通常是用一组运算放大器构成的测量放大器来进行

4、放大的，经典的测量放大器由三个运算放大器构成，如图7-2所示。 其中N1、N2构成同相并联差动放大器，差动输入信号和共模输入信号从N1、N2的同相输入，所以她的差动输入电阻和共模输入电阻都很大 。对N1、N2来说，电路的平衡对称机构也有助于失调及其漂移影响的互相抵消。运算放大器N3接成差动式输入，它不但能割断共模信号的传递，还将N1、N2的双端输出变成单端输出，以适应接地负载的需要。不难证明这个电路的电压放大倍数为调整R1即可改变放大倍数。)21 (RRK1234uRR 测量放大器所采用的上述电路形式，是它具有输入阻抗高、增益调节方便、漂移相互补偿以及输出不包含共模信号等一系列优点。这种放大器

5、在许多高精度、低电平的放大方面是极其有用的，而且由于它的共模抑制能力强，所以能从高的共模信号背景中检测出微弱的有用信号。二、实用测量放大器 目前各模拟器件公司竟相推出了许多型号的单片测量放大断气芯片，供用户选择使用。因此信号处理中需对微弱信号放大时，可以不必再用分立的通用运算放大器来构成测量放大器。采用单片测量放大器芯片显然具有性能优异、体积小、电路结构简单、成本低等优点。下面介绍两种单片测量放大器。AD521和AD522是AD公司推出的单片精密测量放大器。1. AD521AD521的管脚功能与基本接法如图7-3所示。 管脚OFFSET（1、6）用来调节放大器零点，调整方法是将该端子接到10K

6、电位器的两个定端，滑动端接负点源端。测量放大器计算公式为 放大倍数在0.1到1000范围内调整，选用RS=100K时，可以得到较稳定的放大倍数。在使用AD521（或任何其他测量放大器）时，都要特别注意为偏置电流提供回路。为此，输入端（1或3）必须与电源的地线构成回路。可以直接相连，也可以通过电阻相连。2. AD522AD522也是单芯片集成精密测量放大器，K0=100时，非线性仅为0.005%，杂0.1HZ到100HZ频带内噪声的峰值为1.5mV，其中共模抑制比CMRR120dB（K0=1000时）。Gs0uRRUUKi AD522的管脚功能如图7-4所示。管脚4、6是调零端，2和14端连接调

7、整放大倍数的电阻。与AD521不同的是，该芯片引出了电源地9和数据屏蔽端13，该端用于连接输入信号引线的屏蔽网，以减少外电场对信号的干扰。 传感器输出的微弱信号经放大后，通常面临长距离的问题，为了避免电压信号在传输过程中的损失和抗干扰方面的需要，可将直流电压信号变换为直流电流信号进行传输。过程控制系列仪表之间信号的传输就是采用直流电流。另外在对测量值进行显示时，常采用动圈表头，这也需要将直流电压变换为直流电流来驱动线圈。为了不受传输线路电阻变化和负载电阻大小的影响，输出电流应具有良好的恒流特性。因此使用电压电流变换器实现信号的的电流传送时，应使变换器输出电阻尽量大，这可以减小对信号的影响，同时

8、输出电阻也应尽量大，以保持输出电流的恒流特性。电压电流变换器是很不容易实现的。具体电路读者可查阅有关书籍。第二节 线性化处理 在自动检测系统中，利用多种传感器把各种被测量转换成电信号时，大多数传感器的输出信号和被测量之间的关系并非是线性关系。这是由于不少传感的转换原理并非线性，其次是由于采用的电路（如电桥电路）的非线性。要解决这个问题，在模拟量自动检测系统中可采用三种方法：缩小测量范围，取近似值。采用非均匀的指示刻度。增加非线性校正环节。显然，前两种方法的局限性和缺点比较明显。下面我们着重介绍增加非线性校正环节的方法。 通常我们在设计测量仪表时总希望得到均匀的指示刻度，这样仪表读数看起来清楚、

9、方便。此外，如果仪表的刻度特性为线性，就能保证仪表在整个量程内灵敏度是相同的，从而有利于分析和处理测量结果。为了保证测量仪表的输出与输入之间具有线性关系，就需要在仪表中引入一种特殊环节，用它来补偿其他环节的非线性，这就是非线性校正环节或称为“线性化器”。上一节下一节一、非线性校正的方法 测量仪表静态特性非线性的校正方法通常有两种：一种是开环节式非线性校正法，另一种是非线性反馈校正法。这里着重介绍前一种方法。 具有开环式非线性校正的测量仪表，其结构原理可用图7-5所示的框图表示。 传感器将被测量物理量转换成电量u，这种转换通常是非线性的。电量u经放大器放大后成为电量u，放大器一般是线性的。引入线

10、性化器的作用是利用它本身的非线性补偿传感器的非线性，从而使整台仪表的输出u和输入之间具有线性关系。这里解决的关键问题显然有两个： 一是在给定u线性关系的前提下，根据已知的u非线性关系和u线性关系求出线性化器应当具有的u1u2非线性关系。二是设计适当电路实现线性化器的非线性特性。工程上求取线性化器非线形特性的方法有两种，分述如下。 1.解析计算法设图7-5中所示的传感器特性解析式为 （7-1）放大器特性的解析式为 （7-2）要求测量工具有的刻度方程为 （7-3）将以上三式联立，消去中间变量u1和x，就得到线性化器非线性特性的解析式 （7-4）根据式（7-4）即可设计线性化器的具体电路。)(11x

11、fu 12Kuu sxu 0)(012sUKfu 2 .图解法 当传感器等环节的非线性特性用解析式表示比较复杂或比较困难时，我们可用图解法求取线性化器的输入-输入特性曲线。图解法的步骤如下（见图7-6）。 1)将传感器特性曲线作于直角坐标的第一限，u1=f1（x）。 2)将放大器线性特性作于第二限，u2=Ku1。 3) 将整台测量仪表的线性特性作与第四象限，u0=sx。 4)将x轴n段，段数n由精度要求决定。由点1、2、3、n各作x轴垂线，分别与u1=f(x)曲线及第四象限中的u0=sx直线交于11、12、13、1n及4142434n各点。以后以第一象限中这些点作x轴平行线与第二象限u2=Ku

12、1直线交于21、22、23、2n各点。 5)由第二象限各点作x轴垂线，再由第四象限各点作x轴平行线，两者在第三象限的 交点连线即为校正曲线u0=f2(u2)。这也是线形化器的非线性特性曲线。 对测量仪表中非线性环节的校正还可以采用非线性反馈补偿法，其原理可由图7-7给出的框图表示。 在放大器上增加非线性反馈之后，使u0 0与u1 1之间出现非线性关系，用以补偿传感器非线性，从而使整台仪表输入-输出特性xu0 0j具有线性特性。二、非线性校正电路二、非线性校正电路 当我们用解析法或图解发求出线性化器的输入-输出特性曲线之后，接下来的问题就是如何用适当的电路来实现它。显然在这类电路中需要有非线性元

13、件或者利用某种元件的非线性区域，例如将二极管或三极管置于运算放大器的反馈回路中构成的对数运算放大器就能对输入信号进行对数运算，构成非线性函数运算放大器，它可以用于射线测厚仪的非线性校正电路中。目前最常用的是利用二极管组成非线性电阻网络，配合运算放大器产生折线形式的输入-输出特性曲线。由于折线可以分段逼近任意曲线，从而就可以得非线性校正环节（线性化器）所需要的特性曲线。 折线逼近法如图7-8所示。将非线性校正环节所需要的特性曲线用若干有限的线段代替，然后根据各转折点xi和各段折线的斜率ki来设计电路。 根据折线逼近法所作的各段折线可列出下列方程： 式中，xi为折线的各转折点，ki为各线段的斜率，

14、 ， ， 。 xky101xx )(121xxkxky12xxx)()(231221xxkxxkxky23xxx)()()()(12112331221nnnnnxxkxxkxxkxxkxky 11tgk 22tgk nntgk 可以看出，转折点越多，折线越逼近曲线，精度也越高。但太多了则会电路本身误差而影响精度。在校正电路中通常采用运算放大器，当输入电压为不同范围时，相应改变运算放大器的增益，从而获得所需要的斜率，其本身就是一个非线性放大器。1.折点电路 图7-9是一个最简单的折点电路，其中E决定了转折点偏置电压，二极管V作开关用，其转折电压为 （7-5）式中，UD为二极管正向压降。DUEU1

15、图7-10是另一种折点电路，其转折电压为 （7-6） 由式（7-6）可知转折电压不仅与E有关，还有二极管正向压降UD有关。 图7-11是用于EU-2型热电偶在01300范围内的非线性校正电路原理图。测量范围分5段，用5段折线逼近校正曲线，图中只画了三段折线和相应的电路。 当输出电压U0U01二级管V1导通，Rf2接入。这时接成的非线性电路反馈电阻为Rf1/Rf2。当U0U02时，V2又不导通，反馈电阻Rf3接入，以后随着U0的继续增加，Rf4、Rf5（图中未画出）相继接入电路。 电路中，当选定R1（这里R1=1K）并使R2R1，且运算放大器为理想放大器时，则可求得各段反馈电阻。 )1 (212

16、11RRURREUD第一段折线，因为 ，所以Rf=K1R1第二段折线，由 ,即可求得Rf2第三段折线引入正反馈，可以用图7-12表示。其中Rfn为负反馈电阻，且Rfn= Rf1/ Rf2。此时放大倍数为11RRKf1212/RRRKff3123211322103)(1ffnffnfnffnfniRRRRRRRRRRRRRRRRUUK 将K3、 Rfn及 R2值代入即可求得Rf3。用同样的分析方法可以得到Rf4和Rf5，从而得到完整的非线性校正电路。 EU热电偶在01300的范围内测温时，热电偶输出的电压Ui经校正电路处理后，得到的电压Uo就和被测温度值之间有线性关系。上述电路简单，但精度不高。

17、因为所用二极管不是理想开关，正向特性曲线的非线性和正向导通压降的温度漂移都会影响转换精度。图7-13为精密折点单元电路，它是由理想二极管电路与基准电源E组成。由图可知，当Ui与E之和为正时，运算放大器的输出为负，V2导通，V1截止，电路输出为零。当Ui与E之和为负时，V1导通，V2截止，电路组成一个反馈放大器，输出电压随Ui的变化而改变，有在这种电路中，折点电压只决于基准电源E，避免了二极管正向电压UD的影响，在这种精密折点单元的电路组成的线性化电路中，各折点的电压将是非常稳定的。 ERRURRUfif210三、非线性特性软件线性化处理三、非线性特性软件线性化处理 对测量系统非线性环节的线性化

18、处理，除了采用前述的硬件电路来实现外，在有微机的只能化检测系统中可利用软件功能方便地实现非线性的线性变化。这种方法精度高，成本低，应用灵活。 设某传感器非线性校正曲线如图7-14所示。它是一个非线性函数关系。我们将输入量x按一定要求分为N个区间，每个xk都对应一个输出yk。把这些（xk,yk）编制成表格存贮起来。实际的输入量xi一定会落在某个区间（xk-1，xk）内，即xk-1xi0.5。 对于一台多级放大器，各放大级之间会通过电源的内阻抗产生耦合干扰。因此，多级放大器的级间及供电必须进行退耦滤波，可采用R-C退耦滤波器。由于电解电容在频率较高时呈现电感特性，所以退耦电容常由两个电容并联组成。一个为电解电容，起低频退耦作用；另一个为小容量的非电解电容，起高频退耦作用。LC21frLC2R六、光耦合器六、光耦合器 使用光耦合器切断地环路电流干扰是十分有效的。其原理如图7-36所示。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。这样两电路的地电位即使不同也不会造成干扰。光电耦合对数字电路很适用，但