传感器信号调理电路

1、传感器的信号调理传感器的信号调理 111信号调理信号调理n信号调理信号调理(signal conditioning)： 对信号进行操作，将其转换成适合后续测控单元接口的信号。n重要性重要性： 实现传感器的灵敏度、线性度、输出阻抗、失调、漂移、时延等性能参数的关键环节。n所涉及的信号所涉及的信号： 模拟信号、数字信号。相应电路有模拟电路和数字电路，以模拟电路居多。n常用电路常用电路： 包括放大、调整、电桥、信号变换、电气隔离、阻抗变换、调制解调、线性化和滤波等电路以及激励传感器的驱动电路，常称为传感器电路。n对于数字测量系统，除了使传感器输出信号（包括电压、动态范围、信号源内阻、带宽等参数指标）

2、适合于转换为离散数据流外，信号调理的作用还在于满足模拟传感器与数字DAQS之间的接口要求：(1)信号隔离，(2)信号的预处理，(3)去除无用信号。 传感器输入的信号是一种原始的待处理电信号，一般不方便直接使用，需要进行加工处理，这就是传感器的信号调理。信号调理电路将传感器输出的微弱信号转换为电压、电流或频率等便于测量的电信号，输出信号精度较高。 常用的信号调理电路有放大电路、滤波电路及调制与解调电路等3.3.1 信号的放大n在机械量测试中，传感器输出的信号都比较微弱，很难直接用来显示和记录，所以，在检测系统中必须对微弱信号进行放大。n常用的放大器主要有运算放大器、仪表放大器、可编程增益放大器和

3、隔离放大器等1.信号调理电路的设计原则信号调理电路的设计原则1.1 保证传感器的性能指标保证传感器的性能指标 传感器电路应具有准确度 (精度) 高、反应快、可调性、可靠性和经济性强等特点。(1) 准确度准确度(精度) 具有足够的精度是传感器准确测量被测对象状态或参数的重要基础。为满足精度要求，电路应具备下列性能：低噪声与高抗干扰能力：对前置放大有要求 低漂移、高稳定性有合适的通频带：不失真 线性 有合适的输入与输出阻抗：电路的输入阻抗与前级的输出阻相匹配(2)响应速度响应速度 实时动态检测要求传感器电路有良好的频率特性、较高的响应速度。 (3)可调整性可调整性 能以同一电路适应不同的同类传感器

4、，即要求电路的量程或增益可调，且可调范围大、操作方便。同时希望电路有简单的数据处理功能。(4)可靠性可靠性 传感器电路的可靠性必须满足使用要求。电路可靠性的基础是元器件的可靠性。元器件可靠性相同的情况下，电路元器件越多可靠性越低，因此，简化电路结构是提高可靠性的有效办法。(5)经济性经济性 在满足性能要求的前提下，尽可能地简化电路，合理设计电路和选用元器件，以获得好的性价比。 另外，实现低功耗低功耗是一个重要的考虑因素。1.2 根据传感器输出参量类型进行信号转换根据传感器输出参量类型进行信号转换(1) 电阻型电阻型 敏感元件将被测量转换为电阻变化。如温度传感器的铂电阻，热敏电阻；电阻应变式传感

5、器的应变片。电路的作用电路的作用：将电阻变化转换为易测的电参数，如电桥将电阻变换成电压或电流输出；振荡电路将电阻变化转换成频率。(2) 电容型电容型 传感器敏感元件将被测量转换为电容变化。如电容式线位移、角位移传感器；电容式液位计等。电路的作用电路的作用：将电容量的变化转换为易于处理的电压或电流信号，或通过振荡电路转换成频率信号。(3) 电感型电感型 传感器敏感元件将被测量转换为电感量的变化。如电感式线位移、角位移传感器，电感式压力传感器。电路的作用电路的作用：将被测量变化引起的电感量变化变换为易处理的信号形式，如采用电感电桥将电感变化变换成电流或电压变化；用振荡电路将电感变化转换成频率变化。

6、(4) 互感型互感型 传感器敏感元件将被测量转换为互感的变化。如差动变压器式传感器，电涡流式传感器等。电路的作用电路的作用：将互感量或互感电势的变化，转换为易于处理的压或电流变化，也可将互感变化引起的电感量变化转换为电压、电流或频率变化。(5) 电压电压 (电势) 型型 传感器敏感元件将被测量转换为电压或电势变化。如热电偶，光电池；霍尔元件等。电路的作用电路的作用：将微弱电势或电压变化转变为较强电压或电流变化。(6) 电流型电流型 传感器敏感元件将被测量转换为电流变化。如光敏二极管等。电路的作用电路的作用：将由传感器输出的微弱电流进行放大，变换成较强的电压或电流。(7) 电荷型电荷型 传感器敏

7、感元件将被测量转换成输出电荷的变化。如压电式传感器，红外热释电元件等。 电路的作用电路的作用：将电荷的变化转换为较强的电压或电流输出，这种电路通常称之为电荷放大器。(8) 脉冲脉冲 (数字数字) 型型 传感器将被测量转换成脉冲序列或数字信号。其输出的数字信号分三类： 增量码信号：特点是被测量与传感器输出信号的变化周期数成正比，即输出量值大小由信号变化的周期数的增量决定。如光栅、磁栅等测位移的传感器。 绝对码信号：一种与被测对象状态相对应的信号。如码盘，每一个角度方位对应于一组编码，这种编码称绝对码。绝对码信号抗干扰能力很强。开关信号：只有0和1两个状态，可视为绝对码只有一位编码时的特例。如行程

8、开关、光电开关的输出信号。电路的作用电路的作用：对于脉冲序列输出，进行脉冲计数并转换所需的信号形成；对于编码信号，将编码输出转换成相应的数字信号。1.3 信号调理电路与敏感、转换元件输出阻抗匹配信号调理电路与敏感、转换元件输出阻抗匹配 敏感或转换元件的输出阻抗大小决定电路结构形式。(1) 高输出阻抗型高输出阻抗型 敏感元件输出信号微弱、输出阻抗高，如压电元件，其输出阻抗高达108以上。电路的作用电路的作用：一是吸收信号源的输出并进行一定变换和放大，将信号变换成电路易于处理的形式；二是阻抗变换，将高输出阻抗变换成低输出阻抗。要求电路有高输入阻抗和尽可能低的输出阻抗，以及低噪声、低漂移和抗干扰能力

9、。(2) 低输出阻抗型低输出阻抗型 传感器的输出阻抗较低，输出信号形式多种多样。后接电路的作用：后接电路的作用：一般是将信号不失真地变换成较强的电压或电流信号，在它的性能上对稳定性、抗干扰能力等方面考虑较多。1.4 传感器电路的设计方法传感器电路的设计方法 设计方法因人而异，有各种具体的实施路径。通常的设计方法和内容如下：(1)提出设计任务提出设计任务 根据传感器类型及输出特性、后续电路输入要求和使用环境等，提出和确定传感器电路需实现的功能和应达到的技术指标，如信号变换功能、放大倍数、准确度、动特性、稳定性和可靠性等定量技术指标。(2) 确定电路结构形式确定电路结构形式 根据对电路性能指标的要

10、求确定电路的结构形式，如单端输入或差动输入等。设计时，一般先确定主电路部分，再确定附加功能电路，画出方框图，再具体设计各方框图中的具体内容。 (3) 误差分配误差分配根据电路总准确度，对电路各部分进行误差分配的原则根据电路总准确度，对电路各部分进行误差分配的原则：按实现准确度高低难易程度和成本分配，易实现准确度高的部分，误差分配得小；难实现或能实现准确度高但使成本很高的部分，误差分配得大。误差分配之后，进行误差综合，使其不超过总误差要求。 (4) 参数估算参数估算 完成结构设计和误差分配后，需对各组成部分进行电路参数估算，如放大倍数、需要的元器件参数等，对元器件提出确切的定量性能指标要求。 (

11、5) 抗电磁和温度干扰设计抗电磁和温度干扰设计 为提高电路的可靠性和稳定性，在电路中要有抗电磁干扰措施和抗环境温度变化的措施。(6) 选择元器件选择元器件 根据电路参数估算和总体性能指标要求，选择各部分电路的元器件包括规格型号、级别、生产厂家等。 (7) 电路组装与调试电路组装与调试其方法可由前向后、也可由后向前。不管哪种方法，均应分级进行，一部分无误、工作正常后，再接一部分，这样做便于发现问题及时纠正、以提高工作效率。(8) 性能测试与分析性能测试与分析 性能测试要取得足够进行统计分析的数据。性能测试的条件要模拟实际的使用环境或进行环境例行实验 (如高温、低温，电磁干扰、振动等)。对测试结果

12、进行性能指标分析并与设计指标进行比较。(9) 电路改进电路改进 对于没有完全达到设计要求的电路，需要进行相应改进。改进后的电路还要进行性能测试和分析，直到达到要求为止。(10) 工艺定型工艺定型 对于已达到设计要求的电路，要设计PCB图、制作印制电路板，在印制电路板上组装元器件，制作成可供实际使用的电路板。1.运算放大器n传感器的输出信号一般比较弱，电压为毫伏级，有的甚至为微伏级，电流为毫安级，有的甚至为微安级。因此，他们都需要用运算放大器来进行放大。在数据采集中在数据采集中, , 经常会遇到一些微弱的微伏级信号，经常会遇到一些微弱的微伏级信号，例如热电偶的输出信号，需要用放大器加以放大。例如

13、热电偶的输出信号，需要用放大器加以放大。运算放大器运算放大器+-运算放大器运算放大器同向输入同向输入反向输入反向输入输出输出第一个使用真空管设第一个使用真空管设计的放大器大约在计的放大器大约在1930年前后完成，这年前后完成，这个放大器可以执行加个放大器可以执行加与减的工作。与减的工作。 60年代年代晚期，仙童半导体推晚期，仙童半导体推出了第一个被广泛使出了第一个被广泛使用的集成电路运算放用的集成电路运算放大器，型号为大器，型号为 A709. . A709很快地被随后而来的新产品很快地被随后而来的新产品 A741取代，取代，741有着更好的性能，更为稳定，也更容易使有着更好的性能，更为稳定，也

14、更容易使用。用。741运算放大器成了微电子工业发展历史运算放大器成了微电子工业发展历史上一个独一无二的象征，历经了数十年的演上一个独一无二的象征，历经了数十年的演进仍然没有被取代，很多集成电路的制造商进仍然没有被取代，很多集成电路的制造商至今仍然在生产至今仍然在生产741。 几个影响运算放大器精度的参数几个影响运算放大器精度的参数u 失调电压：失调电压：当运放两输入为零时，输出端存在的当运放两输入为零时，输出端存在的 电压。电压。u 输入失调电压：输入失调电压：运放输出端电压为零时，两个输运放输出端电压为零时，两个输 入端之间所加的补偿电压。入端之间所加的补偿电压。 u 输入偏置电流：输入偏置

15、电流：当运放的输出直流电压为零时，当运放的输出直流电压为零时， 其两输入端的偏置电流平均值。其两输入端的偏置电流平均值。 u 输入失调电流：输入失调电流：当运放的输出直流电压为零时，当运放的输出直流电压为零时， 其两输入端偏置电流的差值。其两输入端偏置电流的差值。u 运算放大器类型运算放大器类型u 通用型运算放大器：通用型运算放大器：u 高阻型运算放大器：高阻型运算放大器：u 低温漂型运算放大器：低温漂型运算放大器：u 高速型运算放大器：高速型运算放大器：u 低功耗型运算放大器：低功耗型运算放大器：u 高压大功率型运算放大器：高压大功率型运算放大器：价格低廉、产品量大面广，其性价格低廉、产品量

16、大面广，其性能指标能适合于一般性使用。能指标能适合于一般性使用。差模输入阻抗非常高，差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小。输入偏置电流非常小。 失调电压小且不随失调电压小且不随温度的变化而变化。温度的变化而变化。 具有高的转换速率具有高的转换速率和宽的频率响应。和宽的频率响应。 测量放测量放大器大器目前有的产品功耗已达目前有的产品功耗已达uW级。级。 不需附加任何电路不需附加任何电路,即可即可输出高电压和大电流输出高电压和大电流 （1）反向比例运算放大器二、典型放大器的设计二、典型放大器的设计（一）反相放大器放大倍数A= uo / ui = R2 / R1当R2 = R1时，uo =- ui

17、 uoR3uiR1R2-+N1（2）同相放大器放大倍数A= uo / ui = 1+R2 / R1反向运算放大器存在的问题主要是输入电阻较低，通常只有几千欧而同比例运算放大器可以得到较大的输入电阻，较低的输出电阻uoR3uiR1R2-+N1测量放大器测量放大器测量放大器测量放大器是一种带有精密差动电压增益的是一种带有精密差动电压增益的器件，具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗器件，具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗共模干扰能力、低温漂、低失调电压和高稳共模干扰能力、低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点，在检测微弱信号的系统中，定增益等特点，在检测微弱信号的系统中，被广泛用作前置放大器。被广泛用作前置

18、放大器。运算放大器对微弱信号的放大，仅适用运算放大器对微弱信号的放大，仅适用于信号回路不受干扰的情况。但在实际于信号回路不受干扰的情况。但在实际工作中经常包含工频、静电和电磁耦合工作中经常包含工频、静电和电磁耦合等各种共模干扰信号，所以采用测量放等各种共模干扰信号，所以采用测量放大器大器n测量放大器也叫仪表放大器、数据放大器n它对微小差模电压很敏感，适用于测量远距离的小信号，适合与微小信号输出的传感器配合使用。测量放大器构成测量放大器构成由两级放大器构成：由两级放大器构成：1. 两个同相放大两个同相放大器器A1、A2输输入阻抗高。入阻抗高。2. 普通差动放大普通差动放大器器A3，将双端，将双端

19、输入变为对地输入变为对地的单端输入。的单端输入。Ui1Ui2+-A1 -+A2RGR1R2R3-+A3R4UOU3U4R5R6测量放大器原理电路测量放大器原理电路IGU5测量放大器的增益测量放大器的增益)()(4321043210UUUUUUUUUUKiiii113RIUUGi224RIUUGiGiiGRUUI21Ui1Ui2+-A1 -+A2RGR1R2R3-+A3R4UOU3U4R5R6测量放大器原理电路测量放大器原理电路IGU5测量放大器的增益测量放大器的增益)()(4321043210UUUUUUUUUUKiiiiGGiiRRRRUUUU212143Ui1Ui2+-A1 -+A2RGR

20、1R2R3-+A3R4UOU3U4R5R6测量放大器原理电路测量放大器原理电路IGU53353530RRRUUUU46465URRRU35335646401RRURRRRRUU测量放大器的增益测量放大器的增益)()(4321043210UUUUUUUUUUKiiiiUi1Ui2+-A1 -+A2RGR1R2R3-+A3R4UOU3U4R5R6测量放大器原理电路测量放大器原理电路IGU5为提高共模抑制比和降低温漂影响，为提高共模抑制比和降低温漂影响，测量放大器采用对称结构：测量放大器采用对称结构：R1=R2，R3=R4，R5=R635340)(RRUUU测量放大器的增益测量放大器的增益)()(4

21、321043210UUUUUUUUUUKiiiiUi1Ui2+-A1 -+A2RGR1R2R3-+A3R4UOU3U4R5R6测量放大器原理电路测量放大器原理电路IGU5为提高共模抑制比和降低温漂影响，为提高共模抑制比和降低温漂影响，测量放大器采用对称结构：测量放大器采用对称结构：R1=R2，R3=R4，R5=R6351)21 (RRRRG调节外接电阻调节外接电阻RG的大小，可的大小，可以改变测量放大器的增益。以改变测量放大器的增益。3.可编程增益放大器n 在多回路、多参数检测系统中，多个传感器通常共用一个测量放大器，因此，在模拟系统中，为放大不同的信号，以适应传感器输出信号幅值不同的特点，需

22、要使用不同放大倍数的放大器，那么能够满足这种要求的测量放大器就称为可编程增益放大器3.可编程增益放大器 可编程增益放大器(PGA)，也称程控放大器。根据待测模拟信号幅值大小来改变放大器的增益。它是解决宽范围传感器信号的模拟数据采集问题的有效方法。在数据采集系统中，对输入模拟信号一般需放大，以适合模数转换器的电压转换范围。但是，传感器输出信号可能在很大范围内变化，若固定增益不能兼顾不同输入信号幅度的放大量。PGA能很好地解决此问题，实现量程的自动切换，因而在数据采集系统中被广泛应用。 3）可编程增益放大器下左图电路为同相比例放大器，其增益G=(R1+R2)/R2。通过调整反馈电阻R1、R2的比值

23、实现增益控制。AD526是基于此原理的典型器件，是单端输入、可编程增益放大器。通过软件编程实现1、2、4、8、16共5种增益。该芯片采用偏移可调的双极型-FET混合放大器和激光光刻微调的电阻网络，增益误差小、非线性失真小、直流精度高、输入失调电压低。其内部结构如右图所示。图中运放的反馈电阻的比例调节由程序控制的多路开关实现。 对于前述仪用放大器，若改变电阻Rg可改变放大倍数。LH0084是基于此原理的器件，其内部结构如图所示。控制信号D1D0通过控制逻辑驱动模拟开关切换运放的反馈电阻。D1、D0的四种组合对应1，2，5，10共4种程控增益值。另外，芯片输出级的减法器还有成对的反馈电阻可供选择。

24、选择不同的反馈电阻作为减法器的组成部分，可实现减法器的增益设置，共有1，4，10三种状态。LH0084电路结构 4 4）隔离放大器）隔离放大器 隔离放大器能在输入与输出之间保持电气隔离的同时，实现输出电压与输入电压的线性传输。隔离放大器符号如图所示，其输入和输出的信号端口和电源端口都是电气隔离的。隔离放大器常用于工业自动化和医疗领域，用来防止漏电，保障人身安全；在电力系统等高压危险场合，能保护仪器，避免漏电，消除干扰。 就隔离对象而言，隔离放大器有两端口隔离和三端口隔离两种。两端口隔离（简称两端隔离）指输入信号部分和输出信号部分电气隔离；三端口隔离指信号输入、信号输出和电源三个部分彼此隔离。隔离的媒介主要有电磁隔离（变压器隔离）、光电隔离和电容隔离。（1）变压器隔离放大器 AD204为变压器耦合两端口隔离放大器，最大隔离电压为1000V（峰-峰值），最大非线性误差0.025%。片内集成有隔离电源用来给隔离输入级供电，同时连到引脚，可作为外围电路（如传感器、运放等）电源。 有时用隔离放大器放大信号时，电源由信号输入部分的电路供给，这时采用AD204不合适。为了能灵活选择隔离放大器驱动电源所在位置