传感器的信号处理与接口技术 ppt课件

1、第12章 传感器的信号处理与接口技术 第12章 传感器的信号处置与接口技术 12.1 传感器的信号预处置电路传感器的信号预处置电路 12.2 传感器信号的放大电路传感器信号的放大电路 12.3 传感器的补偿与标度变换传感器的补偿与标度变换 12.4 传感器与微机的接口技术传感器与微机的接口技术 12.5 抗干扰技术抗干扰技术 思索与练习思索与练习 第12章 传感器的信号处理与接口技术 12.1 传感器的信号预处置电路传感器的信号预处置电路 如图12-1所示， 传感器与微机的接口电路主要由信号预处置电路、 数据采集系统和计算机接口电路组成。 其中， 预处置电路把传感器输出的非电压量转换成具有一定

2、幅值的电压量； 数据采集系统把模拟电压量转换成数字量； 计算机接口电路把A/D转换后的数字信号送入计算机， 并把计算机发出的控制信号送至输入接口的各功能部件； 计算机还可经过其他接口把信息数据送往显示器、 控制器、 打印机等等。 由于信号预处置电路随被丈量和传感器而不同， 因此传感器的信号处置技术那么是构成不同系统的关键。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-1 传感器与微机的接口框图 第12章 传感器的信号处理与接口技术 由于待检测的非电量种类繁多， 传感器的任务原理也各不一样， 因此待检测物理量作用于传感器后， 传感器输出的相应信号种类亦各式各样。 总结前面所学知识， 可将传感器

3、按以下方式分类。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 第12章 传感器的信号处理与接口技术 12.1.1 12.1.1 开关式输出信号的预处置开关式输出信号的预处置如图如图12-2(a)12-2(a)所示，所示， 在输入传感器的物理量小于某阈值的在输入传感器的物理量小于某阈值的范围内，传感器处于范围内，传感器处于“关的形状，而当输入量大于该阈值时，关的形状，而当输入量大于该阈值时， 传感器处于传感器处于“开的形状，这类传感器称为开开的形状，这类传感器称为开/ /关式传感器。实关式传感器。实践上，由于输入信号总存在噪声叠加成分，使传感器不能在阈践上，由于输入信号总存在噪声叠加成分，使传感器不能

4、在阈值点准确地发生跃变，值点准确地发生跃变， 如图如图12-2(b)12-2(b)所示。另外，无接触式传所示。另外，无接触式传感器的输出也不是理想的开关特性，感器的输出也不是理想的开关特性， 而是具有一定的线性过而是具有一定的线性过渡。渡。 因此，因此， 为了消除噪声及改善特性，常接入具有迟滞特性为了消除噪声及改善特性，常接入具有迟滞特性的电路，的电路， 称为鉴别器或称脉冲整形电路，多运用施密特触发称为鉴别器或称脉冲整形电路，多运用施密特触发器，如图器，如图12-2(c)12-2(c)所示。所示。 经处置后的特性如图经处置后的特性如图12-212-2d d所示。所示。 第12章 传感器的信号处

5、理与接口技术 图12-2 开关量传感器特性表示图及处置方案a 理想特性； b 实践特性； c 处置方案； d 处置后特性 第12章 传感器的信号处理与接口技术 12.1.2 12.1.2 模拟脉冲式输出信号的预处置模拟脉冲式输出信号的预处置1. 1. 峰值脉冲式传感器信号处置方法峰值脉冲式传感器信号处置方法不少传感器在受输入冲击时，其输出信号呈指数性衰减，不少传感器在受输入冲击时，其输出信号呈指数性衰减， 假设直接进展假设直接进展A/DA/D转换，转换， 必将导致错误的结果。必将导致错误的结果。 因此，因此， 在传在传感器后面接脉冲限幅电路，使输出变成窄脉冲，方可采用脉冲感器后面接脉冲限幅电路

6、，使输出变成窄脉冲，方可采用脉冲峰值坚持电路将脉冲扩展，峰值坚持电路将脉冲扩展， 以便进展以便进展A/DA/D转换。如图转换。如图12-312-3所示，所示， USUS为峰值脉冲式传感器输出信号波形，为峰值脉冲式传感器输出信号波形，UCUC为限幅后的波形，为限幅后的波形， UHUH为经峰值坚持电路后的波形。为经峰值坚持电路后的波形。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-3 脉冲峰值信号变换第12章 传感器的信号处理与接口技术 2. 脉冲宽度式和脉冲间隔式信号的处置方法脉宽式传感器输出脉冲的宽度受被测物理量调制，与被丈量大小成正比， 例如采用脉冲调宽电路的电容传感器的输出信号。 脉冲间

7、隔式传感器在遭到一次输入作用时，便产生两个脉冲，两个脉冲的时间间隔与被测物理量成正比，例如应变式扭矩传感器，超声波测距等。这两类信号都是时间间隔信号， 在时间间隔大于微秒级时，可将其作为门控信号，用数字计数器计数。 另一种方法是利用时间峰值转换电路(TAC)将时间间隔转换成电压峰值， 再进展A/D转换， 其原理如图12-4所示。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-4 时间间隔信号处置第12章 传感器的信号处理与接口技术 12.1.3 12.1.3 模拟延续式输出信号的预处置模拟延续式输出信号的预处置模拟延续式传感器的输出参量可以归纳为五种方式：模拟延续式传感器的输出参量可以归纳为五

8、种方式： 电电压、压、 电流、电流、 电阻、电阻、 电容和电感。电容和电感。 这些参量必需先转换成电这些参量必需先转换成电压量信号，压量信号， 然后进展放大及带宽处置才干进展然后进展放大及带宽处置才干进展A/DA/D转换。转换。 它它们的预处置普通体系可用图们的预处置普通体系可用图12-512-5表示。可见，表示。可见， 数字万用表已数字万用表已包括了预处置、包括了预处置、 数据采样与数据采样与A/DA/D转换等全部功能电路。转换等全部功能电路。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-5 模拟延续输出预处置的普通体系 第12章 传感器的信号处理与接口技术 1. 电流/电压转换电路用一只

9、电阻可构成简单的电流/电压转换电路。 在要求较高的场所，可采用图12-6a所示的I/U转换电路。 该电路输入阻抗Rin10 m，输出电压UoIiRS，RS10 M，电路输出电阻Ro普通小于1 k。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 I/U转换电路也可由运算放大器组成，如图12-6b所示。 电路的输出电压Uo=-IsRf。 普通Rf比较大，假设传感器内部电容量较大时容易振荡， 需求消振电容Cf。Cf的大小随Rf用实验方法确定。 因此该电路不适用于高频。电路利用运算放大器“虚短的原理， 假设与光电池直接相接，可获得光电池的短路电流输出特性。 但是， 当运算放大器直接接到高阻抗的传感器时， 需求

10、加维护电路。 当信号较大时， 可在运算放大器输入端用正、 反向并联的二极管维护；当信号较小时，可在运算放大器输入端串联100 k的电阻维护。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-6 电流/电压转换电路aI/U转换器； b 采用运放的I/U转换电路 第12章 传感器的信号处理与接口技术 2. 模拟频率式输出信号的预处置模拟频率式输出信号，一种方法是直接经过数字式频率计变为数字信号； 另一种方法是用频率/电压变换器变为模拟电压信号， 再进展A/D转换。 频率/电压变换器的原理如图12-7所示。 通常可直接选用LM2907/LM2917等单片集成频率/电压变换器。 第12章 传感器的信号处

11、理与接口技术 图12-7 频率/电压变换器原理框图 第12章 传感器的信号处理与接口技术 3. 数字式输出信号的预处置数字式输出信号分为数字脉冲式信号和数字编码式信号。 数字脉冲式输出信号可直接将输出脉冲经整形电路后接至数字计数器，得到数字信号。数字编码式输出信号通常采用格雷码而不用8421二进制码，以防止在两种码数交界处产生计数错误。 因此，需求将格雷码转换成二进制或二十进制码。 传感器信号的预处置应根据传感器输出信号的特点及后续检测电路对信号的要求选择不同的电路。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 12.2 传感器信号的放大电路传感器信号的放大电路12.2.1 12.2.1 丈量放大器

12、丈量放大器丈量放大器又叫仪表放大器简称丈量放大器又叫仪表放大器简称IAIA。它不仅能满足上。它不仅能满足上述要求，而且具有准确的增益标定，因此又称数据放大器。述要求，而且具有准确的增益标定，因此又称数据放大器。 1. 1. 通用通用IAIA通用通用IAIA由三个运算放大器由三个运算放大器A1A1、A2A2、A3A3组成，如图组成，如图12-812-8所示。所示。 其中，其中，A1A1和和A2A2组成具有对称构造的差动输入输出级，差模增组成具有对称构造的差动输入输出级，差模增益为益为1+2R1/RG1+2R1/RG，而共模增益仅为，而共模增益仅为1 1。A3A3将将A1A1、A2A2的差动输出信

13、号的差动输出信号转换为单端输出信号。转换为单端输出信号。 A3A3的共模抑制精度取决于四个电阻的共模抑制精度取决于四个电阻R R的的匹配精度。匹配精度。 通用通用IAIA的电压放大倍数为的电压放大倍数为 )21 (112110uGRRuuuA12-1 第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-8 通用IA的构造第12章 传感器的信号处理与接口技术 2. 2. 增益调控增益调控IAIA在多通道数据采集系统中，为了节约费用，多种传感器共在多通道数据采集系统中，为了节约费用，多种传感器共用一个用一个IAIA。当切换通道时，必需迅速调整。当切换通道时，必需迅速调整IAIA的增益，称增益调的增益，称

14、增益调控控IAIA。在模拟非线性校正中也要运用增益调控。在模拟非线性校正中也要运用增益调控IAIA。增益调控。增益调控IAIA分为自动增益分为自动增益IAIA和程控增益和程控增益IAIA两大类。两大类。 自动增益自动增益IAIA根本任务过程如图根本任务过程如图12-912-9a a所示。所示。 它先对信它先对信号作试探放大、号作试探放大、 将放大信号送至将放大信号送至ADCADC， 使其转换成数字信号，使其转换成数字信号， 再经逻辑电路判别，再经逻辑电路判别， 送至译码驱动安装，送至译码驱动安装， 用以调整用以调整IAIA的增益。的增益。 这种方法任务速度较慢，这种方法任务速度较慢， 不适用于

15、高速系统。不适用于高速系统。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-9 增益调控IAa 自动增益IA； b 程控IA 第12章 传感器的信号处理与接口技术 3. IA的技术目的丈量放大器最重要的技术目的有： 非线性度、 偏置漂移、 建立时间以及共模抑制比等， 这些目的均为放大器增益的函数。 1 非线性度： 它的定义为放大器输出、 输入实践特性曲线与理想特性曲线直线的相对偏向。 在增益G=1时，一个12位bit系统的非线性度假设为0.025， 那么在G500时， 其非线性度可达0.1%， 相当于系统精度降低到10倍以下。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 2 偏置漂移：它是指任务温度

16、变化1时， 相应的直流偏置变化量。一个放大器的分辨率主要被直流偏置的不可预料性所限制。 放大器的偏置漂移普通为150 V/，也与增益G有关。如一个有2 V/漂移的放大器，当G=1000、t=10时， 其输出端将产生20 mV的偏置电压。这个数字相当于12位ADC在输入范围为010 V时的八个LSB值。值得留意的是，普通厂家只给出典型值，而最大值可以是典型值的34倍。 3 建立时间： 放大器的建立时间定义为从输入阶跃信号起，到输出电压到达满足给定误差典型值为0.01的稳定值为止所需用的时间。 普通IA的增益G200，精度约为0.01， 建立时间约为50100 s， 而高增益IA在同样精度下的建立

17、时间可达350 s。因此，在数据采集系统中决议信号传输才干的往往是IA而不是ADC。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 4 恢复时间：放大器的恢复时间是指从断掉输入IA的过载信号起，到IA的输出信号恢复至稳定值时与输入信号相应的时间。 5 共模抑制比： IA的共模抑制比定义为差模电压放大倍数Ad与共模电压放大倍数Ac比值的对数单位，即 cdlg20CMRAA12-2 第12章 传感器的信号处理与接口技术 表表12-1 IA12-1 IA的的CMRCMR要求值要求值(dB) (dB) 第12章 传感器的信号处理与接口技术 12.2.2 12.2.2 集成仪表放大电路引见集成仪表放大电路引见可

18、以用作仪表放大器的集成电路有：可以用作仪表放大器的集成电路有： 集成运算放大器集成运算放大器OP07OP07， 斩波自动稳零集成运算放大器斩波自动稳零集成运算放大器76507650， 集成仪表放大器集成仪表放大器AD522AD522， 集成变送器集成变送器WS112WS112、 XTR101XTR101， TDTD系列变压器耦合隔系列变压器耦合隔离放大器，离放大器， ISO100ISO100等光耦合隔离放大器，等光耦合隔离放大器， ISO102ISO102等电容耦合等电容耦合隔离放大器，隔离放大器， PGPG系列程控放大器，系列程控放大器， 2B30/2B312B30/2B31电阻信号适配电阻

19、信号适配器等。器等。 详细内容可参考相关资料。详细内容可参考相关资料。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 12.3 传感器的补偿与标度变换传感器的补偿与标度变换 12.3.1 传感器的温度补偿传感器的温度补偿 1. 温度补偿原理温度补偿原理设被测物理量为设被测物理量为x，环境温度为，环境温度为T，那么线性传感器的特，那么线性传感器的特性可表示为性可表示为 y=fx，T=A0T+A1Tx12-3 式中，A0为传感器的输出零点; A1为传感器的灵敏度。它们都随环境温度T变化。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 因此， 传感器的温度灵敏度可表示为 xTTATTATTxfSd)(dd)(dd)

20、,(d10T12-4 可见，对传感器进展温度补偿就是使ST0，包括对传感器零点温度漂移的补偿和对传感器灵敏度的温度补偿。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 2. 常用温度补偿方法1 自补偿法自补偿法就是利用传感器本身的一些特殊构造来满足温度补偿条件。 例如组合式温度自补偿应变片， 用两种具有正、 负电阻温度特性的电阻丝栅串联制成一个应变片， 只需使两段丝栅的电阻随温度变化的增量相等， 便可实现温度补偿。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 2 并联式温度补偿法并联式温度补偿法就是人为地附加一个温度补偿环节，该补偿环节与被补偿环节并行相连， 使补偿后的合成输出根本不随温度而变化。如图12-

21、10所示为并联式温度补偿原理框图。 图中，yA为待补偿环节特性，yB为补偿环节特性，只需满足dB0T/dTdA0T/dT、dB1T/dTdA1T/dT、B1TA1T， 实际上就可以实现温度补偿。 但实践上并联式温度补偿只能做到近似补偿， 即在两点或三点是全补偿， 而其他点不是“过补偿就是“欠补偿。 运用并联式温度补偿法的实例如图9-4所示的热电偶的冷端温度补偿器及直流放大器的差动输入等。 可证明热电偶的冷端温度补偿器的补偿条件为 第12章 传感器的信号处理与接口技术 ab0041),(UTTTEcu12-5 国产热电偶的冷端温度补偿器电桥电源E=4 V，电桥在20时调平衡， 补偿范围有050和

22、010两种。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-10 并联式温度补偿原理框图 第12章 传感器的信号处理与接口技术 3 电桥温度补偿法以应变式传感器电桥为例，如图3-6所示的不平衡电桥电路，令式3-7等于0并除以T，可得其温度补偿条件的表达式为 4231(12-6 式中，1、3、2、4分别为R1、R2、R3、R4的电阻温度系数。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 1 全桥的温度补偿：如图3-6c所示，四个桥臂电阻为一样的电阻应变片即可实现温度补偿。 2 半桥的温度补偿： 单臂电桥的温度补偿： 如图3-6a所示的单臂电桥， 按如图12-11a所示选择R1和R2为同样的电阻应变片，

23、将R1粘贴在弹性敏感元件上，R2粘贴在附近非应变部位；R3和R4用电阻温度系数很小的锰铜丝绕制， 即可实现温度补偿。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-11 电阻应变片的设置(a) 温度补偿应变构造； (b) 差动补偿应变构造 第12章 传感器的信号处理与接口技术 双臂电桥的温度补偿： 如图3-6b所示的双臂电桥， 按如图12-11b所示选择R1和R2为同样的电阻应变片，粘贴在弹性敏感元件上，构成差动电桥；R3和R4用电阻温度系数很小的锰铜丝绕制，即可实现温度补偿。 由于相邻桥臂间具有温度补偿作用， 所以在热电阻测温电桥中， 采用三线制或四线制接法来消除引线电阻随环境温度变化呵斥的

24、丈量误差。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-12 灵敏度补偿 第12章 传感器的信号处理与接口技术 4 热敏电阻补偿法在丈量电路中用热敏电阻可以实现传感器的灵敏度温度补偿和输出零点温度漂移补偿。 1 灵敏度温度补偿：其原理是在规定的温度范围内保证传感器的灵敏度稳定，而不要求每个电阻应变片与温度无关。 如图12-12所示， 电桥灵敏度温度补偿的方法是在电桥电源对角线上串接热敏电阻Rt，补偿用热敏电阻Rt的阻值可用下式求出： 2112t11)(KTTKKKRRR12-7 第12章 传感器的信号处理与接口技术 2 零电平温度补偿：根据传感器的类型和构造，可采用不同的方法稳定其零点。对于

25、丈量电桥，一种非常有效的零电平温度补偿方法是在一个桥臂上引入热敏电阻。虽然每个桥臂电阻都随温度变化， 但一切桥臂电阻的总变化可以用某个桥臂电阻Ri的等效变化来替代。 补偿用热敏电阻Rt的阻值可用下式求出， 即 itRRR12-8 式中，“-号表示电桥的电阻温度系数R和补偿电阻的温度系数符号应相反。 必需强调，电桥电阻的温度系数不同于一个桥臂的电阻温度系数， 它是表征电阻随丈量电路一切桥臂的温度变化而变化的特性。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 R可用下式求出： )()1 (12i2o12oTTnUnUUR12-9 式中，n=R1/R2为两相邻桥臂的电阻比； Ui为电桥的电源电压； Uo1

26、、Uo2分别为在温度T1、T2时测得的传感器输出电压。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 5 反响式温度补偿法反响式温度补偿就是运用负反响原理，经过自动调整过程， 坚持传感器的零点和灵敏度不随环境温度而变化。如图12-13所示为反响式温度补偿的原理框图。 图中，B0和B1是检测环节， 检测丈量电路或仪表的零点A0(T)和灵敏度A1(T)；C0和C1是信号变换环节； Ur0和Ur1是恒定的参考电压， K0和K1是电子放大器；D0和D1是执行环节； y=f(x，T，x0，x1)是仪表被补偿部分特性。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-13 反响式温度补偿原理框图 第12章 传感器的

27、信号处理与接口技术 由图可见，反响式温度补偿的关键问题有两个： 1 如何将传感器丈量电路(或仪表)的输出零点A0(T)和灵敏度A1(T)经过B0和B1检测出来，并经C0和C1转换为电压信号Uf0和Uf1。 2 如何将K0和K1的输出电压经过D0和D1产生控制信号去自动改动A0(T)和A1(T)，以到达自动补偿环境温度T对A0(T)和A1(T)的影响。 在采用反响式温度补偿时， 应首先经过实际分析找出丈量电路(或仪表)的刻度方程表达式，进而经过刻度方程分析找出反映A0(T)和A1(T)值变化的参数， 最后确定控制A0(T)和A1(T)的方法。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 如图12-14

28、所示为差动变压器式传感器的反响温度补偿原理电路图。由图可见，检测灵敏度S的方法是经过在差动变压器二次侧添加两个绕组和。 与绕组、 与绕组采用双线并绕而成， 但是与绕组之间不是采用“差接， 而是采用“和接方式。 这样(+)绕组的“和接电压经整流滤波后所取出的信号Uf显然正比于U， 即Uf正比于灵敏度S。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-14 差动变压器式传感器的反响温度补偿原理电路图 第12章 传感器的信号处理与接口技术 12.3.2 12.3.2 传感器的非线性补偿传感器的非线性补偿非线性补偿也叫非线性校正，非线性补偿也叫非线性校正， 或线性化。或线性化。 多数传感器都多数传感器

29、都具有非线性特性，具有非线性特性， 它既不利于读数和丈量结果的分析处置，它既不利于读数和丈量结果的分析处置， 而且是产生丈量误差的主要缘由之一。而且是产生丈量误差的主要缘由之一。 因此，因此， 为了减小或消为了减小或消除非线性误差，除非线性误差， 必需进展非线性补偿。必需进展非线性补偿。 目前，目前， 实现非线性实现非线性特性补偿的方法很多，特性补偿的方法很多， 典型的补偿原理可分为开环式、典型的补偿原理可分为开环式、 闭环闭环式和增益控制式三种。式和增益控制式三种。 这些补偿方法都是要求在丈量回路中这些补偿方法都是要求在丈量回路中参与某个线性化器，参与某个线性化器， 利用线性化器的非线性函数

30、去补偿传感利用线性化器的非线性函数去补偿传感器的非线性特性。器的非线性特性。 例如，例如， 对于常用的线性化器可以用硬件电对于常用的线性化器可以用硬件电路构成，路构成， 也可以用计算机软件构成。也可以用计算机软件构成。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 常见的传感器非线性特性可分为两种类型：指数型曲线和有理代数型曲线。 指数曲线型非线性特性的输出量y和输入量x的关系可表示为 y=aebx+c 12-10 式中， a、b、c为常数。 例如热敏电阻传感器、 射线测厚仪等， 其特性属于这种类型。它们可以用对数函数的线性化器进展补偿。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 有理代数曲线型非线性特性

31、的输出量y和输入量x关系可表示为 y=a0+a1x+a2x2+anxn 12-11 式中，a0、a1an为常数。 这类传感器特性可以用延续拟合或分段拟合的线性化器进展校正。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 1. 硬件法非线性补偿硬件法非线性补偿 1 非线性函数放大器非线性函数放大器是一种增益与输入信号成某种函数关系的特殊放大电路。 它经过分段直线逼近的方法来实现传感器非线性特性的线性化， 即用一段直线来替代一段曲线， 分段越多， 折线越逼近实践的非线性曲线， 分段数目由精度决议。 因此， 非线性函数放大器本质上是分段线性函数放大器。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 1 精细渐减函数

32、放大器。 如图12-15a所示为一种精细渐减函数放大器的电路，它能抑制二极管正向压降UD受环境温度变化对转机点电压产生的影响。 该电路由反相放大器A0、求和放大器A3和转机点电路A1、A2An需求n个转机点就需n个运放电路组成。 图中，Rf1=R01，输入信号Ui经A0后得-Ui。 只需使R11/R12R21/R22Rn1/Rn2，即可保证各转机点斜率逐渐下降， 实现渐减特性。 图12-15(b)为输入/输出电压波形。 现以两个转机点为例， 阐明电路的任务原理。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 当0Ui (R11/R12)UR时，转机点电路中的二极管都不导通， 输出电压为 imfmoUR

33、RU 12-12 直线斜率为 mfm1tanRR12-13 当(R11/R12)URUi (R12/R22)UR时，VD12导通，VD11及其他二极管都不导通， 输出电压为 R1211i11f113fmimfmoURRURRRRURRU12-14 第12章 传感器的信号处理与接口技术 直线斜率为 11f113fmmfm2tanRRRRRR12-15 依此类推，下一个转机点是当Ui (R21/R22)UR时，VD12、 VD22导通，其他二极管都不导通，输出电压为 R2221i21f223fmR1211i11f113fmimfmoURRURRRRURRURRRRURRU12-16 直线斜率为 2

34、1f223fm11f113fmmfm3tanRRRRRRRRRR12-17 第12章 传感器的信号处理与接口技术 2 渐增函数放大器：利用随输出或输入信号的添加而逐个导通的二极管去减小运放输入回路电阻的方法， 可实现渐增函数放大器。 实践运用的精细渐增函数放大器如图12-16所示。与图12-15相比，它仅仅是改动了输入电压和二极管的极性，在运算放大器A中实现依次相加运算，从而得到增益渐增的函数关系。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-15 精细渐增函数放大器第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-16 精细渐增函数放大器a 电路； b 输入/输出电压波形 第12章 传感器的信

35、号处理与接口技术 用与精细渐减函数放大器同样的分析方法可得 R22212iR12111 i23fm22f213fm11f1mfm313fm11f1mfm2mfm1tantantanURRUURRURRRRRRRRRRRRRRRRRR12-18 第12章 传感器的信号处理与接口技术 2 多功能转换器多功能转换器是一种独立的模拟电路，只需对其外部引脚作适当的编程， 就能产生多种复杂的非线性函数，因此可将多功能转换器作为传感器的线性化电路，如4302、4303等。 1 电路原理： 多功能转换器由对数、反对数、对数比值放大器组成。 其内电路如图12-17所示。该组件有X、Y、Z三个独立的输入端， 其值

36、可以是010 V之间的恣意值。下面分析其输入-输出关系。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-17 多功能转换器框图 第12章 传感器的信号处理与接口技术 对数比值电路的输出为lg(UX/UZ)=lgUX-lgUZ。该信号在mb引脚输出。 将该信号送到求和电路的反相输入端mc，并附加假设干增益m，那么求和电路的输出为 lglg)lg(lgmXZYYZXUUUUUUm此信号再经反对数放大器处置， 得组件的输出 mXZYUUUUUUUmXZY)/(lgoe12-19 式中，m为指数，其值可以在0.25之间变化。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 如图12-18所示的是多功能电路的指数

37、选择方法。电阻R1和R2构成分压器，假设m1，那么对数比值输出直接由R1和R2进展衰减; 假设m1，那么由R1和R2决议对数比值放大器的增益。 图12-18 多功能转换器的指数选择 第12章 传感器的信号处理与接口技术 2 多功能转换器的根本运用：从式(12-19)可见，多功能转换器可实现指数运算，且指数m可在0.25之间延续变化。 这种非整数指数的传输特性可以拟合类似(1/UX)m、UZm之类的校正函数， 从而实现传感器特性的线性化。 下面以半导体气敏元件为例阐明4302型多功能组件的运用。 知气敏元件的输出电压U与待测气体浓度之间有如下非线性关系 ncU(12-20) 第12章 传感器的信

38、号处理与接口技术 式中，c、n是由气敏元件、 丈量气体种类及测试条件决议的常数。 因n1， 故上式为开方关系。 根据开环式非线性补偿原理， 传感器应后接具有乘方关系的线性化器。具有乘方关系的电路普通可用对数、 反对数器组合实现，但假设用多功能组件， 那么具有构造简单、 调试方便的优点，如图12-19所示。由图可见，UZ=U，UX1 V，调理电位器RP2使m1/n，那么由式(12-19)可得 Uo=UYUm=UYcnm=UYCm=S (12-21) 式中，SUYCm为丈量灵敏度， 调理电位器RP1可改动UY值， 进而改动S值。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-19 气敏元件线性化电

39、路 第12章 传感器的信号处理与接口技术 3 多功能转换器的扩展运用： 多功能转换器除了直接运用外， 还能与运算放大器组合， 扩展出许多其他非线性传输函数。 其中有些函数能对常见的弓形或S形非线性曲线进展校正。 下凸呼应电路： 如图12-20所示的电路可产生具有下凸特性的二项幂级数展开式。 下凸呼应电路的输出为 )()()(xi4i343121o14i343121omYUUURURRRRRRURURRRRRRU12-22 取图中所示的元件参数，那么Uo=0.5Ui+(Ui/4)m。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-20 下凸呼应电路 第12章 传感器的信号处理与接口技术 上凸呼应

40、电路：要对下凸曲线进展补偿， 就需用上凸曲线。 如图12-21所示，将转换器与差分放大器组合即可获得具有上凸特性的二项幂级数展开式。上凸呼应电路的输出为 ii12omXYUUUURRU12-23 将图中所示参数代入上式，可得Uo=1.1Ui-(Ui/6.3)m。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-21 上凸呼应电路 第12章 传感器的信号处理与接口技术 S形曲线校正电路：另一种常见的非线性曲线是S形， 交替地向不断线的两边畸变。 要获得适当的校正曲线，就要把运算放大器置于多功能转换器的反响回路中，如图12-22所示， 该组合电路的输出为 mXmXUURRUURRUUi13i13Ro

41、112-24 将图中所示参数代入上式可得： mmUUU)5/(1)5/(10iio第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-22 S形或紧缩扩展呼应电路 第12章 传感器的信号处理与接口技术 2. 软件法非线性补偿1 校正函数法所谓校正函数法，本质是采用开环式非线性补偿原理。 假设传感器的非线性特性是知的，那么可以利用相应的校正函数进展补偿。 将传感器输出的模拟电压信号， 经过放大和A/D转换后送往计算机，计算机按校正函数进展运算，那么结果便与被测参数成线性关系。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 2 查表法查表法就是把事先计算好的校正值按一定顺序制成表格， 然后利用查表程序根据被丈量

42、的大小查出校正后的结果。 该方法的优点是速度快， 精度高， 也最为简单， 但需占用较多的内存以储存大量的数据。 查表程序与制表的方法有关。 当表格的陈列是恣意的， 无一定规律或表格较短时， 可采用顺序查表法； 当表格的陈列有一定规律， 如它满足从大到小(或从小到大)时， 那么可采用计算查表法或对分搜索查表法。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 3 线性插值法在智能仪器中更常用的是线性插值法。如图12-23所示为用线性插值法对热电偶进展非线性补偿的表示图。图中x代表热电偶输出电压，y代表被测温度。 首先将传感器的非线性曲线yf(x)按精度要求分成n段， 当n足够大时， 每一小段均可看成是直线

43、， 那么可用n段折线替代yf(x)， 然后将分段基点xi，yi值(i1，2，n)标出，陈列成表格， 如表12-2所示。 分段数越多， 精度越高，但占内存也多， 计算时间也长，普通分为10段即可。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-23 分段线性插值法 第12章 传感器的信号处理与接口技术 表表12-2 线性插值数据表线性插值数据表第12章 传感器的信号处理与接口技术 由于各段均用直线替代曲线，因此微型机很容易根据采样值x的大小进展查表搜索。首先找出采样值所在的区段， 然后利用线性插补公式算出所对应的y值。 设x在xi与xi-1之间，那么插补公式为 y=yi-1+Ki-1x-xi-1

44、 12-25 式中，为第i段直线的斜率。 1111iiiixxyyK第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-24 线性插值法计算流程图 第12章 传感器的信号处理与接口技术 4 二次抛物线插值法线性插值法仅仅利用两个结点上的信息，精度较低，仅适用于输入/输出特性曲线弯度不大的场所， 如热电偶特性， 差压式流量计特性等。 对于弯曲很大的特性曲线， 用线性插值法必将带来很大的误差y，如图12-25所示。 假设添加分段的数目， 虽然可减少误差， 但占用很多内存单元， 且计算速度也减慢。 采用二次抛物线插值法即可处理这一矛盾。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-25 线性插值误差 第

45、12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-26 二次值法 第12章 传感器的信号处理与接口技术 抛物线插值法的根本原理是经过特性曲线上的三个点作一抛物线，用它替代曲线。 如图12-26所示，有一特性曲线yf(x)，用抛物线来逼近它， 抛物线方程为三元一次方程， 其普通方式为 y=k0+k1x+k2x2 12-26 式中，k0、k1、 k2为待定系数， 由曲线yf(x)的三个点A、 B、C的三元一次方程组联解求得。 为了使计算简便， 采用另外一种方式： y=m0+m1(x-x0)+m2(x-x1) (12-27) 式中，m0、m1、m2为待定系数，由A、B、C三点的值决议。 第12章 传感器的

46、信号处理与接口技术 当x=x0，y=y0时，有y0=m0； 当x=x1， y=y1时，有y1=m0+m1x-x0，得 01011xxyym12-28 当x=x2，y=y2时，有 )()(120220010102xxxxmxxxxyyyy， 得 12010102012)/()()/()(xxxxyyxxyym12-29) 第12章 传感器的信号处理与接口技术 12.3.3 12.3.3 传感器的标度变换传感器的标度变换在多路数据采集系统中，各种被丈量都有着不同的量纲和在多路数据采集系统中，各种被丈量都有着不同的量纲和数值。如用热电偶测温，温度单位为数值。如用热电偶测温，温度单位为，但不同热电偶输

47、出电，但不同热电偶输出电势不同，分度号为势不同，分度号为S S热电偶在热电偶在16001600时为时为16.716 mV16.716 mV，分度号为，分度号为K K热电偶在热电偶在12001200时为时为48.087 mV48.087 mV；又如丈量压力的弹性元件；又如丈量压力的弹性元件膜片、膜片、 膜盒以及弹簧管等，其压力范围从正负几帕到几十甚至膜盒以及弹簧管等，其压力范围从正负几帕到几十甚至几百兆帕。这些量纲不同、满度电压值也不同的信号经变送器几百兆帕。这些量纲不同、满度电压值也不同的信号经变送器转换成转换成0 05 V5 V的规范信号，又经的规范信号，又经A/DA/D转换成转换成0000

48、FFH(8FFH(8位位) )的数字的数字量，同样的数字往往代表着不同的被丈量。为了进展显示、量，同样的数字往往代表着不同的被丈量。为了进展显示、 记记录、打印及报警等，必需把这些数字量转换成与被丈量相应的录、打印及报警等，必需把这些数字量转换成与被丈量相应的量纲，这就是标度变换。对普通线性仪表，标度变换公式为量纲，这就是标度变换。对普通线性仪表，标度变换公式为 第12章 传感器的信号处理与接口技术 0m0 x0m0)(NNNNAAAAx12-30 式中，A0为一次丈量仪表的下限，Am为一次丈量仪表的上限，Ax为实践丈量值，N0为仪表下限所对应的数字量，Nm为仪表上限所对应的数字量，Nx为丈量

49、值所对应的数字量。 设计专门的子程序， 把各个不同参数所对应的A0、Am、 N0、Nm存放在存储器中， 然后当某一个参量需求进展标度变换时， 只需调用标度变换子程序即可。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 12.4 传感器与微机的接口技术传感器与微机的接口技术 12.4.1 12.4.1 数据采集的概念数据采集的概念1. 1. 数据采集系统的配置数据采集系统的配置典型的数据采集系统由传感器典型的数据采集系统由传感器T T、放大器、放大器IAIA、 模模拟多路开关拟多路开关MUXMUX、 采样坚持器采样坚持器SHASHA、 A/DA/D转换器、转换器、 计计算机算机MPSMPS或数字逻辑电路

50、组成。或数字逻辑电路组成。 根据它们在电路中的位置根据它们在电路中的位置可分为同时采集、可分为同时采集、 高速采集、高速采集、 分时采集和差动构造四种配置，分时采集和差动构造四种配置， 如图如图12-2712-27所示。所示。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-27 数据采集系统的配置a 同时采集； b 高速采集； c 分时采集； d 差动构造 第12章 传感器的信号处理与接口技术 1 同时采集系统： 图12-27a为同时采集系统配置方案，可对各通道传感器输出量进展同时采集和坚持，然后分时转换和存储，可保证获得各采样点同一时辰的模拟量。 2 高速采集系统： 图12-27b为高速采集

51、配置方案， 在时实控制中对多个模拟信号的同时实时丈量是很有必要的。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 3 分时采集系统： 图12-27c为分时采集方案， 这种系统价钱廉价， 具有通用性， 传感器与仪表放大器匹配灵敏， 有的已实现集成化， 在高精度、 高分辨率的系统中， 可降低IA和ADC的本钱， 但对MUX的精度要求很高， 由于输入的模拟量往往是微伏级的。 这种系统每采样一次便进展一次A/D转换并送入内存后方才对下一采样点采样。 这样， 每个采样点值间存在一个时差(几十到几百微秒)， 使各通道采样值在时轴上产生扭斜景象。 输入通道数越多， 扭斜景象越严重， 不适宜采集高速变化的模拟量。 第

52、12章 传感器的信号处理与接口技术 4 差动构造分时采集系统：在各输入信号以一个公共点为参考点时，公共点能够与IA和ADC的参考点处于不同电位而引入干扰电压UN，从而呵斥丈量误差。采用如图12-27d所示的差动配置方式可抑制共模干扰， 其中MUX可采用双输出器件， 也可用两个MUX并联。 显然， 图12-27中a、b两种方案的本钱较高， 但在810位以下的较低精度系统中， 经济上也非常实惠。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 2. 采样周期的选择采样就是以相等的时间间隔对某个延续时间信号at取样，得到对应的离散时间信号的过程， 如图12-28所示。 其中， t1、t2 为各采样时辰, d1

53、、d2为各时辰的采样值, 两次采样之间的时间间隔称为采样周期TS。 图中虚线表示再现原来的延续时间信号。可以看出， 采样周期越短，误差越小；采样周期越长，失真越大。为了尽能够坚持被采样信号的真实性， 采样周期不宜过长。根据香农采样定理：对一个具有有限频谱(minmax)的延续信号进展采样，当采样频率S=2/TS2max时，采样结果可不失真。适用中普通取S2.53max, 也可取510max。但由于受机器速度和容量的限制，采样周期不能够太短， 普通选TS为采样对象纯滞后时间0的1/10左右；当采样对象的纯滞后起主导作用时，应选TS=0 ； 假设采样对象具有纯滞后和容量滞后时， 应选择TS接近对象

54、的时间常数。通常对模拟量的采样可参照表12-3的阅历数据来选择。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-28 延续时间信号的取样 第12章 传感器的信号处理与接口技术 表表12-3 采样周期的选择采样周期的选择第12章 传感器的信号处理与接口技术 3. 量化噪声(量化误差)模拟信号是延续的，而数字信号是离散的，每个数又是用有限个数码来表示， 二者之间不可防止地存在误差，称为量化噪声。 普通A/D转换的量化噪声有1 LSB和LSB/2两种。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 12.4.2 ADC12.4.2 ADC接口技术接口技术1. A/D1. A/D转换器转换器ADCADC的主要

55、技术目的的主要技术目的1 1 分辨力分辨力 分辨力表示分辨力表示ADCADC对输入量微小变化的敏感度，对输入量微小变化的敏感度， 它等于输出它等于输出数字量最低位一个字数字量最低位一个字1 LSB1 LSB所代表的输入模拟电压值。所代表的输入模拟电压值。 如如输入满量程模拟电压为输入满量程模拟电压为UmUm的的N N位位ADCADC，其分辨率为，其分辨率为 NNUU21-2LSB1mm12-31 ADC的位数越多，分辨力越高。因此, 分辨力也可以用A/D转换的位数表示。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 2 精度 精度分为绝对精度和相对精度。 1 绝对精度： 它是指输入模拟信号的实践电压值

56、与被转换成数字信号的实际电压值之间的差值。 它包括量化误差、 线性误差和零位误差。 绝对精度常用LSB的倍数来表示， 常见的有1/2 LSB和1 LSB。 2 相对精度： 它是指绝对误差与满刻度值的百分比。 由于输入满刻度值可根据需求设定， 因此相对误差也常用LSB为单位来表示。 可见， 精度与分辨率相关，但却是两个不同的概念。一样位数的ADC，其精度能够不同。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 3 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10 V的单极性范围或-55 V的双极性范围，那么它们的量程都为10 V。 该当指出，满刻度只是个名义值，实践的A/D、D

57、/A转换器的最大输出值总是比满刻度值小1/2N。例如满刻度值为10 V的12位A/D转换器，其实践的最大输出值为。 这是由于模拟量的0值是2N个转换形状中的一个，在0值以上只需2N-1个梯级。 但习惯上转换器的模拟量范围总是用满刻度来表示的。 V2111012第12章 传感器的信号处理与接口技术 4 线性度误差理想的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践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。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 5 转换时间 转换时间指从发出启动转换脉冲开场到输出稳定的二进代码， 即完成一次

58、转换所需求的最长时间。 转换时间与转换器任务原理及其位数有关。 同种任务原理的转换器， 通常位数越多， 其转换时间那么越长。 对大多数ADC来说， 转换时间就是转换频率转换的时钟频率的倒数。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 2. ADC的主要类型及特点1 按转换原理分类按A/D转换的原理，ADC主要分为比较型和积分型两大类。 其中，常用的是逐次逼近型、双积分型和V/F变换型电荷平衡式。 1 逐次逼近ADC： 它是以数模转换器DAC为中心，配上比较器和一个逐次逼近存放器，在逻辑控制器支配下逐位比较并存放结果。它也可以由DAC、比较器和计算机软件构成。 逐次逼近ADC的特点是： 转换速度较高

59、(1 s1 ms)，814位中等精度，输出为瞬时值，抗干扰才干差。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 2 双积分型ADC：它的转换周期由两个单独的积分区间组成。未知电压在知时间内进展定时积分，然后转换为对参比电压反向定压积分，直至积分输出前往到初始值。 双积分ADC丈量的是信号平均值， 对常态噪声有很强的抑制才干， 精度很高， 分辨率达1220位， 价钱廉价， 但转换速度较慢(4 ms1 s)。 3 V/F转换器：它是由积分器、比较器和整形电路构成的VFC电路，把模拟电压变换成相应频率的脉冲信号，其频率正比于输入电压值，然后用频率计丈量。 VFC能快速呼应，抗干扰性能好，能延续转换，适用于

60、输入信号动态范围宽和需求远间隔传送的场所， 但转换速度慢。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 2 按输入、输出方式分类不同的芯片具有不同的衔接方式，其中最主要的是输入、 输出以及控制信号的衔接方式。1 输入方式。 从输入端来看，有单端输入和差动输入两种方式。 差动输入有利于抑制共模干扰。 输入信号的极性有单极性和双极性， 由极性控制端的接法决议。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 2 输出方式。从输出方式来看，主要有以下两种： 数据输出存放器具有可控的三态门。此时芯片输出线允许和CPU的数据总线直接相连，并在转换终了后利用读信号RD控制三态门将数据送上总线。 不具备可控的三态门。 输出