信号处理技术

1、信号处理技术传感器与检测技术 信号处理技术1.1 微弱信号放大 1 测量放大器 如右图所示，放大后的输出电压为： 为了克服干扰信号的影响，运算放大器一般采用差动接法，从比较大的共模信号中检出差值信号并加以放大，以保证放大器正常工作。 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放大的，经典的测量放大器由三个运算放大器构成，如下图所示。 上图中，N1、N2构成同相并联差动放大器，可以证明其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。 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

2、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。 2.实用测量放大器 如AD公司推出的单片精密测量放大器AD521和AD522就是最常用的两种单片测量放大器。 1) AD521 AD521的管脚功能与基本接法如下图所示。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电位器的两个固定端，滑动端接电源负端。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。 2) AD522 AD522也是单芯片集成精密测量放大器，K0=100时，非线性仅为0

3、.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）。 AD522的管脚功能如图右所示。管脚4、6是调零端，2和14端连接调整放大倍数的电阻。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，通常要进行远距离传输，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。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

4、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，同时输出电阻也应尽量大，以保持输出电流的恒流特性。 1.2 线性化处理技术 大多数传感器的输出信号和被测量之间的关系是非线性的。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是非线性的。可通过缩小测量范围、采用非均匀的指示刻度及增加非线性校正环节等方法来消除其影响。 通常在设计测量仪表时总希望得到均匀的指示刻度，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

5、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。 1 .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，其结构原理可用下面的框图表示。 要解决的关键问题有两个： 一是在给定u0-x线性关系的前提下，根据已知的u1-x非线性关系和u1- u2线性关系求出线性化器应当具有的u1与u2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。 1)解析计算法设图上中传感器特性解析式为：方大器特性的

6、解析式为： 要求测量工具有的刻度方程为：将以上三式联立，消去中间变量u1和x，就可以得到线性化器非线性特性的解析式：根据上式即可设计线性化器的具体电路。 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，可用图解法求取线性化器的输入-输入特性曲线，见右图，作图步骤如下。 I. 将传感器特性曲线作于直角坐标的第一限，u1=f1（x）。 II. 将放大器线性特性作于第二限，u2=Ku1。 III. 将整台测量仪表的线性特性作与第四象限，u0=sx。 IV. 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 V.u1=f(x)曲线及第四象限中的u0=s

7、x直线交于10、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=Ku1直线交于21、22、23、2n各点。 VI. 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 VII.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10.2.3给出的框图表示。 在放大器上增加非线性反馈之后，使u0与u1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xu0j具有线性特性。 2.非线性校正电路 求出线性化器的输入-输出特性曲线

8、之后，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件，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对数运算放大器，就能对输入信号进行对数运算，它可用于射线测厚仪的非线性校正电路中。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所需要的特性曲线。 折线逼近法如上图所示。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，可以看出，转折点越多，折线越逼近曲线，精度也越高。左图是一个最简单的折点电路，其中E决定了转折点偏置电

9、压，二极管V作开关用，其转折电压为式中，UD为二极管正向压降。右图是另一种折点电路，其转折电压为 由上式可知转折电压不仅与E有关，还有二极管正向压降UD有关。 上图是用于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U0U01二极管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

10、各段反馈电阻。第三段折线引入正反馈，可以用右图表示。 上述电路简单，但精度不高。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。下图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 3.非线性特性软件线性化处理 设某传感器非线性校正曲线如右图所示。它是一个非线性函数关系。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-1xi xk.软件法的含义是用一段直线近似地代替这段区间里的实际曲线，然后通过近似插值公式计算出yi这种方法称为线性插值法。由下图可看出，通过M1、M2两点的直线斜率k为： 而yi的计算公式为： 软件线性插值法的线性化精度由折线的段数决定，所分段