传感器信号调理电路课件

传感器的信号调理,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。 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。 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。 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。,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）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。,1.信号调理电路的设计原则,1.1 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(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 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 能以同一电路适应不同的同类传感器，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 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 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 (1) 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；电阻应变式传感器的应变片。 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 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：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 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：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。 (4) 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：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 (电势) 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：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 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：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 传感器敏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：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 (数字) 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。如行程开关、光电开关的输出信号。 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 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 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：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。 (2) 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：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 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 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 根据对电路性能指标的要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 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 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。 (5) 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 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 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)。对测试结果进行性能指 标分析并与设计指标进行比较。,(9) 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 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。,2.测量电桥,电阻式敏感元件最普通，与电路连接容易。通过测 分压测量敏感元件电阻的方法简单且动态范围大，但灵 敏度或分辨率不恒定；给被测电阻加恒流，测端电压， 再算阻值的方法灵敏度恒定，但精度相对恒压源的低。 1）基本电桥 很多情况下需用测量电桥测电阻值的微弱变化量。 基本测量电桥为惠斯通电桥。采用恒压源供电。其输出 可灵敏反映出桥臂电阻的变化量，不含初始分量，输出 电压为：,一般，uO含非线性分量，非线性误差随桥臂电阻变 化量增大而增加。若能保持电桥各支路的电流不变，则 电桥输出与桥臂电阻变化呈线性关系。 在半等臂桥(R1=R2 R3=R4)或等臂桥(R1=R2=R3=R4) 中，差动半桥（R1= -R2或R3= -R4）或差动全桥 （R1= -R2，R3= -R4）的uO不含非线性输出。 以等臂电桥为例，单臂工作时电桥输出为: 非线性误差为:,差动半桥和差动全桥的灵敏度分别是单臂桥的2倍和 4倍，也即其灵敏度与参与变化的电阻个数成正比。另 外，差动电桥的非线性为零。 恒流源电桥 电桥由恒流源供电时，相同情况下（即初始供桥电 压不变），灵敏度与恒压源电桥相同，在差动半桥与差 动全桥方式，也无非线性误差，但对单臂桥，非线性误 差降低一倍（可理解为恒流源电桥的各支路电路变化比 恒压源小，从而导致非线性误差小）。,恒流源单臂电桥的输出电压与非线性误差分别 为： 和 为减少单臂桥、非等臂桥或非差动桥的非线性，电 阻相对变化量不宜过大，即电桥灵敏度不宜过大。 电桥灵敏度: 电桥的输出电压最大预期变化与激励电压之比。 例，若UB=10V，电桥满度输出为10mV，则灵敏度为 1mV/V。典型值为110mV/V。 相同电桥灵敏度下，提高电桥的激励电压能提高电桥 的输出，但会增大功耗并可能引起电阻的自热误差。,电桥类型与特点： 类型：直流和交流 交流桥的特点：对传输线电容很敏感，平衡调节 难，通频带受载频限制而较窄，传输电缆不宜过长。 随IC技术发展，各种低噪声、低漂移、高精度、高 共模抑制比的运算放大器不断出现，专用信号处理模块 和高精度直流电源模块日益成熟，在测试电路中，多采 用直流桥和直流信号处理器。 直流桥的优点: 频响高，精度不亚于载频式交流 桥，不易受感应，易调平衡，传感器电缆可远比交流桥 的长。直流放大器原理上的缺点未彻底克服，需采取辅 助技术，但目前新型直流桥比交流桥得到更广的应用。,2）电桥输出的线性化处理 用基本电桥测单电阻的变化时，存在非线性误差。 若引入运放，将电桥改变如图所示，则可理论上消除电 桥的非线性误差。分析可得电桥的输出电压为： 电桥增益是普通单臂桥的两倍， 且即使R值很大，输出仍呈线性。 由于输出信号很小，这种电桥通常 需后接第二个放大器。用于这个电 路中的放大器需双电源，因为放 大器必须能给出负输出。,若基本电桥中有两个变化相同的电阻，则电桥输出 的灵敏度比单臂桥增大一倍。但由于电阻变化的方向相 同，因此非线性误差也增大一倍。这时可采用图示电 路，它在理论上不存在非线性误差，电桥输出电压为： 该电路适于不能实现差动的情况。,双臂电桥的线性化电路,3）降低引线电阻对电桥的影响,一般，电阻桥正常工作时的电阻变化非常小，例如 金属应变计的电阻变化一般不到1%。若电桥引线很长， 引线阻值和温漂会给电桥带来明显误差。 （1）示例 下图为单臂350应变桥，应变计Rx满量程时电阻变化 为1%即3.5。应变计经30米双绞铜线接入电桥电路，组 成远地电桥。RLEAD为双绞线的电阻，若在电桥另一臂上 串一阻值为2RLEAD的电阻RC，可调节电桥初始平衡。 25时导线电阻为0.35/米，因此，60米引线电阻为 21。铜线的温度系数为0.385/， 10温升范围内失调误差为0.8085， 与Rx满量程变化量3.5比，失调 误差达23%。此外，引线电阻及其 温漂还造成电桥的增益误差。,（2）电阻的三线连接法 目的：减小引线电阻对电桥输出的影响。 电桥输出电压端接高阻抗测量仪器时，接输出电压测量的 引线中基本无电流，因此该引线上的电阻不产生电压降， 即不造成误差。引线电阻对称时，电桥右边支路的每一个 桥臂所增引线电阻大小相等，不影响电桥的平衡，消除了 电桥失调误差及温漂误差，但引线的温漂仍会带来少量的 增益误差。,远地电桥的3线连接方法,（3）电桥的四线连接法 三线法适于远地放置的单臂电桥的一臂。当全桥或所有元 件均远离信号调理电路时可用下图的开尔文检测或四线检 测方法，以保证精度。 图中电桥输出uO接高阻抗放大器，引线不产生测量误 差。同时，供桥电压经运放精确调整到UB，与引线长度及 其温漂无关。因运放反相端所在支路无电流，能精确检测 到电桥电压和地电压，并用负反馈调节电桥至给定值。 需注意，图中上面一个运放的输出 电压比电桥电压UB高IBRLEAD，下面 一个运放的输出电压比地电压低 IBRLEAD。因此，图中的运放需双电 源，且共模抑制比高。,消除引线电阻误差的四线方法,（4）恒流源电桥的四线连接法 图中运放工作在负反馈条件下，电桥电压为 恒流电流精度取决于参考电压 及电阻 。 需注意：运放电源电压要高于运放输出电压23V左右。 电路中，运算放大器的输出电压 其中电桥的电压 。,消除引线电阻误差的恒流源电桥电路,（5）电桥测量的比率测量法 下图为利用ADC 结合比率测量法的电桥四线法，无 需精确电源电压，即可得到高测量精度。 AD7730的供压用来激励远地电桥，其模拟输入AIN和基准 输入UREF均为高阻抗，且采用差分电路。 通过电桥输出电压AIN与电桥激励电压UREF的比率， AD7730可精确得到电桥电阻变化。电源电压误差和漂移 及引线电阻造成的电桥激励电压变化均不造成测量误差。 以单臂桥为例，在非比率方式下，测量电桥输出为 ，输出电压不仅与电阻的变化量 有关， 还与电桥激励电压 有关；采用比率测量方法，得到输 出为 ，仅与电阻的变化量有关。,AD7730是具有高分辨率(24位)和内部带可编程增益放大 器(PGA)的-型ADC，特别适于电桥应用。这种ADC 具有自校准和系统校准功能，能使由ADC引起的失调误 差和增益误差降至最小。,比率测量法,（6）交替激励,问题：下图给出了与桥式传感器应用中的直流激励和测 量相关联的一些系统误差源。电桥输出信号通常非常 小，易受热噪声、1/f噪声、寄生热偶电压及放大器失调 误差影响。 例如，普通电路布线中存在寄生热偶电压。若电路存在 热梯度，则锡铅焊料与PCB印制线之间的结点可能引入 34V/的热偶效应。PCB的铜线和放大器的柯伐合金 引脚之间也存在热偶接点，产生高达35V/的电压误 差。高分辨率数据采集系统中，这些热偶误差同放大器 失调误差和系统中的噪声一道，形成 显著直流和低频误差。交替激励是解 决问题的好办法。,如图所示交替电桥激励法能有效去除与电桥输出相 串联的失调电压。第一次测量得到uO1，它实际是电桥输 出电压uO与净失调误差电压EOS之和。将电桥激励的极性 颠倒，完成第二次测量uO2， uO2为-uO与净失调误差电压 EOS之和。uO1减uO2得2uO，失调误差项EOS被消除。 将方波用于交流激励时，由于激励信号极性在各次 测量之间轮换，能有效抵消各种直流误差。这种斩波方 案还可消除低频端(直流至数赫范围)起主要作用的1/f噪 声。,示例：利用AD7730ADC实现交替激励的应用电路。 AD7730片内包含用于实现交替激励，并给出激励切换后 的计算输出结果的全部电路。AD7730可用于秤重和压力 测量的完整模拟前端。AD7730用+5V单电源工作时能接 受直接来自传感器的低电平信号，并输出串行数据。输 入满度范围为1080mV的单极和双极模拟信号。,利用AD7730实现交替测量的应用电路,3.信号放大电路,一般，经敏感元件转换后输出的信号不仅电平低，内 阻高，还伴有较高共模电压，因此需要进行信号放大和阻 抗变换。传感器对信号放大电路的一般要求如下： （1）输入阻抗远大于信号源内阻。否则负载效应造成测 量误差，内阻不是常数的测量场合，所测误差无法补偿。 （2）抗共模电压干扰能力强。共模电压来源除转换信号 输出所含共模电压以外，还有环境造成的共模干扰。 （3）在频带宽度内增益稳定、线性度好，漂移和失调 小，信噪比高。 （4）便于增益调整。增益调整时放大性能不降低，以及 便于量程切换、极性自动变换等。 针对传感器信号输出特点的常用放大器： 仪用放大器，可编程增益放大器和隔离放大器。,1）仪用放大器,普通减法器是最简单且增益可设的差动放大器。但其 输入阻抗低，电阻参数的对称性调整复杂，共模抑制比难 保证，不宜用作传感器信号的差动放大。仪用放大器又称 测量放大器，是专为此应用场合设计的放大器。 仪用放大器如图所示。图中左边部分由运放A1，A2构 成对称同相放大器，右边部分由运放A3和电阻R3R6组成 减法器。设R1=R2=R，R3=R4=R5=R6，则 可见，仪用放大器增益调整仅 调Rg，不需多个电位器联动， 也不会影响电路的对称性，具 有输入阻抗高、对称性好、共 模抑制比高、增益设定调整方 便、体积小的特点。,仪用放大器,2）高共模抑制比线性放大电路,实用中，大部分传感器与测量放大电路之间有一定距 离，常用屏蔽电缆连接。信号线与屏蔽层之间存在不可忽 略的电缆分布电容，习惯上采用屏蔽层接地法，这样该电 容成为放大器输入端对地的寄生电容。再考虑到放大器本 身输入电容，若差动放大器两输入端各自对地的电容不 等，会使电路的共模抑制比变坏，测量精度下降。 为消除信号线与屏蔽层之间寄生电容的影响，采用等 电位屏蔽，即把电缆的屏蔽层接到与输入共模信号相等的 电位点上，也即使 电缆心线与屏蔽层 等电位。此方法称 共模电压自举法， 即有源屏蔽驱动电路 能有效克服上述缺点。,上图中A1、A2构成同相比例差动放大器，其输出通过 各自输出端的R0连接，两R0的连接点电位为uc。将uc通过 A4跟随器连到输入信号电缆屏蔽层。由电路分析可知： u01= ui1 (1+R1/Rp) -ui2R1/Rp, u02= ui1 (1+R2/Rp) -ui1R2/Rp 当 R1=R2时，uc=(uo1+uo2)/2=(ui1+ui2)/2 所以uc等于共模输入电压，也即电缆屏蔽层与共模输入 心线等电位，消除了屏蔽电缆分布电容的影响。 A3输出端还接A1、A2的电源Ec的公共端，使电源处 于随共模电压而变的浮动状态，因而正负电源的涨落幅 度与共模输入电压大小完全相同。电源对共模电压的跟 踪使共模电压造成的影响大大削弱。这种浮动电源共模 自举式放大电路常用于电容、压阻和电感传感器等组成 的高精度系统。其共模抑制比通常在120140dB范围。,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。,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。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）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，有些隔离放大器 采用三端口隔离方式， 即信号输入端口、信号 输出端口、驱动电源端 口分别电气隔离。,AD204 Functional Block Diagram,（2）光电隔离放大器 其中的耦合器件是半导体器件，有非线性和温漂，参数 离散性大，用光耦线性隔离传送模拟信号有一定技巧。 下图为BB公司的集成隔离放大器ISO100内部结构。 单极性工作时不用参考电流源。这时IREF1端(引脚16)接输 入部分地；IREF2端接输出部分地。正常工作时，uI为单极 性负电压，因VD1的负反馈作用，LED有电 流流过，LED发光后，光敏管 VD1，VD2中分别产生大小相等 的电流，若外接电阻R1=Rf， 则输出端电压与输入端电 压相等。双光耦参数对称， 使光电器件的非线性误差 和漂移不造成任何误差。,若要双极性工作，电路如图所示。它将参考电流源IREF1和 IREF2分别接运放反相输入端。此时，uI，uO的最大值分别 为： ， 。,（3）电容隔离放大器 原理：将输入信号调制后经隔离电容耦合到输出电路解调，得到与输入成线性关系的输出信号。电容耦合隔离放大器的原理与变压器耦合隔离放大器的原理很相近，只是前者的电容可包含在半导体器件中，因此体积小，成本低。,三种隔离放大器的特色： 变压器耦合隔离放大器的变压器体积大，成本高，功耗 大，无法集成，造成器件价高，体积大，一般器件的封 装为非标准集成电路封装，但一般把隔离电源也固化在 器件内，甚至可实现三端隔离。通过引脚将电源输出， 可外接负载，不需另配隔离DC-DC变换器，使用方便。 光电耦合隔离放大器全由半导体器件构成，便于集成， 成本低，体积小，性能稳定，不需外接任何器件，使用 方便。器件本身不带隔离电源，需另接隔离DC-DC变换 器。 电容耦合隔离放大器引出线少，使用方便，但需使用调制 解调技术，频带宽度不及光电耦合型隔离放大器。,4.信号变换电路,为使传感器输出信号便于处理、显示、传输，要对不 同类型信号进行相互转换。例如，电压/频率变换将电压信 号进行频率调制以便于电气隔离和数字化；交流/直流变换 将输入信号的交流参数如峰值、绝对平均值、有效值提取 出来；信号的调制与解调（包括相敏解调）在信号传输中 的电气隔离和抗干扰方面具有重要作用；电压/电流变换， 将电压信号变成不易受干扰的电流源信号。 信号转换电路：实现各类型信号相互转换，使其具有不 同输入、输出的器件可以联用的电路。 进行信号转换时，需考虑：一、转换电路应有良好线性； 二、要求信号转换电路具有一定的输入阻抗和输出阻抗， 以便与之相联的器件或电路阻抗匹配。,1）电压电流转换电路 在成套仪表和计算机测控系统中，传感器和仪表之间、 仪表和仪表之间的信号传送都采用标准信号，即0-5V直流 电压或0-10mA、4-20mA直流电流。 传感器测量系统中，常用电压/电流转换电路进行电压、 电流信号间的转换。例如，在远距离测量系统中，必须把 监控电压信号转换成电流信号传输，以减小传输导线阻抗 对信号的影响。对电流信号进行测量时，先需要将电流信 号转换成电压信号，再由数字电压表测量，或经过A/D转 换后由计算机进行测控。 在进行信号转换时，为保证足够的转换精度和较宽的适 应范围，要求I/V转换电路要有较低的输入阻抗和输出阻 抗。而V/I转换电路要有较高的输入阻抗和输出阻抗。,（1）电压-电流变换 输出负载中的电流正比于输入电压的电路称为电压-电流 变换器。由于传输系数是电导，又称转移电导放大器。 输入电压恒定时，负载中的电流为恒定值，与负载无关， 构成恒流源电路。 浮地负载电压-电流变换电路 将负载接到反相放大器和同相放大器的反馈电路中，则 构成图(a)和(b)所示最简浮地负载电压-电流变换电路。 按理想运放条件可导出这两种电路负载中的电流为： IL=Vi/R1,图(c)和(d)所示电压-电流变换电路浮地负载中的电流 具有放大特性。图(c)中电阻R4上的电压为:V4=-ViR2/R1 负载RL中的电流为:IL=V4/(R2/R4)=-Vi(1+R2/R4)/R1 图(d)所示同相型变换电路中，电阻R4上的电压为 V4=Vi(1+R2/R4) 负载中的电流为: IL=V4/(R2+R1)/R4) =Vi(1+R2/R4+R1/R4)/R1 可知: c,d两种电路在浮地负载中的电流分别被放大了(1+R2/R4)及 (1+R1/R4+R2/R4)倍。a和c为反相型电路，其输入阻抗为 R1，是低输入阻抗型。b和d为同相型变换电路，其输入阻 抗与同相放大器相同，为高输入阻抗型。,接地负载电压-电流变换电路 图a电路中Al为同相加法器，A2为跟随器，其输出 电压跟随负载电压，即:V02=VL=ILRL A1的同相端电压： V+=ViR4/(R3+R4)+ILRLR3/(R3+R4) A1的同相端电压经A2同相放大器放大 后的输出电压： Vol=V+(R1+R2)/R1 =(ViR4+ILRLR3)(R1+R2)/(R3+R4)R1) =ILR5+ILRL 选择元件参数值满足：R3(Rl+R2)Rl(R3+R4)，可得负 载中的电流IL与负载RL无关。为此选取R3R1，及 R4R2，则输出负载中的电流为IL=ViR2/(R1R5)。,因A1和A2构成闭环正反馈，设计时须考虑电路稳定性。 电路中闭环的环路增益为RL/(R5+RL)2RL 。 图(b)是由单运放构成的接地负载电压-电流变换电 路。类似分析可得， 当R2/R1=(R4+R5)/R3时， 接地负载中的电流为 IL=-ViR2/(R1R5),差动式电压-电流变换电路 对输入为差动电压的情况，下面电路可使负载中的电流 与两输入电压之差成正比。 图a：理想条件下V-=V+=Vi2，电路负载中的电流： IL=(Vi1-Vi2)/R1 图b：若满足条件：R3/R5=R1/(R2+R4)，则浮地负载中的总 电流为：IL=IL1+IL2=(Vi2-Vi1)(R2+R4)/(R1R4) 图c：负载中的电流为IL=I3-I4，为使负载中的电流与RL无 关，电阻选择须满足：R1R4=R2R3，相应的接地负载中电流 为：IL=(Vi2-Vil)/R3,a b c,（2）IV转换电路 I/V转换电路用于将输入电流信号转换为与之成线性关 系的电压信号。 如图所示，利用反相输入型和同相输入型运算放大器实 现I/V转换。设运放A为理想运放。在图a中有：i=is； u0-iR1= -isR1。电流源is的内阻必须很大，否则，输入失 调电压将被放大(1+ R1 /Rs)倍，产 生很大误差。此外，电流is必须远 大于运放输入偏置电流Ib 。,a,下图中，输入电流is首先经过Rl转换成输入电压ui=isR1， 再经同相输入比例放大得到输出电压：u0= is R1 (1+R2/ R3) 根据传感器电流输出要求，确定负载R1大小。R1确定 后，根据is与u0的范围确定R2、R3。为减少运放偏置电流产 生的误差，要求两输入端对地电阻相等，即 R4 =R2 R3 /( R2+ R3)。 例如，将0mA10mA的输入电流转 换成0V10V的输出电压， 取R1 =250，(ui 为0V2.5V)， R3=5.1k, 则 R4 =3.9 k (15 k和1 k电位器串联得到)。,用光电池、光敏二极管做检测时，由于其输出电阻很 高，且其短路电流与光强线性好，因此可看成电流源，通 常其电流很小(A级)。所以光电池、光敏二极管的检测实 际上是一种微电流测量。为获得高精度微电流放大，必须 选用高输入阻抗、极低偏置电流的FET输入型运放，如 CA3140，OPAl28等，但FET运放输入偏置电流将随温度 升高而成倍增加，而晶体管输入型反倒好些。采用T型反 馈电路组成的微电流放大器可取得较好效 果，如图所示。理想情况下： is =u /R2 +(u-u0)/ R3 其中，u= - is R1，代入上式，得 u0= - isR3 +R1 (1+ R3 /R2) 通过改变R2值可改变放大倍数。,在远程监控系统中，电流信号经长距离导线传送到数据 采集接口，需电流电压成比例转换转换后再作A/D转换。 图a为传感器的长线电流输入的情况。 图b输入电流I直接流过基准电阻R，输出电压为VoIiR。 当工作范围为-10VIiR+10V时，一般根据Ii适当选取 R，而对Ii的大小无限制。R值很小时，Ii可取大值，但应注 意R的发热情况。 R为电路的输入阻抗，因 此当主信号源内阻不太大时， 电流值将产生误差。 当输入电流很小时，可使用 图c所示电压放大电路，则有 Vo=IiR(R1+R2)/R2=100RIi,另一种电路形式：取样的标准电阻作运放的反馈电阻。 图a：输入电流Ii全部流经反馈电阻，输出Vo-IiR。全部 电流流入运放输出端，因而不能作大电流转换。 该电路的输入近似为零，即使信号源内阻很低，也不产生 电流误差。小电流转换时，需用大反馈电阻，同时要求运 放失调电压小。标准电阻阻值一般为101M时，电阻精度难保 证且很容易受噪声影响。 图b的电路用于小电流。 例如，将10nA的电流转换为 1V时，采用图a的方案，则R 为100M，精度难保证。图b的 电路先将10nA电流转换成10mV，再用一个增益为100的电 压放大器将电压放大到1V，避免了大阻值电阻的采用。,2）电压/频率(U/F)转换电路,U/F是指把电压信号转换成与之成正比的频率信号。 U/F转换过程实质上是对信号进行频率调制，频率信息可远距离传递 并有优良的抗干扰能力，采用光电隔离和变压器隔离时不会损失精确 度；U/F转换器应用简单，对外围器件性能要求不高，其A/D转换速 度不低于双积分型A/D转换器件，且价格较低。 U/F转换器常用电荷平衡转换方法，原理如图a所示。运放Al、电 阻R1、积分电容CINT组成积分器。A1的输入端A和输出端B分别接电 流开关S的两个选择端。当电流开关S受单稳态触发器控制在A、B点 交替切换时，积分器相应地工作于两种不同状态：复位和积分。,电荷平衡式U/F转换器原理,当uBUR时，A2的输出电平翻转，触发单稳触发器脱离 稳态进入暂态。这时单稳触发器控制输出电平uO翻转； 同时控制电流开关S把A点接恒流源IR。此时，积分电容 CINT流过的电流iC=IR-iI ，设在复位时间TR内，积分电容 CINT的电压变化为uC，积累的电荷变化量为: 式中，TR为复位时间，即单稳触发器的暂态维持时间， 由定时电容COS决定。 当单稳触发器脱离暂态，回到稳态时，uO再次翻转； 同时电流开关S接B点。积分器脱离复位状态，进入积分状 态。此时CINT的电流iC仅受输入电流iI的影响，此时有: 式中，TI为积分时间，取决于输入电压的大小。,由于转换器的积分电容在积分和复位过程中的电荷变化 量平衡，即 ，故称电荷平衡式转换器。 U/F转换器的输出频率为： 式中，RI为U/F转换器的输入端内部电阻；IR为U/F转换 器内部恒流源电流值。 利用单片集成电路AD650及外部 元件可构成U/F转换器。 AD650的基本应用电路：输入电压uI为 正电压，RPl调整输入电量的量程， RP2调整积分器的输入失调电压，晶体 管T1输出为集电极开路模式，外接上 拉电阻以形成TTL或CMOS电平。 AD650还可实现双极性输入和F/U转换。,批量生产UFC时，外接元件参数不可能完全一致，给调试和校 准带来困难。由于输出频率与RI，IR，TR有关，如果RI集成在器件中， 复位时间TR由外部时钟控制，则转换器的精度完全取决于集成器件 的精度和外部时钟精度，这两者的提高较易。 AD652采用了这一思路，其电路和各点波形如图所示。AD652 的转换精度仅与片内参考电压源和1mA电流源的稳定性有关。 若后接测量设备用AD652的外部时钟定时，外部时钟频率稳定性不影 响测量结果；片内单稳电路的外接定时电容的不稳定也不影响转换 精度；AD652满度转换频率达2MHz，该处的非线性误差为0.02。,3）交流/直流转换电路,检测中有时需知道传感器的交流输出信号的幅值或功率。 例如磁电式振动速度传感器或电涡流式振动位移传感器， 在其信号处理电路中都需进行交流-直流变换，即将交流振 幅信号变为与之成正比的直流信号输出。根据被测信号的 频率不同或要求测量精度不同，可采用不同变换方法。目 前常用的变换方法有线性检波电路（半波整流电路）、绝 对值电路（全波整流电路）、有效值变换电路（方均根/直 流变换电路）。 1线性检波电路 最简检波电路为二极管检波电路。因二极管存在死区电 压，当输入信号幅值较低时，会带来严重的非线性误差。 实用方法：二极管置于运放反馈回路，以实现精密整流。,下图所示为采用反相放大结构的常用半波整流电路及其波形。当 输入电压uI为正极性时，放大器输出uO1为负，VD2导通，VD1截止， 输出电压uO为零。uI为负极性时，放大器输出为正，VD1导通，VD2截 止，电路处于反相比例运算状态。由上述分析可得 显然，只要运放的输出电压 |uO1|的值大于整流二极管的 正向导通电压，VD1和VD2中 总有一个导通，另一个截止，此时电路能正常检波。 电路能检波的最小输入电压为UD/AUO。其中UD为二极管的正向压 降，AUO为运算放大器的开环电压增益。可见二极管正向压降的影响 被削弱了AUO倍，使检波特性大大改善。如果需要输出的是负电压， 只要把电路中的两个二极管同时反接即可。,2绝对值转换电路 采用绝对值转换电路可把输入信号转换为单极性信号，再用低 通滤波器滤去交流成份，得到的直流信号称为绝对平均偏差(MAD)。 在半波整流电路的基础上， 加一级加法器，构成简单的 绝对值电路。右图为简单绝 对值电路及其波形。图中A1 组成线性检波器，在R1=R2， R3=R1/R2的条件下，u1与输 入电压uI的关系为 A2组成带权加法器：R4=2R5=R6，R7=R4/R5/R6，其输出： 需注意，这里一些电阻需要匹配，即R1=R2，R4=2R5=R6。,3有效值转换电路 交流信号有效值的测量方法较多。如果已知被测信号波 形，可采用峰值检测法、绝对平均法分别测出交流信号 的峰值或绝对平均值，再进行换算即可。若输入信号波 形不确定，则可采用热功率法或硬件运算法。 图所示为一种峰值检测电路，其输出电压uO等于交流信 号的峰值up。正弦波的信号有效值URMS=UP/1.414；三角 波的URMS=UP/1.73；方波的URMS=UP。,绝对平均法利用绝对值转换和低通滤波电路，得到输入 信号的MAD值，再换算成RMS值。绝对平均法比峰值法 测量精度高，抗干扰能力强，但不适于复杂波形的信号。 热功率法利用交流信号加在电阻上的功率即温度变化测 量有效值，输出不受波形影响，但响应慢。目前较理想 的方法是利用集成器件实现有效值的实时运算，其电路 框图如图所示。 由 得 ， 故有,常用集成有效值转换器：AD536，AD636，AD637等。 AD637为高精度宽带方均根/直流转换器。当输入信号均方 根值在02V范围时，最大非线性仅0.02，输入均方根值 在2V和100mV时，相应的-3dB带宽分别达8MHz和 600kHz。当波峰系数较大时，晶体管的对数一致性误差会 导致非线性误差。波峰系数为3时，附加误差为0.1。,5. 线 性 化,在测量系统中，希望传感器的输入输出特性为线性。线 性有利于后续电路设计和标定工作的简化。 现实中大量传感器是非线性的。数字电路、单片机技 术、嵌入式系统的介入，能在某种程度上补偿传感器的非 线性(也可视为一种数字式线性化技术)，但此方式的适用 范围有限，尤其受A/D采样速度及运算处理速度限制，在 动态测量中难满足要求。 若传感器输入输出特性的非线性不严重，当不会引起 显著误差时，可用切线或割线等近似直线代替局部实际曲 线，如拟合直线。 传感器线性化的目的：通过在信号调理电路中加入 非线性环节，使传感器的这段线性范围最大化。,按所用元件，传感器线性化分为无源线性化和有源 线性化方法。根据线性化所处阶段不同，在数字化以前 进行的线性化，称模拟线性化；在数字化以后进行的线 性化，称数字线性化。 采用硬件方法对传感器特性进行线性化，在实时 性、简便、经济等方面具有软件方法难以替代的优势。 在许多应用中，采用模拟电路对传感器的输出进行线性 化是最佳的。,1) 无源线性化电路 无源线性化电路比较简单，性能可靠，成本低廉。在某 些应用场合，通过合理设计电路结构及元件参数，可获得 满意的精度，是一种广泛应用的线性化方法。 一种简单的无源线件化电路是用固定参数元件与敏感 器件并联或串联。对有些非线性传感器，简单地用固定电 阻器与传感元件串、并联，只要电阻值选取合适，即可将 非线性校正到满意的程度。 这方面比较典型的例子就是Dunmore式湿敏传感器的 非线性校正。如下图所示，湿敏传感器的电阻值RH与相对 湿度RH的关系曲线是非线性的。,根据具体测量需要，选择A、B、C三点，相应的电阻RH与相对湿度 RH的值分别为RHa、RHb、RHc及Ha、Hb、Hc，且Ha-HbHb-Hc。选 择如图b所示无源电路，用一个固定电阻R与RH并联。并联后的总电 阻为：RH=RRH/(R+RH) 为使A、B、C三点成线性关系，应有：RHa- RHbRHb- RHc 即：RRHa/(R+RHa)- RRHb/(R+RHb)= RRHb/(R+RHb)- RRHc/(R+RHc) 因此应取：R= (RHb ( RHa+RHc)-2RHa RHc )/( RHa+ RHc-2 RHb),(a)湿敏电阻的非线性特性曲线 (b)无源线性化电路 湿敏电阻的线性化,经修正后的特性曲线呈如图a所示的S形，线性度得到改善，各点RH值与直线(图中虚线)关系对应值的偏差R如图b所示。,修正后的特性曲线及与直线间的偏差,若想直接进行输出电压线性化，则可采用图a所示串联电路。对于 前图a中的A、B、C三点，应有 ViRRHa/(R+RHa)- Vi RRHb/(R+RHb)Vi RRHb/(R+RHb)- Vi RRHc/(R+RHc) 根据上式所求出的固定电阻仍为 R= (RHb ( RHa+RHc)-2RHa RHc )/( RHa+ RHc-2 RHb) 线性化后的电压输出曲线如图b所示，也是一个S形曲线。电路中 从固定电阻及上取电压是为了得到随相对湿度增加而增加的电压关系。,串联电阻线性化电路,热敏电阻的非线性校正常用类似前面的方法。热敏电阻 的阻值与温度呈指数关系，实践中可用温度系数很小的金 属电阻与其串联或并联或同时串、并联，构成电阻网络， 代替单个热敏电阻。只要金属电阻的阻值选择合适，可使 其等效电阻值与温度的关系在一定温度范围内呈线性。 一般情况下，取回路电流作输出量时选用串联形式， 在电桥测量电路中则选用并联形式或串、并联形式。 电阻串、并联法可使热敏电阻最大非线性误差在 040范围内校正为0.15，在0l00内为1.5。热 电阻(如铂、铜电阻)等特性曲线一般为二次或三次多项 式，可用这种方法校正，且校正效果较好。,上述非线性校正法成本低，简便，但校正范围一般较窄、准确度不 是很高，主要用于被测量变化范围不大的场合。采用更复杂的无源电 路，可扩大线性范围。例如，将工作于不同敏感区的敏感元件组合， 使特性曲线弯曲部分互补，可消除高次项误差，获得宽线性范围。 以湿敏电阻作为例。如图所示，湿敏电阻RH1与RH2分别工作在不同 的敏感区（图a）。通过固定电阻的并联，将RH1在Ha、Hb、Hc三点 线性化，RH2在Hb、Hc、Hd三点线性化，总电阻为：RHRH1+RH2 如图b所示，在公共敏感区域，两个等效电阻特性曲线的弯曲方向 不同，RH1向上弯曲，RH2向下弯曲。总电阻RH与相对湿度RH的关系 曲线为两者之和，两曲线在公共区域互相补充，得到一条范围更宽的 近似直线，如图c。这种线性化的效果既与每个湿敏器件的特性有关， 又和线性点的选择有关。通过理论计算与实验调整相结合的方式，可 使非线性误差足够小。,不同敏感区的敏感元件进行组合,湿敏电阻的线性化效果,a b c,2) 有源线性化电路,无源线性化方法的特点：电路简单，易实现，但引入 固定参数元件串并联，使变换灵敏度降低。 有源线性化电路利用运放、场效应管或三极管等有源元 件实现函数变换。因运放有很高的增益、极高的输入阻抗、 灵活多变的接法，可获得各种各样的函数变换特性。 从原理上讲，任何敏感器件的变换特性都可校正为足 够好的直线特性。随着运放性价比的不断提升，实际应用 中被越来越多地采用。 有源线性化的缺点：线路复杂、调整不便，成本相对高。 一种简单有源线性化电路是利用非线性反馈，使反馈支 路的非线性和原有敏感器件变换特性的非线性相互抵消。 目前有多种使用方便的函数运算电路可选。此外，也可 采用运算放大器搭建函数运算器进行线性化。,1）电桥输出的线性化处理（前面已介绍） 2）对数指数运算电路 有相当多的敏感元件的特性曲线呈指数或对数形式，例 如，硅光电池的输出电压为vIVoe -aI其中I为光强。此时， 利用由运算放大器组成的对数电路，使电路输出为： vAKln(vI) ，其中K为常数，可得到线性的输出： vAKln(Vo)-aKI 。 利用二极管或三极管PN结的非线性特性所构成的对数或 指数电路最为常用。它利用PN结正向导通的指数伏安特性， 但要求输入电压必须为正。若PN结反接，输入必须为负。 实用中，常利用三极管的基射PN结电压与集电极电 流间的指数跨导特性来代替二极管的指数伏安特性。,这种对数指数运算电路原理简单，应用方便，但具体 应用需要注意： （1）PN结的指数特性