传感器信号处理电路.ppt

第十一章 传感器信号处理电路,传感器信号处理电路的基本要求 传感器的匹配 信号放大电路 信号变换电路 信号滤波电路 传感器电路的噪声与抑制,基本要求： 信号的选取与抗干扰能力 要求电路本身是低噪声的； 采用恰当的屏蔽、隔离，合理的布线与接地； 被测信号的调制和解调。,第一节 传感器信号处理电路概述,稳定性 温漂：处理的结果在一次运行中发生渐变 长期稳定性：由于元器件老化、插接件弹性疲劳、氧化等原因 短期稳定性：示值重复性。,频率特性与响应速度 随着科技的发展，对于快速变化的过程进行动态测量的要求越来越多。,线性度 检测的非线性由传感器、传感器电路、显示执行机构这三部分的非线性度产生。,分辨率 适当提高传感器电路的分辨率有利于减小误差、方便读数； 模拟电路中，为了提高分辨率应适当提高放大器放大倍数； 数字电路中，为了减小量化误差必须增加数字量的位数，以减小最低位所对应的被测量。,输入输出阻抗 输入级的输入阻抗与传感器的输出阻抗相匹配，使放大器的输出信噪比达到最大值； 传感器电路的输出阻抗应与它所驱动的显示执行机构或微机接口的阻抗相匹配。,传感器的匹配,不同的传感器的输出阻抗不一样； 输出阻抗大高输入阻抗运算放大器 压电陶瓷、光敏二极管（100M） 输出阻抗小变压器匹配 动圈式传声器（30-70）,高输入阻抗放大器,求：输入阻抗Ri=?,解：根据虚地原理,所以：,输入阻抗：,令Rf1=R2 Rf2=2R1 则：,第二节 信号放大电路,一、电压放大器电路,例：K型热电偶，将0500的温度转换为0-5V电压信号。已知1 对应热电偶输出电压40uV，500 对应满量程电压20.64mV。,求： （1）信号电路增益AV? （2）描述电路各部分作用。,解： （1） （2）R3、C1为低通滤波器，消除噪声； LM35D及其周围电路补偿冷端温度； R6完成断线检测。,提问： （1）R3为什么不能太大? （2）断线检测功能为什么要求运放的输入偏置电流小？,（因为运放有输入偏置电流）,（因为运放输入偏置电流在R6上产生很大的压降）,二、差动放大器电路,例：一种压力传感器的信号调理电路如图所示。压力传感器采用绝对压力传感器PS3000S-102A，此传感器为恒流驱动，驱动电流为1.5mA，最大量程为200mV。电路中VD1稳定电压为2.5V，作为压力传感器提供1.5mA恒流源的基准电压。,求： (1)为了保证压力传感器恒流驱动工作，试计算电阻的R2阻值； (2)如果信号调理电路的输出范围为0-1V，试计算可调电阻的取值； (3)如果当压力为0时，由于桥路本身的不平衡，传感器桥路1、2两端有的电压，试对照图说明如何进行零点补偿消除其对输出的影响。,解： （1）,（2） 则：Rp1=10K,（3）调节Rp2,三、电荷放大器,要求放大器的输入阻抗非常高；（为什么？） 利用绝缘性好的电容和高增益的运算放大器来实现。,U0 = - Q / Cf,电荷放大器实际等效电路,Cs压电传感器固有电容 Cc输入电缆等效电容 Ci放大器输入电容 Cf反馈电容 Gc输入电缆的漏电导 Gi放大器的输入电导 Gf反馈电导,特点 输入阻抗高，最大可达109； 偏置电流低； 共模抑制比高； 平衡的差动输入； 具有良好的温度稳定性； 增益可由用户选择不同的增益电阻来确定； 单端输出,四、集成仪用放大器(AD521 AD612 AD620),主要参数 增益方程式:仪用放大器所要求的增益与放大器增益控制电阻的关系式为： V0 = ViRs / RG 增益范围：系指可提供的使放大器工作正常的增益范围（典型值11000）。 失调电压：系指为了使输出电压为零而需要在输入端外加的电压。 输入偏流：系指保证直流放大器的输入晶体管正常工作所需的偏置电流。 共模抑制比：系指当两个输入端具有等量电压变化时所测出的输出电压的变化。 非线性度：系指实际的输出和输入的关系曲线与一条理想直线的偏差,五、可编程增益放大器(PGA),+,1,2,3,4,V0,8,1M,110K,20.4K,10.1K,10k,1M,单运放可编程增益放大器,Vi,Vo,RB,RF1,RF2,+,A,8,单运放可编程增益放大器,SW4,SW1,SW2,SW3,+,C,B,A,DY-04,V0,Vi,Q3 D3 D2Q2 D1D0,D4 D5 D6D7,74LS273,8,实用可编程增益放大器,六、集成隔离放大器,定义： 集成隔离放大器是一种特殊的仪用放大器，其输入、输出和电源电路之间，在电流上和电阻上彼此隔离而没有直接的电路耦合。,特点： 具有保护系统硬件不受高共模电压（CMV）损坏的能力； 没有外偏流流入引线，泄漏电流很低，解决了噪声拾取问题； 具有非常高的共模抑制能力。,耦合方式： 变压器耦合 利用变压器耦合实现载波调制，通常具有较高的线性度和隔离性能，但是带宽被限制在1KHz以下。 光电耦合 利用LED光电耦合的方法实现载波调制，其隔离性能不如变压器耦合，但可获得10KHz的带宽。,调制器,解调器,滤波器,）,）,）,）,）,）,电源,（,（,（,（,（,（,60KHz 振荡器,高端5,输入屏蔽,10,9,8,7,2,1,6,3,4,地,+VISO,-VISO,+Vs,+,Ri,Vi,8,284J的原理框图,提问：Uout=?,第三节 信号变换电路,1.电流电压变换电路(电流放大器),电流电压变换电路实例,1A,10A,100A,1mA,F. S.,全量程,输入端,+,1k,5k,5k,e02,e01,Cf,+15V,-15V,输入保护电路,+,Cf,+15V,-15V,-15V,+15V,5V,5V,950K 100K,950K 10K,950K 1K,950 100,20K,10K,3.3K,3.3K,100K,Rf,4558,A,714,8,8,防止振荡,将传感器输出的电压或电流信号高低变成单位时间内脉冲数的多少称作对信号进行前处理。这样就大大提高了信号传输的抗干扰能力，解决了长距离传输的问题。 这种方法只适用于实时性要求不是太高的场合。,2.电压脉冲数变换电路,电压变化型,电流变化型,电阻变化型,电容变化型,电感变化型,频率脉冲,电流电压变换,电阻电压变换,电容脉冲率变换,延迟电路,电压脉冲 率变换,脉冲率电 压变换,A/D 变换,数字技术,传感器,长距离传输,前处理,利用脉冲率形式的前处理体系,+,单稳,频率输出,-Vs,+,VIN,S1,-0.6V,比较器,积分器CINT,Cos,+,Iin,R1N,1mA10,8,8,（a） V/F 转换方框图,AD650原理,+5V,结论： 当输入电阻 Rin、定时电容 Cos 一定时，输出频率 Fo 正比于输入电压 Vin，而与积分电容 Cint 无关，它只决定积分器输出锯齿波的高度。,AD650基本应用电路,V1N,-15V,R1,R3,1,2,3,4,5,6,7,14,13,12,11,10,9,8,AD650,R2,VL,1F,20K,250K,+15V,0.1F,CINT,RIN,图 单极性输入V/F 转换电路,Cos,对AD650 单极性正输入电压V/F 转换电路，当 Vin=0-10V 时，Fo=0-100Khz； 对AD650 单极性负输入电压V/F 转换电路，当 Vin=-10V0V 时，Fo=1000 Khz； 对AD650 双极性输入电压V/F 转换电路，当 Vin=-5V+5V 时，Fo=0-100Khz；,AD650 应用很广，几乎可代替目前所有的V/F 转换电路。它具有以下优点： 工作频率高； 抗干扰和共模电压能力强； 非线形和温漂低； 可靠性高； 适用与远距离传输； 且输入方式灵活，价格低廉。,3.脉冲数电压变换电路,脉冲数-电压变换电路即频率-电压转换器，简称 F/V 转换器； 由于转换的阈值和增益可调，且具有很低的非线性误差，它在电机转速控制、电源频率监视器和VCO 稳定电路方面都具有广泛的应用；,VCO（压控振荡器）： 主要利用它的结电容随反偏压变化而变化的特性,通过改变变容二极管两端的电压便可改变电容的大小,从而改变振荡频率。,(1)基本工作原理 模块式 451 和 453 型 F/V 转换器。,+1,+,+,滤波器,8,4,相加点,3,频率输入,+15V,Eos 校准,1,2,-15V,频率输入,精密 电荷 分配 器,Ce,Ros,RF,9,满刻度校准,输出,Cc滤波电容,RH,10K,100K,1K,+Vs,A1,8,8,A2,(2)应用举例,+,8,增益调节,传感器,2,5,8,8,9,2,13,1,6,3,4,模拟地,Fi,双扭线,（010）kHz,（010）kHz,差动线 驱动器,差动线接收器,F/V 451,V/F 450/456,模拟仪表,仪用放大器,图6-23 FVC在两线制数据传输系统中的应用,第四节 滤波电路,作用： 滤除各种外接干扰所引起的噪声以及多余的不需要的信号，提高信噪比(S/N)。 分类： 无源滤波器、有源滤波器 模拟滤波器、数字滤波器 低通、高通、带通、带阻、全通,理想滤波器,低通,高通,带通,带阻,一、低通滤波器,无源低通滤波器,缺点 ： 带负载能力差； 无放大作用； 特性不理想，边沿不陡。,有源低通一阶滤波器,传递函数中出现 的一次项，故称为一阶滤波器。,幅频特性：,相频特性：,有放大作用,3. 运放输出，带负载能力强。,幅频特性与一阶无源低通滤波器类似,电路的特点：,2. =o 时,1. =0 时,有源低通二阶滤波器,传递函数,注意 ：由于C引入了正反馈，所以KA不能太大 (KA3)。 否则失去稳定性。,【例】设计一个截止频率f0=2kHz，品质因素Q=2的低通滤波器。,【解】按上述所求，有： 若选C=0.1uF,则：R=795.8; 由于KA=2.5,若R1=5.1K,则：Rf=7.65K,有源滤波器的优点 不使用电感元件，体积小重量轻； 有源滤波电路中可加电压串联负反馈，使输入电阻高、输出电阻低，输入输出之间具有良好的隔离。只需把几个低阶滤波电路串起来就可构成高阶滤波电路，无需考虑级间影响； 除滤波外，还可放大信号，放大倍数容易调节。,有源滤波器的缺点 不宜用于高频、高电压、大电流； 可靠性较差 使用时需外接直流电源,二、高通滤波器,幅频特性：,第五节 传感器电路的噪声与抑制,一、传感器电路的构成,被测 对象,传感器,差分 放大,低通 滤波,A/D变换,计算机,测量 结果,外来噪声,模拟噪声处理,数字噪声处理,图637 传感器电路的构成,噪声消除的模型,传感器,低通滤波器,信号电压Vs,等效噪声 电压Vns,V0,V1,V2,VfAVs,A,噪声源,Vn,Vn,（C和M耦合）,二、传感器的噪声来源,传感器和电路元件产生的噪声 电阻产生的噪声(热噪声：自由电子随机热运动） 晶体管产生的噪声（散粒噪声+1/f噪声） 放大器产生的噪声 接触噪声（接触面导电率不一样） 开关器件产生的噪声 寄生振荡干扰（布线不合理）,外部噪声源引起的噪声 雷电、大气电离、宇宙射线、其他电磁波； 电磁场、电火花、电弧焊接、高频加热。,三、干扰的耦合方式,1、静电耦合（电容性耦合） 由于两个电路之间存在着分布电容，当其中一个电路的电位发生变化时，该电路的电荷就会通过分布电容传送到另一个电路。,结论： （1）干扰源的频率越高，静电耦合引起的干扰越严重； （2）降低接收电路输入阻抗，可减少静电耦合干扰； （3）通过合理布线，减少分布电容C，减少静电耦合干扰。,2、电磁耦合（互感性耦合） 当两个电路之间有互感存在时，一个电路的电流产生变化就会通过磁场耦合到另一个电路。,3、共阻抗耦合 当一个电路的电流流经共阻抗产生电压降时，就成为其他电路的干扰电压。 通过电源内阻的共阻抗耦合干扰 减小电源内阻 各电路接去耦滤波电路 通过公共地线的共阻抗耦合干扰 采用一点接地,4、漏电流耦合 由于测量电路内部存在漏电阻产生漏电流引起的干扰。,例：设直流放大器输入阻抗Zi=108，干扰源电动势En=15V,绝缘电阻R=1010，求耦合干扰Eo=?。,四、噪声的抑制,噪声的抑制途径 消除或抑制干扰源 减少接收电路对干扰的灵敏度 阻断干扰的传输途径和耦合方式,传感器和电路器件产生的噪声的抑制,（1）为减少电路元件的热噪声，应使放大器的外部电阻尽量小； （2）使用双极型晶体管的前置放大器来放大传感器的输出信号的场合，选取 IC值尽可能小； （3）选用 Vna、Ina 小的运算放大器来组成传感器电路； （4）对于开关噪声，设置相应的伪电路，用差分来消除开关噪声。,降低噪声的信号处理方法,（1）滤波（只能去除带外噪声）； （2）相位检波（基于信号是周期的，而噪声是随机的原理） 。,外部噪声的抑制 外部噪声是通过静电耦合和磁耦合串入传感器电路。 具体方法：屏蔽、接地 （浮空、隔离、滤波）,1、屏蔽技术 （1）静电屏蔽 用一个金属罩（铜、铝）把信号源或测量电路包封起来并接地，使屏蔽盒内的电力线不会传到外部，当然也避免了外部电场对电路的影响，起到抑制干扰源的作用。(为什么要用导体?) （2）驱动屏蔽 将被屏蔽导体的电位，经严格的1:1电压跟随器去驱动屏蔽层导体的电位，而使两者电位相等，可以有效地抑制由于分布电容引起的静电耦合干扰。,（3）电磁屏蔽 电磁场屏蔽是利用屏蔽体阻止电磁场在空间传播的一种措施。 电磁场屏蔽的机理： 当电磁波到达屏蔽体表面时，由于空气与金属的交界面上阻抗的不连续，对入射波产生的反射。这种反射不要求屏蔽材料必须有一定的厚度，只要求交界面上的不连续； 未被表面反射掉而进入屏蔽体的能量，在体内向前传播的过程中，被屏蔽材料所衰减。也就是所谓的吸收； 在屏蔽体内尚未衰减掉的剩余能量，传到材料的另一表面时