传感器信号处理及微机接口技术.ppt

2020 3 26 1 第11章传感器信号处理及微机接口技术 2020 3 26 2 引言 被测的各种非电量信号经传感器检测后转变为电信号 但这些信号很微弱 并与输入的被测量之间呈非线性关系 所以需进行信号放大 隔离 滤波 A D转换 线性化处理 误差修正等处理 2020 3 26 3 主要章节 11 1传感器信号的预处理11 2传感器信号的放大电路11 3传感器与微机的接口技术11 4抗干扰技术 2020 3 26 4 11 1传感器信号的预处理 传感器与微机接口电路主要由信号预处理电路 数据采集系统和计算机接口电路组成 传感器与微机的接口框图 2020 3 26 5 11 1 1开关式输出信号的预处理 在输入传感器的物理量小于某阈值范围内 传感器处于 关 的状态 而当输入量大于该阈值时 传感器处于 开 的状态 这类传感器称为开 关式传感器 为了消除噪声及改善特性 常接入具有迟滞特性的电路 称为鉴别器或称脉冲整形电路 多使用施密特触发器 2020 3 26 6 开关量传感器特性示意图 2020 3 26 7 11 1 2模拟连续式输出信号的预处理 模拟连续式传感器的输出参量可以归纳为5种形式 电压 电流 电阻 电容和电感 这些参量必须先转换成电压量信号 然后进行放大及带宽处理才能进行A D转换 2020 3 26 8 1 电流 电压变换电路 I V变换 I V变换器作用是将电流信号变换为标准的电压信号 它不仅要求具有恒压性能 而且要求输出电压随负载电阻变化所引起的变化量不能超过允许值 2020 3 26 9 采用运放的I V转换电路 2020 3 26 10 2 电压 电流变换 V I变换 V I变换器的作用是将电压信号变换为标准的电流信号 它不仅要求具有恒流性能 而且要求输出电流随负载电阻变化所引起的变化量不能超过允许值 2020 3 26 11 4 20mA的V I变换电路 2020 3 26 12 3 模拟频率式输出信号的预处理 模拟频率式输出信号 一种方法是直接通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 再进行A D转换 2020 3 26 13 频率 电压变换器原理框图 2020 3 26 14 4 数字式输出信号的预处理 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 传感器信号的预处理 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 2020 3 26 15 11 2传感器信号的放大电路 测量放大器又叫做仪表放大器 简称IA 广泛应用于信号微弱及存在较大共模干扰的场合 具有精确的增益标定 因此又称为数据放大器 2020 3 26 16 11 2 1通用IA 通用IA由3个运算放大器A1 A2 A3组成 2020 3 26 17 11 2 2增益调控IA 为了节约费用 多种传感器共用一个IA 当切换通道时 必须迅速调整IA的增益 称为增益调控IA 在模拟非线性校正中也要使用增益调控IA 增益调控IA分为自动增益IA和程控增益IA两大类 2020 3 26 18 自动增益IA基本工作过程 工作速度较慢 不适用于高速系统 程控测量放大器的原理结构 2020 3 26 19 11 2 3IA的技术指标 1 非线性度 2 偏置漂移 3 建立时间 4 恢复时间 5 共模抑制比 2020 3 26 20 11 2 4常用集成仪表放大电路 集成运算放大器OP07 斩波自动稳零集成运算放大器7650 集成仪表放大器AD522 集成变送器WS112 XTR101 TD系列变压器耦合隔离放大器 ISO100等光耦合隔离放大器 ISO102等电容耦合隔离放大器 PG系列程控放大器 2B30 2B31电阻信号适配器等 2020 3 26 21 11 3传感器与微机的接口技术 传感器输出的信号经预处理变为模拟电压信号后 需转换成数字量方能进行数字显示或送入计算机 11 3 1数据采集的概念 2020 3 26 22 1 数据采集系统的配置 典型的数据采集系统由传感器 T 放大器 IA 模拟多路开关 MUX 采样保持器 SHA A D转换器 计算机 MPS 或数字逻辑电路组成 根据电路中的位置分为同时采集 高速采集 分时采集和差动结构4种配置 2020 3 26 24 2 采样周期的选择 采样就是以相等的时间间隔对某个连续时间信号a t 取样 得到对应的离散时间信号的过程 连续时间信号的取样 2020 3 26 25 香农采样定理 对一个具有有限频谱 min max 的连续信号进行采样 当采样频率 S 2 TS 2 max时 采样结果可不失真 2020 3 26 26 模拟量的采样参照的经验数据 2020 3 26 27 3 量化噪声 量化误差 模拟信号是连续的 而数字信号是离散的 每个数又是用有限个数码来表示 二者之间不可避免地存在误差 这种误差称为量化噪声 一般A D转换的量化噪声有1LSB和LSB 2两种 2020 3 26 28 11 3 2ADC接口技术 1 分辨力分辨力表示ADC对输入量微小变化的敏感度 它等于输出数字量最低位一个字 1LSB 所代表的输入模拟电压值 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 1 A D转换器 ADC 的主要技术指标 2020 3 26 29 2 精度 精度分为绝对精度和相对精度 绝对精度 它是指输入模拟信号的实际电压值与被转换成数字信号的理论电压值之间的差值 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 2LSB和 1LSB 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要设定 因此相对误差也常用LSB为单位来表示 2020 3 26 30 3 量程 满刻度范围 量程是指输入模拟电压的变化范围 2020 3 26 31 4 线性度误差 线性度误差是转换器实际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 2020 3 26 32 5 转换时间 转换时间指从发出启动转换脉冲开始到输出稳定的二进代码 即完成一次转换所需要的最长时间 2020 3 26 33 2 ADC的选择与使用 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 2020 3 26 34 选择的标准 逐次逼近ADC的特点是转换速度较高 1 s 1ms 8 14位中等精度 输出为瞬时值 抗干扰能力差 双积分ADC测量的是信号平均值 对常态噪声有很强的抑制能力 精度很高 分辨率达12 20位 价格便宜 但转换速度较慢 4ms 1s V F转换器是由积分器 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 然后用频率计测量 VFC能快速响应 抗干扰性能好 能连续转换 适用于输入信号动态范围宽和需要远距离传送的场合 但转换速度慢 2020 3 26 35 3 A D转换器及其与单片机的接口 1 传感器采集接口组成 2020 3 26 36 2 A D转换器及接口电路 ADC0808 0809与8031的接口连接 2020 3 26 37 8031的8路连续采样程序 MOVDPTR 7FF8H 设置外设 A D 口地址和通道号MOVR0 40H 设置数据指针MOVIE 84H 允许外部中断1中断SETBIT1 置边沿触发方式MOVX DPTR A 启动转换 2020 3 26 38 LOOP CJNER0 48 LOOP 判断8个通道是否完毕RET 返回主程序AINT MOVXA DPTR 输入数据MOV R0 AINCDPTR 修改指针INCR0MOVX DPTR A 启动转换RETI 中断返回 2020 3 26 39 11 4抗干扰技术 1 外部干扰 1 从外部侵入检测装置的干扰称为外部干扰 2 电气设备干扰的特点 工频干扰 射频干扰 电子开关通断干扰 11 4 1干扰的来源及形式 2020 3 26 40 2 内部干扰 1 固有噪声源 2 信噪比 S N 2020 3 26 41 3 干扰的传输途径 1 通过 路 的干扰 2 通过 场 的干扰 2020 3 26 42 4 干扰的作用方式 1 串模干扰凡干扰信号和有用信号按电势源的形式串联 或按电流源的形式并联 起来作用在输入端的称为串模干扰 串模干扰又常称为差模干扰 它使测量装置的两个输入端电压发生变化 所以影响很大 串模干扰等效电路 2020 3 26 43 2 共模干扰干扰信号使两个输入端的电位相对于某一公共端一起变化 涨落 的属共模干扰 共模干扰本身不会使两输入端电压变化 但在输入回路两端不对称的条件下 便会转化为串模干扰 因共模电压一般都比较大 所以对测量的影响更为严重 共模干扰等效电路 2020 3 26 44 3 共模抑制比 CMRR 共模噪声只有转换成差模噪声才能形成干扰 这种转换是由测量装置的特性决定 因此 常用共模抑制比衡量测量装置抑制共模干扰的能力 定义为 2020 3 26 45 11 4 2干扰的抑制技术 1 消除或抑制干扰源 2 破坏干扰途径 3 削弱接收电路对干扰的敏感性例如电路中的选频措施可以削弱对全频带噪声的敏感性 负反馈可以有效削弱内部噪声源 常用的抗干扰技术有屏蔽 接地 浮置 滤波 隔离技术等 1 抑制干扰的方法 2020 3 26 46 2 屏蔽技术 1 静电屏蔽 选用铜 铝等低电阻金属材料作屏蔽盒 屏蔽盒要良好地接地 尽量缩短被屏蔽电路伸出屏蔽盒之外的导线长度 2 电磁屏蔽 3 磁屏蔽 4 驱动屏蔽的概念 2020 3 26 47 磁屏蔽的原理图 驱动屏蔽原理图 2020 3 26 48 3 接地技术 1 电气 电子设备中的地线接地起源于强电技术 为保障安全 将电网零线和设备外壳接大地 称为保安地线 对于以电能作为信号的通信 测量 计算控制等电子技术来说 把电信号的基准电位点称为 地 它可能与大地是隔绝的 称为信号地线 信号地线分为模拟信号地线和数字信号地线两种 另外从信号特点来看 还有信号源地线和负载地线 2020 3 26 49 2 一点接地原则 机内一点接地 2020 3 26 50 检测系统的一点接地示意图 系统一点接地 2020 3 26 51 3 电缆屏蔽层的一点接地 信号源不接地 测量电路接地 信号源接地 测量电路不接地 电缆屏蔽层应接到信号源的地端 2020 3 26 52 4 浮置技术 如果测量装置电路的公共线不接机壳也不接大地 即与大地之间没有任何导电性的直接联系 仅有寄生电容存在 这种接线法称为浮置 2020 3 26 53 浮置屏蔽 的检测系统 2020 3 26 54 各层接法 1