第三章 传感器检测及其接口技术(三).ppt

集成运算放大器的简单介绍,集成运算放大器：是一种高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大电路,尽量减小零点漂移,尽量提高KCMRR,输入阻抗ri尽可能大,中间级应有足够大的电压放大倍数,输出级主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io，输出阻抗ro小。,理想运算放大器及其分析依据,1.理想运算放大器,开环电压放大倍数Auo；差模输入电阻rid；开环输入电阻ro0；共模抑制比KCMR。,uo,+,+,u+,u,理想运算放大器有:,它们对“地”的电压（即各端的电位）用u、u、u0表示。,两个输入端：一个输出端：u0,u（反相输入端）u+（同相输入端）,表示开环电压放大倍数的理想化条件,运算放大器的传输特性,理想运算放大器及其分析依据,线性区：,Auo越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。,运算放大器线性应用时的分析依据,1.差模输入电阻,两个输入端的输入电流可认为是零，即i+=i0,称“虚断”,理想运放工作在饱和区的特点,(1)输出只有两种可能,+Uo(sat)或Uo(sat),(2)i+=i0,仍存在“虚断”现象,电压传输特性,当u+u时，uo=+Uo(sat)；u+110dB,增益为1000时)、低噪声、低失调电压等特点,因而可用于许多12位数据采集系统中。右图为AD522的典型接法。,利用数据防护端可以克服上述影响（如下图所示）。对于无此端子的仪器用放大器，如AD524、AD624等，可在RG2（如图1所示）端取得共模电压，再用一运放作为它的输出缓冲屏蔽驱动器。运放应选用具有较低偏流的场效应管运放，以减少偏流流经增益电阻时对增益产生的误差。,AD522运算放大器的典型应用：,AD522的典型应用,AD522,直流电桥,下图为AD522用于直流测量电桥，在过程控制中，图中的信号地必须与电源地连接，以便为放大器的偏置电流提供回路。同样，参考端（11）应接地，使负载电流流回电源地。,电缆屏蔽,电源,图1AD524原理图,AD522运算放大器的典型应用：,5、程控增益放大器,经过处理的模拟信号，在送入计算机进行处理前，必须进行量化，即进行模拟一数字变换，变换后的数字信号才能为计算机接收和处理。当模拟信号送到模数变换器时为减少转换误差。一般希望送来的模拟信号尽可能大，如采用AD变换器进行模数转换时，在AD输入的允许范围内，希望输入的模拟信号尽可能达到最大值；然而，当被测参量变化范围较大时，经传感器转换后的模拟小信号变化也较大，,程控增益放大器指可以通过软件程序改变增益的放大器，它能自动适应大范围变化的模拟信号，针对被测信号的大小来调节放大器的增益，将不同幅度的模拟信号放大到某个特定范围来保证后端电路正常工作。,5、程控增益放大器,在这种情况下、如果单纯只使用一个放大倍数的放大器，就无法满足上述要求；在进行小信号转换时，可能会引入较大的误差。为解决这个问题，工程上常采用通过改变放大器增益的方法，来实现不同幅度信号的放大，如万用表、示波器等许多测量仪器的量程变换等。选择不同的开关闭合，即可实现增益的变换。如果利用软件对开关闭合进行选择，即可实现程控增益变换。,5、程控增益放大器,图示为一利用改变反馈电阻的办法来实现量程变换的可变换增益放大器电路。当开关S1闭合,S2和S3断开时,放大倍数为而当S2闭合,而其余两个开关断开时,其放大倍数为,选择不同的开关闭合，即可实现增益的变换。如果利用软件对开关闭合情况进行选择，即可实现程控增益变换。,程控增益放大器原理图,AD522运算放大器：,引脚4，6用于调整放大器零点，将4，6端接到10K电位器的两个固定端;,1,2,3,4,5,6,7,8,10,11,12,13,14,+IN,-IN,10K,U-,UOUT,100K,U+,电位器滑动端接负电源U-（脚5）。,引脚10，13用于外接电阻RS，用于对放大倍数进行微调。,当RS=100k15%时，可以得到比较稳定的放大倍数。,AD521基本连接方法,AD521,放大倍数,图示为AD521测量放大器与模拟开关4052（4选1两通道模拟开,由AD521和模拟开关4052构成的程控增益放大器,5、程控增益放大器,关）结合组成的程控增益放大器，通过改变其外接电阻R的办法可实现增益控制。,图AD524原理图,5、程控增益放大器,AD524接线图,AD524接线图,上图为AD524的结构原理图，其特点是具有低失调电压（50mV），低失调电压漂移（0.5V/），低噪声（0.3V（P-P），0.110Hz），低非线性（0.003，增益为1时），高共模抑制比（120dB，增益为1000时，增益带宽为25MHz），具有输入保护等。从其结构图可知，对于1、10、100和1000倍的整数倍增益，无需外接电阻，在具体使用时只需一个模拟开关的控制即可达到目的；对于其他倍数的增益控制,也可用外接增益调节电阻的方法来实现，同样也可用改变反馈电阻与D/A转换器的结合、甚至改变其参考端电压的方法来实现程控增益。,5、程控增益放大器,6、隔离放大器一般来讲，隔离放大器是指对输入、输出和电源在电流和电阻彼此隔离使之没有直接耦合的测量放大器。由于隔离放大器采用了浮离式设计，消除了输入、输出端之间的耦合，因此还具有以下特点：（1）能保护系统元件不受高共模电压的损害，防止高压对低压信号系统的损坏。（2）泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须提供偏流返回通路。（3）共模抑制比高，能对直流和低频信号（电压或电流）进行准确、安全的测量。,在有强电或强电磁干扰的环境中，为了防止电网电压等对测量回路的损坏，其信号输入通道采用隔离技术，能完成这种任务，具有这种功能的放大器称为隔离放大器。,6、隔离放大器目前，隔离放大器中采用的耦合方式主要有两种：变压器耦合和光电耦合。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，但是带宽一般在lkHz以下。利用光电耦合方式实现载波调制，可获得10kHz带宽，但其隔离性能不如变压器耦合。上述两种方法均需对差动输入级提供隔离电源，以便达到预定的隔离性能。,图284型隔离放大器的电路结构图,6、隔离放大器,上图为284型隔离放大器的电路结构图。为提高微电流和低频信号的测量精度，减小漂移，其电路采用调制式放大，其内部分为输入、输出和电源三个彼此相互隔离的部分，并由低泄漏高频载波变压器耦合在一起。通过变压器的耦合，将电源电压送入输入电路并将信号从输出电路送出。输入部分包括双极型前置放大器、调制器；输出部分包括解调器和滤波器，一般在滤波器后还有缓冲放大器。,6、隔离放大器,1、传感器信号的采样/保持在对模拟信号进行模/数变换时，从启动变换到变换结束的数字量输出，需要一定的时间，即A/D转换器的孔径时间。当输入信号频率提高时，由于孔径时间的存在，会造成较大的转换误差。要防止这种误差的产生，必须在A/D转换开始时将信号电平保持住，而在A/D转换结束后又能跟踪输入信号的变化，即对输入信号处于采样状态。能完成这种功能的器件叫采样/保持器。从上面的分析也可知，采样/保持器在保持阶段相当于一个“模拟信号存储器”。,第六节传感器的接口技术,1、传感器信号的采样/保持在模拟量输出通道，为使输出得到一个平滑的模拟信号，或对多通道进行分时控制时，也常使用采样/保持器。,第六节传感器的接口技术,2、采样/保持器的原理采样/保持器由存储器电容C、模拟开关S等组成，如下图所示。,图采样/保持原理,第六节传感器的接口技术,2、采样/保持器的原理采样/保持器由存储器电容C、模拟开关S等组成，如下图所示。,图采样/保持原理,S接通时，输出信号跟踪输入信号，称采样阶段。S断开时，电容C两端一直保持S断开时的电压，称保持阶段。,2.集成采样/保持器集成采样保持器的特点是：（1）采样速度快、精度高，一般在22.5s内即可达到0.010.003的精度。（2）下降速率慢，如AD585，AD348为0.5mVms，AD389为0.1Vms。正因为集成采样保持器有许多优点，因此得到了极为广泛的应用。例如LF398采样保持器。,下图为LF398的原理图。由图可知，其内部由输入缓冲级、输出驱动级和控制电路三部分组成。,图LF398采样/保持器原理图,主要技术指标有：（1）工作电压：518V。（2）采样时间：10s。（3）可与TTL、PMOS、CMOS兼容。（4）当保持电容为0.01F时，典型保持步长为0.5mV。（5）低输入漂移，保持状态下输入特性不变。（6）在采样或保持状态时高电源抑制。,LF398采样/保持器,图LF398的外引脚图,右图为LF398的外引脚图，图3-33为其典型应用图。在有些情况下，还可采取两级采样保持串联的方法，选用不同的保持电容，使前,LF398采样/保持器,一级具有较高的采样速度而使后一级保持电压下降速率慢，两级结合构成一个采样速度快而下降速度慢的高精度采样保持电路，此时的采样总时间为两个采样保持电路时间之和。,图LF398的典型应用图,LF398采样/保持器,第七节传感器非线性补偿原理,在机电一体化测控系统中，特别是需对被测参量进行显示时，总是希望传感器及检测电路的输出和输入特性呈线性关系，使测量对象在整个刻度范围内灵敏度一致，以便于读数及对系统进行分析处理。但是，很多检测元件如热敏电阻、光敏管、应变片等具有不同程度的非线性特性，这使较大范围的动态检测存在着很大的误差。以往在使用模拟电路组成检测回路时，为了进行非线性补偿，通常用硬件电路组成各种补偿回路，如常用的信息反馈式补偿回路使用对数放大器、反对数放大器；应变测试中的温度漂移采用桥式补偿电路等，这不但增加了电路的复杂性，而且也很难达到理想的补偿。,第七节传感器非线性补偿原理,随着计算机技术的广泛应用，这种非线性补偿完全可以用计算机的软件来完成，其补偿过程较简单，精确度也很高，又减少了硬件电路的复杂性。在完成了非线性参数的线性化处理以后，要进行工程量转换，即标度变换，才能显示或打印带物理单位（如）的数值。其框图如下图。,图数字量非线性校正框图,软件校正非线性（软件“线性化”处理）的方法很多，概括起来有计算法、查表法、插值法和拟合法等。1、计算法计算法非线性校正的前提是：被测参数与传感器的输出之间有确定关系，可用数学表达式表示。方法：编制一段完成数学表达式计算的程序，将经前期处理的被测参数值输入该程序，计算后的数值即为非线性校正值。,非线性补偿的方法,第七节传感器非线性补偿原理,2、查表法,所谓查表法是将事先计算或通过测量获得的数据按顺序排列成表格形式存放在ROM中，由查表程序根据被测参数的值通过查表找出相应的结果。查表程序设计的优劣及所用的检索时间的长短，除取决于表格本身的长短之外，还与表格的排列方法有关。不足：占用内存较大，表格的编制较麻烦。,2、查表法,图3-37顺序查表法子程序流程图,3、插值法,插值法是将非线性曲线按一定要求分成若干段，然后用直线代替相应的各段曲线。插值原理：如图所示。,分段插值原理,设x在（xi,xi+1）之间，则其对应的逼近值为（3-38）将上式进行化简，可得y=yi+ki(x-xi)（3-39）或y=yi0+kix（3-40）其中,yi0=yi-kixi为第i段直线的斜率。式（3-39）是点斜式直线方程，而式（3-40）为截矩式直线方程。上两式中，只要n取得足够大，即可获得良好的精度。,2）插值法的计算机实现下边以点斜式直线方程（3-39）为例，讲一下用计算机实现线性插值的方法。第一步，用实验法测出传感器的变化曲线y=f（x）。第二步，将上述曲线进行分段,选取各插值基点。第三步，确定并计算出各插值点的xi、yi值及两相邻插值点间的拟合直线的斜率ki,并存放在存储器中。第四步，计算x-xi。第五步，找出x所在的区域（xi,xi+1）,并取出该段的斜率ki。第六步，计算ki(x-xi)。第七步，计算结果y=yi+ki（x-xi）。,3、插值法,图先行插值计算程序流程图,一、滤波,在微机控制系统的模拟输入信号中，一般均含有各种噪声和干扰，他们来自被测信号源本身、传感器、外界干扰等。为了进行准确测量和控制，必须消除被测信号中的噪声和干扰。噪声主要有两大类：一类为周期性的，其典型代表为50Hz的工频干扰，对于这类信号，通过硬件滤波器可有效地消除其影响；另一类为非周期的不规则随机信号，对于随机干扰，可以用数字滤波方法予以削弱或滤除。,第八节数字滤波,1、滤波器的分类：硬件（模拟）滤波软件（数字）滤波2、硬件滤波根据选频作用不同，可以分成四大类：（1）低通滤波器（2）高通滤波器（3）带通滤波器（4）带阻滤波器,所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干扰信号在有用信号中的比重，因此它实际上是一个程序滤波。数字滤波器克服了模拟滤波器的许多不足，它与模拟滤波器相比有以下优点：(1)数字滤波器是用软件实现的，不需要增加硬设备，也不存在阻抗匹配问题，可靠性高，稳定性好，成本低。(2)数字滤波器可以对频率很低(如0.01Hz)的信号进行滤波，而模拟滤波器由于受电容容量的限制，频率不可能太低。(3)数字滤波器可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。,3、数字滤波,(1)算术平均滤波法,应用：该方法对压力、流量等具有周期性脉动特点的信号具有良好的滤波效果。采样次数n越大，平滑度越高，滤波效果越好，但灵敏度也越低，为便于运算处理，常取n=4、8、16。该方法不适用于脉冲性干扰比较严重的场合。,算术平均滤波法是对信号连续进行n次采样，并以其算术平均值作为有效采样值，即,(2)中值滤波法其原理是，对信号连续进行n次（n一般取大于3的奇数）采样，并对采样值按由小到大或由大到小的顺序排序，然后取其中间的那个采样值作为本次采样值。应用：中值滤波方法对缓慢变化的信号（如对温度、液位信号等）中由于偶然因素引起的波动干扰具有良好的滤除效果。缺点：对流量、速度等快速变化的参数不宜。,（3）防脉冲干扰平均值滤波法,即“去两头取平均”方法，该滤波法先对N个数据进行比较，去掉其中的最大值和最小值，然后计算余下的N-2个数据的算术平均值。即：Y=（X2+X3+X4.+XN-1)/(N-2)N值的选取：314，在一般工程应用中，取N=5就可满足绝大多数系统的要求。这种方法可消除由于偶然出现的脉冲干扰所引起的采样值偏差。,（4）程序判断滤波法工程实践表明，许多物理量的变化都需要一定的时间，相邻两次采样值之间的变化有一定的限度。程序判断滤波就是根据实践经验确定出相邻两次采样信号之间可能出现的最大偏差X，若超出此偏差值，则表明该输入信号是干扰信号，应该去掉；若小于此偏差值，可将信号作为本次采样值。应用：当采样信号由于随机干扰，如大功率用电设备的启动或停止，造成电流的尖峰干扰或误检测，以及变送器不稳定而引起的严重失真等，可采用程序判断法进行滤波。分类：程序判断滤波根据滤波方法的不同，可分为限幅滤波和限速滤波两种。,常用的数字滤波方法如下：,1）限幅滤波,限幅滤波把两次相邻的采样值相减，求出其增量(以绝对值表示)，然后与两次采样允许的最大差值X比较，若小于或等于X，则取本次采样值；若大于X，则取上次采样值作为本次采样值。即：若|Xk-Xk-1|X,采样值=Xk-1。应用：限幅滤波主要用于变化比较缓慢的参数，如温度、物理位置等测量系统。门限值X的选取：具体应用时，关键的问题是最大允差X的选取，X太大，各种干扰信号将“乘虚而入”，使系统误差增大；X太小，又会使某些有用信号被“拒之门外”，使计算机采样效率变低。因此，门限值X的选取是非常重要的。通常可根据经验数据获得，必要时也可由实验得出。,2）限速滤波,限速滤波最多可用3次采样值来决定采样结果，设顺序采样时刻t1，t2，t3的采样值分别为X1，X2，X3，则若|X2X1|X,采样值=X2；若|X2X1|X,X2不采用，再采样一次，得X3；若|X3X2|X,采样值=X2；若|X3X2|X,采样值=(X3+X2)/2。限速滤波较为折中，既照顾了采样的实时性