传感器信号处理技术

1、生物机电传感器信号处理技术传感器信号处理技术 模块二模块二 传感器信号处理技术传感器信号处理技术 生物机电学习目标 通过学习要求掌握通过学习要求掌握传感器信号处理常用的传感器信号处理常用的基本电路以及传感器信号的放大、处理和基本电路以及传感器信号的放大、处理和转换。为以后学习传感器应用转换。为以后学习传感器应用，组成测量，组成测量系统打下基础。系统打下基础。生物机电主要内容任务一任务一 分析电桥与电桥电源分析电桥与电桥电源任务二任务二 分析传感器信号放大电路分析传感器信号放大电路任务三任务三 分析信号滤波电路分析信号滤波电路任务四任务四 分析信号转换电路分析信号转换电路生物机电 一一. . 阻

2、抗电桥的构成及平衡条件阻抗电桥的构成及平衡条件 1.1. 构成：如图所示，由四个阻抗构成：如图所示，由四个阻抗构成四个桥臂。构成四个桥臂。A A和和C C接入电源接入电源E E，B B和和D D端为输出端。端为输出端。输出电压输出电压: :桥臂阻抗可以是电阻、电感和电容式传感器。当被测量为某一初桥臂阻抗可以是电阻、电感和电容式传感器。当被测量为某一初始值并未发生变化时希望电桥输出为始值并未发生变化时希望电桥输出为0 0。 32 41 32012341234()()BCDCzz zz zzVVVEEEzzzzzzzz任务一任务一 分析分析电桥与电桥的电源电桥与电桥的电源生物机电2. 2. 电桥的

3、平衡条件电桥的平衡条件 z2z4-z1z3=0 称之为电桥平衡条件称之为电桥平衡条件 或者：或者： z2z4=z1z3 即对边乘积相等即对边乘积相等若为复阻抗若为复阻抗 ijiizz平衡条件可改写为平衡条件可改写为： z2z4=z1z3 模平衡条件模平衡条件 2413 相位平衡条件相位平衡条件电桥与电桥的电源电桥与电桥的电源生物机电直流电桥：当电桥的电源为直流。直直流电桥：当电桥的电源为直流。直流电桥的桥臂只能是电阻。流电桥的桥臂只能是电阻。 如右图所示为最常用的电阻电桥，如右图所示为最常用的电阻电桥，有四个电阻组成桥臂，一个对角接电有四个电阻组成桥臂，一个对角接电源，另一个作为输出。源，另一

4、个作为输出。（1 1）桥路形式）桥路形式 当四臂电阻相等时，为等臂电桥；当当四臂电阻相等时，为等臂电桥；当R1=R2=R,R3=R4=R(RR)R1=R2=R,R3=R4=R(RR)时，称为输出对称电桥；当时，称为输出对称电桥；当R1=R4=RR1=R4=R，R2= R3 =R(RR)R2= R3 =R(RR)时，称为电源对称电桥。时，称为电源对称电桥。直流电桥直流电桥电桥与电桥的电源电桥与电桥的电源生物机电（2 2）工作方式）工作方式a.a.单臂工作单臂工作：电桥中只有一个臂接入被测量，其它三个：电桥中只有一个臂接入被测量，其它三个臂采用固定电阻；臂采用固定电阻；b.b.双臂工作双臂工作：如

5、果电桥两个臂接入被测量，另两个为固：如果电桥两个臂接入被测量，另两个为固定电阻就称为双臂工作电桥，又称为半桥形式；定电阻就称为双臂工作电桥，又称为半桥形式；c.c.全桥方式全桥方式：如果四个桥臂都接入被测量则称为全桥形：如果四个桥臂都接入被测量则称为全桥形式。全桥形式灵敏度最高，结构最复杂，要综合考虑选式。全桥形式灵敏度最高，结构最复杂，要综合考虑选择。择。直流电桥直流电桥电桥与电桥的电源电桥与电桥的电源生物机电（3 3）输出方式）输出方式 电桥的输出方式根据负载情况有电桥的输出方式根据负载情况有电流型电流型和和电压型电压型两种两种a.a.电流输出型：电流输出型： 当电桥的输出信号较大，输出端

6、又接入电当电桥的输出信号较大，输出端又接入电阻值较小的负载时，如下图所示，可得：阻值较小的负载时，如下图所示，可得：URRRUCA212直流电桥直流电桥电桥与电桥的电源电桥与电桥的电源生物机电b.b.电压输出型：当电桥输出端接有放大器时，由于放电压输出型：当电桥输出端接有放大器时，由于放大器的输入阻抗很高，所以可以认为电桥的负载电阻大器的输入阻抗很高，所以可以认为电桥的负载电阻为无穷大，这时电桥以电压的形式输出。输出电压即为无穷大，这时电桥以电压的形式输出。输出电压即为电桥输出端的开路电压，其表达式为为电桥输出端的开路电压，其表达式为URRRRRRRRUo)(432142313直流电桥直流电桥

7、电桥与电桥的电源电桥与电桥的电源生物机电 对于单臂电桥对于单臂电桥R1=R2=R3=R4=R R1=R2=R3=R4=R ，当，当R1R1的电阻的电阻增量增量R1=RR1=R时，可得输出电压为时，可得输出电压为)(4)()(20RRURRRRRRUURRURRUU440 对于全桥等臂输出对于全桥等臂输出R1=R2=R3=R4=R R1=R2=R3=R4=R ，当，当R1R1的的电阻增量电阻增量R1=RR1=R时，可得输出电压为时，可得输出电压为直流电桥直流电桥电桥与电桥的电源电桥与电桥的电源生物机电 交流电桥通常是采交流电桥通常是采用用正弦交流电压正弦交流电压供电，供电，在频率较高的情况下需在

8、频率较高的情况下需要考虑分布电感和分布要考虑分布电感和分布电容的影响，主要用于电容的影响，主要用于随时间变化的被测量。随时间变化的被测量。如右图。如右图。交流电桥交流电桥电桥与电桥的电源电桥与电桥的电源生物机电（1 1）平衡条件）平衡条件 设交流电桥的电源电压为设交流电桥的电源电压为 ，式中，式中，UmUm为电源电压的幅值；为电源电压的幅值；为电源电压的角频率，为电源电压的角频率，=2f=2f；f f为电源电压的频率，一般取被测量最高频率的为电源电压的频率，一般取被测量最高频率的5-105-10倍。倍。输出电压可用下式表示：输出电压可用下式表示：tUumsintUZZZZZZZZUZZZZZZ

9、ZZUmsin)()(43214231432142310交流电桥交流电桥电桥与电桥的电源电桥与电桥的电源生物机电任务二任务二 分析传感器信号放大电路分析传感器信号放大电路测量放大器测量放大器 在许多检测技术的应用场合，传感器输出的信号在许多检测技术的应用场合，传感器输出的信号比较弱，而且其中还包括了工频、静电和电磁耦合等比较弱，而且其中还包括了工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很好的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗，好的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗，习惯上将具有这样特点的放大器称为测量放大器或仪习

10、惯上将具有这样特点的放大器称为测量放大器或仪用放大器。用放大器。生物机电120UUUAU)1 (21WfffURRRRRA传感器信号放大电路传感器信号放大电路测量放大器测量放大器A1U1RWU2A2Rf1Rf2Uo1RRUo2RLA3RiUo 图中三个运放组成的测量放大图中三个运放组成的测量放大器器,差动输入端差动输入端U1和和U 2分别是两个分别是两个运算放大器运算放大器(A1、A2)的同相输入的同相输入端端,因此输入阻抗很高。采用对称因此输入阻抗很高。采用对称电路结构电路结构,而且被测信号直接加入而且被测信号直接加入到输入端上到输入端上,从而保证了较强的抑从而保证了较强的抑制共模信号的能力

11、。制共模信号的能力。A3实际上是实际上是一差动跟随器一差动跟随器,其增益近似为其增益近似为1。测量放大器的放大倍数由左式确测量放大器的放大倍数由左式确定：定： 生物机电AD522主要可用于恶劣主要可用于恶劣环境下要求进行高精度数据采环境下要求进行高精度数据采集的场合。由于集的场合。由于AD522具有低具有低电压漂移电压漂移(2V/)、低非线性、低非线性(0.005，增益为，增益为100时时)、高、高共模抑制比共模抑制比(110 dB,增益为增益为1000时时)、 低噪声低噪声(1.5 V（P-P）,0.1100 Hz)、低失调电、低失调电压压(100 V)等特点等特点,因而可用于许因而可用于许

12、多多12位数据采集系统中。左图位数据采集系统中。左图为为AD522的典型接法。的典型接法。 传感器信号放大电路传感器信号放大电路测量放大器测量放大器UUi- UiRG8114236139111874510 kWAD 522输出基准地UAD522的外围电路的外围电路生物机电利用数据防护端可以克服上述影响。对于无此端子的仪器用放大器利用数据防护端可以克服上述影响。对于无此端子的仪器用放大器,如如AD524、AD624等等,可在可在RG2 端取得共模电压端取得共模电压,再用一运放作为它的输出缓冲屏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蔽驱动器。运放应选用具有较低偏

13、流的场效应管运放,以减少偏流流经增益电阻时以减少偏流流经增益电阻时对增益产生的误差。对增益产生的误差。 US US10 F10 F598地采样12711641332141输出RL基准10 k数据防护RGUR信号地传感器信号放大电路传感器信号放大电路测量放大器测量放大器生物机电利用改变反馈电阻的办法来实现量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。当开关程变换的可变换增益放大器电路。当开关S1闭合闭合,S2和和S3断开时断开时,放大倍数为放大倍数为而当而当S2闭合闭合,而其余两个开关断开时而其余两个开关断开时,其放大倍数为其放大倍数为选择不同的开关闭合选择不同的开关闭合,即可实

14、现增益即可实现增益的变换。如果利用软件对开关闭合情况进的变换。如果利用软件对开关闭合情况进行选择行选择,即可实现程控增益变换。即可实现程控增益变换。 RRAvf1RRAvf2传感器信号放大电路传感器信号放大电路 程控增益放大器程控增益放大器R3R2R1S3S2S1UoRUiR生物机电 AD521和模拟开关构成的程控增益放大器和模拟开关构成的程控增益放大器 AD521 AD521测量放大器与模拟开关结合组成的程控增益放大器测量放大器与模拟开关结合组成的程控增益放大器, ,通通过改变其外接电阻过改变其外接电阻R R的办法可实现增益控制。的办法可实现增益控制。AD 5214052Uo71213108

15、11123465UU-D0D1R传感器信号放大电路传感器信号放大电路 程控增益放大器程控增益放大器生物机电 由于隔离放大器采用了浮离式设计由于隔离放大器采用了浮离式设计, ,消除了输入、消除了输入、输出端之间的耦合输出端之间的耦合, ,因此还具有以下特点：因此还具有以下特点： （1 1） 能保护系统元件不受高共模电压的损害能保护系统元件不受高共模电压的损害, ,防止高压防止高压对低压信号系统的损坏。对低压信号系统的损坏。（2 2） 泄漏电流低泄漏电流低, ,对于测量放大器的输入端无须提供偏对于测量放大器的输入端无须提供偏流返回通路。流返回通路。（3 3） 共模抑制比高共模抑制比高, ,能对直流

16、和低频信号能对直流和低频信号( (电压或电流电压或电流) )进行准确、安全的测量。进行准确、安全的测量。 传感器信号放大电路传感器信号放大电路 隔离放大器隔离放大器生物机电 284284型隔离放大器为提高微电流和低频信号的测量精型隔离放大器为提高微电流和低频信号的测量精度度, ,减小漂移减小漂移, ,其电路采用调制式放大其电路采用调制式放大, ,其内部分为输入、输其内部分为输入、输出和电源三个彼此相互隔离的部分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。通过变压器的耦合压器耦合在一起。通过变压器的耦合, ,将电源电压送入输入将电源电压送入输入电路

17、并将信号从输出电路送出。输入部分包括双极型前置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；放大器、调制器； 输出部分包括解调器和滤波器输出部分包括解调器和滤波器, ,一般在一般在滤波器后还有缓冲放大器。滤波器后还有缓冲放大器。传感器信号放大电路传感器信号放大电路 隔离放大器隔离放大器生物机电284型隔离放大器的电路结构图型隔离放大器的电路结构图调制器解调器436125电源振荡缓冲放大器滤波器121179108输入端增益端320 kW1 kW保护端 UISO UISO公共端调制驱动输入滤波公共端双极型前置放大器DC TO 1kHz解调驱动前置隔离输出端微调端 US电源端10

18、0 kHz振荡输入端 15 V 15 V100 kWR2传感器信号放大电路传感器信号放大电路 隔离放大器隔离放大器生物机电任务三任务三 分析信号滤波电路分析信号滤波电路1. 什么是滤波什么是滤波 通过传感器获得的信号中，混淆有许多其他频率的干扰。通过传感器获得的信号中，混淆有许多其他频率的干扰。由于干扰的存在，有时得到不正确的测量值，有时有用的信由于干扰的存在，有时得到不正确的测量值，有时有用的信号被淹没在干扰噪声中。为了突出有用信号，抑制噪声干扰，号被淹没在干扰噪声中。为了突出有用信号，抑制噪声干扰，我们就要对传感器获得的信号进行滤波。我们就要对传感器获得的信号进行滤波。 滤波的实质滤波的实

19、质：信号的频率选择。：信号的频率选择。滤波器滤波器：完成滤波功能的装置。：完成滤波功能的装置。当信号通过滤波器时，信号中某些频率成分得以通过，其他当信号通过滤波器时，信号中某些频率成分得以通过，其他频率成分的信号受到衰减或抑制。频率成分的信号受到衰减或抑制。生物机电按功能分：按功能分：信号滤波电路信号滤波电路2滤波器的类型滤波器的类型1.1.低通滤波器低通滤波器; ;2.2.高通滤波器高通滤波器; ;3.3.带通滤波器带通滤波器; ;4.4.带阻滤波器带阻滤波器. .生物机电1)1) 低通滤波器低通滤波器 低频通过，高频衰减低频通过，高频衰减 从从0 0f2f2频率之间，幅频率之间，幅频特性平

20、直，它可以使信频特性平直，它可以使信号中低于号中低于f2f2的频率成分几的频率成分几乎不受衰减地通过，而高乎不受衰减地通过，而高于于f2f2的频率成分受到极大的频率成分受到极大地衰减。地衰减。信号滤波电路信号滤波电路低通滤波器低通滤波器生物机电2) 2) 高通滤波器高通滤波器 低频衰减，高频通过低频衰减，高频通过与低通滤波相反，从频率与低通滤波相反，从频率f f1 1，其幅频特性平直。，其幅频特性平直。它使信号中高于它使信号中高于f f1 1的频率成的频率成分几乎不受衰减地通过，分几乎不受衰减地通过，而低于而低于f f1 1的频率成分将受到的频率成分将受到极大地衰减。极大地衰减。 信号滤波电路

21、信号滤波电路高通滤波器高通滤波器生物机电3) 3) 带通滤波器带通滤波器 通带内通过，通带外衰减通带内通过，通带外衰减它的通频带在它的通频带在f1f1f2f2之间。之间。它使信号中高于它使信号中高于f1f1而低于而低于f2f2的频率成分可以不受衰的频率成分可以不受衰减地通过，而其它成分受减地通过，而其它成分受到衰减。到衰减。信号滤波电路信号滤波电路带通滤波器带通滤波器生物机电4) 4) 带阻滤波器带阻滤波器 通带内衰减，通带外通过通带内衰减，通带外通过 与带通滤波相反，阻带在与带通滤波相反，阻带在频率频率f1f1f2f2之间。它使信号之间。它使信号中高于中高于f1f1而低于而低于f2f2的频率

22、成的频率成分受到衰减，其余频率成分分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。的信号几乎不受衰减地通过。信号滤波电路信号滤波电路带阻滤波器带阻滤波器生物机电实际滤波器实际滤波器 实际滤波器的幅频特性图实际滤波器的幅频特性图中，通带和阻带之间应没有严中，通带和阻带之间应没有严格的界限。在通带和阻带之间格的界限。在通带和阻带之间存在一个过渡带。在过渡带内存在一个过渡带。在过渡带内的频率成分不会被完全抑制，的频率成分不会被完全抑制，只会受到不同程度的衰减。当只会受到不同程度的衰减。当然，希望过渡带越窄越好，也然，希望过渡带越窄越好，也就是希望对通带外的频率成分就是希望对通带外的频率成分衰减得越

23、快、越多越好。衰减得越快、越多越好。信号滤波电路信号滤波电路生物机电在测试系统中，常用在测试系统中，常用RCRC滤波器。因为在这一领域中，信号频滤波器。因为在这一领域中，信号频率相对来说不高。而率相对来说不高。而RCRC滤波器电路简单，抗干扰性强滤波器电路简单，抗干扰性强，有较好的，有较好的低频性能，并且选用标准的阻容元件，所以在工程测试的领域中低频性能，并且选用标准的阻容元件，所以在工程测试的领域中最经常用到的滤波器是最经常用到的滤波器是RCRC滤波器。滤波器。 1)1)一阶一阶RCRC低通滤波器低通滤波器 RCRC低通滤波器的电路及其幅频、相频特性如下图所示。低通滤波器的电路及其幅频、相频

24、特性如下图所示。 无源滤波器无源滤波器信号滤波电路信号滤波电路生物机电2)2)一阶一阶RCRC高通滤波器高通滤波器 RCRC高通滤波器的电路及其幅频、相频特性如下图所示高通滤波器的电路及其幅频、相频特性如下图所示。 当当f f很小时，很小时，A(fA(f)=0)=0，信号完全被阻挡，不能通过；当，信号完全被阻挡，不能通过；当f f很大时，很大时，A(fA(f)=1)=1，信号不受衰减的通过。，信号不受衰减的通过。 无源滤波器无源滤波器信号滤波电路信号滤波电路生物机电3) RC3) RC带通滤波器带通滤波器 带通滤波器可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联，带通滤波器可以看作为低通滤波器和高通滤

25、波器的串联，其电路及其幅频、相频特性如下图所示。其电路及其幅频、相频特性如下图所示。 无源滤波器无源滤波器信号滤波电路信号滤波电路极低和极高的频率成分都完全被阻挡，不能通过；只有极低和极高的频率成分都完全被阻挡，不能通过；只有位于频率通带内的信号频率成分能通过。位于频率通带内的信号频率成分能通过。 生物机电当高、低通两级串联时，应消除两级耦合时的相互影响，当高、低通两级串联时，应消除两级耦合时的相互影响，因为后一级成为前一级的因为后一级成为前一级的“负载负载”，而前一级又是后一级的，而前一级又是后一级的信号源内阻。实际上两级间常用射极输出器或者用运算放大信号源内阻。实际上两级间常用射极输出器或

26、者用运算放大器进行隔离。所以器进行隔离。所以实际的带通滤波器常常是有源的实际的带通滤波器常常是有源的。有源滤。有源滤波器由波器由RCRC调谐网络和运算放大器调谐网络和运算放大器组成。运算放大器既可起级组成。运算放大器既可起级间隔离作用，又可起信号幅值的放大作用。间隔离作用，又可起信号幅值的放大作用。 有源滤波器有源滤波器信号滤波电路信号滤波电路生物机电如果在低通滤波器如果在低通滤波器后面接一个放大器后面接一个放大器, ,构成构成有源低通滤波器有源低通滤波器其增益由其增益由211RR确定，与时间常数确定，与时间常数RCRC无关。无关。有源滤波器有源滤波器信号滤波电路信号滤波电路生物机电传感器信号

27、处理技术传感器信号处理技术 (下）模块二模块二 传感器信号处理技术传感器信号处理技术 生物机电学习目标 通过学习要求掌握通过学习要求掌握传感器信号处理常用的传感器信号处理常用的基本电路以及传感器信号的放大、处理和基本电路以及传感器信号的放大、处理和转换。为以后学习传感器应用转换。为以后学习传感器应用，组成测量，组成测量系统打下基础。系统打下基础。生物机电主要内容任务一任务一 电桥与电桥电源电桥与电桥电源任务二任务二 传感器信号放大电路传感器信号放大电路任务三任务三 信号滤波电路信号滤波电路任务四任务四 信号转换电路信号转换电路生物机电任务四任务四 分析信号转换电路分析信号转换电路1.采样保持电

28、路2.比较器3.模拟多路开关4.A/D转换器5.D/A转换器生物机电传感器信号的采样传感器信号的采样/保持保持 在对模拟信号进行模在对模拟信号进行模/数变换时数变换时,从启动变换到变换结束的数字量输从启动变换到变换结束的数字量输出出,需要一定的时间需要一定的时间,即即A/D转换器的孔径时间。当输入信号频率提高时转换器的孔径时间。当输入信号频率提高时,由由于孔径时间的存在于孔径时间的存在,会造成较大的转换误差。要防止这种误差的产生会造成较大的转换误差。要防止这种误差的产生,必须必须在在A/D转换开始时将信号电平保持住转换开始时将信号电平保持住,而在而在A/D转换结束后又能跟踪输入信转换结束后又能

29、跟踪输入信号的变化号的变化,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/保保持器。从上面的分析可知持器。从上面的分析可知,采样采样/保持器在保持阶段相当于一个保持器在保持阶段相当于一个“模拟信号模拟信号存储器存储器”。在模拟量输出通道在模拟量输出通道,为使输出得到一个平滑的模拟信号为使输出得到一个平滑的模拟信号,或对或对多通道进行分时控制时多通道进行分时控制时,也常使用采样也常使用采样/保持器。保持器。 采样保持器采样保持器信号转换电路信号转换电路生物机电1.原理：采样原理：采样/保持器由存储电容保持器由存储电容C,模拟开关模拟开关

30、S等组成等组成 开关控制SRUiCUo采样保持器采样保持器信号转换电路信号转换电路2.集成采样集成采样/保持器保持器集成采样保持器的特点是：集成采样保持器的特点是： （1） 采样速度快、精度高采样速度快、精度高,一般在一般在22.5s内即可达到内即可达到0.010.003的精度。的精度。（2） 下降速率慢下降速率慢,如如AD585,AD348为为0.5 mVms,AD389为为0.1 Vms。 生物机电采样保持器采样保持器信号转换电路信号转换电路LF398的原理图30 kW1DV2DV14 U(15 V) U(15 V)5输出300 kW6保持电容A2A3A12偏置3输入8控制逻辑IN()控制

31、逻辑参考电压IN()S7其内部由输入缓冲级、输出驱动级和控制电路三部分组成。其内部由输入缓冲级、输出驱动级和控制电路三部分组成。生物机电3.主要技术指标有：主要技术指标有： （1） 工作电压：工作电压： 518 V。（2） 采样时间：采样时间： 10 s。（3） 可与可与TTL、PMOS、CMOS兼容。兼容。（4） 当保持电容为当保持电容为0.01F时时,典型保持步长为典型保持步长为0.5 mV（5） 低输入漂移低输入漂移,保持状态下输入特性不变。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。在采样或保持状态时高电源抑制。采样保持器采样保持器信号转换电路信号转换电路生物机电LF

32、398的典型应用图的典型应用图A/D12 bit510 pFCHU1 kW24 kW321810 kWUoUiLF398采样保持器采样保持器信号转换电路信号转换电路生物机电电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考电电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考电压进行比较，输出只有两种可能的状态：高电平或低压进行比较，输出只有两种可能的状态：高电平或低电平。电平。 比较器中的集成运放一般工作在非线性区；处于比较器中的集成运放一般工作在非线性区；处于开环状态或引入正反馈。开环状态或引入正反馈。电压比较器电压比较器信号转换电路信号转换电路生物机电分类：分类： 过零比较器过零比较器; ; 单限比较器单限比

33、较器; ; 滞回比较器滞回比较器; ; 双限比较器。双限比较器。电压比较器电压比较器信号转换电路信号转换电路+UOPPuOu+ u O UOPP理想特性理想特性集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性生物机电当当 uI 0 时，时，uO = - - UOPP ；uIuO+UOpp- -UOppOU UOPPOPP 为集成运放的最大输出电压为集成运放的最大输出电压过零比较器的传输特性为：过零比较器的传输特性为：阈值电压：阈值电压：当比较器的输出电压由一种状态跳变为当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压。另一种状态所对应的输入电压。过零比较器过零比较器信号转换电路信号转换

34、电路生物机电利用稳压管限幅的过零比较器利用稳压管限幅的过零比较器( (一一) )uIuO+UOpp - -UOppO+UZ- -UZ当当 uI 0 时，右边时，右边的稳压管被反向击穿，的稳压管被反向击穿，uO = - - UZ ；过零比较器过零比较器信号转换电路信号转换电路生物机电利用稳压管限幅的过零比较器利用稳压管限幅的过零比较器(二二)电路图电路图传输特性传输特性uIuO+UOpp - -UOppO+UZ- -UZ问题：如将输入信号加在问题：如将输入信号加在“+”+”端，传输特性如何？端，传输特性如何？过零比较器过零比较器信号转换电路信号转换电路生物机电 单限比较器有一个门限电平，当单限比

35、较器有一个门限电平，当输入电压等于此门限电平时，输出输入电压等于此门限电平时，输出端的状态立即发生跳变。端的状态立即发生跳变。 当输入电压当输入电压 uI 变化，使反相输入端变化，使反相输入端的电位为零时，输出端的状态将发生跳的电位为零时，输出端的状态将发生跳变。变。uIuO+UOpp- -UOppO+UZ- -UZREF21URR 过零比较器是门限电平为零的过零比较器是门限电平为零的单限比较器。单限比较器。单限比较器单限比较器信号转换电路信号转换电路生物机电UREF 为参考电压；输出电压为参考电压；输出电压 uO 为为 +UZ 或或 - -UZ；uI 为输入电压。为输入电压。当当 u+ =

36、u- - 时，输出电压的时，输出电压的状态发生跳变。状态发生跳变。OF22REFF2FuRRRURRRu 比较器有两个不同的门限电平，比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状。故传输特性呈滞回形状。 +UZuIuO - -UZOUT+ +UT- -滞回比较器滞回比较器信号转换电路信号转换电路生物机电参考电压参考电压 UREF1 UREF2若若 uI 低于低于 UREF2 ，运放，运放 A1 输出低电平，输出低电平，A2 输出高电平，二极管输出高电平，二极管 VD1 截止，截止，VD2导导通，输出电压通，输出电压 uO 为高电平；为高电平；若若 uI 高于高于 UREF1 ，运放，运放

37、A1 输出高电平，输出高电平，A2 输出低电平，二极管输出低电平，二极管 VD2 截止，截止，VD1 导导通，输出电压通，输出电压 uO 为高电平；为高电平；双限比较器双限比较器信号转换电路信号转换电路生物机电多路开关集成芯片多路开关集成芯片 1. 1. 无译码器的多路开关无译码器的多路开关 TL182CTL182C，AD7510AD7510，AD7511AD7511，AD7512AD7512等。等。 模拟多路开关模拟多路开关信号转换电路信号转换电路12345678910111213141516S1S2S3S4D1A1A2D2D3A3D4A4USSUDDGNDNC图图3 3. .6 6 A A

38、D D7 75 51 10 0芯芯片片 芯片中无译码器，四个通道开芯片中无译码器，四个通道开关都有各自的控制端。关都有各自的控制端。生物机电模拟多路开关模拟多路开关信号转换电路信号转换电路优点：优点：每一个开关可单独通断，也可同时通断，每一个开关可单独通断，也可同时通断，使用方式比较灵活。使用方式比较灵活。缺点：引脚较多，使得片内所集成的开关较少。缺点：引脚较多，使得片内所集成的开关较少。 当巡回检测点较多时，控制复杂。当巡回检测点较多时，控制复杂。生物机电2. 2. 有译码器的多路开关有译码器的多路开关 AD7501AD7501（AD7503AD7503） 模拟多路开关模拟多路开关信号转换电

39、路信号转换电路.电平转换译码驱动OUTENA1A2A0S8S1USSUDD(-15V)(+15V)地12345678910111213141516A1GNDENA2S8S1S23S5S6S4S7SOUTUDDUSSA0AD7501.AD7501AD7501（AD7503AD7503）芯片结构及引脚功能）芯片结构及引脚功能 片上所有逻辑输入与片上所有逻辑输入与TTLDTL及及CMOS电路兼容。电路兼容。生物机电AD7501AD7501真值表真值表 A2A1A0EN 导通导通 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1

40、 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 无无模拟多路开关模拟多路开关信号转换电路信号转换电路 AD7501 AD7501，AD7502AD7502，AD7503 AD7503 芯片都芯片都是是单向单向多到一的多到一的多路开关，即信多路开关，即信号只允许从多个号只允许从多个 (8(8个个) ) 输入端向输入端向一个输出端传送。一个输出端传送。生物机电CD4501模拟多路开关模拟多路开关信号转换电路信号转换电路电平转换译码驱动S1UDD(-15V)(+15V)地S4S5S0S2S6S7S3INHCBAUEE12345678910111213141516Sm12345678910111213141

41、516GNDS1S23S5S6S4S7SUDDCD4501S0ABCSmINHUEEIN/OUT(OUT/IN)IN/OUTIN/OUTCD4501CD4501芯片结构及引脚功能芯片结构及引脚功能生物机电CD4501CD4501真值表真值表 INH C B A 接通通道接通通道 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 无无 CD4501 CD4501为为8 8 通道单刀结通道单刀结构形式，它允构形式，它允许许双向使用双向使用，即可用于多到即可用于多到一的切

42、换输出，一的切换输出， 也可用于一到也可用于一到多的输出切换。多的输出切换。 模拟多路开关模拟多路开关信号转换电路信号转换电路生物机电A/DA/D转换器转换器的两个组成部分及其作用：的两个组成部分及其作用： 输入模拟电压uI(t)CPsSADC的采样保持电路C采样值展宽信号ADC的量化编码电路xn1(MSB)x1x0(LSB)输出数字量X(n位)u I(t)采样保持采样保持 A/D转换器转换器信号转换电路信号转换电路量化编码量化编码 生物机电控制对象模拟非电量X(t)传感器模拟电量u(t)放大器放大后模拟电量u(t)A/D数字量D数字计算机数字量D/A模拟电量 执行元件A/D、D/A转换器在数

43、字系统中的应用 数数/ /模与模模与模/ /数转换数转换 信号转换电路信号转换电路A/D和和D/A转换器转换器生物机电模拟多路开关模拟多路开关作用：作用： 将多路被测信号分别传送到将多路被测信号分别传送到A/DA/D转换器进行转换。转换器进行转换。机电式：机电式： 电子式：电子式： 类型类型用于大电流、低速切换用于大电流、低速切换用于小电流、高速切换用于小电流、高速切换信号转换电路信号转换电路生物机电(1) (1) 采样保持采样保持 采样开关采样开关S S的控制信号的控制信号CPsCPs的的频率频率fs2f imax (fimax为输入信号的最高频率为输入信号的最高频率) 这样就能将采样保持后

44、的这样就能将采样保持后的 不失真地恢复成输入电压不失真地恢复成输入电压uI(t)。该公式称为该公式称为采样定理采样定理。 )(tuICPsT采 样保 持保 持采 样采 样保 持采 样保 持采 样TsuI(t)u I(t)uI(t)u I(t)ttA/D转换器转换器信号转换电路信号转换电路生物机电(2) (2) 量化编码量化编码 量化量化: :将采样后的值限于在某些规定个数的离散的电平上，将采样后的值限于在某些规定个数的离散的电平上，凡介于两个离散电平之间的采样值，就要用某种方式整凡介于两个离散电平之间的采样值，就要用某种方式整理归并到这两个离散电平之一上。这种将幅值取整归并理归并到这两个离散电

45、平之一上。这种将幅值取整归并的方式及过程称为的方式及过程称为“量化量化”。编码编码: :将量化后的有限个整量值用将量化后的有限个整量值用n n位一组的某种数字代位一组的某种数字代码码( (如二进制码、如二进制码、BCDBCD码或码或GrayGray码等码等) )对应描述以形成数字对应描述以形成数字量，这种用数字代码表示量化幅值的过程称作量，这种用数字代码表示量化幅值的过程称作“编码编码”。 A/D转换器转换器信号转换电路信号转换电路生物机电1. 1. 双积分双积分ADCADC 双积分双积分ADCADC又称双斜率又称双斜率ADCADC，是间接法的一种，是间接法的一种，它先将模拟电压它先将模拟电压

46、uIuI转换成与之大小对应的时间转换成与之大小对应的时间T T，再，再在时间间隔在时间间隔T T内用计数器对固定频率计数，计数器所内用计数器对固定频率计数，计数器所计的数字量就正比于输入模拟电压。计的数字量就正比于输入模拟电压。 A/D转换器转换器信号转换电路信号转换电路几种不同工作原理的几种不同工作原理的A/DA/D转换器转换器 生物机电S uIRA1uAA2UCC积分器过零比较器 URQnFnRQn1Fn1RQ1F1RQ0F0RGCPuG启动Dn1D1D0 双积分双积分A/DA/D电路原理图电路原理图 A/D转换器转换器信号转换电路信号转换电路生物机电2. 2. 逐次逼近式逐次逼近式ADC

47、 ADC AQASuI比较器D/A转换器RJK1FGQBSRJKQCSRJKQDSRJKURU R0 1 2 3 4时序分配器CPD QD3D QD2D QD1D QD0逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器原理框图转换器原理框图 A/D转换器转换器信号转换电路信号转换电路生物机电3. 3. 并行比较并行比较型电路型电路 C71315URRC61115URRC5915URRC4715URRC3515URRC2315URRC1115URRR2电阻分压器(量化标尺)比较器输入电压uI(08 V)DQF7CPQDQF6CPQDQF5CPQDQF4CPQDQF3CPQDQF2CPQDQF1CPQCP寄存器G

48、1&G2&G3&G4&UR=8 VG5&G6&(MSB)B2B2= Q4B1B1= Q2Q4 Q6(LSB)B0B0= Q1Q2 Q3Q4 Q5Q6 Q7输出数字量X编码器(代码变换的组合电路)并行比较型并行比较型ADCADC电路电路 A/D转换器转换器信号转换电路信号转换电路生物机电1. 1. 分辨率分辨率 mVUm53.19256528 分辨率指分辨率指ADCADC对输入模拟信号的分辨能力。从理论上讲，对输入模拟信号的分辨能力。从理论上讲，一个一个n n位二进制数输出位二进制数输出ADCADC应能区分输入模拟电压的应能区分输入模拟电压的2 2n n个不同量级，个不同量级，能区分输入模拟电压的能区分输入模拟电压的最小值为满量程输入的最小值为满量程输入的1/21/2n n。在最大输入。在最大输入电压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。例如，电压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。例如，ADCADC输出为八位二进制数，输出为八位二进制数， 输入信号最大值为输入信号最大值为 5V5V，其分辨率为，其分辨率为 分辨率分辨率A/D转换器转换器信号转换电路信号转换电路A/DA/D转换器参数转换器参数 生物机电2. 2. 转换误差转换误差 转换误差通常是以输出误差的最大值形式给出。它转换误差通常是以输出误差的最大值形式给出。它表示表