电子系统设计信号采集

第4章信号采集4.1温度测量4.2压力测量4.3电压检测4.4电流检测4.5速度检测4.6霍尔集成电路的原理和应用电子系统通常情况下需测量一些非电信号物理量，这就需要对这些信号进行电信号转换和采集，常用的电信号转换方法为采用传感器。本章将主要介绍常见的温度测量、压力测量、电压检测、电流检测、速度检测以及霍尔集成电路的原理和应用。

温度是表征物体冷热程度的物理量，它可以通过物体随温度变化的某些特性(如电阻、电压变化等特性)来间接测量。常用的温度测量元件有热电偶温度传感器、铂电阻温度传感器、集成温度传感器。4.1温度测量金属铂(Pt)的电阻值随温度变化而变化，并且具有很好的重现性和稳定性，利用铂的这种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器，通常使用的铂电阻温度传感器零度阻值为100Ω(Pt100)，电阻变化率为0.3851Ω/℃。

铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区(-200℃～650℃)最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计供计量和校准使用。4.1.1铂电阻温度传感器

金属铂(Pt)的电阻值随温度变化曲线如图4-1所示。由图看出，只要测量出传感器的电阻值即可计算出相应的温度，而电路中最容易测量的是电压信号，要将电阻值转换为电压信号，则只需将一个恒流源的恒定电流流过金属铂电阻就可得到相应电压信号。

金属铂的温度-阻值表如表4-1所示，在已知电阻阻值的情况下通过查表即可计算出温度。图4-1电阻值随温度变化曲线图

表4-1Pt温度-阻值表

1. REF200恒流源芯片

该芯片内含有两个100μA的恒流源和一个镜像电流源。该芯片的精度非常高，提供的电流精度为(100

±

0.5)μA，并且低温度系数为

±

2.5

×

10-5/℃。该芯片使用也非常简单，只要在7管脚或8管脚加上2.5V～40V之间的任何一个电压，就可以在1管脚或2管脚上分别输出100μA电流，图4-2所示为具体的电路图。

图4-2REF200电路图

2.运放组成的恒流源

利用运放组成恒流源的方法也较多，在此介绍一种利用运放组成的恒流源，如图4-3所示。该电路的电流为

(4.1.1)

由公式(4.1.1)可以看出，+5V、+2.5V电压和电阻R1决定了恒流源的精度，通过调节R1阻值的大小即可调整恒流源的电流。

图4-3运放组成的恒流源电路4.1.2单总线温度传感器DS18S20

数字温度传感器种类较多，但引脚最少的应是DallasSemiconductor公司推出的单总线(1-Wire总线)结构的温度传感器DS18S20。1-Wire可以通过一条公共数据线实现主机与一个或多个从机之间的半双工、双向通信。使用1-Wire将引脚的使用减小到了最少，因此特别适合应用于单片机系统中。

DallasSemiconductor公司推出的DS18S20温度传感器即为1-Wire总线接口。

DS18S20以其简单方便的接口，广泛应用于温度测量、温度控制、数字温度计及热感测系统中。DS18S20的主要特点如下：

(1)单总线接口，通信仅需要一个I/O端口引脚；

(2)每个器件具有唯一的、存储在片内ROM的64位序列码；

(3)多节点检测功能简化了分布式温度检测应用；

(4)使用简单方便，无需外部元件；

(5)电源电压范围为3.0V～5.5V，可选择由数据线供电；

(6)可测量温度范围

-55℃～+125℃；

(7)

9位数字温度计分辨率；

(8)在

-10℃～+85℃温度范围内具有

±

0.5℃的高精度；

(9)最大温度转换时间750ms；

(10)用户可编程的非易失性报警设置；

(11)报警搜索命令能够自动识别和寻址温度超出设定门限(温度报警条件)之外的器件；

(12)适合于包括温度测量、温度调节装置控制、工业系统、消费类产品、温度计及任何温度敏感系统的应用。

DS18S20采用简单的TO-92封装，占用极少的电路板空间。DS18S20的引脚排列与DS1820一样，如图4-6所示。

图4-6DS18S20的引脚排列

图4-7DS18S20的外部供电方式2) DS18S20的两种供电方式

图4-8DS18S20的寄生电源供电方式

图4-10通过总线端口访问DS18S20的流程图

压力和压差是工业生产中常见的过程参数之一。在许多场合需要直接测量、控制一些压力参数，如锅炉的气包压力、烟道压力、炉膛压力，化学生产中的反应釜压力、加热炉压力等。此外，还有一些不易直接测量的参数，如液位、流量等，在各类工业生产中可以通过压力和差压进行间接测量。

在国际单位制和我国法定计量单位中，压力的单位采用牛顿/米2(N/m2)，通常称为帕斯卡，简称帕(Pa)。其他在工程上使用的压力单位还有工程大气压(at)、标准大气压、毫米汞柱(mmHg)、Bar(巴)和毫米水柱(mmH2O)等单位。4.2压力测量

图4-12膜片式应变片压力传感器4.2.1压力测量原理

图4-13全桥传感器电路图

电子测量中最易实现的就是电压测量，只需将电压信号输入A/D转换器即可得到其数字量值。但在某一些场合，如需要高压隔离测量场合就需充分考虑其安全性，常见的高压测量方式有压频转换测量法和高阻抗运放隔离测量法。4.3电压检测4.3.1压频转换法

压频转换法是最简单的电压测量方法，常用的压频转换器有LM231、LM331、TC9401、AD654等，在此以AD654为例介绍压频转换器的用法。

1. AD654概述

AD654是一款带有输入放大器的完整的压频转换器，只需外接一个电容即可形成精确振荡器系统，最高输出频率可达500kHz，在250kHz时线性误差仅有0.03%，其主要特性如下：

(1)超低价格；

(2)单电源5V～36V或双电源供电

±5V～±18V；

(3)频率输出最高可达500kHz；

(4)只需很少的外围器件即可工作；

(5)通用输入放大器；

(6)正或负极性电压模式；

(7)负极性电流模式；

(8)高阻抗输入，低漂移；

(9)低功耗，2mA静态电流；

图4-14AD654引脚封装

AD654采用SO-8封装，其引脚如图4-14所示。

AD654引脚说明：

FOUT：频率输出引脚；

LOGICCOMMON：数字逻辑公共端；

RT：运放电阻连接端；

+VIN：电压输入端；

-VS：电源负；

CT：振荡器电容连接端；

+VS：电源正。

2. AD654应用电路

AD654应用时只需极少外围元件，连接非常简单，将需转换的电压通过分压电阻降压到所需输入电压，并将输出频率信号通过光耦隔离输出，由于频率较高，在此使用高速光耦。电路如图4-15所示。通过测量输出频率即可计算出对应电压，但该电路存在无法测量较窄的脉冲电压的缺点。当需实时测量出窄脉冲电压时可选择基于霍尔传感器制作的电压传感器。典型应用电路（来自AD654datasheet）典型应用电路（来自AD654datasheet）

图4-15压频转换隔离电路3. LM3314.3.2霍尔传感器测量法

南京中旭生产的HNV500D型电压传感器是应用霍尔效应和磁平衡原理研制成的新一代电压传感器，能在电隔离条件下测量交流、脉冲以及各种不规则波形的电压。

在电路设计中电流测量应用十分普遍。测量中，电表用来进行电流的测量；保护中，电流往往与功率形成直接的关系，如果电流过大代表系统中有短路情况出现而需要保护；控制中，如马达控制、电池充放电等都需要电流测量。

测量电流的方法一般分成直接式和间接式两种。直接式用于测量相对较小的电流以及电压不高的情况；间接式不带有任何导电关系，因此可用于测量相对较大的电流以及相对较高的电压。4.4电流检测4.4.1直接测量法

直接测量最简单的方法就是将电流直接流入R电阻，可得到电压U

=

I

×

R，将该电压通过跟随器处理后送入ADC处理电路即可得到电流的数字信号，将该信号送入单片机即可计算出电流值。电路如下图所示。直接测量有两种方法：1、低测。低侧测量方法直接简单,它通过在A点处测量电流经过置于负载和地之间的电阻时所产生的压降来检测电流，如下图。但其在接地路径上加入了阻值，会在A点形成高频噪声，影响模拟部分的精度甚至引起数字部分的误动作。

直接测量有两种方法：2、高测。高侧电流测量技术通过测量A点和B点间电流经过置于电源和负载间的电阻时所产生的压降来测量电流，如下图：

4.4.2间接测量法

霍尔传感器ACS712测量

速度检测的方法较多，如可测出物体在一定时间内的位移则可计算出速度，而最常用的方法是测量电机的转速，再根据车轮的大小计算出位移量。测量电机转速最常用的方法就是采用增量式旋转编码器。

增量式旋转编码器通过内部两个光敏接收管转化其角度码盘的时序和相位关系，得到其角度码盘角度位移量增加(正方向)或减少(负方向)。4.5速度检测

图4-21增量式旋转编码器示意图

对于外界信号，一般通过各种传感器进行采集，而在各种传感器中，