传感器及信号处理部分

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1、实验平台,传感器及信号处理部分,内容,第一部分 传感器 1.1 传感器概述 1.2 温度传感器 1.3 压力传感器 第二部分 信号处理 2.1 信号处理概述 2.2 放大 2.3 滤波 2.4 模数转换 第三部分 传感器部分信号处理框图,1.1 传感器概述,传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。,根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类： 一、传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等

2、效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。 二、化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。,关于传感器，我们必须了解几个概念。 （1）灵敏度 指传感器在稳态工作情况下输出量变化y对输入量变化x的比值。它是输出一输入特性曲线的斜率。 提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。,（2）分辨率 指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。 如果输入量从某一非零值缓慢地变化，当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过某一数值时

3、，其输出才会发生变化。,（3）线性度 指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。 通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线，线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。,1.2 温度传感器,利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器被称为温度传感器。 本实验平台的温度对象为烘烤箱，测量部分采用多传感器测温，有传感器AD590、PT100及热电偶测温，DS18B20测室温及作其他温度传感器的补偿。,DS18B20,图1.1 DS18B20,DS18B20特点

4、： （1）只要求一个端口即可实现通信。 （2）在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。 （3）实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。 （4）测量温度范围在55到125之间。 （5）数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。 （6）内部有温度上、下限告警设置。,DS18B20,图1.2 DS18B20的测温电路,AD590,图1.3 AD590,AD590温度传感器特点： （1）温度每增加1，它会增加1A输出电流; （2）可测量范围-55至150; （3）供电电压范围+4V至+30V. AD590的输出电流值其输出电流是以绝对温度零度（-273）为基准，每增加1，它会增加1

5、A输出电流，AD590的输出电流I=（273+T）A（T为摄氏温度），因此在室温25时，其输出电流Iout=（273+25）=298A。,AD590,取R8=2K，Vo的值为Iout乘上2K，以室温25而言，输出值为2K298A=0.596V。 为了将电压测量出来又务须使输出电流I不分流出来，我们使用电压跟随器使其输出电压V2等于输入电压V。,图1.4 AD590测温电路及电压跟随电路,热电偶,图1.5 热电偶,热电偶特点： （1）测量精度高：热电偶与被测对象直接接触，不受中间介质的影响。 （2）热响应时间快：热电偶对温度变化反应灵敏。 （3）测量范围大：热电偶从 -40+ 1600 均可连续

6、测温。 （4）性能可靠， 机械强度好。 （5）使用寿命长，安装方便。,热电偶,热电偶测温存在着以下问题： （1）非线性：热电偶输出热电势与温度之间的关系为非线性关系，因此在应用时必须进行线性化处理。 （2）冷补偿：热电偶输出的热电势为冷端保持为0时与测量端的电势差值，而在实际应用中冷端的温度是随着环境温度而变化的，故需进行冷端补偿。 （3）数字化输出：与嵌入式系统接口必然要采用数字化输出及数字化接口，而作为模拟小信号测温元件的热电偶显然法直接满足这个要求。 因此，若将热电偶应用于嵌入式系统时，须进行复杂的信号处理，在后面2.4将会讲到。,PT100,图1.6 PT100,PT100是铂热电阻，

7、它的阻值跟温度的变化成正比。 特点：精度高，稳定性好，应用范围广，是中低温区（-200650度）最常用的一种温度检测器。 PT100不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计。,PT100,电阻和温度变化的关系式如下：R=Ro(1+T) 其中=0.00392,Ro为100(在0的电阻值),T为摄氏温度。 Pt100两端电压U=IRPT 使用恒流源可以保证PT100上的电压是和它的阻值变化成线性关系，更加有利于温度的计算和控制。,图1.7 Pt100测温电路,图1.8 恒流三极管LC1912管脚图,工作电压：1.35V-10V； 恒定电流：可由外部电阻任意设定； 应用：一般应用于低电压供电

8、的LED灯具；也可作为恒流源。 LC1912有三个引脚，1脚为GND，2脚为REF，3脚为LED。 LC1912耐压12V（LED端到GND端），REF端恒定为1.2V，只要保证LED端对地的电压在1.35V到10V之间，则可以保证恒流。驱动电流的设定只需在REF端对地接一个电阻，取R2=1.2K，则LED端输出的恒定驱动电流I=1.2V1.2K=1mA,1.2 压力传感器,将压力转换为电信号输出的传感器称为压力传感器。 工作原理：被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于

9、这一压力的标准测量信号。 本实验的压力对象为电子称，通过压力传感器实现对压力的测量和显示。,2.1 信号处理概述,所谓“信号处理“，就是要把记录在某种媒体上的信号进行处理，以便抽取出有用信息的过程，它是对信号进行提取、变换、分析、综合等处理过程的统称。 在本实验中，从温度传感器或压力传感器测得的模拟信号通过放大、滤波、模数转换等一系列过程，将得到的数字信号输入处理器芯片进行分析。 图2.1 信号处理,模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号。 或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。 数字信号指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。

10、二进制码就是一种数字信号。 图2.2 模拟信号和数字信号,2.2 放大,PT100恒流源测温电路的输出只是毫伏级，为了使AD转换更为精确，其后需接一放大电路。 应用放大电路实现放大的装置称为放大器。它的核心是电子有源器件，如电子管、晶体管等。为了实现放大，必须给放大器提供能量。放大作用的实质是把电源的能量转移给输出信号。输入信号的作用是控制这种转移，使放大器输出信号的变化重复或反映输入信号的变化。,AD623是一款性能非常好的仪表放大器，它有以下特点： （1）在单电源3-12V下提供满电源幅度输出，使设计更为简单； （2）虽为单电源工作方式优化设计，但在2.5-6V双电源时，仍有优良性能； （

11、3）增益通过一只外接电阻可方便地调节无外接电阻时，被设置为单位增益(G=1)，接入电阻时，增益可高达1000；,（4）共模抑制比随增益的增加而增大，保持最小误差； （5）低功耗，宽电源电压，适合电池供电电路，线性度、温度稳定性、可靠性好； （6）具有较宽的共模输入范围，可以放大具有低于地电平150mv的共模电压信号； （7）高精度直流、交流性能。,图2.3 AD623 图2.4 AD623管脚图,放大倍数由电位器RP1 调节。其增益计算为： 假设RP1的调节电阻为 RG。其中G为增益，VO为 输出，VC为输入。 图2.5 放大电路,2.3 滤波,滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作，是抑制和防

12、止干扰的一项重要措施。 滤波电路的作用是只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路。,PT100和AD590的输出都为低频信号，在进入AD转换芯片之前都需要先进行滤波处理，以提高转换精度。 在设计中采用的滤波电路为二阶巴特沃斯低通滤波电路。所谓低通滤波电路就是能够通过低频信号而衰减或抑制高频信号的电路。,巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。 在振幅的对数对角频率的伯德图上，从某一边界角频率开始，振幅随着角频率的增加而逐步减少，趋向负无穷大。,图2.6 一级至五级巴特沃斯低通滤波器幅频图,图2.7所示为PT1

13、00输出信号的二阶巴特沃斯低通滤波电路。（AD590输出信号的滤波电路与这一样） 图2.7 PT100输出信号的滤波电路,该二阶有源低通电路的截止频率为 ： 增益为：,2.4 模数转换,A/D转换就是模数转换，与数/模(D/A)转换相反，是将连续的模拟量（如象元的灰阶、电压、电流等）通过取样转换成离散的数字量。 模数转换包括采样、保持、量化和编码四个过程。,采样是将时间上、幅值上都连续的模拟信号转换成时间上离散（时间上有固定间隔）、但幅值上仍连续的离散模拟信号。 利用采样脉冲序列p(t)，从模拟信号x(t)中抽取一系列离散样值，使之成为采样信号x(nTs)的过程。n= 0，1，Ts称为采样间隔

14、或采样周期，1Ts = fs 称为采样频率。通常采样脉冲的宽度 tw 是很短的，故采样输出是断续的窄脉冲。,采样,采样,图2.8 采样,采样频率越高，数字化后就越接近于原来的波形，即信号的保真度越高，但量化后信号信息量的存储量也越大。 根据采样定理即奈奎斯特定理，只有当采样频率高于模拟信号最高频率的两倍时， 才能把离散模拟信号唯一地 还原成原来的模拟信号。 实际中，根据量化噪声及接 收机噪声等因素的影响，采 样速率一般取fs=2.5fmax。,采样保持,由于后续的量化过程需要一定的时间，对于随时间变化的模拟输入信号，要求瞬时采样值在时间内保持不变，这样才能保证转换的正确性和转换精度，这个过程就

15、是采样保持。 采样器相当于一个开关，它在固定时间点上取出被处理信号的值。采样保持器则把这个信号值放大后存储起来，保持一段时间，直到下一个采样时间再取出一个模拟信号值来代替原来的值，这样，采样后的信号是阶梯形的连续函数。,量化,在前面采样保持的得到的信号是时间上离散，幅值上连续的离散模拟信号。量化就是将采样信号转换成时间和幅值都离散的数字信号。 把采样信号x（nTs）经过舍入或截尾的方法变为只有有限个有效数字的数。具体实现过程为：若取信号x（t）可能出现的最大值A，令其分为D个间隔，则每个间隔长度为R=AD，当采样信号x（nTs）落在某一小间隔内，就变为当前值。,量化,很明显，由于量化结果需用到

16、舍入或截尾方法，故量化过程会产生量化误差。量化增量D愈大，则量化误差愈大，量化增量大小，一般取决于计算机A/D卡的位数。例如，8位二进制为28=256，即量化电平R为所测信号最大电压幅值的1256。,图2.9 量化信号,编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。 模拟信号x(t)经过上述变换以后，即变成了时间上离散、幅值上量化的数字信号。,编码,若将热电偶应用于嵌入式系统时，须进行复杂的信号放大，A/D转换，查表线性化，温度补偿及数字化输出接口等软硬件设计。 MAX6675是一个集成了热电偶放大器，冷端补偿，A/D转换器及SPI串口的热电偶放大与数字转换器。,图2.11 MAX6675引脚图,图2.12 热电偶测温及转换电路,第三部分 传感器部分信号处理框图,图3.1 传感器部分信号处理框图,谢谢,