转换电路与智能传感器

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1、第八章 中间转换电路被测物理量通过信号检测传感器后转换为电参数或电 量。其中电阻、电感、电容、电荷、频率等还需要进一步转 换为电压或电流。一般情况下电压、电流还需要放大。这些 功能都由中间转换电路来实现。因此，中间转换电路是信号 检测传感器与测量记录仪表和计算机之间的重要桥梁。1中间变换电路p主要作用：将信号检测传感器输出的微弱信号进行放大、滤波，以满足测量、记录仪表的需要；完成信号的组合、比较，系统间阻抗匹配及反向等工作，以实现自动检测和控制；完成信号的转换。p在信号检测技术中，常用的中间转换电路有电桥、放大器 、滤波器、调频电路、阻抗匹配电路等。21、概念电桥是将电阻、电感、电容等参数的变

2、化变换为电压 或电流输出的一种测量电路。2、优点灵敏度高、测量范围宽、容易实现温度补偿等。3、分类：直流电桥、交流电桥当电桥输出端接入的仪表或放大器的输入阻抗足够大 时，可认为其负载阻抗为无穷大。这时把电桥称为电压桥； 当其输入阻抗与内电阻匹配时，满足最大功率传输条件，这 时电桥被称为功率桥或电流桥。8.1 电桥38.1.1直流电桥n直流电桥的桥臂只能为电阻， 如图所示。电阻R1、R2、R3、 R4作为四个桥臂，在A、C端(称 为输入端，电源端)接入直流电源 U0，在B、D端(称为输出端，测 量端)输出电压UBD。n测量时常用等臂电桥，即R1 R2R3R4，或电源端对称电桥 ，即R1R2，R3

3、R4。4直流电桥的平衡条件5直流电桥的和差特性设电桥四臂增量分别为R1、R、R、R ，则电桥的输出为6直流电桥组桥时，应变片的灵敏系数K必须一致，上式又可写成上式在应变测量中非常重要。它表明各桥臂应变对电 桥输出的影响，相对桥臂的应变值相加，相邻桥臂的应变值 相减，有人又将其简称为加减特性。三种典型桥路的输出特性（1）单臂电桥 ：当R1为工作应变片，其他的为固定电 阻时的桥路称为单臂电桥，只有电阻值发生变化，此时的输 出电压： 7（2）半桥：当相邻的两个电阻为应变片，其它两个为固 定电阻时的桥路称为半桥。此时输出电压：（3）全桥：四个臂全为工作应变片的桥路称为全桥，此 时的输出电压为：从上面的

4、介绍，我们可以看到单臂电桥、半桥、全桥 的输出电压之比为： 88.1.2 交流电桥交流电桥平衡条件：9由传感器输出的信号通常需要进行电压放大或功率放大 ，以便对信号进行检测，因此必须采用放大器。放大器的种类很多，使用时应根据被测物理量的性质不 同而合理选择（例如热电耦测温度时的热电势信号），如对变 化缓慢、非周期性的微弱信号，可以选用直流放大器或调制放 大器。对压电式传感器常配有电荷放大器。放大器应满足：（1）放大倍数大且线性度好；（2）抗干扰能力强且内部噪声低；（3）动态响应快；（4）输入阻抗高以保证测量精度；（5）输出阻抗低使之有足够的输出功率。8.2 放大器10在放大电路中，运算放大器是

5、应用最广泛的一种模 拟电子器件。其特点是输入阻抗高、增益大、可靠性高、 价格低廉、使用方便。一个理想的运算放大器具有以下性 质：1、开环增益为无穷；2、输入阻抗为无穷；3、输出阻抗为零；4、带宽为无穷；5、干扰噪声等于零。8.2.1运算放大器11反相放大器是最基本的电 路，如下图所示。其闭环电压增益 Av为：反馈电阻RF值不能太大， 否则会产生较大的噪声及漂移，一 般为几十千欧至几百千欧。R1 的 取值应远大于信号源Ui 的内阻。反相放大器12同相放大器也是最 基本的电路，如下图所示 。其闭环电压增益Av为 同相放大器具有输 入阻抗非常高，输出阻抗 很低的特点，广泛用于前 置放大级。 同相放大

6、器同相放大器138.2.2 差动放大器n当运算放大器的反相端和同相端分别输入信号U1和U2时 （如图所示），输出电压U0为 R1=R2，RF=R3时为差动放大器，其差模电压增益为 14当R1=R2=RF=R3时，为减法器，输出电压为： U0=U2-U1 。由于差动放大器具有双端输入、单端输出、共模抑制比较高（R1=R2，RF=R3）的特点，通常用作传感放大器或测量仪器的前端放大器。158.2.3 测量放大器运算放大器对微弱信号的放大，仅适用于信号回路不受干扰的情况。然而，传感器的工作环境往往比较恶劣和复杂，在传感器的两条输入线上经常产生较大的干扰信号，有时是完全相同的共模干扰。对微弱信号及具有

7、较大共模干扰的场合，可采用测量放大器（或称仪用放大器、数据放大器）进行放大。16测量放大器n测量放大器的基本电路：17测量放大器放大器由两级串联。前级由两个同向放大器组成，为对称 结构，输入信号加在前两个运放的同向输入端，从而具有高抑制 共模干扰的能力和高输入阻抗。后级是差动放大器，它不仅切断 共模干扰的传输，还将双端输入方式变换成单端输入方式，以适 应对地负载的需要。差动放大器的输入Ui为：18测量放大器测量放大器的放大倍数可由下式计算：R4是用于调节放大倍数的外接电阻，通常采用多圈电位 器，并应靠近组件。若距离较远，应将连线绞合在一起。 组成前级差动放大器的两个芯片必须要配对，即两块芯 片

8、的温度漂移符号和数值尽量相同或接近，以保证模拟输入 为零时，放大器的输出尽量接近于零。此外，还要满足：198.2.4 微分放大器由运算放大特性可得：由上式可以看出，放大器的输出与输入的微分成正比 ，因此称其为微分放大器。208.2.4积分放大器积分放大器与反向放大器类似，主要区别在于其反馈 采用了电容元件。 由运算放大特性可得：21滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的 频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。在测 试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除 干扰噪声或进行频谱分析。根据带通和带阻所处的范围不同，滤波器可以 进行如下的分类：低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器 8.3

9、滤波器221) 低通滤波器 从0f2频率之间，幅频特性平直，它可以使信号中低 于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f2的频率成分 受到极大地衰减。2) 高通滤波器 与低通滤波相反，从频率f1，其幅频特性平直。它 使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于f1 的频率成分将受到极大地衰减。 233) 带通滤波器 它的通频带在f1f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分可以不受衰减地通过，而其它成分受到衰减。4) 带阻滤波器 与带通滤波相反，阻带在频率f1f2之间。它使信号中高 于f1而低于f2的频率成分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。24RC滤波器在测试系

10、统中，常用RC滤波器。因为在这一领域中， 信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干扰性强， 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 试的领域中最经常用到的滤波器是RC滤波器。1)一阶RC低通滤波器 RC低通滤波器的电路及其幅频、相频特性如图所示。 分析可知，当 f 很小时，A(f)=1，信号不受衰减地通过 ；当 f 很大时，A(f )=0，信号完全被阻挡，不能通过。 252)一阶RC高通滤波器 RC高通滤波器的电路及其幅频、相频特性如图所示。 分析可知，当f 很小时，A(f)=0，信号完全被阻挡，不能 通过；当f 很大时，A(f )=1，信号不受衰减的通过。低通和高通的

11、截止频率相同，f c =1 / ( 2RC ) 263) RC带通滤波器n带通滤波器可以看作为低通滤波器和高通滤波 器的串联，其电路及其幅频、相频特性如下图所 示。27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。 应注意，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“负载”，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 者用运算放大器进行隔离。所以实际的带通滤波器通常是有 源的。有源滤波器由RC调谐网络和运算放大器组成。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。 28LC滤波器利用电感的感

12、抗与频率成正比、电容的容抗与频率成反 比的特性，以电感作串臂、电容并臂构成的就是LC滤波器。由 于电感对高频的阻流作用和电容对高频的分流作用，它可以使 较低频率的信号通过，从而抑制了高频的噪声干扰。 选用滤波器时注意以下几点：（1）仪表的外接阻抗及放大器的输入阻抗；（2）滤波器时间常数对仪表动态性能的影响；（3）滤波器的频率特性。29电压/频率转换器的作用是把电压信号转变成频率信号。将涡流流量计、光电式或磁阻式转速传感器与其配合使 用，可以实现稳态和动态测量和记录；若与计算机连接，可 以对流量、转速等物理量自动实现数据采集、处理和控制。8.4 V/F变换30V/F变换器集成LM131/231/

13、331 V/F变换特点：1）线性度高；2）可工作在单电源或双电源下；3）脉冲输出与TTL CMOS等逻辑电平兼容；4）温度稳定性好；5）低功耗，5伏供电典型值为15mw；6）输入电压02Vcc；7）频率范围1100KHz；8）价格低。31n线路图及输出：32p在工业控制系统中，常常以电流方式为传输信号。因为 电流信号适合于长距离传输，传输中信号衰减小、抗干扰能 力强。因此，大量的常规工业仪表是以电流方式互相配接。p按仪器仪表标准，DDZ-系列仪表各单元之间的联络信 号为010mA,而DDZ-系列仪表各单元之间的联络信号为 420mA。一般D/A转换器的的输出信号有的是电压方式， 有的是电流方式

14、，但是电流幅度大都在微安数量级。因此， D/A转换器的输出常常需要配接V/I（电压/电流）转换器。p常用的V/I转换器可分为两种，一种为负载共源方式，另 一种为负载共地方式.8.5 V/I转换器33V/I转换 对于负载共源方式的V/I转换电路，由于运算放大器 输入负端与输入正端电位基 本相等，即ViVf，可得：34负载共地方式：是一个电流并联负反馈电路。由于运算放大器正负输入端 电位近似相等，当R2很大且远大于Rf，可得化简得：如果取 R1=100k,R2=20k, Rf=100 则当Vi在0+5V时，I0 为010mA。 35使用负载共地方式需要注意以下几点：电路中各电阻应当选用精密电阻，以

15、保证足够的转换精度 。转换器的零位可以由运算放大器的调零端实现。如果采用 没有调零端的运算放大器，就必须附加额外的高零电路。正电源的取值必须满足+V ( R f + RL )Iomax，Iomax为为Io 的最大值。如果需要改变输入电压范围，只需要改变R2/R1的数值就可 以实现。如果需要将单极性输入改变为双极性输入，则需要在 运算放大器输入端附加偏置电压。 36标准输出电流信号有010mA和420mA两种，其中420mA 的标准输出电流被广泛地应用。为什么？V/I变换器传感器信号处理420mAV/I变换器传感器信号处理010mA37第十章 智能传感器技术10.1.1 智能式传感器的概述智能式传感器（Intelligent sensor或Smart sensor）自20世纪 70年代初出现以来，随着微处理器技术的迅猛发展及测控系统 自动化、智能化的发展，要求传感器准确度高、可靠性高、稳 定性好， 而且具备一定的数据处理能力，并能够自检、自校、 自补偿。传统的传感器已不能满足这样的要求。另外，为制造 高性能的传感器，光靠改进材料工艺也很困难，需要利用计算 机技术与传感器技术相结合来弥补其性能的不足。计算机技术 使传感器技术发生了巨大的变革