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1、第十一章 传感器信号处理电路n传感器信号处理电路的基本要求n传感器的匹配n信号放大电路n信号变换电路n信号滤波电路n传感器电路的噪声与抑制n基本要求：l信号的选取与抗干扰能力 要求电路本身是低噪声的；采用恰当的屏蔽、隔离，合理的布线与接地； 被测信号的调制和解调。第一节 传感器信号处理电路概述l稳定性 温漂：处理的结果在一次运行中发生渐变长期稳定性：由于元器件老化、插接件弹性疲劳、氧化等原因 短期稳定性：示值重复性。l频率特性与响应速度随着科技的发展，对于快速变化的过程进行动态测量的要求越来越多。l线性度检测的非线性由传感器、传感器电路、显示执行机构这三部分的非线性度产生。l分辨率l适当提高传
2、感器电路的分辨率有利于减小误差、方便读数；l模拟电路中，为了提高分辨率应适当提高放大器放大倍数；l数字电路中，为了减小量化误差必须增加数字量的位数，以减小最低位所对应的被测量。l输入输出阻抗l输入级的输入阻抗与传感器的输出阻抗相匹配，使放大器的输出信噪比达到最大值；l传感器电路的输出阻抗应与它所驱动的显示执行机构或微机接口的阻抗相匹配。传感器的匹配不同的传感器的输出阻抗不一样；输出阻抗大高输入阻抗运算放大器压电陶瓷、光敏二极管（100M）输出阻抗小变压器匹配动圈式传声器（30-70）l高输入阻抗放大器求：输入阻抗Ri=?解：根据虚地原理所以：输入阻抗：令Rf1=R2 Rf2=2R1 则：第二节
3、 信号放大电路一、电压放大器电路例：K型热电偶，将0500的温度转换为0-5V电压信号。已知1 对应热电偶输出电压40uV，500 对应满量程电压20.64mV。求：（1）信号电路增益AV?（2）描述电路各部分作用。解：（1）（2）R3、C1为低通滤波器，消除噪声； LM35D及其周围电路补偿冷端温度； R6完成断线检测。提问：（1）R3为什么不能太大? （2）断线检测功能为什么要求运放的输入偏置电流小？（因为运放有输入偏置电流）（因为运放输入偏置电流在R6上产生很大的压降）二、差动放大器电路例：一种压力传感器的信号调理电路如图所示。压力传感器采用绝对压力传感器PS3000S-102A，此传感
4、器为恒流驱动，驱动电流为1.5mA，最大量程为200mV。电路中VD1稳定电压为2.5V，作为压力传感器提供1.5mA恒流源的基准电压。 求：(1)为了保证压力传感器恒流驱动工作，试计算电阻的R2阻值；(2)如果信号调理电路的输出范围为0-1V，试计算可调电阻的取值；(3)如果当压力为0时，由于桥路本身的不平衡，传感器桥路1、2两端有的电压，试对照图说明如何进行零点补偿消除其对输出的影响。解：（1）（2） 则：Rp1=10K（3）调节Rp2三、电荷放大器要求放大器的输入阻抗非常高；（要求放大器的输入阻抗非常高；（为什么？为什么？）利用绝缘性好的电容和高增益的运算放大器来实现。利用绝缘性好的电容
5、和高增益的运算放大器来实现。Q+AU08CfU0 = - Q / Cf+8CsQCcGcCiGiCfGfU0传感器电缆放大器电荷放大器实际等效电路U0 =Cf（1+Ad） AdQ QCfCs压电传感器固有电容Cc输入电缆等效电容Ci放大器输入电容Cf反馈电容Gc输入电缆的漏电导Gi放大器的输入电导Gf反馈电导n特点1.输入阻抗高，最大可达109；2.偏置电流低；3.共模抑制比高；4.平衡的差动输入；5.具有良好的温度稳定性；6.增益可由用户选择不同的增益电阻来确定；7.单端输出四、集成仪用放大器(AD521 AD612 AD620)(AD521 AD612 AD620)n主要参数1.增益方程式
6、:仪用放大器所要求的增益与放大器增益控制电阻的关系式为： V0 = ViRs / RG 2.增益范围：系指可提供的使放大器工作正常的增益范围（典型值11000）。3.失调电压：系指为了使输出电压为零而需要在输入端外加的电压。4.输入偏流：系指保证直流放大器的输入晶体管正常工作所需的偏置电流。5.共模抑制比：系指当两个输入端具有等量电压变化时所测出的输出电压的变化。6.非线性度：系指实际的输出和输入的关系曲线与一条理想直线的偏差五、可编程增益放大器(PGA)+1234V081M110K20.4K10.1K10k1M增益开关1 2 3 41005010211 1 1 10 1 1 11 0 1 1
7、 1 1 0 11 1 1 0单运放可编程增益放大器+ARsRF1RF2R1=RB/RFViV08ViVoRBRF1RF2+A8单运放可编程增益放大器SW4SW1SW2SW3+CBADY-04V0ViQ3 D3 D2Q2 D1D0D4 D5 D6D774LS2738实用可编程增益放大器六、集成隔离放大器n定义： 集成隔离放大器是一种特殊的仪用放大器，其输入、输出和电源电路之间，在电流上和电阻上彼此隔离而没有直接的电路耦合。n特点：1.具有保护系统硬件不受高共模电压（CMV）损坏的能力；2.没有外偏流流入引线，泄漏电流很低，解决了噪声拾取问题；3.具有非常高的共模抑制能力。n耦合方式：1.变压器
8、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，但是带宽被限制在1KHz以下。2.光电耦合 利用LED光电耦合的方法实现载波调制，其隔离性能不如变压器耦合，但可获得10KHz的带宽。调制器解调器滤波器）电源（60KHz振荡器高端5输入屏蔽1098721634地+VISO-VISO+Vs+RiVi8284J的原理框图提问：Uout=?第三节 信号变换电路1.电流电压变换电路(电流放大器)+EfRf8e0iiZiei电流电压变换电路实例1A10A100A1mA F. S.全量程输入端+1k5k5ke02e01Cf+15V-15V输入保护电路+Cf+15V-15V-15V+15V5
9、V5V950K 100K950K 10K950K 1K950 10020K10K3.3K3.3K100KRf4558A71488防止振荡l将传感器输出的电压或电流信号高低变成单位时间内脉冲数的多少称作对信号进行前处理。这样就大大提高了信号传输的抗干扰能力，解决了长距离传输的问题。l这种方法只适用于实时性要求不是太高的场合。2.电压脉冲数变换电路电压变化型电流变化型电阻变化型电容变化型电感变化型频率脉冲电流电压变换电阻电压变换电容脉冲率变换哈特来振荡电路科比兹延迟电路电压脉冲率变换脉冲率电压变换A/D变换数字技术传感器长距离传输前处理利用脉冲率形式的前处理体系+单稳频率输出-Vs+VINS1-0
10、.6V比较器积分器CINTCos+IinR1N1mA1088（a） V/F 转换方框图AD650原理+5V结论：当输入电阻 Rin、定时电容 Cos 一定时，输出频率 Fo 正比于输入电压 Vin，而与积分电容 Cint 无关，它只决定积分器输出锯齿波的高度。AD650基本应用电路V1N-15VR1R31234567141312111098AD650R2VL1F20K250K+15V0.1FCINTRIN图 单极性输入V/F 转换电路Cos对AD650 单极性正输入电压V/F 转换电路，当 Vin=0-10V 时，Fo=0-100Khz；对AD650 单极性负输入电压V/F 转换电路，当 Vi
11、n=-10V0V 时，Fo=1000 Khz；对AD650 双极性输入电压V/F 转换电路，当 Vin=-5V+5V 时，Fo=0-100Khz；AD650 应用很广，几乎可代替目前所有的V/F 转换电路。它具有以下优点：工作频率高；抗干扰和共模电压能力强；非线形和温漂低；可靠性高；适用与远距离传输；且输入方式灵活，价格低廉。3.脉冲数电压变换电路脉冲数-电压变换电路即频率-电压转换器，简称 F/V 转换器；由于转换的阈值和增益可调，且具有很低的非线性误差，它在电机转速控制、电源频率监视器和VCO 稳定电路方面都具有广泛的应用；VCO（压控振荡器）： 主要利用它的结电容随反偏压变化而变化的特性
12、,通过改变变容二极管两端的电压便可改变电容的大小,从而改变振荡频率。(1)基本工作原理模块式 451 和 453 型 F/V 转换器。+1+滤波器84相加点3频率输入+15VEos校准12-15V频率输入精密电荷分配器CeRosRF9满刻度校准输出Cc滤波电容RH10K100K1K+VsA188A2型号CF(pF)Ros(M)RH(M)RF(K)4510.0153.32.2184530.0013.91.022(2)应用举例+8增益调节传感器258892131634模拟地Fi双扭线（010）kHz（010）kHz差动线驱动器差动线接收器F/V451V/F450/456模拟仪表仪用放大器图6-23
13、 FVC在两线制数据传输系统中的应用第四节 滤波电路n作用： 滤除各种外接干扰所引起的噪声以及多余的不需要的信号，提高信噪比(S/N)。n分类：l无源滤波器、有源滤波器l模拟滤波器、数字滤波器l低通、高通、带通、带阻、全通理想滤波器低通低通高通高通带通带通带阻带阻一、低通滤波器无源低通滤波器缺点缺点 ：带负载能力差；带负载能力差；无放大作用；无放大作用；特性不理想，边沿不陡。特性不理想，边沿不陡。有源低通一阶滤波器传递函数中出现传递函数中出现 的一次项，故称为的一次项，故称为一阶滤波器一阶滤波器。RR1RFC+-+幅频特性：幅频特性：相频特性：相频特性：有放大作用有放大作用3. 运放输出，带负
14、载能力强。运放输出，带负载能力强。幅频特性与一阶无幅频特性与一阶无源低通滤波器类似源低通滤波器类似n电路的特点：电路的特点：2. = o 时时1. =0 时时有源低通二阶滤波器传递函数注意 ：由于C引入了正反馈，所以KA不能太大 (KA3)。 否则失去稳定性。【例】设计一个截止频率f0=2kHz，品质因素Q=2的低通滤波器。【解】按上述所求，有：若选C=0.1uF,则：R=795.8;由于KA=2.5,若R1=5.1K,则：Rf=7.65Kn有源滤波器的优点有源滤波器的优点不使用电感元件，体积小重量轻；不使用电感元件，体积小重量轻；有源滤波电路中可加电压串联负反馈，使有源滤波电路中可加电压串联
15、负反馈，使输入电输入电阻高、输出电阻低阻高、输出电阻低，输入输出之间具有良好的隔，输入输出之间具有良好的隔离。只需把几个低阶滤波电路串起来就可构成高离。只需把几个低阶滤波电路串起来就可构成高阶滤波电路，无需考虑级间影响；阶滤波电路，无需考虑级间影响；除滤波外，还可放大信号，放大倍数容易调节。除滤波外，还可放大信号，放大倍数容易调节。n有源滤波器的缺点有源滤波器的缺点不宜用于高频、高电压、大电流；不宜用于高频、高电压、大电流；可靠性较差可靠性较差使用时需外接直流电源使用时需外接直流电源二、高通滤波器R1RF+-+高通滤波器高通滤波器R幅频特性：幅频特性：0 o第五节 传感器电路的噪声与抑制一、传
16、感器电路的构成被测对象传感器差分放大低通滤波A/D变换计算机测量结果外来噪声模拟噪声处理数字噪声处理图637 传感器电路的构成噪声消除的模型传感器低通滤波器信号电压Vs等效噪声电压VnsV0V1V2VfAVsA噪声源VnVn（C和M耦合）二、传感器的噪声来源n传感器和电路元件产生的噪声1)电阻产生的噪声(热噪声：自由电子随机热运动）2)晶体管产生的噪声（散粒噪声+1/f噪声）3)放大器产生的噪声4)接触噪声（接触面导电率不一样）5)开关器件产生的噪声6)寄生振荡干扰（布线不合理）n外部噪声源引起的噪声1)雷电、大气电离、宇宙射线、其他电磁波；2)电磁场、电火花、电弧焊接、高频加热。三、干扰的耦
17、合方式1、静电耦合（电容性耦合） 由于两个电路之间存在着分布电容，当其中一个电路的电位发生变化时，该电路的电荷就会通过分布电容传送到另一个电路。结论：（1）干扰源的频率越高，静电耦合引起的干扰越严重；（2）降低接收电路输入阻抗，可减少静电耦合干扰；（3）通过合理布线，减少分布电容C，减少静电耦合干扰。2、电磁耦合（互感性耦合） 当两个电路之间有互感存在时，一个电路的电流产生变化就会通过磁场耦合到另一个电路。3、共阻抗耦合 当一个电路的电流流经共阻抗产生电压降时，就成为其他电路的干扰电压。通过电源内阻的共阻抗耦合干扰减小电源内阻各电路接去耦滤波电路通过公共地线的共阻抗耦合干扰采用一点接地4、漏电
18、流耦合 由于测量电路内部存在漏电阻产生漏电流引起的干扰。例：设直流放大器输入阻抗Zi=108，干扰源电动势En=15V,绝缘电阻R=1010，求耦合干扰Eo=?。四、噪声的抑制n噪声的抑制途径l消除或抑制干扰源l减少接收电路对干扰的灵敏度l阻断干扰的传输途径和耦合方式n传感器和电路器件产生的噪声的抑制（1）为减少电路元件的热噪声，应使放大器的外部电阻尽量小；（2）使用双极型晶体管的前置放大器来放大传感器的输出信号的场合，选取 IC值尽可能小；（3）选用 Vna、Ina 小的运算放大器来组成传感器电路；（4）对于开关噪声，设置相应的伪电路，用差分来消除开关噪声。n降低噪声的信号处理方法（1）滤波
19、（只能去除带外噪声）； （2）相位检波（基于信号是周期的，而噪声是随机的原理） 。n外部噪声的抑制l外部噪声是通过静电耦合和磁耦合串入传感器电路。l具体方法：屏蔽、接地屏蔽、接地 （浮空、隔离、滤波）（浮空、隔离、滤波）1、屏蔽技术（1 1）静电屏蔽）静电屏蔽用一个金属罩（铜、铝）把信号源或测量电路包封起来并接地，使屏蔽盒内的电力线不会传到外部，当然也避免了外部电场对电路的影响，起到抑制干扰源的作用。(为什么要用导体?)（2 2）驱动屏蔽）驱动屏蔽将被屏蔽导体的电位，经严格的1:1电压跟随器去驱动屏蔽层导体的电位，而使两者电位相等，可以有效地抑制由于分布电容引起的静电耦合干扰。 （3 3）电磁
20、屏蔽）电磁屏蔽n电磁场屏蔽是利用屏蔽体阻止电磁场在空间传播的一种措施。n电磁场屏蔽的机理：当电磁波到达屏蔽体表面时，由于空气与金属的交界面当电磁波到达屏蔽体表面时，由于空气与金属的交界面上阻抗的不连续，对入射波产生的反射。这种反射不要上阻抗的不连续，对入射波产生的反射。这种反射不要求屏蔽材料必须有一定的厚度，只要求交界面上的不连求屏蔽材料必须有一定的厚度，只要求交界面上的不连续；续； 未被表面反射掉而进入屏蔽体的能量，在体内向前传播未被表面反射掉而进入屏蔽体的能量，在体内向前传播的过程中，被屏蔽材料所衰减。也就是所谓的吸收；的过程中，被屏蔽材料所衰减。也就是所谓的吸收； 在屏蔽体内尚未衰减掉的
21、剩余能量，传到材料的另一表在屏蔽体内尚未衰减掉的剩余能量，传到材料的另一表面时，遇到金属空气阻抗不连续的交界面，会形成再面时，遇到金属空气阻抗不连续的交界面，会形成再次反射，并重新返回屏蔽体内。这种反射在两个金属的次反射，并重新返回屏蔽体内。这种反射在两个金属的交界面上可能有多次的反射。交界面上可能有多次的反射。铜板铁芯焊接n电磁屏蔽的原理是利用高频电磁场在屏蔽导体内产生电涡流，电涡流产生的反磁场抵消高频干扰磁场。n屏蔽罩接地，则兼具静电屏蔽作用。 (为什么仅适用于高频电磁干扰?)（4 4）磁屏蔽）磁屏蔽电磁屏蔽对低频磁场干扰的抑制效果很差。对低频磁场的屏蔽，要利用高导磁率的材料作屏蔽罩，屏蔽
22、罩有一定厚度，以减少磁阻。线圈坡莫合金铁芯泄漏磁力线2、接地技术n基本目的：消除各电路电流流经公共地线时所产生的噪声电压，以及免受电磁场和电位差的影响。n地线种类：l信号地线：模拟信号地线、数字信号地线l功率地线：大电流网络部件的零电平l交流电源地线：l屏蔽接地线及机壳接地线n接地原则l一点接地和多点接地：高频电路就近多点接地，低频电路一点接地；(可以举例说明)l交流地线、功率地线同信号地线不能共用；l屏蔽接地的方式随屏蔽目的不同而异。作 业1、为什么电荷放大器要求输入阻抗很高？ 2、下图是差动放大器的基本电路，由电阻R1，R2组成反馈通道，存在共模电压Vc时，差动放大器仅对差模电压Vs进行放大。求Vo?+-VoVcVs 2Vs 2R1R2R2R1-+-图5 差动放大器作 业3、下图是一个电流/电压变换电路，求Vo.4、画出传感器电路的组成框图及模拟部分的噪声消除模型。5、简述传感器和电路元件产生的噪声及其抑制方法。+-VoR1图6 I/V变换电路IsRf习题干扰主要来源于哪几个方面？干扰信号主要通过哪些耦合方式影响测量信号？
