传感器的信号处理与接口技术

《传感器的信号处理与接口技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器的信号处理与接口技术（178页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第12章 传感器的信号处理与接口技术 传感器的信号处理与接口技术Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望第12章 传感器的信号处理与接口技术 12.1 传感器的信号预处理电路传感器的信号预处理电路 如图12-1所示，传感器与微机的接口电路主要由信号预处理电路、数据采集系统和计算机接口电路组成。其中，预处理电路把传感器输出的非电压量转换成具有一定幅值的电压量；数据采集系统把模拟电压量转换成数字量；计算机接口电路把A/D转换后的数字信号送入计算机，并把计算机发出的控制信号送至输入

2、接口的各功能部件；计算机还可通过其他接口把信息数据送往显示器、控制器、打印机等等。由于信号预处理电路随被测量和传感器而不同，因此传感器的信号处理技术则是构成不同系统的关键。第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-1传感器与微机的接口框图第12章 传感器的信号处理与接口技术 由于待检测的非电量种类繁多，传感器的工作原理也各不相同，因此待检测物理量作用于传感器后，传感器输出的相应信号种类亦各式各样。总结前面所学知识，可将传感器按下列方式分类。第12章 传感器的信号处理与接口技术 第12章 传感器的信号处理与接口技术 12.1.1 12.1.1 开关式输出信号的预处理开关式输出信号的预处理如图

3、12-2(a)所示， 在输入传感器的物理量小于某阈值的范围内，传感器处于“关”的状态，而当输入量大于该阈值时， 传感器处于“开”的状态，这类传感器称为开/关式传感器。实际上，由于输入信号总存在噪声叠加成分，使传感器不能在阈值点准确地发生跃变， 如图12-2(b)所示。另外，无接触式传感器的输出也不是理想的开关特性，而是具有一定的线性过渡。因此，为了消除噪声及改善特性，常接入具有迟滞特性的电路，称为鉴别器或称脉冲整形电路，多使用施密特触发器，如图12-2(c)所示。经处理后的特性如图12-2（d）所示。第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-2 开关量传感器特性示意图及处理方案（a）理想特

4、性；（b）实际特性；（c）处理方案；（d）处理后特性第12章 传感器的信号处理与接口技术 12.1.2 12.1.2 模拟脉冲式输出信号的预处理模拟脉冲式输出信号的预处理1. 1. 峰值脉冲式传感器信号处理方法峰值脉冲式传感器信号处理方法不少传感器在受输入冲击时，其输出信号呈指数性衰减，若直接进行A/D转换，必将导致错误的结果。因此，在传感器后面接脉冲限幅电路，使输出变成窄脉冲，方可采用脉冲峰值保持电路将脉冲扩展，以便进行A/D转换。如图12-3所示，US为峰值脉冲式传感器输出信号波形，UC为限幅后的波形，UH为经峰值保持电路后的波形。第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-3脉冲峰值信

5、号变换第12章 传感器的信号处理与接口技术 2. 2. 脉冲宽度式和脉冲间隔式信号的处理方法脉冲宽度式和脉冲间隔式信号的处理方法脉宽式传感器输出脉冲的宽度受被测物理量调制，与被测量大小成正比，例如采用脉冲调宽电路的电容传感器的输出信号。脉冲间隔式传感器在受到一次输入作用时，便产生两个脉冲，两个脉冲的时间间隔与被测物理量成正比，例如应变式扭矩传感器，超声波测距等。这两类信号都是时间间隔信号，在时间间隔大于微秒级时，可将其作为门控信号，用数字计数器计数。另一种方法是利用时间峰值转换电路(TAC)将时间间隔转换成电压峰值，再进行A/D转换，其原理如图12-4所示。第12章 传感器的信号处理与接口技术

6、 图12-4时间间隔信号处理第12章 传感器的信号处理与接口技术 12.1.3 12.1.3 模拟连续式输出信号的预处理模拟连续式输出信号的预处理模拟连续式传感器的输出参量可以归纳为五种形式：电压、电流、电阻、电容和电感。这些参量必须先转换成电压量信号，然后进行放大及带宽处理才能进行A/D转换。它们的预处理一般体系可用图12-5表示。可见，数字万用表已包括了预处理、数据采样与A/D转换等全部功能电路。第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-5模拟连续输出预处理的一般体系第12章 传感器的信号处理与接口技术 1. 电流电流/电压转换电路电压转换电路用一只电阻可构成简单的电流/电压转换电路。

7、在要求较高的场合，可采用图12-6（a）所示的I/U转换电路。该电路输入阻抗Rin10m，输出电压UoIiRS，RS10M，电路输出电阻Ro一般小于1k。第12章 传感器的信号处理与接口技术 I/U转换电路也可由运算放大器组成，如图12-6（b）所示。电路的输出电压Uo=-IsRf。一般Rf比较大，若传感器内部电容量较大时容易振荡，需要消振电容Cf。Cf的大小随Rf用实验方法确定。因此该电路不适用于高频。电路利用运算放大器“虚短”的原理，若与光电池直接相接，可获得光电池的短路电流输出特性。但是，当运算放大器直接接到高阻抗的传感器时，需要加保护电路。当信号较大时，可在运算放大器输入端用正、反向并

8、联的二极管保护；当信号较小时，可在运算放大器输入端串联100k的电阻保护。第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-6 电流/电压转换电路（a）I/U转换器；（b）采用运放的I/U转换电路第12章 传感器的信号处理与接口技术 2. 2. 模拟频率式输出信号的预处理模拟频率式输出信号的预处理模拟频率式输出信号，一种方法是直接通过数字式频率计变为数字信号；另一种方法是用频率/电压变换器变为模拟电压信号，再进行A/D转换。频率/电压变换器的原理如图12-7所示。通常可直接选用LM2907/LM2917等单片集成频率/电压变换器。第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-7频率/电压变换器原理

9、框图第12章 传感器的信号处理与接口技术 3. 3. 数字式输出信号的预处理数字式输出信号的预处理数字式输出信号分为数字脉冲式信号和数字编码式信号。 数字脉冲式输出信号可直接将输出脉冲经整形电路后接至数字计数器，得到数字信号。数字编码式输出信号通常采用格雷码而不用8421二进制码，以避免在两种码数交界处产生计数错误。 因此，需要将格雷码转换成二进制或二十进制码。 传感器信号的预处理应根据传感器输出信号的特点及后续检测电路对信号的要求选择不同的电路。第12章 传感器的信号处理与接口技术 12.2 传感器信号的放大电路传感器信号的放大电路12.2.1 12.2.1 测量放大器测量放大器测量放大器又

10、叫仪表放大器（简称IA）。它不仅能满足上述要求，而且具有精确的增益标定，因此又称数据放大器。 1. 1. 通用通用IAIA通用IA由三个运算放大器A1、A2、A3组成，如图12-8所示。其中，A1和A2组成具有对称结构的差动输入输出级，差模增益为1+2R1/RG，而共模增益仅为1。A3将A1、A2的差动输出信号转换为单端输出信号。A3的共模抑制精度取决于四个电阻R的匹配精度。通用IA的电压放大倍数为（12-1）第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-8 通用IA的结构第12章 传感器的信号处理与接口技术 2. 2. 增益调控增益调控IAIA在多通道数据采集系统中，为了节约费用，多种传感器

11、共用一个IA。当切换通道时，必须迅速调整IA的增益，称增益调控IA。在模拟非线性校正中也要使用增益调控IA。增益调控IA分为自动增益IA和程控增益IA两大类。 自动增益IA基本工作过程如图12-9（a）所示。它先对信号作试探放大、将放大信号送至ADC，使其转换成数字信号，再经逻辑电路判断，送至译码驱动装置，用以调整IA的增益。这种方法工作速度较慢，不适用于高速系统。第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-9 增益调控IA（a）自动增益IA；（b）程控IA第12章 传感器的信号处理与接口技术 3. IA3. IA的技术指标的技术指标测量放大器最重要的技术指标有： 非线性度、 偏置漂移、 建

12、立时间以及共模抑制比等， 这些指标均为放大器增益的函数。 （1）非线性度：它的定义为放大器输出、输入实际特性曲线与理想特性曲线（直线）的相对偏差。在增益G=1时，一个12位（bit）系统的非线性度若为0.025，则在G500时，其非线性度可达0.1%，相当于系统精度降低到10倍以下。第12章 传感器的信号处理与接口技术 （2）偏置漂移：它是指工作温度变化1时，相应的直流偏置变化量。一个放大器的分辨率主要被直流偏置的不可预料性所限制。放大器的偏置漂移一般为150V/，也与增益G有关。如一个有2V/漂移的放大器，当G=1000、t=10时，其输出端将产生20mV的偏置电压。这个数字相当于12位AD

13、C在输入范围为010V时的八个LSB值。值得注意的是，一般厂家只给出典型值，而最大值可以是典型值的34倍。（3）建立时间：放大器的建立时间定义为从输入阶跃信号起，到输出电压达到满足给定误差（典型值为0.01）的稳定值为止所需用的时间。一般IA的增益G200，精度约为0.01，建立时间约为50100s，而高增益IA在同样精度下的建立时间可达350s。因此，在数据采集系统中决定信号传输能力的往往是IA而不是ADC。第12章 传感器的信号处理与接口技术 （4） 恢复时间：放大器的恢复时间是指从断掉输入IA的过载信号起，到IA的输出信号恢复至稳定值时（与输入信号相应）的时间。 （5）共模抑制比：IA的

14、共模抑制比定义为差模电压放大倍数Ad与共模电压放大倍数Ac比值的对数单位，即（12-2）第12章 传感器的信号处理与接口技术 表表12-1 IA的的CMR要求值要求值(dB) 第12章 传感器的信号处理与接口技术 12.2.2 12.2.2 集成仪表放大电路介绍集成仪表放大电路介绍可以用作仪表放大器的集成电路有：集成运算放大器OP07，斩波自动稳零集成运算放大器7650，集成仪表放大器AD522，集成变送器WS112、XTR101，TD系列变压器耦合隔离放大器，ISO100等光耦合隔离放大器，ISO102等电容耦合隔离放大器，PG系列程控放大器，2B30/2B31电阻信号适配器等。具体内容可参

15、考相关资料。第12章 传感器的信号处理与接口技术 12.3 传感器的补偿与标度变换传感器的补偿与标度变换 12.3.1 传感器的温度补偿传感器的温度补偿 1. 温度补偿原理温度补偿原理设被测物理量为x，环境温度为T，则线性传感器的特性可表示为y=f（x，T）=A0（T）+A1（T）x（12-3）式中，A0为传感器的输出零点;A1为传感器的灵敏度。它们都随环境温度T变化。第12章 传感器的信号处理与接口技术 因此，传感器的温度灵敏度可表示为（12-4）可见，对传感器进行温度补偿就是使ST0，包括对传感器零点温度漂移的补偿和对传感器灵敏度的温度补偿。第12章 传感器的信号处理与接口技术 2. 2.

16、 常用温度补偿方法常用温度补偿方法1） 自补偿法自补偿法就是利用传感器本身的一些特殊结构来满足温度补偿条件。例如组合式温度自补偿应变片，用两种具有正、负电阻温度特性的电阻丝栅串联制成一个应变片，只要使两段丝栅的电阻随温度变化的增量相等，便可实现温度补偿。第12章 传感器的信号处理与接口技术 2）并联式温度补偿法并联式温度补偿法就是人为地附加一个温度补偿环节，该补偿环节与被补偿环节并行相连，使补偿后的合成输出基本不随温度而变化。如图12-10所示为并联式温度补偿原理框图。图中，yA为待补偿环节特性，yB为补偿环节特性，只要满足dB0（T）/dTdA0（T）/dT、dB1（T）/dTdA1（T）/

17、dT、B1（T）A1（T），理论上就可以实现温度补偿。但实际上并联式温度补偿只能做到近似补偿，即在两点或三点是全补偿，而其他点不是“过补偿”就是“欠补偿”。应用并联式温度补偿法的实例如图9-4所示的热电偶的冷端温度补偿器及直流放大器的差动输入等。可证明热电偶的冷端温度补偿器的补偿条件为第12章 传感器的信号处理与接口技术 （12-5）国产热电偶的冷端温度补偿器电桥电源E=4V，电桥在20时调平衡，补偿范围有050和010两种。第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-10并联式温度补偿原理框图第12章 传感器的信号处理与接口技术 3） 电桥温度补偿法以应变式传感器电桥为例，如图3-6所示的

18、不平衡电桥电路，令式（3-7）等于0并除以T，可得其温度补偿条件的表达式为(12-6）式中，1、3、2、4分别为R1、R2、R3、R4的电阻温度系数。第12章 传感器的信号处理与接口技术 （1） 全桥的温度补偿：如图3-6（c）所示，四个桥臂电阻为相同的电阻应变片即可实现温度补偿。 （2） 半桥的温度补偿： 单臂电桥的温度补偿：如图3-6（a）所示的单臂电桥，按如图12-11（a）所示选择R1和R2为同样的电阻应变片，将R1粘贴在弹性敏感元件上，R2粘贴在附近非应变部位；R3和R4用电阻温度系数很小的锰铜丝绕制，即可实现温度补偿。第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-11 电阻应变片的

19、设置(a)温度补偿应变结构；(b)差动补偿应变结构第12章 传感器的信号处理与接口技术 双臂电桥的温度补偿： 如图3-6（b）所示的双臂电桥， 按如图12-11（b）所示选择R1和R2为同样的电阻应变片，粘贴在弹性敏感元件上，构成差动电桥；R3和R4用电阻温度系数很小的锰铜丝绕制，即可实现温度补偿。 由于相邻桥臂间具有温度补偿作用，所以在热电阻测温电桥中，采用三线制或四线制接法来消除引线电阻随环境温度变化造成的测量误差。第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-12灵敏度补偿第12章 传感器的信号处理与接口技术 4）热敏电阻补偿法在测量电路中用热敏电阻可以实现传感器的灵敏度温度补偿和输出零

20、点温度漂移补偿。（1）灵敏度温度补偿：其原理是在规定的温度范围内保证传感器的灵敏度稳定，而不要求每个电阻应变片与温度无关。如图12-12所示，电桥灵敏度温度补偿的方法是在电桥电源对角线上串接热敏电阻Rt，补偿用热敏电阻Rt的阻值可用下式求出：（12-7）第12章 传感器的信号处理与接口技术 （2）零电平温度补偿：根据传感器的类型和结构，可采用不同的方法稳定其零点。对于测量电桥，一种十分有效的零电平温度补偿方法是在一个桥臂上引入热敏电阻。虽然每个桥臂电阻都随温度变化，但所有桥臂电阻的总变化可以用某个桥臂电阻Ri的等效变化来代替。补偿用热敏电阻Rt的阻值可用下式求出，即（12-8）式中，“-”号表

21、示电桥的电阻温度系数R和补偿电阻的温度系数符号应相反。必须强调，电桥电阻的温度系数不同于一个桥臂的电阻温度系数，它是表征电阻随测量电路所有桥臂的温度变化而变化的特性。第12章 传感器的信号处理与接口技术 R可用下式求出：（12-9）式中，n=R1/R2为两相邻桥臂的电阻比； Ui为电桥的电源电压；Uo1、Uo2分别为在温度T1、T2时测得的传感器输出电压。第12章 传感器的信号处理与接口技术 5）反馈式温度补偿法反馈式温度补偿就是应用负反馈原理，通过自动调整过程，保持传感器的零点和灵敏度不随环境温度而变化。如图12-13所示为反馈式温度补偿的原理框图。图中，B0和B1是检测环节，检测测量电路（

22、或仪表）的零点A0(T)和灵敏度A1(T)；C0和C1是信号变换环节；Ur0和Ur1是恒定的参考电压，K0和K1是电子放大器；D0和D1是执行环节；y=f(x，T，x0，x1)是仪表被补偿部分特性。第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-13反馈式温度补偿原理框图第12章 传感器的信号处理与接口技术 由图可见，反馈式温度补偿的关键问题有两个：（1）如何将传感器测量电路(或仪表)的输出零点A0(T)和灵敏度A1(T)通过B0和B1检测出来，并经C0和C1转换为电压信号Uf0和Uf1。（2）如何将K0和K1的输出电压通过D0和D1产生控制信号去自动改变A0(T)和A1(T)，以达到自动补偿环

23、境温度T对A0(T)和A1(T)的影响。在采用反馈式温度补偿时，应首先通过理论分析找出测量电路(或仪表)的刻度方程表达式，进而通过刻度方程分析找出反映A0(T)和A1(T)值变化的参数，最后确定控制A0(T)和A1(T)的方法。第12章 传感器的信号处理与接口技术 如图12-14所示为差动变压器式传感器的反馈温度补偿原理电路图。由图可见，检测灵敏度S的方法是通过在差动变压器二次侧增加两个绕组和。与绕组、与绕组采用双线并绕而成，但是与绕组之间不是采用“差接”，而是采用“和接”方式。这样(+)绕组的“和接”电压经整流滤波后所取出的信号Uf显然正比于U，即Uf正比于灵敏度S。第12章 传感器的信号处

24、理与接口技术 图12-14差动变压器式传感器的反馈温度补偿原理电路图第12章 传感器的信号处理与接口技术 12.3.2 12.3.2 传感器的非线性补偿传感器的非线性补偿非线性补偿也叫非线性校正，或线性化。多数传感器都具有非线性特性，它既不利于读数和测量结果的分析处理，而且是产生测量误差的主要原因之一。因此，为了减小或消除非线性误差，必须进行非线性补偿。目前，实现非线性特性补偿的方法很多，典型的补偿原理可分为开环式、闭环式和增益控制式三种。这些补偿方法都是要求在测量回路中加入某个线性化器，利用线性化器的非线性函数去补偿传感器的非线性特性。例如，对于常用的线性化器可以用硬件电路构成，也可以用计算

25、机软件构成。第12章 传感器的信号处理与接口技术 常见的传感器非线性特性可分为两种类型：指数型曲线和有理代数型曲线。指数曲线型非线性特性的输出量y和输入量x的关系可表示为y=aebx+c （12-10）式中， a、b、c为常数。例如热敏电阻传感器、射线测厚仪等，其特性属于这种类型。它们可以用对数函数的线性化器进行补偿。第12章 传感器的信号处理与接口技术 有理代数曲线型非线性特性的输出量y和输入量x关系可表示为y=a0+a1x+a2x2+anxn（12-11）式中，a0、a1an为常数。这类传感器特性可以用连续拟合或分段拟合的线性化器进行校正。第12章 传感器的信号处理与接口技术 1. 硬件法

26、非线性补偿硬件法非线性补偿 1） 非线性函数放大器非线性函数放大器是一种增益与输入信号成某种函数关系的特殊放大电路。它通过分段直线逼近的方法来实现传感器非线性特性的线性化，即用一段直线来代替一段曲线，分段越多，折线越逼近实际的非线性曲线，分段数目由精度决定。因此，非线性函数放大器实质上是分段线性函数放大器。第12章 传感器的信号处理与接口技术 （1）精密渐减函数放大器。如图12-15（a）所示为一种精密渐减函数放大器的电路，它能抑制二极管正向压降UD受环境温度变化对转折点电压产生的影响。该电路由反相放大器A0、求和放大器A3和转折点电路A1、A2An（需要n个转折点就需n个运放电路）组成。图中

27、，Rf1=R01，输入信号Ui经A0后得-Ui。只要使R11/R12R21/R22Rn1/Rn2，即可保证各转折点斜率逐步下降，实现渐减特性。图12-15(b)为输入/输出电压波形。现以两个转折点为例，说明电路的工作原理。第12章 传感器的信号处理与接口技术 当0Ui(R11/R12)UR时，转折点电路中的二极管都不导通，输出电压为（12-12）直线斜率为（12-13）当(R11/R12)URUi(R12/R22)UR时，VD12导通，VD11及其余二极管都不导通，输出电压为（12-14）第12章 传感器的信号处理与接口技术 直线斜率为（12-15）依此类推，下一个转折点是当Ui(R21/R2

28、2)UR时，VD12、VD22导通，其余二极管都不导通，输出电压为（12-16）直线斜率为（12-17）第12章 传感器的信号处理与接口技术 （2） 渐增函数放大器：利用随输出（或输入）信号的增加而逐个导通的二极管去减小运放输入回路电阻的方法，可实现渐增函数放大器。实际应用的精密渐增函数放大器如图12-16所示。与图12-15相比，它仅仅是改变了输入电压和二极管的极性，在运算放大器A中实现依次相加运算，从而得到增益渐增的函数关系。第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-15精密渐增函数放大器第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-16 精密渐增函数放大器（a）电路；（b）输入/输出

29、电压波形第12章 传感器的信号处理与接口技术 用与精密渐减函数放大器同样的分析方法可得（12-18）第12章 传感器的信号处理与接口技术 2） 多功能转换器多功能转换器是一种独立的模拟电路，只要对其外部引脚作适当的编程， 就能产生多种复杂的非线性函数，因而可将多功能转换器作为传感器的线性化电路，如4302、4303等。 （1）电路原理：多功能转换器由对数、反对数、对数比值放大器组成。其内电路如图12-17所示。该组件有X、Y、Z三个独立的输入端，其值可以是010V之间的任意值。下面分析其输入-输出关系。第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-17多功能转换器框图第12章 传感器的信号处理

30、与接口技术 对数比值电路的输出为lg(UX/UZ)=lgUX-lgUZ。该信号在mb引脚输出。将该信号送到求和电路的反相输入端mc，并附加若干增益m，则求和电路的输出为此信号再经反对数放大器处理，得组件的输出（12-19）式中，m为指数，其值可以在0.25之间变化。第12章 传感器的信号处理与接口技术 如图12-18所示的是多功能电路的指数选择方法。电阻R1和R2构成分压器，若m1，则对数比值输出直接由R1和R2进行衰减;若m1，则由R1和R2决定对数比值放大器的增益。图12-18多功能转换器的指数选择第12章 传感器的信号处理与接口技术 （2）多功能转换器的基本应用：从式(12-19)可见，

31、多功能转换器可实现指数运算，且指数m可在0.25之间连续变化。这种非整数指数的传输特性能够拟合类似(1/UX)m、UZm之类的校正函数，从而实现传感器特性的线性化。下面以半导体气敏元件为例说明4302型多功能组件的应用。已知气敏元件的输出电压U与待测气体浓度之间有如下非线性关系(12-20)第12章 传感器的信号处理与接口技术 式中，c、n是由气敏元件、测量气体种类及测试条件决定的常数。因n1，故上式为开方关系。根据开环式非线性补偿原理，传感器应后接具有乘方关系的线性化器。具有乘方关系的电路一般可用对数、反对数器组合实现，但若用多功能组件，则具有结构简单、调试方便的优点，如图12-19所示。由

32、图可见，UZ=U，UX1V，调节电位器RP2使m1/n，则由式(12-19)可得Uo=UYUm=UY（cn）m=UYCm=S(12-21)式中，SUYCm为测量灵敏度，调节电位器RP1可改变UY值，进而改变S值。第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-19气敏元件线性化电路第12章 传感器的信号处理与接口技术 （3） 多功能转换器的扩展应用： 多功能转换器除了直接应用外， 还能与运算放大器组合， 扩展出许多其他非线性传输函数。 其中有些函数能对常见的弓形或S形非线性曲线进行校正。 下凸响应电路：如图12-20所示的电路可产生具有下凸特性的二项幂级数展开式。下凸响应电路的输出为（12-22

33、）取图中所示的元件参数，则Uo=0.5Ui+(Ui/4)m。第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-20下凸响应电路第12章 传感器的信号处理与接口技术 上凸响应电路：要对下凸曲线进行补偿，就需用上凸曲线。如图12-21所示，将转换器与差分放大器组合即可获得具有上凸特性的二项幂级数展开式。上凸响应电路的输出为（12-23）将图中所示参数代入上式，可得Uo=1.1Ui-(Ui/6.3)m。第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-21上凸响应电路第12章 传感器的信号处理与接口技术 S形曲线校正电路：另一种常见的非线性曲线是S形，交替地向一直线的两边畸变。要获得适当的校正曲线，就要把运

34、算放大器置于多功能转换器的反馈回路中，如图12-22所示，该组合电路的输出为（12-24）将图中所示参数代入上式可得：第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-22S形或压缩扩展响应电路第12章 传感器的信号处理与接口技术 2. 2. 软件法非线性补偿软件法非线性补偿1） 校正函数法所谓校正函数法，实质是采用开环式非线性补偿原理。如果传感器的非线性特性是已知的，则可以利用相应的校正函数进行补偿。将传感器输出的模拟电压信号，经过放大和A/D转换后送往计算机，计算机按校正函数进行运算，则结果便与被测参数成线性关系。第12章 传感器的信号处理与接口技术 2） 查表法查表法就是把事先计算好的校正值

35、按一定顺序制成表格， 然后利用查表程序根据被测量的大小查出校正后的结果。 该方法的优点是速度快， 精度高， 也最为简单， 但需占用较多的内存以储存大量的数据。 查表程序与制表的方法有关。当表格的排列是任意的，无一定规律或表格较短时，可采用顺序查表法；当表格的排列有一定规律，如它满足从大到小(或从小到大)时，则可采用计算查表法或对分搜索查表法。第12章 传感器的信号处理与接口技术 3）线性插值法在智能仪器中更常用的是线性插值法。如图12-23所示为用线性插值法对热电偶进行非线性补偿的示意图。图中x代表热电偶输出电压，y代表被测温度。首先将传感器的非线性曲线yf(x)按精度要求分成n段，当n足够大

36、时，每一小段均可看成是直线，则可用n段折线代替yf(x)，然后将分段基点xi，yi值(i1，2，n)标出，排列成表格，如表12-2所示。分段数越多，精度越高，但占内存也多，计算时间也长，一般分为10段即可。第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-23分段线性插值法第12章 传感器的信号处理与接口技术 表表12-2 线性插值数据表线性插值数据表第12章 传感器的信号处理与接口技术 由于各段均用直线代替曲线，因此微型机很容易根据采样值x的大小进行查表搜索。首先找出采样值所在的区段，然后利用线性插补公式算出所对应的y值。设x在xi与xi-1之间，则插补公式为y=yi-1+Ki-1（x-xi-1

37、）（12-25）式中，为第i段直线的斜率。第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-24线性插值法计算流程图第12章 传感器的信号处理与接口技术 4） 二次抛物线插值法线性插值法仅仅利用两个结点上的信息，精度较低，仅适用于输入/输出特性曲线弯度不大的场合，如热电偶特性，差压式流量计特性等。对于弯曲很大的特性曲线，用线性插值法必将带来很大的误差y，如图12-25所示。若增加分段的数目，虽然可减少误差，但占用很多内存单元，且计算速度也减慢。采用二次抛物线插值法即可解决这一矛盾。第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-25线性插值误差第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-26二次值

38、法第12章 传感器的信号处理与接口技术 抛物线插值法的基本原理是通过特性曲线上的三个点作一抛物线，用它代替曲线。如图12-26所示，有一特性曲线yf(x)，用抛物线来逼近它，抛物线方程为三元一次方程，其一般形式为y=k0+k1x+k2x2（12-26）式中，k0、k1、k2为待定系数，由曲线yf(x)的三个点A、B、C的三元一次方程组联解求得。为了使计算简便，采用另外一种形式：y=m0+m1(x-x0)+m2(x-x1)(12-27)式中，m0、m1、m2为待定系数，由A、B、C三点的值决定。第12章 传感器的信号处理与接口技术 当x=x0，y=y0时，有y0=m0；当x=x1，y=y1时，有

39、y1=m0+m1（x-x0），得（12-28）当x=x2，y=y2时，有，得（12-29)第12章 传感器的信号处理与接口技术 12.3.3 12.3.3 传感器的标度变换传感器的标度变换在多路数据采集系统中，各种被测量都有着不同的量纲和数值。如用热电偶测温，温度单位为，但不同热电偶输出电势不同，分度号为S热电偶在1600时为16.716mV，分度号为K热电偶在1200时为48.087mV；又如测量压力的弹性元件膜片、膜盒以及弹簧管等，其压力范围从正负几帕到几十甚至几百兆帕。这些量纲不同、满度电压值也不同的信号经变送器转换成05V的标准信号，又经A/D转换成00FFH(8位)的数字量，同样的数

40、字往往代表着不同的被测量。为了进行显示、记录、打印及报警等，必须把这些数字量转换成与被测量相应的量纲，这就是标度变换。对一般线性仪表，标度变换公式为第12章 传感器的信号处理与接口技术 （12-30）式中，A0为一次测量仪表的下限，Am为一次测量仪表的上限，Ax为实际测量值，N0为仪表下限所对应的数字量，Nm为仪表上限所对应的数字量，Nx为测量值所对应的数字量。设计专门的子程序，把各个不同参数所对应的A0、Am、N0、Nm存放在存储器中，然后当某一个参量需要进行标度变换时，只要调用标度变换子程序即可。第12章 传感器的信号处理与接口技术 12.4 传感器与微机的接口技术传感器与微机的接口技术

41、12.4.1 12.4.1 数据采集的概念数据采集的概念1. 1. 数据采集系统的配置数据采集系统的配置典型的数据采集系统由传感器（T）、放大器（IA）、模拟多路开关（MUX）、采样保持器（SHA）、A/D转换器、计算机（MPS）或数字逻辑电路组成。根据它们在电路中的位置可分为同时采集、高速采集、分时采集和差动结构四种配置，如图12-27所示。第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-27 数据采集系统的配置（a）同时采集；（b）高速采集；（c）分时采集；（d）差动结构第12章 传感器的信号处理与接口技术 （1） 同时采集系统： 图12-27（a）为同时采集系统配置方案，可对各通道传感器输

42、出量进行同时采集和保持，然后分时转换和存储，可保证获得各采样点同一时刻的模拟量。 （2）高速采集系统：图12-27（b）为高速采集配置方案，在时实控制中对多个模拟信号的同时实时测量是很有必要的。第12章 传感器的信号处理与接口技术 （3）分时采集系统：图12-27（c）为分时采集方案，这种系统价格便宜，具有通用性，传感器与仪表放大器匹配灵活，有的已实现集成化，在高精度、高分辨率的系统中，可降低IA和ADC的成本，但对MUX的精度要求很高，因为输入的模拟量往往是微伏级的。这种系统每采样一次便进行一次A/D转换并送入内存后方才对下一采样点采样。这样，每个采样点值间存在一个时差(几十到几百微秒)，使

43、各通道采样值在时轴上产生扭斜现象。输入通道数越多，扭斜现象越严重，不适合采集高速变化的模拟量。第12章 传感器的信号处理与接口技术 （4） 差动结构分时采集系统：在各输入信号以一个公共点为参考点时，公共点可能与IA和ADC的参考点处于不同电位而引入干扰电压UN，从而造成测量误差。采用如图12-27（d）所示的差动配置方式可抑制共模干扰， 其中MUX可采用双输出器件， 也可用两个MUX并联。 显然，图12-27中（a）、（b）两种方案的成本较高，但在810位以下的较低精度系统中，经济上也十分实惠。第12章 传感器的信号处理与接口技术 2. 2. 采样周期的选择采样周期的选择采样就是以相等的时间间

44、隔对某个连续时间信号a（t）取样，得到对应的离散时间信号的过程，如图12-28所示。其中，t1、t2为各采样时刻,d1、d2为各时刻的采样值,两次采样之间的时间间隔称为采样周期TS。图中虚线表示再现原来的连续时间信号。可以看出，采样周期越短，误差越小；采样周期越长，失真越大。为了尽可能保持被采样信号的真实性，采样周期不宜过长。根据香农采样定理：对一个具有有限频谱(minmax)的连续信号进行采样，当采样频率S=2/TS）2max时，采样结果可不失真。实用中一般取S（2.53）max,也可取（510）max。但由于受机器速度和容量的限制，采样周期不可能太短，一般选TS为采样对象纯滞后时间0的1/

45、10左右；当采样对象的纯滞后起主导作用时，应选TS=0；若采样对象具有纯滞后和容量滞后时，应选择TS接近对象的时间常数。通常对模拟量的采样可参照表12-3的经验数据来选择。第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-28连续时间信号的取样第12章 传感器的信号处理与接口技术 表表12-3 采样周期的选择采样周期的选择第12章 传感器的信号处理与接口技术 3. 3. 量化噪声量化噪声( (量化误差量化误差) )模拟信号是连续的，而数字信号是离散的，每个数又是用有限个数码来表示，二者之间不可避免地存在误差，称为量化噪声。一般A/D转换的量化噪声有1LSB和LSB/2两种。第12章 传感器的信号处

46、理与接口技术 12.4.2 ADC12.4.2 ADC接口技术接口技术1. A/D1. A/D转换器（转换器（ADCADC）的主要技术指标）的主要技术指标1） 分辨力 分辨力表示ADC对输入量微小变化的敏感度，它等于输出数字量最低位一个字（1LSB）所代表的输入模拟电压值。如输入满量程模拟电压为Um的N位ADC，其分辨率为（12-31）ADC的位数越多，分辨力越高。因此,分辨力也可以用A/D转换的位数表示。第12章 传感器的信号处理与接口技术 2） 精度 精度分为绝对精度和相对精度。 （1） 绝对精度： 它是指输入模拟信号的实际电压值与被转换成数字信号的理论电压值之间的差值。 它包括量化误差、

47、 线性误差和零位误差。 绝对精度常用LSB的倍数来表示， 常见的有1/2 LSB和1 LSB。 （2） 相对精度： 它是指绝对误差与满刻度值的百分比。 由于输入满刻度值可根据需要设定， 因此相对误差也常用LSB为单位来表示。 可见，精度与分辨率相关，但却是两个不同的概念。相同位数的ADC，其精度可能不同。第12章 传感器的信号处理与接口技术 3） 量程(满刻度范围)量程是指输入模拟电压的变化范围。 例如，某转换器具有10 V的单极性范围或-55 V的双极性范围，则它们的量程都为10 V。 应当指出，满刻度只是个名义值，实际的A/D、D/A转换器的最大输出值总是比满刻度值小1/2N。例如满刻度值

48、为10V的12位A/D转换器，其实际的最大输出值为。这是因为模拟量的0值是2N个转换状态中的一个，在0值以上只有2N-1个梯级。但习惯上转换器的模拟量范围总是用满刻度来表示的。第12章 传感器的信号处理与接口技术 4） 线性度误差理想的转换器特性应该是线性的，即模拟量输入与数字量输出成线性关系。线性度误差是转换器实际的模拟数字转换关系与理想直线不同而出现的误差，通常也用LSB的倍数来表示。第12章 传感器的信号处理与接口技术 5） 转换时间 转换时间指从发出启动转换脉冲开始到输出稳定的二进代码，即完成一次转换所需要的最长时间。转换时间与转换器工作原理及其位数有关。同种工作原理的转换器，通常位数

49、越多，其转换时间则越长。对大多数ADC来说，转换时间就是转换频率（转换的时钟频率）的倒数。第12章 传感器的信号处理与接口技术 2. ADC的主要类型及特点的主要类型及特点1）按转换原理分类按A/D转换的原理，ADC主要分为比较型和积分型两大类。其中，常用的是逐次逼近型、双积分型和V/F变换型（电荷平衡式）。（1）逐次逼近ADC：它是以数模转换器DAC为核心，配上比较器和一个逐次逼近寄存器，在逻辑控制器操纵下逐位比较并寄存结果。它也可以由DAC、比较器和计算机软件构成。逐次逼近ADC的特点是：转换速度较高(1s1ms)，814位中等精度，输出为瞬时值，抗干扰能力差。第12章 传感器的信号处理与

50、接口技术 （2） 双积分型ADC：它的转换周期由两个单独的积分区间组成。未知电压在已知时间内进行定时积分，然后转换为对参比电压反向定压积分，直至积分输出返回到初始值。 双积分ADC测量的是信号平均值， 对常态噪声有很强的抑制能力， 精度很高， 分辨率达1220位， 价格便宜， 但转换速度较慢(4 ms1 s)。 （3） V/F转换器：它是由积分器、比较器和整形电路构成的VFC电路，把模拟电压变换成相应频率的脉冲信号，其频率正比于输入电压值，然后用频率计测量。 VFC能快速响应，抗干扰性能好，能连续转换，适用于输入信号动态范围宽和需要远距离传送的场合，但转换速度慢。第12章 传感器的信号处理与接

51、口技术 2） 按输入、输出方式分类不同的芯片具有不同的连接方式，其中最主要的是输入、 输出以及控制信号的连接方式。（1）输入方式。从输入端来看，有单端输入和差动输入两种方式。差动输入有利于克服共模干扰。输入信号的极性有单极性和双极性，由极性控制端的接法决定。第12章 传感器的信号处理与接口技术 （2） 输出方式。从输出方式来看，主要有以下两种： 数据输出寄存器具有可控的三态门。此时芯片输出线允许和CPU的数据总线直接相连，并在转换结束后利用读信号RD控制三态门将数据送上总线。 不具备可控的三态门。输出寄存器直接与芯片管脚相连，此时芯片的输出线必须通过输入缓冲器连至CPU的数据总线。第12章 传

52、感器的信号处理与接口技术 3） ADC芯片的启动转换信号ADC芯片的启动转换信号有电平和脉冲两种形式。对要求用电平启动转换的芯片，如果在转换过程中撤去电平信号，则将停止转换而得到错误的结果。第12章 传感器的信号处理与接口技术 3. ADC3. ADC的选择与使用的选择与使用在实际使用中，应根据具体情况选用合适的ADC芯片。例如某测温系统的输入范围为0500，要求测温的分辨率为2.5， 转换时间在1 ms之内，可选用分辨率为8位的逐次比较式ADC0809芯片，如果要求测温的分辨率为0.5（即满量程的1/1000），转换时间为0.5 s，则可选用双积分型ADC芯片14433。 ADC转换完成后，

53、将发出结束信号，以示主机可以从转换器读取数据。结束信号可以用来向CPU发出中断申请，CPU响应中断后，在中断服务子程序中读取数据；也可用延时等待和查询的方法来确定转换是否结束，以读取数据。第12章 传感器的信号处理与接口技术 4. ADC4. ADC的工作原理的工作原理1） 比较式ADC的工作原理如图12-29所示为逐次逼近式ADC原理框图。当启动脉冲送至START端时，控制逻辑电路首先将移位寄存器的最高位（MSB）置成1，其余位清成0，寄存器的数字为10000。D/A转换器将这个数字转换成模拟电压URD（=UR/2）送到比较器与模拟输入电压Ui进行比较，若UiURD，则该位保留1；若UiUR

54、D，则该位清0。再将下一位（次高位）置1，与上一次结果一起经D/A转换后与Ui进行比较。重复该过程，直到确定最低位D0为止，转换结束。第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-29逐次逼近式ADC第12章 传感器的信号处理与接口技术 2）双积分式ADC的工作原理如图12-30所示，双积分式ADC的工作过程分为以下三个阶段：（1）准备期：开关S1断开，S2接通，积分电容C被短路，输出为0。（2）采样期：开关S2断开，S1与接点1闭合，积分器对输入模拟电压+Ui进行积分，积分时间固定为T1，T1为计数器满度计数时间。当计数器溢出时，积分器输出电压为(12-32)式中，Uiav为被测模拟电压在T

55、1时间内的平均值。第12章 传感器的信号处理与接口技术 （3）比较期：从T1结束时刻开始，开关S2断开，S1与接点2闭合，对与被测模拟电压极性相反的标准电压-UR进行反向积分。当积分器的输出回到0时,则有可得比较周期为(12-33)第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-30 双积分式A/D转换器（a）工作原理；（b）工作波形第12章 传感器的信号处理与接口技术 3） VFC式A/D转换器原理（1）VFCA/D转换原理：VFC是根据电荷平衡原理工作的，如图12-31所示。第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-31 VFC原理及其组成的A/D转换器框图(a)VFC电路原理；(b)V

56、FC电路工作波形；(c)VFC组成的A/D转换器原理框图第12章 传感器的信号处理与接口技术 所谓电荷平衡原理是指在一个周期中，积分电容得到的电荷量与放出的电荷量相等，即（Ui/Rf）T0=IjTj。因此，输出频率可表示为（12-34）由式（12-34）可知，在确保定时器脉宽Tj，恒流源Ij和积分电阻Rf具有足够高精度的条件下，K为常数，输出脉冲频率与输入电压有精确的线性关系，其线性误差优于0.005。第12章 传感器的信号处理与接口技术 利用VFC组成的A/D转换器的原理框图如图12-31（c)所示。图中，输入模拟电压Ui经VFC变成频率信号，通过与门送到计数器。与门由启动脉冲启动定时器产生

57、定时脉冲T来控制，未测量时，与门关闭；测量时定时脉冲T打开与门，计数器在时间T内对VFC产生的频率信号进行计数。计数器在时间T内的计数值为（12-35）可见计数值N与输入模拟电压Ui成正比例。只要改变定时器的时间T，就可改变输出的数值N(对同样的Ui)，从而可改变测量的分辨率。例如，选用频率范围为0Hz1MHz的VFC，取定时时间T=1s，计数器用6位半的BCD计数器，则分辨率可高达106。第12章 传感器的信号处理与接口技术 （2） 集成电路VFC器件：目前市场上已有各种集成电路VFC器件芯片可供选择，如通用型VFC器件有LM131、LM231、 LM331、RC4151等，高精度型VFC器

58、件有AD650、AD651、 VFC32等。这些器件在使用时只需要少量外接元件，接口简单且便于实现隔离，而且具有很好的变换精度和线性度，有的器件还设有短路保护等功能。 LM331具有以下特点：价格低廉且转换精度高；其输出可驱动三个TTL负载，高压输出可达40V，并且可以防止UCC的短路；满量程频率范围为1Hz100kHz；最大非线性度为0.01；脉冲输出与所有逻辑形式兼容；最佳的温度稳定性，最大值为50ppm/；可在双电源或单电源下工作；功耗低，5V下典型值为15mW。第12章 传感器的信号处理与接口技术 5. LM3315. LM331与单片机与单片机80318031的接口的接口鉴于双积分式

59、ADC和比较式ADC相关资料较为普及，限于篇幅，仅以VFC式ADC为例说明ADC接口技术。如图12-32所示为LM331与单片机8031组成A/D转换器的接口电路。第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-32LM331与单片机8031的接口第12章 传感器的信号处理与接口技术 1）LM331的外围电路LM331为8脚DIP封装。（1）比较阈值电压输入引脚UX：UX通常与精密电流源输出端IOUT相连，并外接串联电阻RL和电容CL到地，利用其产生的滞后效应，改善线性度。（2）定时比较器输入端RC：它通过一电阻Rt接到UCC，并接一电容Ct到地，构成定时电路。RS为输出调节端，外接一可变电阻，

60、通过改变基准电流来调节增益偏差，以校正输出频率。第12章 传感器的信号处理与接口技术 （3）频率输出端FOUT：它是集电极开路输出，必须外接一上拉电阻(10k)，所加电压应与后级电平一致，如接8031的T0或T1，则电压应为5V。LM331的输出频率与输入电压的关系为(12-36)当RS=36k，Rt=10k，Ct470pF时，010V的输入电压对应的输出频率为0100kHz。（4）被测模拟电压输入端UIN：经RC滤波后接入。第12章 传感器的信号处理与接口技术 2） 接口电路工作原理用8031内部定时器/计数器T0作定时器，T1作计数器，将LM331的频率输出端通过一个启动同步接口接到803

61、1的T1(P3.5)端。单片机8031采用6MHz的晶振，T0工作于方式1时，其最大的定时时间为65.536ms；若要求更长的定时时间，可利用T0产生溢出中断，再用片内RAM单元作软件计数器对溢出中断计数，扩展定时时间。第12章 传感器的信号处理与接口技术 转换器最大计数脉冲数和定时器的定时时间取决于系统所要求的分辨率。如要求分辨率为12位，则脉冲数为2124096个。因LM331的最高工作频率为100kHz，其脉冲周期为10s，所以定时时间为10s409640.96ms。依此类推，可算出13位分辨率时，定时时间为81.92ms；14位分辨率时，定时时间为163.84ms；15位分辨率时，定时

62、时间为327.68ms；16位分辨率时，定时时间为655.36ms。分辨率越高则定时时间越长，转换的速度也就越慢。第12章 传感器的信号处理与接口技术 3） 接口电路的工作程序在下面的程序中将8031内部定时器T0设置为5ms定时中断，中断10次后CPU读一次T1所计的脉冲数N，然后对计数值N进行处理，完成一次A/D转换。主程序流程如图12-33所示，中断服务程序流程如图12-34所示，其参考程序如下： /主程序/ MOV TMOD， #51H ;置T0为定时器， 方式1； T1为计数器 MOV TL0， #3H ; 方式1定时值为5 ms MOV TH0， #0F6H ; 供显示动态扫描用

63、MOV TCON， #11H ； 启动T0， 并置INT0为边沿触发方式 MOV IE， #83H ； 允许T0和INT0中断 MOV R5， #0AH ； 置中断次数为10 DAT： AJMP PDATA ； PDATA为数据处理程序， 视实际系统而定 第12章 传感器的信号处理与接口技术 /中断服务程序/ MOV TL0， #3CH ；重置T0初值 MOV TH0， #0F6H PUSH PSW ； 保护现场 PUSH ACC DJNZ R5， RT ； 中断10次未到， 返回 CLR TR1 ； 中断10次到， 关T1计数器 MOV R5， #0AH ； 重置中断次数 MOV 21H，

64、TL1 ； 读T1计数值， 存放在22H和21H单元 MOV 22H， TH1 MOV TL1， #0 ； 计数器T1回0 MOV TH1， #0 SETB TR1 ； 重新启动T1RT：POP ACC ； 恢复现场 POP PSWRETI第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-34LM331A/D转换中断服务程序流程图第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-33LM331A/D转换主程序流程图第12章 传感器的信号处理与接口技术 12.4.3 12.4.3 其他数据采集部件其他数据采集部件 1. 1. 模拟多路转换器模拟多路转换器(MUX)(MUX) 模拟多路转换器又称模拟多路开

65、关， 是电子模拟开关的一种类型。只有当输入信号数大于1的数据采集系统，才有必要使用MUX来轮流切换各被采集通道。因此，对MUX的参数要求是： 接通时导通电阻要小，典型值为170300 ，断开时泄漏电流要小，典型值为0.22 mA；导通和断开时间，典型值为0.8 s；用于交流时，应有好的高频特性， 即寄生电容要小。 第12章 传感器的信号处理与接口技术 2. 2. 采样保持电路采样保持电路(SHA)(SHA)采样保持电路又称作采样保持放大器。其作用是在ADC对模拟量进行量化所需的转换时间内，保持采样点的数值不变，以保证转换精度。普通型和高速型可在26s、甚高速型可在300500ns内把模拟信号的

66、瞬时值采集下来并保持住。当然，如果输入信号在A/D转换时间内是恒定的，则无需SHA。但输入信号都可认为是随时间变化的，当不采用SHA时，必须保证在A/D转换期间内输入信号的最大变化量不超过LSB/2。计算无SHA时的可数字化的最高频率简化公式为（12-37）第12章 传感器的信号处理与接口技术 表表12-4 三类三类SHA速度和精度速度和精度 第12章 传感器的信号处理与接口技术 12.5 抗抗 干干 扰扰 技技 术术 12.5.1 12.5.1 干扰的来源及形式干扰的来源及形式1. 1. 外部干扰外部干扰从外部侵入检测装置的干扰称为外部干扰。 来源于自然界的干扰称为自然干扰； 来源于其他电气

67、设备或各种电操作的干扰， 称为人为干扰（或工业干扰）。 自然干扰主要来自天空，如雷电、宇宙辐射、太阳黑子活动等，对广播、通信、导航等电子设备影响较大，而对一般工业用电子设备（检测仪表）影响不大。 人为干扰来源于各类电气、电子设备所产生的电磁场和电火花，及其他机械干扰、热干扰、化学干扰等。第12章 传感器的信号处理与接口技术 1） 非电磁干扰及其防护 （1） 机械的干扰：指机械、震动或冲击使电子检测装置的电气参数发生改变，从而影响检测系统的性能。机械的干扰的防护方法是采用各种减震措施，如应用专用减震弹簧-橡胶垫脚或吸振海绵垫来隔离震动与冲击对传感器的影响。 （2） 热的干扰：温度波动以及不均匀温

68、度场引起检测电路元器件参数发生改变，或产生附加的热电动势等，都会影响传感器系统的正常工作。常用的热干扰防护措施有：选用低温漂、低功耗、低发热组件；进行温度补偿；设置热屏蔽； 加强散热；采取恒温等。 （3）温度及化学干扰：潮湿会降低绝缘强度，造成漏电、短路等；化学腐蚀会损坏各种零件或部件，所以应注意防潮、保持清洁。第12章 传感器的信号处理与接口技术 2） 电磁干扰电磁干扰主要来源于各类电气、 电子设备所产生的电磁场和电火花。 放电过程会向周围辐射从低频到高频大功率的电磁波， 大功率供电系统输电线会向周围辐射工频电磁波。 下面说明各种电磁干扰源的特征。 （1）放电噪声干扰：由各种放电现象产生的噪

69、声，称为放电噪声。它是对电子设备影响最大的一种噪声干扰。在放电现象中属于持续放电的有电晕放电、辉光放电和弧光放电；属于过渡现象的有火花放电。第12章 传感器的信号处理与接口技术 电晕放电噪声：电晕放电主要来自高压输电线，在放电过程中产生脉冲电流并会出现高频振荡，成为干扰源。电晕放电具有间歇性质和与距离平方成反比的衰减特性，因此对一般测量装置影响不大。 火花放电噪声：自然界的雷电，电机整流子上的电火花，接触器、断路器、继电器接点在闭合和断开时产生的电火花，电蚀加工及电弧焊接过程中产生的电火花，汽车发动机的点火装置产生的电火花，以及高电压器件由于绝缘不良而引起的闪烁放电等，都是产生火花放电噪声的噪

70、声源。火花放电会辐射频谱很宽的强烈的电磁波而形成干扰源。第12章 传感器的信号处理与接口技术 放电管噪声：属于辉光放电和弧光放电的放电管(如荧光灯、点弧灯等)具有负阻特性，和外接电路连接时容易引起振荡，有时可达甚高频波段。对交流供电的放电管，在半周期的起始和终了时，由于放电电流变小，也要产生再点火振荡和灭火振荡。这些现象也都构成了噪声源。其中，荧光灯是一种最普遍的灯具，无处不在。第12章 传感器的信号处理与接口技术 （2） 电气设备干扰具有以下几点： 工频干扰：大功率输电线，甚至就是一般室内交流电源线对于输入阻抗高和灵敏度甚高的测量装置来说都是威胁很大的干扰源。在电子设备内部，由于工频感应而产

71、生干扰， 如果波形失真，则干扰更大。 射频干扰： 指高频感应加热、 高频介质加热、 高频焊接等工业电子设备通过辐射或通过电源线给附近测量装置带来的干扰。 电子开关通断干扰：电子开关、电子管、晶闸管等大功率电子开关虽然不产生火花，但因通断速度极快，使电路电流和电压发生急剧的变化，形成冲击脉冲而成为干扰源。在一定的电路参数下还会产生阻尼振荡，构成高频干扰。第12章 传感器的信号处理与接口技术 2. 内部干扰内部干扰1）固有噪声源（1）热噪声：又称为电阻噪声。由电阻内部载流子的随机热 运 动 产 生 几 乎 覆 盖 整 个 频 谱 的 噪 声 电 压 ， 其 有 效 值 电 压 。式中，K为波耳兹曼

72、常数（1.3810-23JK）；T为热力学温度（K）；R为电阻值；f为噪声带宽，取决于系统带宽。如某电路输入电阻为470k，带宽为105Hz，环境温度为300K，则噪声电压达27.9V。因此，减小输入电阻和通频带有利于降低噪声。第12章 传感器的信号处理与接口技术 （2）散粒噪声：它由电子器件内部载流子的随机热运动产生，其均方根电流。式中，Idc为通过电子器件的直流电流，Q为电子电荷量。散粒噪声与 成正比，其功率幅值服从正态分布，属于白噪声。（3）低频噪声：又称为1/f噪声。它取决于元器件材料表面的特性，噪声电压频率越低，噪声电压越 大 。 （ 4） 接 触 噪 声 ： 它 也 是 一 种 低

73、 频 噪 声 。 噪 声 电 流 。为每单位均方根带宽。第12章 传感器的信号处理与接口技术 2）信噪比(S/N)在测量过程中，人们不希望有噪声，但是噪声不可能完全排除，也不能用一个确定的时间函数来描述。实践中只要噪声小到不影响检测结果,是允许存在的，通常用信噪比来表示其对有用信号的影响，而用噪声系数Nf表征器件或电路对噪声的品质因数。信噪比S/N是用有用信号功率PS和噪声功率PN或信号电压有效值US与噪声电压有效值UN的比值的对数单位来表示，即（12-38）其单位为分贝（dB）。第12章 传感器的信号处理与接口技术 噪声系数NF等于输入信噪比与输出信噪比的比值，即（12-39）信噪比小，信号

74、与噪声就难以分清，若S/N=1，就完全分辨不出信号与噪声。信噪比越大，表示噪声对测量结果的影响越小，在测量过程中应尽量提高信噪比。第12章 传感器的信号处理与接口技术 3. 干扰的传输途径干扰的传输途径1）通过“路”的干扰（1）泄漏电阻：元件支架、探头、接线柱、印刷电路以及电容器内部介质或外壳等绝缘不良等都可产生漏电流，引起干扰。图12-35是泄漏电流干扰的等效电路。图中，US为干扰源，Ri为被干扰电路的输入电阻，RG为泄漏电阻，作用在Ri上的干扰电压为（12-40）第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-35泄漏电流干扰的等效电路第12章 传感器的信号处理与接口技术 （2）共阻抗耦合干

75、扰：两个以上电路共有一部分阻抗，一个电路的电流流经共阻抗所产生的电压降就成为其他电路的干扰源。在电路中的共阻抗主要有电源内阻（包括引线寄生电感和电阻）和接地线阻抗。图12-36为共阻抗耦合干扰示意图。图中，US为运算放大器A的输入信号电压，IN为干扰源电流，ZC为两者的共阻抗，则干扰电压为第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-36共阻抗耦合干扰第12章 传感器的信号处理与接口技术 （3）经电源线引入干扰：交流供电线路在现场的分布很自然地构成了吸收各种干扰的网络，而且十分方便地以电路传导的形式传遍各处，通过电源线进入各种电子设备造成干扰。第12章 传感器的信号处理与接口技术 2）通过“场

76、”的干扰（1）通过电场耦合的干扰：电场耦合是由于两支路（或元件）之间存在着寄生电容，使一条支路上的电荷通过寄生电容传送到另一条支路上去，因此又称电容性耦合。设两根平行导线1和2之间的分布电容为C12，导线1对地分布电容为C1，导线2对地分布电容为C2、等效电阻为R2，当导线1上加有频率为的电压UNI时，在导线2上产生的干扰电压为UNO=R2C12UNI。第12章 传感器的信号处理与接口技术 （2）通过磁场耦合的干扰：当两个电路之间有互感存在时，一个电路中的电流变化，就会通过磁场耦合到另一个电路中。例如变压器及线圈的漏磁，两根平行导线间的互感就会产生这样的干扰。因此这种干扰又称互感性干扰。设两根

77、平行导线1和2之间的分布电容为M，当导线1上流过频率为的电流I1时，在导线2上产生的干扰电压为UN2=MI1。第12章 传感器的信号处理与接口技术 （3）通过辐射电磁场耦合的干扰：辐射电磁场通常来自大功率高频用电设备、广播发射台、电视发射台等。例如当中波广播发射的垂直极化强度为100mV/m时，长度为10cm的垂直导体可以产生5mV的感应电势。第12章 传感器的信号处理与接口技术 4. 4. 干扰的作用方式干扰的作用方式1） 串模干扰凡干扰信号和有用信号按电势源的形式串联(或按电流源的形式并联)起来作用在输入端的称为串模干扰，其等效电路如图12-37所示。第12章 传感器的信号处理与接口技术

78、图12-37 串模干扰等效电路（a）电流源串联形式；（b）电流源并联形式第12章 传感器的信号处理与接口技术 串模干扰又常称为差模干扰，它使测量装置的两个输入端电压发生变化，所以影响很大。常见的串模干扰如图12-38所示，有交变磁场耦合干扰（它由交变磁场通过测量装置信号输入线产生）、漏电阻耦合干扰、共阻抗耦合干扰等。第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-38 串模干扰举例（a）磁场耦合干扰；（b）漏电阻耦合干扰；（c）共阻抗耦合干扰第12章 传感器的信号处理与接口技术 2） 共模干扰干扰信号使两个输入端的电位相对于某一公共端一起变化（涨落）的属共模干扰，其等效电路如图12-39所示。

79、共模干扰本身不会使两输入端电压变化，但在输入回路两端不对称的条件下， 便会转化为串模干扰。因共模电压一般都比较大， 所以对测量的影响更为严重。 共模干扰的例子有漏电阻耦合干扰，分布电容耦合干扰；两点接地的地电流干扰以及在远距离测量中，因使用长电缆使传感器的地端与仪表地端产生的电位差也会引起干扰。第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-39 共模干扰方式（a）等效电路；（b）漏电流干扰；（c）分布电容耦合干扰；（d）两点接地干扰第12章 传感器的信号处理与接口技术 3 3） 共模抑制比（共模抑制比（CMRRCMRR）共模噪声只有转换成差模噪声才能形成干扰，这种转换是由测量装置的特性决定的。

80、因此，常用共模抑制比衡量测量装置抑制共模干扰的能力，定义为或（12-42）第12章 传感器的信号处理与接口技术 12.5.2 12.5.2 干扰的抑制技术干扰的抑制技术1. 1. 抑制干扰的方法抑制干扰的方法（1） 消除或抑制干扰源： 如使产生干扰的电气设备远离检测装置； 对继电器、 接触器、 断路器等采取触点灭弧措施或改用无触点开关； 消除电路中的虚焊、 假接等。 （2）破坏干扰途径：提高绝缘性能，采用变压器、光电耦合器隔离以切断“路”径；利用退耦、滤波、选频等电路手段引导干扰信号转移；改变接地形式消除共阻抗耦合干扰途径；对数字信号可采用甄别、限幅、整形等信号处理方法或选通控制方法切断干扰途

81、径。第12章 传感器的信号处理与接口技术 （3） 削弱接收电路对干扰的敏感性： 例如电路中的选频措施可以削弱对全频带噪声的敏感性， 负反馈可以有效削弱内部噪声源， 其他如对信号采用绞线传输或差动输入电路等。常用的抗干扰技术有屏蔽、接地、浮置、滤波、隔离技术等。第12章 传感器的信号处理与接口技术 2. 2. 屏蔽技术屏蔽技术1） 静电屏蔽众所周知，在静电场作用下，导体内部各点等电位，即导体内部无电力线。因此，若将金属屏蔽盒接地，则屏蔽盒内的电力线不会传到外部，外部的电力线也不会穿透屏蔽盒进入内部。前者可抑制干扰源，后者可阻截干扰的传输途径。所以静电屏蔽也叫电场屏蔽，可以抑制电场耦合的干扰，其原

82、理如图12-40所示。第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-40静电屏蔽的原理图第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-41接地导线的屏蔽作用第12章 传感器的信号处理与接口技术 为了达到较好的静电屏蔽效果， 应注意以下几个问题： （1） 选用铜、 铝等低电阻金属材料作屏蔽盒。 （2） 屏蔽盒要良好地接地。 （3）尽量缩短被屏蔽电路伸出屏蔽盒之外的导线长度。第12章 传感器的信号处理与接口技术 2） 电磁屏蔽电磁屏蔽主要是抑制高频电磁场的干扰，屏蔽体采用良导体材料（铜、铝或镀银铜板），利用高频电磁场在屏蔽导体内产生涡流的效应，一方面消耗电磁场能量，另一方面涡电流产生反磁场抵消高频

83、干扰磁场，从而达到磁屏蔽的效果。当屏蔽体上必须开孔或开槽时，应注意避免切断涡电流的流通途径。若把屏蔽体接地，则可兼顾静电屏蔽。若要对电磁线圈进行屏蔽，屏蔽罩直径必须大于线圈直径一倍以上，否则将使线圈电感量减小，Q值降低。第12章 传感器的信号处理与接口技术 3） 磁屏蔽如图12-42所示，对低频磁场的屏蔽，要用高导磁材料，使干扰磁感线在屏蔽体内构成回路，屏蔽体以外的漏磁通很少，从而抑制了低频磁场的干扰作用。为保证屏蔽效果，屏蔽板应有一定的厚度，以免磁饱和或部分磁通穿过屏蔽层而形成漏磁干扰。第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-42磁屏蔽的原理图第12章 传感器的信号处理与接口技术 4）

84、驱动屏蔽的概念驱动屏蔽是基于驱动电缆原理，以提高静电屏蔽效果的技术，如图12-43所示。图中，将被屏蔽导体B(如电缆芯线)的电位经严格地11电压跟随器去驱动屏蔽层导体C(如电缆屏蔽层)的电位，由运放的理想特性，使导体B、运放输出端和导体C的电位相等，B和C间分布电容C2S两端等电位，干扰源uN不再影响导体B。驱动屏蔽常用于减小传输电缆分布电容的影响及改善电路共模抑制比。第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-43驱动屏蔽原理图第12章 传感器的信号处理与接口技术 3. 3. 接地技术接地技术1） 电气、电子设备中的地线接地起源于强电技术。为保障安全，将电网零线和设备外壳接大地，称为保安地

85、线。对于以电能作为信号的通信、测量、计算控制等电子技术来说，把电信号的基准电位点称为“地”，它可能与大地是隔绝的，称为信号地线。信号地线分为模拟信号地线和数字信号地线两种。另外从信号特点来看，还有信号源地线和负载地线。第12章 传感器的信号处理与接口技术 2） 一点接地原则（1）机内一点接地：如图12-44所示为机内一点接地的示意图。单级电路有输入与输出及电阻、电容、电感等不同电平和性质的信号地线；多级电路中的前级和后级的信号地线；在A/D、D/A转换的数模混合电路中的模拟信号地线和数字信号地线；整机中有产生噪声的继电器、电动机等高功率电路和引导或隔离干扰源的屏蔽机构以及机壳、机箱、机架等金属

86、件的地线均应分别一点接地，然后再总的一点接地。第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-44 机内一点接地示意图（a）单级电路的一点接地；（b）多级电路的一点接地；（c）整机的一点接地第12章 传感器的信号处理与接口技术 （2）系统一点接地：对于一个包括传感器(信号源)和测量装置的检测系统，也应考虑一点接地。如图12-45所示，图（a）中采用两点接地，因地电位差产生的共模电压的电流要流经信号零线，转换为差模干扰，会造成严重的影响。图（b）中改为在信号源处一点接地，干扰信号流经屏蔽层而且主要是容性漏电流，影响很小。第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-45 检测系统的一点接地（a）系

87、统两点接地的干扰；（b）采用一点接地减小干扰第12章 传感器的信号处理与接口技术 （3） 电缆屏蔽层的一点接地：电缆屏蔽层的一点接地方法如图12-46所示。如果测量电路是一点接地，电缆屏蔽层也应一点接地。 信号源不接地，测量电路接地，电缆屏蔽层应接到测量电路的地端，如图12-46（a）中的C，其余A、B、D接法均不正确。 信号源接地，测量电路不接地，电缆屏蔽层应接到信号源的地端，如图12-46（b）中的A，其余B、C、D接法均不正确。第12章 传感器的信号处理与接口技术 图12-46 电缆屏蔽层的一点接地示意图（a）测量电路端一点接地；（b）信号源端一点接地第12章 传感器的信号处理与接口技术

88、 4. 4. 浮置技术浮置技术如果测量装置电路的公共线不接机壳也不接大地， 即与大地之间没有任何导电性的直接联系(仅有寄生电容存在)， 就称为浮置。 图12-47为检测系统被屏蔽浮置的前置放大器。它有两层屏蔽，内层屏蔽(保护屏蔽)与外层屏蔽(机壳)绝缘，通过变压器与外界联系。电源变压器屏蔽的好坏对检测系统的抗干扰能力影响很大。在检测装置中，往往采用带有三层静电屏蔽的电源变压器，各层接法如下：第12章 传感器的信号处理与接口技术 （1） 一次侧屏蔽层及电源变压器外壳与测量装置的外壳连接并接大地。（2） 中间屏蔽层与“保护屏蔽”层连接。（3）二次侧屏蔽层与测量装置的零电位连接。第12章 传感器的信

89、号处理与接口技术 图12-47带有“浮置屏蔽”的检测系统第12章 传感器的信号处理与接口技术 5. 5. 其他抑制干扰的措施其他抑制干扰的措施在仪表中还经常采用调制、解调技术，滤波和隔离（一般用变压器作前隔离，光电耦合器作后隔离）技术。通过调制、选频放大、解调、滤波，只放大输出有用信号，抑制无用的干扰信号。滤波的类型有低通滤波、高通滤波、带通滤波、带阻滤波等，起选频作用。隔离主要防止后级对前级的干扰。第12章 传感器的信号处理与接口技术 思思 考考 与与 练练 习习12-1 按传感器输出信号的变化形式可将传感器分成哪些类型？12-2 预处理电路的作用是什么?试简述模拟量连续式传感器的预处理电路

90、和模拟量脉冲式传感器的预处理电路。 12-3 试述开关式传感器的预处理电路。 12-4 仪表放大器有哪些特殊要求？其典型电路如何组成？12-5为什么要对传感器进行温度补偿？传感器的温度补偿有哪几种方法？第12章 传感器的信号处理与接口技术 12-6 为什么要进行线性化处理？线性化的方法有哪些？12-7 为什么要进行标度变换？如何进行标度变换？12-8 检测系统中常用的A/D转换器有哪几种？各有什么特点？分别适用于什么场合?12-9 测量信号输入A/D转换器前是否一定要加采样保持电路?为什么?12-10 A/D转换器的主要性能指标有哪些？12-11 外部干扰源有哪些？人为干扰的来源有哪些？内部干扰源有哪些？12-12屏蔽可分为哪几种？它们各对哪些干扰起抑制作用？其技术关键是什么？第12章 传感器的信号处理与接口技术 12-13 什么叫一点接地原则？在A/D、 D/A转换的数模混合电路中如何体现一点接地原则？12-14 通过“路”和“场”的干扰各有哪些？它们是通过什么方式造成干扰的？12-15 什么叫串模干扰和共模干扰？试举例说明。 12-16 三层静电屏蔽的电源变压器，各层都是如何接的？12-17调制和滤波的作用是什么？