项目11.1 传感器与微机接口

“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100 kΩ 的电阻保护。
图11-6 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
11.1.4相敏检波电路 一、调制与解调的概念
• 调制是利用直流或低频信号来控制高频振荡的过程。原始的低频 控制信号称为调制信号。受控的高频振荡信号称为载波信号。经 过调制后的信号称为已调信号。载波信号的振幅、频率和相位都 可受调制信号的控制，相应的调制分别称为调幅（AM）、调频 （FM）和调相（PM）。一般载波频率应大于调制信号频率10倍以 上，通常取20倍。 • 解调是从已调信号中取出（恢复）原始信号（调制信号）的 过程。与调制相对应，有鉴幅（检波）、鉴频和鉴相。 • 如上述交流电桥，传感器参数的变化为调制信号，电桥的供电电 源为载波信号，输出为调幅信号；由电感、电容、电涡流式传感 器构成的谐振电路，当LC谐振电路作信号源的负载，则输出调幅 信号，当LC谐振电路作信号源的振荡回路，则输出调频信号。因 此，信号在经过交流放大后都需要接入相应的解调电路：检波电 路、鉴频电路和鉴相电路。
（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1～50 μV/℃，也与增益G有 关。如一个有 2 μV/℃漂移的放大器，当 G=1000 、 Δt=10℃时， 其输出端将产生20 mV的偏置电压。这个数字相当于12位ADC在 输入范围为0～10 V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3～4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G＞200，精度约为±0.01 ％， 建立时间约为50～100 μs， 而高增益IA在同样精度下的建 立时间可达350 μs。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。
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11-4所示。
图 11 4 时 间 间 隔 信 号 处 理
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11.1.3 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、
Au
u11 u12
(1
RG
)
图11-11 通用IA的结构
2. 增益调控IA 在多通道数据采集系统中，为了节约费用，多种传感器共
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。
• 二、相敏检波电路 • 1. 二极管相敏检波电路 • 如图11-9所示为二极管相敏检波电路的一般形 式。它由四个二极管顺向串联成一个闭合回路， 四个端点分别接变压器T1、T2的二次侧。T1、 T2均有中心抽头，输出检波后的信号接至负载。 T1的一次侧输入调幅波ui，T2的一次侧输入参 考电压ur，ur可直接取自载波，它与ui频率相 同，相位相同或相反，比ui幅度大3~5倍。变压 器的极性标定如图所示。
图11-9 二极管相敏检波电路
2. 集成模拟乘法器相敏检波电路 如图11-10所示为用集成模拟乘法器LM1496实现相敏检波的电路。该 电路的工作电压为30V，常用±9V；信号输入端最大电压为±5V；
载波输入端为＋5V；偏置电流为12mA。
图11-10 集成模拟乘法器相敏检波电路
• 相敏检波器是对调幅信号与参考信号间相位敏 感的检波器，它有以下特点： • 1）相敏检波输出信号的极性与调制信号极性 相同，即能识别方向； • 2）相敏检波输出信号的幅值与调制信号的幅 值相同，即能表示被测值； • 3）相敏检波输出信号的频率等于载波频率的 二倍。因此，只要在相敏检波后加入适当的低 通滤波器，便可得到调制波信号。如果测量装 置频率响应较低，如磁电式电流表，也可不需 加滤波器。
11.1.2 模拟脉冲式输出信号的预处理 1. 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11-3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。
高的场合，可采用图11-6（a）所示的I/U转换电路。 该电路输
入阻抗Ri≈n×10 mΩ，输出电压Uo＝IiRS，RS＞10 MΩ，电路输 出电阻Ro一般小于1 kΩ。
I/U转换电路也可由运算放大器组成，如图11-6（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
图 11 3 脉 冲 峰 值 信 号 变 换
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2. 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
（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
Ad CMR 20lg Ac
表11-1 IA的CMR要求值(dB)
图11-8 频率/电压变换器原理框图
3. 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。
2. 电压/电流变换（V/I变换） V/I变换器的作用是将电压信号变换为标准电流信号， 它不仅要求具有恒流性能，而且要求输出电流随负 载电阻变化所引起的变化量不能超过允许值。
图11-7 4～20mA的V/I变换电路
2. 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11-8所 示。 通常可直接选用LM2907/LM2917等单片集成频率/电压变 换器。
号送至输入接口的各功能部件； 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。
图11-1 传感器与微机的接口框图
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
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11-2(c)所示。 经处理后的特性如图11-2（d）所示。
图11-2 开关量传感器特性示意图及处理方案 （a） 理想特性； （b） 实际特性； （c） 处理方案； （d） 处理后特性
方式分类。
11.1.1 开关式输出信号的预处理 如图11-2(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11-2(b)所示。另外，无接触式
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11-5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。
图11-5 模拟连续输出预处理的一般体系
1. 电流/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。 在要求较
模块二 传感器的信号放大电路
11.2.1 测量放大器
测量放大器又叫仪表放大器（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. 通用IA 通用IA由三个运算放大器A1、A2、A3组成，如图11-11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 u0 2 R1 （11-1）
• 四、测量放大器的选择 • 因传感器输出的信号很微弱，故对放大器的精度 要求很高，要求它能鉴别被测量的微小变化，进行缓 冲、隔离、放大和电平转换等处理。上述这些功能大 多可用运算放大器来实现。运算放大器往往不能消除 各种形式的共模干扰信号，因此，需要引入另一种形 式的放大器，即仪表放大器。它广泛用于传感器信号 放大，特别是微弱信号及具有较大共模干扰的场合。 • 在传感器的两条输出线上经常产生较大的干扰信号 （噪音），有时是完全相同的干扰，称为共模干扰。