第九章__模拟量输入输出接口技术050409[1]

第9章 模拟量输入输出接口技术
9．1.1模拟量输入接口技术
1.传感器的概念
传感器是把一种物理量（或化学量、生物量）转换成另一种与之有确定对应 关系的物 理量（通常是电量）的装置。它是测量系统中最重要的环节。 传感器有许多种类，一种是以被测参数的性质来分，一种是以传感器的测量 原理来分。 按被测量参数的性质来分，有热量类传感器，用于测量温度，热量，比热， 压力，流量，风速等；有机械量类传感器，用于测量位移，应力，振动，加速 度等；有成分量类传感器，用于测量各种气体、液体的成分、浓度、密度等。 按传感器测量原理来分，有电阻式、电感式、电容式、阻抗式、磁电式、热 电式、压电式等。 传感器品种繁多，用途各异，但衡量传感器的基本参数主要有： 测量范围：传感器能正常工作的范围，在使用中不应使传感器过载，以免损 坏元件，或造成大的测量误差。 线性度：传感器的输入与输出的关系，大部分传感器的输入、输出关系是非线 性的，在使用中，要进行线性化处理。在采用单片机后，可以用软件的方法进 行线性化处理，可以简化电路，获得较好效果。 灵敏度：传感器的输出与输入信号之比，灵敏度大的传感器，电路处理方便， 我们希望传感器有较大的灵敏度。 互换性：同种传感器的特性参数的一不致性，传感器的互换性差，会给使用 带来不方便。
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在图中，Rt、R2、R3、R4组成一个不平衡电桥，电桥的工作电源为E，
Rt为热电阻用于感受温度的变化，G为不平衡电桥的输出电流。 设平衡时，R3=R4，R2=Rto(Rto是热电阻在to温度时的电阻值) 当温度从to变化到t时，热电阻Rt=Rto+r，r为温度变化引起的电阻值， 那么电桥的A、B两端会产生一个不平衡电压U为U=Ito· R3/((R2+R3)+r) r· 其中Ito是to温度时流过电桥支路的电流
WRC
WRK WRN WRP WRR
（T）CK
（E）EA-2 （K）EU-2 （S）LB-3 （B）LB-2
-200-+300
0-800 0-1300 0-1600 0-1800
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热电偶的测温度范围在-180-2800º C，热电偶的输出 热电势与工作端温度有关，还与自由端的温度有关， 所以在测量时需要进行冷端补偿，热电偶的常用测量 电路如图9.2所示。
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2.温度、压力等常用传感器 在单片机应用中，常用的测量参数有温 度，压力，湿度，液位等。我们对常 用的传感器作一详细的介绍。 (1)温度传感器 温度是表示物体冷热程度的参数。 是 单片机应用中最基本的测量参 数。 热电偶温度传感器 热电偶温度传感器是以热电效应为基 础的，将任意两种不同的导体A-B组 成一个闭合回路，只要它们的两个接 点t1，t2的温度不同，在回路里就会 产生热电动势，如图9.1所示：
单位 1Pa 1Kg/ cm2 1mmHg 1mmH20
Pa(帕)
1
Kg/cm2 1.0997*105 1 1.3595*103
atm(大气 压) 9.8692*106
MmHg 7.5006*103
MmH20 0.10197 104 13.595 1
9.80665*1 04 1.33325*1 02 9.806375
灵 敏 度 mV/RPa
3.5 5.5 86mV/Kpa 2.5 0.8
备注 零位电压 偏差（mV）
20-35 20-35 1 1 无补偿 无补偿 温度补偿 温度补偿
MPX2100 MPX2102
0-100
10-16
3 8 . 5 41.5
0.4
2
温度补偿
它们都是四端式器件:１－接地,２－＋Ｖout,３－Ｖs,４－-Ｕout
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硅压阻式压力传感器
硅压阻式压力传感器是利用的压阻效应制成的新型压力传 感器，在一块单晶硅的基片上用扩散工艺制成的应变元件，在 应变元件受到压力的作用，引起电阻值产生变化，在Ｎ型硅品 片上形成四个阻值相等的电阻条，构成一个惠斯电桥，特点是 体积小，系数度高，测量范围宽，精度高，常用的硅压力传感 器如表9.5：
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热敏电阻是一种利用一些金属氧化物按比例混合烧结成的电阻值随温度而变化 的传感器。热敏电阻灵敏度高，体积小，反应快，使用寿命长。它适用的测量范围 为-50º C-+300º C。热敏电阻有正温度系数热敏电阻(PTC），负温度系数热敏电阻 （NTC）和临界温度系数热敏电阻（CTR）三种类型。正温度系数热敏电阻常用于 温度补偿电路中，其测量精度较差，为±3-5º C，临界系数热敏电阻在某个临界点 的电阻值发生急剧变化，用于温度测量的主要是负温度系数热敏电阻，它的电阻值 与温度T（K）的关系如下式：
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型号
MPX10 MPX12 MPX700 MPX2010 MPX2050 MPX2053
压力范围 （Ｋpa）
0-10 0-700 0-10 0-50
供电电压 （Ｖ）
3-5 3-5 10-16 10-16
端量程输 出（mV）
20-50 45-70 45-90 24-26 3 8 . 5 41.5


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型号 XC616A
XC616C LX6500 Lm3911 AD590 Lm35 Lm134
测量范围º C +40-+125
-25-+85 -55-+85 -25-+85 -55-+150 -35-+150 -55-+125
输出信号 电压型
电压型 电压型 电压型 电流型 电压型 电流型
0.96784 1.316*10-3 0.96287*1 0-4
735.559 1 7.3556*102
0.9997*104
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9．1.1模拟量输入接口技术 电容式压力传感器 利用被测压力使金属 膜片之间的距离减少， 电容量增加的原理制 成的，其结构如图9.5 所示：
温度系数 10mV/º C
10mV/º C 10mV/º C 10mV/º C 1uA/º C 10mV/º C 1uA/º C
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它们的典型应用如图9.4所示：
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(2).压力传感器


压力测量在工业、航空、航天、汽车、气象、海洋、医疗等方面有大量的应用，利用压力可 以测量液体、水的高度和压力，可以测量血压、气体质量和重量等参数。 压力有绝对压力，表压力，负压力（真空度）和差压等多种。绝对压力是指被测物体的单位 面积上承受的全部作用力。地球表面承受大气形成的压力叫大气压力，绝对压力与大气压力 之差称为表压，工业上常用的压力表就是用来测量表压的。绝对压力小于大气压力的值称为 负压力（真空度），常用真空表来测量。而二个压力的差值为差压。 压力（又称压强）的单位是帕（Pa），1帕=1牛/米2，常用千帕（KPa），兆帕（MPa）表示， 工业上使用的压力单位有Kg/cm2和mmHg，mmHg几种，它们之间的关系见表9.4：
RT RT 0 exp(B(1/ T 1/ T0 )
式中RT0为T0（K）温度时热敏电阻的值。B为常数，在3000-5000左右。热敏电阻 的特点是： 灵敏度高，不用放大器就可以输出几伏电压，信号处理方便。 体积小，反应 快，可以制成各种形状的传感器。价格便宜，引线误差可以忽略不计，适用于长距 离测量。 非线性严重，要进行线生化处理。以MF5E系列热敏电阻为例，有 R25=550KΩ,10KΩ,100KΩ等多种规格。 半导体集成温度传感器 半导体集成温度传感器的线性度好，使用方便，可以直接输出电压信号，或 电流信号，常用型号见表9.3。
图中活动金属片在被测气体的作用下产生位移，由活动金属片和 固定金属片组成的电容量发生变化，因为电容量可以用下式表示: C= Σ*A / D 式中，Σ为介质常数，Ａ为面积，ｄ为极间距离，由此 可见，气体压力的变化，作用在活动金属片上的力也发生变化，通 过测量电容量Ｃ的变化来测量气体的压力。
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热电阻温度传感器是利用铂电阻，铜电阻，热敏电阻的阻值随温度而变化的原理 测量温度的，这一类传感器的适用范围在-200-+650º C，有较高的灵敏度。铂电 阻与电阻的关系为：
Rt R0 1 At Bt2 Ct 100Ct 3
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在单片机应用中Βιβλιοθήκη 需要测量温度，湿度，流量，速度， 液体，压力等大量模拟量，需要输出模拟量去控制被控 对象或进行显示，模拟量的输入输出也是单片机的接口 是一个重要的环节。模拟量信号是连续变化的电压，电 流信号，与数字量有本质一的区别，需要对模拟量信号 时放大，滤波，线性化，信号变换等电路处理，把测量 的模拟量电压，电流信号变换成0-5V的电压信号，通过 A/D转换电路，转换成相应的数字量才能输入单片机处理。 同样，单片机的控制值，测量数据也往往要通过D/A转换 电路变换成模拟量才能进行控制或显示。因此，模拟量 的输入输出是单片机应用中的一个重要环节。
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9.1 模拟量输入接口技术 9. 2 A/D转换器的主要性能指标及分类 9.3 常用的A/D转换芯片 9.4 D/A转换器和接口技术 9.5 思考题与习题
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在单片机应用中，常常需要测量温度、湿度、流 量、速度、液位、压力等多种模拟量，并通过输入接口 传送给单片机CPU，需要输出模拟量去控制被控对象或 用于显示。模拟量信号是连续变化的电压、电流信号， 与数字量有本质上的区别，模拟量信号需要放大、滤波、 线性化、信号变换等一系列的电路处理，把检测到的模 拟量电压、电流信息变换成0-5V的电压信号，通过A/V 转换电路转换成相应的数字量才能输入单片机处理。同 样，单片机输出的数字量控制值，也往往要通过D/A转 换电路变换成模拟量才能去控制被控对象或用于数据的 显示。因此，模拟量的输入输出接口技术是单片机应用 中的一个重要环节。