传感器信号处理电路

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+12V
R6 100M
AD707
LM35D
热电偶 +
-
+12V
R3 +
10K C 10uF
-
RP2 R2
RP1 R4
24.3K
20
232K 20K 1K R1
R5 91
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解：
（1）
AV 20.6 5V4mV242
（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；
R3
d Ui
直流电桥
ΔU
U0＋ΔU
c Uo
➢为了简化设计，R2=R3=R4=R0 ，而R0＋ΔR
b
R1=R0+ΔR
R1
Uo
R1R3 (R1 R2
R2R4 )(R3 R4
)
Ui
(R0 (R0
R)R0 R0R0 R R0)(R0 R0
)
Ui
a
I1
I2
R4
d Ui
ΔU
R2
U0＋ΔU
c Uo
– 动圈式传声器（30-70Ω）
传 感 器
输 出
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变压器匹配
第二节 信号放大电路
传感器输出的信号常为微弱电压、电流或电荷信号， 因此需要接放大电路。对信号的放大有很多种电路可以实 现，但工程测试中所遇到的信号，多为100kHz以下的低 频信号，在大多数的情况下，都可以用放大器集成芯片来 设计放大电路。
Uo1
2R1
-
A2
Ii2
R2
Io2
上式表明：只要R稍大
+
Rp
于Rr，就能获得很高的输
R
入阻抗，可高达100M。
R2
但R绝对不能小于Rr，否
Ii
Ii1
则输入阻抗为负，会产生
-
严重自激。
Ui
R1
A1
+
Uo
Rp
自举型高输入阻抗放大器
高输入阻抗反相放大器
A2提供补偿电流，减小A1从信号源吸取的电流，可以大幅度地提 高主放大器的等效输入阻抗Rin
R3
R 4R0 2RUi
直流电桥
➢电桥的灵敏度定义为
Ui R 4 R0
(RR0)
SB
Uo R0 / R0
Ui 4
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b
a 、c两端接电
Z1
源Ui，称供桥端；
b、d两端接输出 a
Z2 c Uo
电压Uo，称输出 端。
Z4
Z3
d
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Ui
1. 电桥的分类 ➢ 根据桥臂阻抗性质的不同为 :
电阻电桥 电容电桥 电感电桥 ➢ 根据供桥电源分为 :
直流电桥: 采用直流电源 ——只用于测量电 阻R的变化
交流电桥：采用交流电源——测量电阻R 、 电容C 、电感L的变化
情况下，要比基本差动放大器高 倍。由此可见，由
三运放组成的差动放大器具有高共模抑制比、高输入阻
抗和可变增益等一系列优点，它是目前测控系统和仪器
仪表中最典型的前置放大器。
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三运放结构的测量放大器
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K
AK K n CMR2
CMR1
AK K CMR
n CMR2
CMR1
该电路具有很高的共模抑 制比。只要A3的两输入端 所接的电阻对称，V3和V6 共模成分则可以互相抵消。
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1） 反相放大器
闭环增益：
Af
R2 R1
反馈电阻R2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。(放大倍数小，噪声大，输入阻抗小)
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改进电路：自举型高输入阻抗放大器
输入阻抗
Rin
Vi Ii
R1R R R1
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检测与处理电路设计的基本要求：
1、稳定性
①温漂：处理的结果在一次运行中发生渐变 ②长期稳定性：由于元器件老化、插接件弹 性疲劳、氧化等原因 ③短期稳定性：示值重复性。
2、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。
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3、线性度
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பைடு நூலகம்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。
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2
3
PS3000-
Rf1Rf2
o1
R2 o R 1R2
i
所以：
输入阻抗：
1 Ui R i Ii
1 Rf1Rf 2R1R2
R1
R1R2R
令Rf1=R2 Rf2=2R1 则：
I ( )U U o1U i
o2
R
Rf1Rf2 1 R 1R2R R i
R RR1
i
RR1
III ( )U 1 R f1R f2 R 1R 2
i i1 o2 R 1
R 1R 2R
i
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• 2） 同相放大器
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。
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闭环增益：
Af
1
R2 R1
输入阻抗
Ri
输出阻抗
Ro 0
•
集成运算放大器可以作为一个器件构成各
种基本功能的电路。这些基本电路又可以作为单
出端取出二个信号的差模成分，而尽量抑制二个
信号的共模成分。
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U0 R R12（V2V1） R R12VS
差动放大器具有双端输入单端输出、共模抑制比较高 的特点，通常用作传感放大器的前端放大器。
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输入电阻：
rid 2R1
ric(R1R2)/2
难以避免的缺点：
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R6完成断线检测。
提问： （1）R3为什么不能太大? （因为运放有输入偏置电流） （2）断线检测功能为什么要求运放的输入偏置电 流小？ （因为运放输入偏置电流在R6上产生很大的压降）
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3） 基本差动（差分）放大器
• 什么是差动放大器？
•
差动放大器是把二个输入信号分别输入到
运算放大器的同相和反相二个输入端，然后在输
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2. 直流电桥
b
➢ 四个桥臂由电阻R1、R2、R3
和R4组成。
a
R1 I1 I2
R4
R2 c Uo
R3
d
R1
R3
Ui
V
直流电桥
R4 R2
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平衡条件
电桥的输出： Uo(R1R 1R R32)(R R32R 4R4)Ui
平衡的条件：
温敏电阻 R1
R1·R3=R2·R4
测量放大电路具有以下的特点： (1) 测量放大器是一种带有精密差动电 压增益的器件。 (2) 具有高输入阻抗、低输出阻抗。 (3) 具有强抗共模干扰能力、低温漂、 低失调电压和高稳定增益等特点。 (4) 在检测微弱信号的系统中被广泛用 作前置放大器。
仪表放大器电路举例
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 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。
教材约定：在涉及同相放大器的输入阻抗时，均 以ri+来表示，即指同相放大器所具有的最低在 107Ω以上的输入电阻，而不器刻意指明其具体 的数值。
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电压放大器电路举例
例：K型热电偶，将0—500℃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。
检测的非线性由传感器、传感器检测电路、显示 执行机构这三部分的非线性度产生。
4、分辨率
适当提高传感器电路的分辨率有利于减小误差、方便读数； 模拟电路中，为了提高分辨率应适当提高放大器放大倍数； 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。
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5、输入输出阻抗
102A
4
1
+15V
R1 100K 2.5V VD1 R2
-
A1 +
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+
R5
R7
A2
-
10K
10K
R3
20K RP1
R4 20K
-
A5 +
A3
+ +15 V
R9 R10
RP2
R6 10K
10K R8
A4
+
R12 -15V
R11
压力传感器的信号调理电路
0-1V
解： （1）
R212 .5 .5 m V A1.67K
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；
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。
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• 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（100MΩ）
• 输出阻抗小——变压器匹配
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1、仪器（仪用）放大器
r 由于同相放大器的输入阻抗为 i+，不难得出三运放 r r 电路的输入阻抗：差动输入阻抗 id ＝ 2 i+，共模 r r 输入阻抗 2020/3/19 ic ＝ i+／2。
仪器（仪用）放大器
Vi1Vi2 V01V02 RW R1RWR2
V O 1V O 2R 1R R W W R 2(V i1V i2)
可得放大器前级的差模增益AVD1和共模增益AVC1
AVDIR1
RW RW
R2
AVCI 0
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仪器（仪用）放大器
仪器放大器前级的差模 增益AVD和共模增益AVC
AVDR1R RW WR2
R4 R3
AVCR5R 6R6 R3R 3R4R R3 4
因此，三运放电路的共模抑制比在电阻匹配精度相同的
元电路组成电子应用电路。
•
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。
•
高输入阻抗电路常应用于传感器的输出阻
抗很高的测量放大电路中。如电容式、压电式传
感器的测量放大电路。
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• 同相放大器输入阻抗ri+ • ri+= ri(1+AF) • 同相放大器输出阻抗ro+ • ro+= ro/(1+AF)
1. 输入阻抗低 2. 共模抑制比低 3. 工艺性差
二、 仪用放大器/电路
• 什么是仪用放大器？
–是一类高输入阻抗，高共模抑制比的差分放大器。具 有精度高，稳定性好等特点，经常用于精密仪器电路 和测控电路中，故称为仪用放大器，也称为仪器放大 器。
– 典型的仪表放大电路如下图所示，图中所有电阻均采 用精密电阻。
1、基本放大电路 2、仪表放大电路 3、电桥放大电路 4、程控增益放大电路 5、隔离放大电路
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一. 基本放大电路
1. 比例放大器 反相与同相放大电路是集成运算放大器两种最基本的应用电 路，许多集成运放的功能电路都是在反相和同相两种放大电 路的基础上组合和演变而来的。
2、差动放大电路
传感器检测电路设计
传感器检测与处理电路的基本要求 传感器的匹配 信号放大电路 信号变换电路 信号滤波电路 传感器电路的噪声与抑制
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第一节 检测电路设计概述
为什么需要信号转换和处理电路？ 检测与处理电路设计的基本要求？
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为什么需要信号转换和处理电路？
对测试信号进行转换处理的目的： 1.传感器输出的信号很微弱，大多数不能直接输送 到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大， 有的还要进行阻抗变换。 2.有些传感器输出的是电参量，需要转换成电信号 才能进行处理。 3.有些传感器输出的是电信号，但信号中混杂有干 扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。 4.某些场合，为便于信号的远距离传输等原因，需 要对传感器测量信号进行调制解调处理。
R3
V
R4 R2
b
R1
a
I1
I2
R4
R2 c Uo
R3
d Ui
直流电桥
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R1+ΔR R1 ＋ΔR
R3
V
R4 R2
平衡的条件： R1·R3=R2·R4 电桥的输出：
Uo (R1R1RR32)R (R32R4R4)Ui
这时，电桥平衡吗？
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R1＋ΔR
R1 a
R4
b R2
I1 I2
（2） A v (1 2R R P 3 1)R R 7 521 V 0 m 0 V 5
则：Rp1=10KΩ
（3）调节Rp2
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三、 电桥放大电路
• 何谓电桥放大电路？
–由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路或由传感 器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。
• 应用于何种场合？
–应用于电参量式传感器，如电感式、电阻应变式、电 容式传感器等，经常通过电桥转换电路输出电压或电 流信号，并用运算放大器作进一步放大，或由传感器 和运算放大器直接构成电桥放大电路，输出放大了的 电压信号。
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一、电桥
电桥的作用：将电阻R(应变片)、电感L、电容C等 电参数变为电压ΔU或电流ΔI信号后输出。
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高输入阻抗放大器
Uo1
Io2
2R1
-
A2
+
Ii2
R2 Rp
R
R2
Ii
Ii1
-
Ui
R1
A1
+
Uo
Rp
自举型高输入阻抗放大器
求：输入阻抗Ri=?
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解：根据虚地原理
I Ui
Uo
i1 R1
Rf 1
U0
Rf 1 R1
Ui
I Uo i2 R2
Uo1 Rf 2
U U U Rf2