传感器信号调理电路

(8) 脉冲 (数字) 型 传感器将被测量转换成脉冲序列或数字信号。其输出 的数字信号分三类： ① 增量码信号：特点是被测量与传感器输出信号的变化 周期数成正比，即输出量值大小由信号变化的周期数的 增量决定。如光栅、磁栅等测位移的传感器。 ② 绝对码信号：一种与被测对象状态相对应的信号。如 码盘，每一个角度方位对应于一组编码，这种编码称绝 对码。绝对码信号抗干扰能力很强。 ③开关信号：只有0和1两个状态，可视为绝对码只有一 位编码时的特例。如行程开关、光电开关的输出信号。 电路的作用：对于脉冲序列输出，进行脉冲计数并转换 所需的信号形成；对于编码信号，将编码输出转换成相 应的数字信号。
失调电压：当运放两输入为零时，输出端存在的 电压。
输入失调电压：运放输出端电压为零时，两个输 入端之间所加的补偿电压。 输入偏置电流：当运放的输出直流电压为零时， 其两输入端的偏置电流平均值。 输入失调电流：当运放的输出直流电压为零时， 其两输入端偏置电流的差值。 … …
1 概述
∞ +
uo
+ N1
R3 ui
测量放大器
测量放大器是一种带有精密差动电压增益的 器件，具有高输入阻抗、低输出阻抗、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，在检测微弱信号的系统中， 被广泛用作前置放大器。 运算放大器对微弱信号的放大，仅适用 于信号回路不受干扰的情况。但在实际 工作中经常包含工频、静电和电磁耦合 等各种共模干扰信号，所以采用测量放 大器
输出高电压和大电流
（1）反向比例运算放大器
二、典型放大器的设计 （一）反相放大器
放大倍数
R2
A= uo / ui = –R2 / R1 当R2 = R1时， uo =- ui
ui
R1
-
∞
+
uo
+ N1
R3
（2）同相放大器
放大倍数
R2
R1 -
A= uo / ui = 1+R2 / R1
反向运算放大器存在的问题主要是 输入电阻较低，通常只有几千欧 而同比例运算放大器可以得到较大的 输入电阻，较低的输出电阻
反向输入 同向输入
输出
+
运算放大器
μA709很快地被随后而来的新产品μ A741取代， 741有着更好的性能，更为稳定，也更容易使 用。741运算放大器成了微电子工业发展历史 上一个独一无二的象征，历经了数十年的演 进仍然没有被取代，很多集成电路的制造商 至今仍然在生产741。
1 概述
几个影响运算放大器精度的参数
(6) 选择元器件 根据电路参数估算和总体性能指标要求，选择各部分电 路的元器件包括规格型号、级别、生产厂家等。 (7) 电路组装与调试 其方法可由前向后、也可由后向前。不管哪种方法，均 应分级进行，一部分无误、工作正常后，再接一部分， 这样做便于发现问题及时纠正、以提高工作效率。 (8) 性能测试与分析 性能测试要取得足够进行统计分析的数据。性能测试的 条件要模拟实际的使用环境或进行环境例行实验 (如高 温、低温，电磁干扰、振动等)。对测试结果进行性能指 标分析并与设计指标进行比较。
(3) 电感型 传感器敏感元件将被测量转换为电感量的变化。如电 感式线位移、角位移传感器，电感式压力传感器。 电路的作用：将被测量变化引起的电感量变化变换为易处 理的信号形式，如采用电感电桥将电感变化变换成电流或 电压变化；用振荡电路将电感变化转换成频率变化。 (4) 互感型 传感器敏感元件将被测量转换为互感的变化。如差动 变压器式传感器，电涡流式传感器等。 电路的作用：将互感量或互感电势的变化，转换为易于处 理的压或电流变化，也可将互感变化引起的电感量变化转 换为电压、电流或频率变化。
U 3 U 4 RG R1 R2 U i1 U i 2 RG U 0 U 3 R5 R3 U5 U3 R3 R6 U5 U4 R4 R6
Ui1
1.3 信号调理电路与敏感、转换元件输出阻抗匹配 敏感或转换元件的输出阻抗大小决定电路结构形式。 (1) 高输出阻抗型 敏感元件输出信号微弱、输出阻抗高，如压电元件，其 输出阻抗高达108Ω以上。 电路的作用：一是吸收信号源的输出并进行一定变换和 放大，将信号变换成电路易于处理的形式；二是阻抗变 换，将高输出阻抗变换成低输出阻抗。要求电路有高输 入阻抗和尽可能低的输出阻抗，以及低噪声、低漂移和 抗干扰能力。 (2) 低输出阻抗型 传感器的输出阻抗较低，输出信号形式多种多样。 后接电路的作用：一般是将信号不失真地变换成较强的 电压或电流信号，在它的性能上对稳定性、抗干扰能力 等方面考虑较多。
(3) 误差分配 根据电路总准确度，对电路各部分进行误差分配的原则： 按实现准确度高低难易程度和成本分配，易实现准确度高 的部分，误差分配得小；难实现或能实现准确度高但使成 本很高的部分，误差分配得大。误差分配之后，进行误差 综合，使其不超过总误差要求。 (4) 参数估算 完成结构设计和误差分配后，需对各组成部分进行电路参 数估算，如放大倍数、需要的元器件参数等，对元器件提 出确切的定量性能指标要求。 (5) 抗电磁和温度干扰设计 为提高电路的可靠性和稳定性，在电路中要有抗电磁干扰 措施和抗环境温度变化的措施。
3.3.1 信号的放大

在机械量测试中，传感器输出的信号都比较微 弱，很难直接用来显示和记录，所以，在检测 系统中必须对微弱信号进行放大。

常用的放大器主要有运算放大器、仪表放大器、 可编程增益放大器和隔离放大器等
1.信号调理电路的设计原则
1.1 保证传感器的性能指标 传感器电路应具有准确度 (精度) 高、反应快、可调 性、可靠性和经济性强等特点。 (1) 准确度(精度) 具有足够的精度是传感器准确测量被测对象状态或参 数的重要基础。为满足精度要求，电路应具备下列性能：
1 概述
在数据采集中, 经常会遇到一些微弱的微伏级信号， 例如热电偶的输出信号，需要用放大器加以放大。
运算放大器
第一个使用真空管设 计的放大器大约在 1930年前后完成，这 个放大器可以执行加 与减的工作。 60年代 晚期，仙童半导体推 出了第一个被广泛使 用的集成电路运算放 大器，型号为μ A709.
(9) 电路改进 对于没有完全达到设计要求的电路，需要进行相应改 进。改进后的电路还要进行性能测试和分析，直到达 到要求为止。
(10) 工艺定型 对于已达到设计要求的电路，要设计PCB图、制作印制 电路板，在印制电路板上组装元器件，制作成可供实 际使用的电路板。
1.运算放大器

传感器的输出信号一般比较弱，电压为毫 伏级，有的甚至为微伏级，电流为毫安级， 有的甚至为微安级。因此，他们都需要用 运算放大器来进行放大。
1.4 传感器电路的设计方法 设计方法因人而异，有各种具体的实施路径。通常 的设计方法和内容如下： (1)提出设计任务 根据传感器类型及输出特性、后续电路输入要求和使用 环境等，提出和确定传感器电路需实现的功能和应达到 的技术指标，如信号变换功能、放大倍数、准确度、动 特性、稳定性和可靠性等定量技术指标。 (2) 确定电路结构形式 根据对电路性能指标的要求确定电路的结构形式，如单 端输入或差动输入等。设计时，一般先确定主电路部 分，再确定附加功能电路，画出方框图，再具体设计各 方框图中的具体内容。
A2
A3
+
R6
UO
U3 Ui1 I G R1
U 4 U i 2 I G R2
U i1 U i 2 IG RG
Ui2
+
U4
测量放大器原理电路
2 测量放大器的电路原理
测量放大器的增益
U0 K U i1 U i 2 (U 3 U 4 )U 0 (U i1 U i 2 )(U 3 U 4 )
(5) 电压 (电势) 型 传感器敏感元件将被测量转换为电压或电势变化。 如热电偶，光电池；霍尔元件等。 电路的作用：将微弱电势或电压变化转变为较强电压或 电流变化。 (6) 电流型 传感器敏感元件将被测量转换为电流变化。如光敏 二极管等。 电路的作用：将由传感器输出的微弱电流进行放大，变 换成较强的电压或电流。 (7) 电荷型 传感器敏感元件将被测量转换成输出电荷的变化。 如压电式传感器，红外热释电元件等。 电路的作用：将电荷的变化转换为较强的电压或电流输 出，这种电路通常称之为电荷放大器。
传感器的信号调理
111
信号调理




信号调理(signal conditioning)： 对信号进行操作，将其转换成适合后续测控单元接口 的信号。 重要性： 实现传感器的灵敏度、线性度、输出阻抗、失调、漂 移、时延等性能参数的关键环节。 所涉及的信号： 模拟信号、数字信号。相应电路有模拟电路和数字电 路，以模拟电路居多。 常用电路： 包括放大、调整、电桥、信号变换、电气隔离、阻抗 变换、调制解调、线性化和滤波等电路以及激励传感 器的驱动电路，常称为传感器电路。

测量放大器也叫仪表放大器、数据放大器 它对微小差模电压很敏感，适用于测量远 距离的小信号，适合与微小信号输出的传 感器配合使用。

2 测量放大器的电路原理
测量放大器构成
由两级放大器构成：
Ui1
+
A1
U3
R3
U5
R5
-
1. 两个同相放大 器A1、A2输 入阻抗高。 2. 普通差动放大 器A3，将双端 输入变为对地 的单端输入。
①低噪声与高抗干扰能力：对前置放大有要求 ②低漂移、高稳定性 ③有合适的通频带：不失真 ④线性 ⑤有合适的输入与输出阻抗：电路的输入阻抗与前级的输出阻相匹配
(2)响应速度 实时动态检测要求传感器电路有良好的频率特性、较 高的响应速度。
(3)可调整性 能以同一电路适应不同的同类传感器，即要求电路 的量程或增益可调，且可调范围大、操作方便。同时 希望电路有简单的数据处理功能。 (4)可靠性 传感器电路的可靠性必须满足使用要求。电路可靠 性的基础是元器件的可靠性。元器件可靠性相同的情 况下，电路元器件越多可靠性越低，因此，简化电路结 构是提高可靠性的有效办法。 (5)经济性 在满足性能要求的前提下，尽可能地简化电路，合 理设计电路和选用元器件，以获得好的性价比。 另外，实现低功耗是一个重要的考虑因素。
1.2 根据传感器输出参量类型进行信号转换 (1) 电阻型 敏感元件将被测量转换为电阻变化。如温度传感器 的铂电阻，热敏电阻；电阻应变式传感器的应变片。 电路的作用：将电阻变化转换为易测的电参数，如电 桥将电阻变换成电压或电流输出；振荡电路将电阻变 化转换成频率。 (2) 电容型 传感器敏感元件将被测量转换为电容变化。如电容 式线位移、角位移传感器；电容式液位计等。 电路的作用：将电容量的变化转换为易于处理的电压 或电流信号，或通过振荡电路转换成频率信号。
运算放大器类型
价格低廉、产品量大面广，其性 通用型运算放大器： 能指标能适合于一般性使用。
高阻型运算放大器： 差模输入阻抗非常高， 输入偏置电流非常小。
低温漂型运算放大器：失调电压小且不随 温度的变化而变化。
测量放 大器
高速型运算放大器： 具有高的转换速率 和宽的频率响应。 低功耗型运算放大器：目前有的产品功耗已达uW级。 高压大功率型运算放大器： 不需附加任何电路,即可
R1
A3
IG
RG
-
R2 R4
A2
+
R6
UO
Ui2
+
U4
测量放大器原理电路
2 测量放大器的电路原理
测量放大器的增益
U0 K U i1 U i 2 (U 3 U 4 )U 0 (U i1 U i 2 )(U 3 U 4 )
UFra Baidu bibliotek1
+ U3 R3 U5
IG RG -
A1
R5
R1 R2 R4

对于数字测量系统，除了使传感器输出信号（包括电压、 动态范围、信号源内阻、带宽等参数指标）适合于转换 为离散数据流外，信号调理的作用还在于满足模拟传感 器与数字DAQS之间的接口要求：(1)信号隔离，(2)信号 的预处理，(3)去除无用信号。
传感器输入的信号是一种原始的待处理电信号， 一般不方便直接使用，需要进行加工处理，这就是 传感器的信号调理。信号调理电路将传感器输出的 微弱信号转换为电压、电流或频率等便于测量的电 信号，输出信号精度较高。 常用的信号调理电路有放大电路、滤波电路及调 制与解调电路等