传感器信号调理电路
多种温度传感器信号调理电路设计
多种温度传感器信号调理电路设计兀伟;王航宇【摘要】For measuring multi-point temperature of a specimen, and the temperature span, but also to achieve the required accuracy,this paper describes several signal regulated circuits for different types and outputs temperature sensors, such as ADS90, PT1000, and K-type thermocouple. Power supply circuit, signal transmission conversion circuit and amplifier circuit are designed,which achieves the outputs from 1to 5 volt standard signal. In the laboratory using high-precision voltage and current source and resistor box thermoconple, ADS90, and the PT1000 simulation results show that the method is feasible, the relative accuracy of the conditioning circuit can reach 0.1.%为了测量某试件多点温度,且温度跨度很大,还要达到要求精度,本文利用几种不同类型的传感器(AD590、PT1000和K型热电偶)进行采集,其输出形式(电流源、电阻和热电势)和大小均不相同,设计了电源电路、信号转换电路和放大抬升电路.使各种传感器的输出达到统一的1-5V的标准信号;在实验室利用高精度电压、电流源和电阻箱分别对热电偶、AD590和PT1000进行模拟,结果表明该方法可行,调理电路的相对精度可达到0.1级。
传感器的信号调理
(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: 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。
1.3 信号调理电路与敏感、转换元件输出阻抗匹配 信号调理电路与敏感、 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108 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 电路的作用 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: 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。
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。
1.信号调理电路的设计原则 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 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:
信号调理电路
信号调理电路信号调理电路就是信号处理电路,把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或其他目的的数字信号。
是指利用内部的电路,如滤波器、转换器、放大器等来改变输入的讯号类型并输出。
在实际应用中工业信号有些是高压,过流,浪涌等,不能被系统正确识别,必须调整理清。
信号调理电路原理信号调理电路往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。
模拟传感器可测量很多物理量,如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。
但是传感器信号不能直接转换为数字数据,因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化,因此,在变换为数字数据之前必须进行调理。
调理就是放大,缓冲或定标模拟信号,使其适合于模/数转换器(ADC)的输入。
然后,ADC对模拟信号进行数字化,并把数字信号送到微控制器或其他数字器件,以便用于系统的数据处理。
信号调理电路技术1.放大放大器提高输入信号电平以更好地匹配模拟-数字转换器(ADC)的范围,从而提高测量精度和灵敏度。
此外,使用放置在更接近信号源或转换器的外部信号调理装置,可以通过在信号被环境噪声影响之前提高信号电平来提高测量的信号-噪声比。
2.衰减衰减,即与放大相反的过程,在电压(即将被数字化的)超过数字化仪输入范围时是十分必要的。
这种形式的信号调理降低了输入信号的幅度,从而经调理的信号处于ADC范围之内。
衰减对于测量高电压是十分必要的。
3.隔离隔离的信号调理设备通过使用变压器、光或电容性的耦合技术,无需物理连接即可将信号从它的源传输至测量设备。
除了切断接地回路之外,隔离也阻隔了高电压浪涌以及较高的共模电压,从而既保护了操作人员也保护了昂贵的测量设备。
4.多路复用通过多路复用技术,一个测量系统可以不间断地将多路信号传输至一个单一的数字化仪,从而提供了一种节省成本的方式来极大地扩大系统通道数量。
多路复用对于任何高通道数的应用是十分必要的。
5.过滤滤波器在一定的频率范围内去处不希望的噪声。
霍尔型传感器信号调理电路的设计
霍尔型传感器信号调理电路的设计【摘要】所谓信号调理就是通过电子元器件的有机组合,对传感器输出的信号进行调节、变换和整理的过程。
信号调理电路的具体设计需要综合考虑数据采集的目的、现场环境及控制系统的算法设计等各种因素。
本文论述了霍尔型电压、电流传感器信号的调理电路的具体实现方法,并应用试验方法验证了电路的可靠性等有关特征参数。
【关键词】传感器;信号调理;放大器;电路设计;霍尔当代社会中在工业控制等方面,经常要将电流、电压、温度、湿度等模拟量转换成数字量,然后在微处理器内作进一步运算和处理,完成相应的数据存储、数据传输和数据输出,达到分析和控制的目的。
模拟量的采集一般使用传感器来将它们转换为电气量来进行处理。
然而传感器送出的信号往往不能满足处理器输入信号的要求,这就需要我们设计相应的信号调理电路来把这种不合要求的信号变换为符合处理器输入信号要求的信号。
此电路设计的优化程度如何,直接关系到微处理器采集到的信号的准确程度。
霍尔型电压、电流传感器具有结构简单、体积小、坚固、频率响应宽、动态范围大、无触点、使用寿命长、可靠性高、易微型化和集成化等优点,在测量技术、自动化技术和信息处理等新技术领域得到广泛的应用。
本文就其输出信号特点设计了相应的信号调理电路,并且通过实验验证了所设计电路的可行性及可靠性。
1 霍尔型传感器霍尔传感器是一种磁传感器。
用它可以检测磁场及其变化,可在各种与磁场有关的场合中使用。
它采用双电源供电,可采集电压、电流等电气信号,输出信号可以是电压信号,也可以是电流信号。
本文以LV28-P型霍尔电压传感器为例说明霍尔型传感器输出信号调理电路的设计过程。
传感器LV 28-P的原边与副边之间是绝缘的,主要用于测量直流、交流电压和脉冲电压。
其各参数指标如下:1)电参数IP N:原边额定有效值电流10mA IS N:副边额定有效值电流25mAKN:转换率2500:1000 VC:电源电压(±5%)±15V2)精度-动态参数XG:总精度@IP N,TA = 25℃±0.6 %IO T :IO 的温漂:0℃~+25℃± 0.2mA+25℃~70℃± 0.3mATr:响应时间@90% of VPmax 40μs。
传感器输出信号的调理电路 电气检测技术
直流 数字 电压 表
交流 数字 电压 表
峰值交 流数字 电压表
平均值 交流数 字电压 表
有效值 交流数 字电压 表
二. 模拟式直流电压测量 (一)动圈式电压表
被测量X
与X 成正比、测 量机构能接受 的“中间变量
仪表指针 的偏转角
测量机构:
固定部分 :由固定在仪表外壳上的线圈、 磁铁、轴承、支架和标度盘等组成。
❖ 在数字化测量仪器中,离散化过程和量子化 过程是同时存在的。
1.直流数字电压表
Vx
输入电路
A/D转换器
数字 显示器
逻辑控制 电路
时钟 发生器
模拟部分
数字部分
数字电压表DVM(Digital Voltage Meter)组成框图
2. 数字多用表 (1)线性AC/DC转换器
(2)I/V转换器
(3)Ω/V转换器 3. 数字电压表的技术指标 • 测量范围
(1
2Rf R
)x
UR
U s (1
x) 2
U s (1
R ) 2R
供桥电压稳 定性提高
IR
2U R 2R R
1 RUs
供桥电压稳定性提高:
二. 高输入阻抗放大器
反馈式反相放大器
U0
R3 R1
Ui
U 02
2R1 R3
U0
2U i
Ii
I1
I2
Ui R1
U02 Ui R2
Ri
Ui Ii
R2 R1 R2 R1
以可以
1)减小填充脉冲的周期;
2)增大 Tx
dB
1. 噪声源
噪声
电路中的噪声源
干扰噪声源
热噪声 散粒噪声 低频噪声
信号调理电路
与传统无线电不同,软件无线电要求尽可能地以数字形式处理无线信号,因此必须将A/D和D/A转换器尽可 能地向天线端推移,这就对A/D和D/A转换器的性能提出了更高的要求。主要体现在两个方面。
(1)采样速率。依据采样定理,A/D转换器的抽样频率fs应大于2Wa(Wa为被采样信号的带宽)。在实际中, 由于A/D转换器件的非线性、量化噪声、失真及接收机噪声等因素的影响,一般选取fs>2.5Wa。
(2)分辨率。采样值的位数的选取需要满足一定的动态范围及数字部分处理精度的要求,一般分辨率80dB 的动态范围要求下不能低于12位。
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信号调理电路
把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或 其他目的的数字信号的电路
01 简介
目录
02 信号调理
03 调理技术组成
04 信号滤波
05 信号隔离
06 模数转换
基本信息
信号调理电路(signal conditioning circuit)是指把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计 算显示读出或其他目的的数字信号的电路。
传感器信号调理电路
传感器信号调理电路传感器信号调理电路信号调理往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。
模拟传感器可测量很多物理量,如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。
通常,传感器信号不能直接转换为数字数据,这是因为传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化,因此,在变换为数字数据之前必须进行调理。
调理就是放大,缓冲或定标模拟信号,使其适合于模/数转换器(ADC)的输入。
然后,ADC对模拟信号进行数字化,并把数字信号送到微控制器或其他数字器件,以便用于系统的数据处理。
此链路工作的关键是选择运放,运放要正确地接口被测的各种类型传感器。
然后,设计人员必须选择ADC。
ADC应具有处理来自输入电路信号的能力,并能产生满足数据采集系统分辨率、精度和取样率的数字输出。
传感器传感器根据所测物理量的类型可分类为:测量温度的热电偶、电阻温度检测器(RTD)、热敏电阻;测量压力或力的应变片;测量溶液酸碱值的PH电极;用于光电子测量光强的PIN光电二极管等等。
传感器可进一步分类为有源或无源。
有源传感器需要一个外部激励源(电压或电流源),而无源传感器不用激励而产生自己本身的电压。
通常的有源传感器是RTD、热敏电阻、应变片,而热电偶和PIN二极管是无源传感器。
为了确定与传感器接口的放大器所必须具备的性能指标,设计人员必须考虑传感器如下的主要性能指标:·源阻抗——高的源阻抗大于100KΩ——低的源阻抗小于100Ω·输出信号电平——高信号电平大于500mV满标——低信号电平大于100mV满标·动态范围在传感器的激励范围产生一个可测量的输出信号。
它取决于所用传感器类型。
放大器功用放大器除提供dc信号增益外,还缓冲和定标送到ADC之前的传感器输入。
放大器有两个关键职责。
一个是根据传感器特性为传感器提供合适的接口。
另一个职责是根据所呈现的负载接口ADC。
信号调理电路的原理、功能
什么是信号调理?信号调理电路的原理,信号调理模块的功能[导读] 信号调理电路往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。
模拟传感器可测量很多物理量,如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。
但是传感器信号不能直接转换为数字数据,因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化,因此,在变换为数字数据之前必须进行调理。
信号调理电路原理信号调理电路往往是把来自的模拟信号变换为用于、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。
模拟传感器可测量很多物理量,如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。
但是传感器信号不能直接转换为数字数据,因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化,因此,在变换为数字数据之前必须进行调理。
调理就是放大,缓冲或定标模拟信号,使其适合于模/数转换器(ADC)的输入。
然后,ADC对模拟信号进行数字化,并把数字信号送到或其他数字器件,以便用于系统的数据处理。
信号调理电路技术1.放大提高输入信号电平以更好地匹配模拟-数字转换器(ADC)的范围,从而提高测量精度和灵敏度。
此外,使用放置在更接近信号源或转换器的外部信号调理装置,可以通过在信号被环境噪声影响之前提高信号电平来提高测量的信号-噪声比。
2.衰减衰减,即与放大相反的过程,在电压(即将被数字化的)超过数字化仪输入范围时是十分必要的。
这种形式的信号调理降低了输入信号的幅度,从而经调理的信号处于ADC范围之内。
衰减对于测量高电压是十分必要的。
3.隔离隔离的信号调理设备通过使用变压器、光或电容性的耦合技术,无需物理连接即可将信号从它的源传输至测量设备。
除了切断接地回路之外,隔离也阻隔了高电压浪涌以及较高的共模电压,从而既保护了操作人员也保护了昂贵的测量设备。
4.多路复用通过多路复用技术,一个测量系统可以不间断地将多路信号传输至一个单一的数字化仪,从而提供了一种节省成本的方式来极大地扩大系统通道数量。
传感器与信号调理电路
请同学们自己推导
工作方式: 差动、反馈
差动放大器
运算放大器及其芯片
运算放大器的符号以及常见的运算放大器:
管脚起始
朝左
管脚序号逆时针方向增长!!
OP07LM324来自_+STEP4
STEP3
STEP2
STEP1
用OP07构成反相放大电路;
输入信号ui:正弦波,f=2kHz,直流电平为0V,uip-p=0.4V、1.8V、2.5V;
ε
ε
Usat
Usat
运算放大器的外特性
运算放大器的一种等效电路:
理想情况: 输入电阻ri无穷大 放大倍数A无穷大
理想运算放大器
在输入一侧考虑电压关系时:反相输入端与同相输入端的电压相等,称为“虚通”或“虚短”;
01
在输入一侧考虑电流关系时:反相输入端与同相输入端之间的电流为零,称为“虚断”。
02
202X
(2学时)
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传感器与信号调理电路
CONTENTS
训练目的
1
WORKREVIEW
建立对测试系统的初步认识。
2
掌握一种常用的信号调理器件——运算放大器。
UNDERWORK
3
了解常用信号调理电路的基本输入输出特性。
WORKHARVEST
CONTENTS
设备与器材
1
WORKREVIEW
训练内容2:同相放大器的测试
用OP07构成电压跟随器电路;
01
输入信号ui:正弦波,f=2kHz,直流电平为0V,uip-p=0.5V;
02
双踪观察输入输出波形并记录;
03
训练内容3:电压跟随器的测试
传感器信号调理电路
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。
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.
-
R4
R6
A2
器A3,将双端 Ui2
+
U4
输入变为对地
测量放大器原理电路
的单端输入。
2 测量放大器的电路原理
测量放大器的增益
K U0 Ui1 Ui2
Ui1
+
U3 R3 U5
R5
A1
(U3 U 4 )U0
-
R1
-
(Ui1 Ui2 )(U3 U 4 ) IG RG
R2
A3
UO
+
U3 Ui1 IG R1
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
R2
-∞ +
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。
传感器信号调理电路
软件设计
数据采集与处理
编写程序实现数据的实时采集、 存储和处理,利用算法对信号进 行去噪、补偿和特征提取等操作。
通信接口
实现与上位机或其他设备的通信接 口,以便将调理后的传感器信号传 输到外部设备进行进一步处理或显 示。
嵌入式系统开发
针对具体硬件平台,进行嵌入式系 统开发,包括驱动程序编写、系统 配置和优化等。
用于各种科研实验中的信号 采集、传输和处理,如生物
医学实验、物理实验等。
02 传感器信号调理电路的工 作原理
信号采集
传感器将物理量(如温度、压力、位移等)转换 为电信号。
不同类型的传感器对应不同的物理量,如热敏电 阻对应温度,差分变压器对应位移等。
采集的信号通常比较微弱,需要进一步处理才能 使用。
和陷波滤波器等。
滤波器的选择需要根据实际需求进行,不同的滤波器对不同频
03
率的噪声和干扰有不同的抑制效果。
信号转换
01
02
03
转换器将调理后的电信 号转换为数字信号或模 拟信号,以便于计算机
处理或传输。
转换器有多种类型,如 模数转换器和数模转换
器等。
转换器的选择需要根据 实际需求进行,不同的 转换器适用于不同的应
组合型
由以上几种类型的电路组合而 成,具有多种功能,能够满足
复杂的应用需求。
应用领域与场景
医疗电子
用于医疗设备的信号采 集、传输和处理,如心 电监护仪、血压计等。
环境监测
用于各种环境参数的测 量和监测,如温度、湿
度、压力等。
工业控制
用于工业生产过程中的各 种参数测量和控制,如流
量、液位、压力等。
科研实验
用场景。
电子称重传感器及信号调理电路设计
目录目录-----------------------------------------------------------------------------1 摘要-----------------------------------------------------------------------------2一、方案设计-----------------------------------------------------------------------31.1.选择的传感器类型------------------------------------------------------------3 1.2.对传感器的分析---------------------------------------------------------------41.3.系统方案------------------------------------------------------------------------6二、理论分析-----------------------------------------------------------------------62.1.应变片的电阻应变效应------------------------------------------------------6 2.2.应变灵敏度---------------------------------------------------------------------72.3.测量电路------------------------------------------------------------------------8三、电路设计:电路原理图及各部分分析-----------------------------------103.1.应变片全桥电路分析---------------------------------------------------------103.2. 差动放大器器电路分析-----------------------------------------------------10四、实验-----------------------------------------------------------------------------114.1.实验目的------------------------------------------------------------------------114.2.实验步骤------------------------------------------------------------------------11五、数据分析-----------------------------------------------------------------------18六、误差分析------------------------------------------------------------------------19七、总结------------------------------------------------------------------------------20 参考文献-----------------------------------------------------------------------------21摘要本设计采用检测实验室的CSY-3000型传感器与检测技术实验台设计并制作了一台简易电子秤。
信号调理电路的原理、功能
什么是信号调理?信号调理电路的原理,信号调理模块的功能[导读] 信号调理电路往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。
模拟传感器可测量很多物理量,如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。
但是传感器信号不能直接转换为数字数据,因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化,因此,在变换为数字数据之前必须进行调理。
信号调理电路原理信号调理电路往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。
模拟传感器可测量很多物理量,如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。
但是传感器信号不能直接转换为数字数据,因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化,因此,在变换为数字数据之前必须进行调理。
调理就是放大,缓冲或定标模拟信号,使其适合于模/数转换器(ADC)的输入。
然后,ADC对模拟信号进行数字化,并把数字信号送到微控制器或其他数字器件,以便用于系统的数据处理。
信号调理电路技术1.放大放大器提高输入信号电平以更好地匹配模拟-数字转换器(ADC)的范围,从而提高测量精度和灵敏度。
此外,使用放置在更接近信号源或转换器的外部信号调理装置,可以通过在信号被环境噪声影响之前提高信号电平来提高测量的信号-噪声比。
2.衰减衰减,即与放大相反的过程,在电压(即将被数字化的)超过数字化仪输入范围时是十分必要的。
这种形式的信号调理降低了输入信号的幅度,从而经调理的信号处于ADC范围之内。
衰减对于测量高电压是十分必要的。
3.隔离隔离的信号调理设备通过使用变压器、光或电容性的耦合技术,无需物理连接即可将信号从它的源传输至测量设备。
除了切断接地回路之外,隔离也阻隔了高电压浪涌以及较高的共模电压,从而既保护了操作人员也保护了昂贵的测量设备。
4.多路复用通过多路复用技术,一个测量系统可以不间断地将多路信号传输至一个单一的数字化仪,从而提供了一种节省成本的方式来极大地扩大系统通道数量。
压力传感器的信号调理电路[发明专利]
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201710324073.X(22)申请日 2017.05.10(71)申请人 盾安传感科技有限公司地址 310053 浙江省杭州市绍兴市诸暨市店口镇盾安路(72)发明人 潘丰 段飞 (74)专利代理机构 北京润川律师事务所 11643代理人 张超(51)Int.Cl.G01L 1/26(2006.01)G01L 1/18(2006.01)G01L 19/04(2006.01)G01L 19/00(2006.01)G01L 9/06(2006.01)H03F 1/02(2006.01)H03F 3/45(2006.01)H03F 3/68(2006.01)(54)发明名称压力传感器的信号调理电路(57)摘要本发明提供了一种压力传感器的信号调理电路。
该压力传感器的信号调理电路包括压力传感器芯体(1)以及串联的第一运算放大器(2)和第二运算放大器(3),压力传感器芯体(1)的差分信号正输出端连接至第一运算放大器(2)的同相输入端,压力传感器芯体(1)的差分信号负输出端连接至第二运算放大器(3)的同相输入端,第一运算放大器(2)的反相输入端连接至第二运算放大器(3)的反馈端,第一运算放大器(2)的输出端为信号输出端。
根据本发明的压力传感器的信号调理电路,以解决现有技术中压力信号通过数字ASIC进行信号调理,而导致的高成本,精度漂移,较高的输出纹波与噪声的问题。
权利要求书1页 说明书4页 附图2页CN 108871633 A 2018.11.23C N 108871633A1.一种压力传感器的信号调理电路,其特征在于,包括压力传感器芯体(1)以及串联的第一运算放大器(2)和第二运算放大器(3),所述压力传感器芯体(1)的差分信号正输出端连接至所述第一运算放大器(2)的同相输入端,所述压力传感器芯体(1)的差分信号负输出端连接至所述第二运算放大器(3)的同相输入端,所述第一运算放大器(2)的反相输入端连接至所述第二运算放大器(3)的反馈端,所述第一运算放大器(2)的输出端为信号输出端。
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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
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。
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。
(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。
(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。
(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。
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.
传感器的信号调理
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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。
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
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
(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。
A2
A3
+
R6
UO
U3 Ui1 I G R1
U 4 U 2
+
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 )
(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。
(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。
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 )
Ui1
+ U3 R3 U5
IG RG -
A1
R5
R1 R2 R4
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。
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。
1.3 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。