传感器接口电路与信号处理

UO Ui ( R3 R4 ) R1 R3 R2 R4
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7.1 电桥电路
1)直流电桥的平衡条件。当电桥平衡时， UO =0，可以得到电桥 平衡的条件，即: R1R2=R3R4
2)直流电桥的不平衡状态。直流电桥的不平衡状态有三种形式， 即单臂电桥、双臂电桥和全桥。 ①单臂电桥就是电桥中一桥臂为传感器，其余为固定值。假设 只有R1是传感器，工作时其阻值变化为△R，这时电桥的输 出电压可用公式表示为:
uO ui ( Z3 Z 2 Z 3 Z1 Z 4 Z4 ) ui Z1 Z 3 Z 2 Z 4 (Z1 Z 3 )(Z 2 Z 4 )
1)交流电桥的平衡条件。交流电桥的平衡条件分析与直流电桥平 衡条件分析相似，可以知道其平衡条件为: Z2Z3=Z1Z4
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7. 4 调制与解调电路
在生产和科学实验中，经过传感器检测到信号多为微弱 的、变化缓慢的、类似于直流的信号，若采用一般的直流放 大器进行放大，产生的零点漂移会影响测量精度。通常情况 需要将这种微弱的、变化缓慢的、类似于直流的信号经调制 器变成某种频率的交流信号，经交流放大器放大后再送解调 器解调，使交流信号重新恢复到原来的被测信号。同时，为 了提高信号的抗干扰能力，一般采用隔离式数据放大器。而 这些都涉及直流一交流一直流变换的问题，本节作简单介绍。
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7. 3 噪声干扰的抑制
5.光电耦合器 使用光电耦合器切断地环路电流干扰是十分有效的。 由于两个电路之间采用光束来耦合，所以能把两个电路的地 电位完全隔离开，这样一来，两个电路的地电位即使不同也 不会造成干扰。光电耦合对数字电路很适用，但在模拟电路 中因其线性度较差而很少应用。 近来在模拟电路中开始应用光反馈技术，光反馈技术对 光电耦合器中的非线性失真可进行校正。随着科学技术的发 展，光电耦合器的性能不断提高，其在模拟电路中的应用也 会越来越广。

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7. 3 噪声干扰的抑制
1. 内部噪声 内部噪声是由传感器或检测系统内部电路元件带电微粒 的无规则运动产生的。主要有:信号通过公共电源、地线和传 输线的阻抗相互耦合形成的噪声;元件之间、导线之间通过寄 生电容或互感耦合造成的噪声干扰;大功率和高压元件产生的 电场;电子开关元件的电压或电流急剧变化而产生的噪声干扰; 工作电源、交叉走线等产生的噪声干扰等。 2.外部噪声 外部噪声是由传感器或检测系统外部人为因素或自然环 境因素造成的。主要有:外部高压电源因绝缘不良形成的漏电; 广播电视、高频感应加热等;空间电磁波的辐射;周围机械振 动和冲击的影响等。
R3 R1 R1 UO Ui ( ) R1 R1 R2 R3 R4
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7.1 电桥电路
当满足条件R1=R2=R3=R4 ，且R0>> △R1时，电桥的理想输出为:
UO R1 Ui 4R0
从上式可以看出，单臂电桥的理想输出与工作桥臂电 阻的变化率为线性关系。但这一线性关系是在一定条件下 的近似，其输出结果与电桥的实际输出之间存在一定的误 差，这个误差称为非线性误差。 电桥的灵敏度是指电桥的输出电压与被测电阻的变化 率之间的比值。用公式表示为:
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7. 4 调制与解调电路
7. 4. 2解调 当直流信号被调制成交流信号后，若再将该交流信号还 原成直流信号，这一过程称为解调。如图7-13所示为解调原 理图。 1.调制原理 当ui为正值、开关S断开时，电容C通过电阻R充电，输出电 压=;当为负值、开关S闭合时，电容C通过电阻R放电，输出 电压UO =uC。当电路处于稳态时，充电电荷等于放电电荷， 电容两端电压在允放电过程中变化很小，则负载RL，两端的 电压为直流输出电压信号UO ，其波形图如图7-14所示
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7. 4 调制与解调电路
当电路处于稳定状态时，充电电荷等于放电电荷，故充 电电流等于放电电流，在负载RL两端的输出电压大小相等， 方向相反。显然，在一个周期T内，输出电压是具有正负值 的矩形交流电压，如果开关S按照一定时间规律断开和闭合， 则会输出连续的矩形交流电压信号u0，其波形如图7-9所示。 2.两种常见的调制器 由以上分析可知，经调制的输出电压频率是开关S每秒 钟通断的次数。因此，实现调制的必备条件是开关元件和控 制开关的信号。常见的调制器有晶体管调制器和提高输出电 压的晶体管调制器。
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7. 2 放大电路

7. 2. 2 同相放大器 如图7-3是同相放大器的基本电路。输入电压直接从同相 输入端加入，而输出电压通过电阻RF反馈到反相输入端，同 相放大器的输出电压可表示为：
RF U out 1 R U in 1
可以看出，同相放大器的增益也同样只取决于RF与R1， 的比值大小，这个数值为正，说明输出电压与输入电压同相， 而且其绝对值比反相放大器大。
7.1 电桥电路

7.1.1电桥的分类 电桥的分类方法有多种，按电桥采用电源的不同，可分 为直流电桥和交流电桥;按电桥的工作方式的不同，可分为平 衡电桥和不平衡电桥;按电桥被测电阻接入方式的不同，可分 为单臂电桥、双臂电桥和全桥 平衡电桥的应用是基于零位测量法。电桥平衡则输出为 零，否则输出则不为零，这时可以通过调节电桥比较臂电阻 的大小使电桥重新达到平衡，然后根据电桥平衡条件，计算 出被测量的变化。 不平衡电桥的应用是基于偏差测量法。电桥平衡则输出 为零，否则输出量不为零，这时输出量的大小反映了被测量 的变化情况。
Z Z0
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7. 2 放大电路
传感器的输出信号一般比较微弱，因而在大多数情况下 都需要放大电路。放大电路主要用来将传感器输出的信号进 行放大处理，为检测系统提供高精度的输入信号，对检测系 统的精度起着关键作用。 目前，检测系统中的放大电路，除特殊情况外，一般都 采用运算放大器构成。常用的运算放大器有反相放大器、同 相放大器和差动放大器等。
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7. 2 放大电路

7. 2. 3 差动放大器 如图7-4是差动放大器的基本电路。两个输入信号U1和U2 分别经R1和R2输入到运算放大器的反相输入端和同相输入端， 输出电压则经RF反馈到反相输入端。电路中要求R1=R2、 RF=R3，差动放大器的输出电压可表示为:
U out
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7.1 电桥电路


7.1.2 电桥的工作原理及主要性能指标 电桥电路的主要性能指标有输出特性、非线性误差和灵 敏度，下面具体讨论有关电桥的工作原理和这几项性能指标。 直流电桥 直流电桥的基本形式如图7-1所示。图中R1，R2，R3，R4 为电桥的桥臂电阻，RL为其负载。当RL趋于无穷时，电桥的 输出电压UO用公式表示为:
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7. 3 噪声干扰的抑制
3.形成噪声的条件 形成噪声的三个条件是:噪声源、噪声的耦合通道及噪声 的接收电路。噪声的耦合通道即耦合方式，通常的耦合方式 有电容性耦合、互感性耦合、公共地线的耦合、部分电路之 间绝缘不良的漏电耦合及辐射电磁场耦合等。 若要消除或削弱噪声干扰，必须从形成噪声的三个要素 出发，采取相应的抗干扰措施。
U 2 U1 RF
R1
差动放大器最突出的优点是能够抑制共模信号。共模信 号是指在两个输入端所加的大小相等、极性相同的信号。理 想的差动放大器对共模输入信号的放大倍数为零，所以差动 放大器的零点漂移最小。
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7. 3 噪声干扰的抑制
在非电量的自动检测与控制系统中，往往混入一些干扰 与噪声信号，它们会使测量结果产生很大的误差，这些误差 将导致控制程序的紊乱，从而造成控制系统中的执行机构产 生误动作。因此，在传感器的信号处理中，噪声干扰的抑制 也是传感器信号处理的重要内容之一。 所谓噪声，就是任何不希望有的信号，广义地说就是在 一有用频带内任何不希望有的干扰。 7. 3. 1 噪声的分类 噪声就是测量系统混入的无用信号，按照噪声的来源的 不同，可以将噪声分为两大类:一类是内部噪声，另一类是外 部噪声。
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7. 3 噪声干扰的抑制
②低频磁感应屏蔽。低频磁感应屏蔽的原理是使绝大部分磁通 量经屏蔽体通过，所以要选用导磁性能好的材料做屏蔽罩， 一般选用铁磁材料，在要求高的场合，可采用双层屏蔽的方 法。 ③高频磁感应屏蔽。对高频磁场的屏蔽也就是对辐射电磁场的 屏蔽，通常采用金属屏蔽罩。 3.隔离 当信号电路在两端接地时，很容易形成环路电流，引起噪声 干扰，消除这一干扰通常采用隔离的方法。
R UO Ui R0
从上式可见，全桥输出电压是单臂电桥输出的电压的四 倍，是双桥输出电压的两倍;全桥的灵敏度也是单臂电桥灵敏 度的四倍，是双桥灵敏度的两倍，而且无非线性误差。
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7.1 电桥电路

2.交流电桥 交流电桥的工作电源为交流。把图7-1中的直流电源换成 交流电源ui，它的四个桥臂换成电阻、电感、电容等任意组 合的复阻抗Z1，Z2，Z3，Z4，根据直流电桥的分析方法，得 交流电桥的输出电压为:
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7. 3 噪声干扰的抑制
隔离一般是切断两个或多个系统之间电的直接联系，而 改用物理量实现系统之间的联系。按照采用隔离器件的不同， 隔离方法主要有变压器隔离和光电耦合隔离两种。 在两个电路之间加入隔离变压器可以切断地环路，实现 前后电路的隔离，变压器隔离只适用于交流电路。在直流或 超低频测量系统中，常采用光电耦合的方法实现电路的隔离。 4.滤波 采用滤波器可以抑制电源噪声及耦合到本电路中的噪声。 根据使用目的的不同，可将滤波器分成以下几种。 ①电源滤波②退耦滤波③有源滤波④数字滤波
7.1 电桥电路
2)交流电桥的不平衡状态。交流电桥的不平衡状态与直流电桥 的不平衡状态相似，也有三种形式，即单臂电桥、双臂电桥 和全桥。 1 Z 单臂交流电桥的输出电压为: uO ui 4 Z0 双臂交流电桥的输出电压为: 全桥交流电桥的输出电压为:
uO 1 Z ui 2 Z0
uO ui
UO
1 R Ui 2 R0
上式表明，电桥的实际输出与电阻变化率成线性关系， 则说明该电桥无非线性误差。又由于该电桥的输出电压比单 臂电桥输出电压提高一倍，则电桥的灵敏度也提高一倍。
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7.1 电桥电路
③全桥就是电桥的四个臂均为传感器。如图7-1所示，若满足 R1=R2=R3=R4 =R0 ，同时△R1=-△R2= △ R4=-△R3 = △ R0， 则该电桥的输出为:
R1 Ui UO 4 R0 1 Kn Ui R1 R1 4 R0 R0
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7.1 电桥电路
②双臂电桥就是电桥中两相邻桥臂为传感器，其余为固定值。 如图7-1所示为R1，R2传感器，并且满足条件R1=R2=R3=R4 =R0，同时△R1=-△R2=△R0 ，则该电桥的输出为
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7. 4 调制与解调电路

7. 4. 1调制 将直流信号变换成交流信号的过程，称为调制。如图7-6 所示为调制原理图。 1.调制原理 当开关S以一定的时间间隔打开和闭合时，电容C允电或 放电，设开关打开和闭合的一个完整过程所需要的时间为T, 即一个周期，并令R1=R2 在前半个周期内，设开关S打开，则等效电路如图7-7所示。 在后半个周期内，开关S闭合，则等效电路如图7-8所示

7. 3. 2 抑制噪声的方法 噪声的抑制方法很多，主要是采用接地、屏蔽、隔离、 滤波和光电耦合等抑制方法。
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7. 3 噪声干扰的抑制
1.接地 在检测系统中通常有四种接地系统:安全地、信号源地、 数字信号地和模拟信号地。 2.屏蔽 屏蔽的目的是为了防止电场或磁场的干扰，不同场合采 用的屏蔽体也各不相同。 ①静电屏蔽。静止电荷产生的电场称为静电场，当采用高灵敏 度直流检测仪器时，静止电荷会感应出异性静电荷从而使仪 器的指针发生偏转，影响测量精度，甚至使测量无法进行。 消除这种静电场噪声干扰的主要方法就是采用静电屏蔽。
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7. 2 放大电路

7.2.1 反相放大器 如图7-2是反相放大器的基本电路。输入电压通过电阻R1， 加到反相输入端，同相输入端接地，输出电压通过电阻RF反 馈到反相输入端，反相放大器的输出电压可表示为:
U out
RF U in R1
负号表示输出电压与输入电压反相，其放大倍数取决于 RF与R1的比值大小，具有很大的灵活性，因此反相放大器广 泛用于各种比例运算中。