传感器信号处理技术

生物机电
传感器信号放大电路
隔离放大器
284型隔离放大器为提高微电流和低频信号的测量精 284型隔离放大器为提高微电流和低频信号的测量精 度,减小漂移,其电路采用调制式放大,其内部分为输入、输 减小漂移,其电路采用调制式放大,其内部分为输入、 出和电源三个彼此相互隔离的部分, 出和电源三个彼此相互隔离的部分,并由低泄漏高频载波变 压器耦合在一起。通过变压器的耦合,将电源电压送入输入 压器耦合在一起。通过变压器的耦合, 电路并将信号从输出电路送出。 电路并将信号从输出电路送出。输入部分包括双极型前置 放大器、调制器； 输出部分包括解调器和滤波器,一般在 放大器、调制器； 输出部分包括解调器和滤波器, 滤波器后还有缓冲放大器。 滤波器后还有缓冲放大器。
U －- i
U－
AD522的外围电路 的外围电路
生物机电
传感器信号放大电路
测量放大器
利用数据防护端可以克服上述影响。对于无此端子的仪器用放大器 如 利用数据防护端可以克服上述影响。对于无此端子的仪器用放大器,如 AD524、AD624等,可在 、 可在RG2 端取得共模电压 再用一运放作为它的输出缓冲屏 端取得共模电压,再用一运放作为它的输出缓冲屏 可在 蔽驱动器。运放应选用具有较低偏流的场效应管运放 以减少偏流流经增益电阻 蔽驱动器。运放应选用具有较低偏流的场效应管运放,以减少偏流流经增益电阻 时对增益产生的误差。 时对增益产生的误差。
传感器信号放大电路
U＋
测量放大器
AD522主要可用于恶劣 主要可用于恶劣 环境下要求进行高精度数据采
8 ＋U
i
1 14 RG 2 3 6
10 k 4 5 AD 522 9 13 地 基准 18 7 11 输出
集的场合。由于AD522具有低 集的场合。由于 具有低 电压漂移(2V/℃)、低非线性 ℃、 电压漂移 (0.005％，增益为100时)、高 ％，增益为 ％，增益为 时、 共模抑制比(>110 dB,增益为 共模抑制比 增益为 1000时)、 低噪声 时 、 低噪声(1.5 V（P（ P）,0.1～100 Hz)、低失调电 ） ～ 、 等特点,因而可用于许 压(100 V)等特点 因而可用于许 等特点 位数据采集系统中。 多12位数据采集系统中。左图 位数据采集系统中 的典型接法。 为AD522的典型接法。 的典型接法
生物机电
电桥与电桥的电源
（2）工作方式
直流电桥
a.单臂工作：电桥中只有一个臂接入被测量， a.单臂工作：电桥中只有一个臂接入被测量，其它三个 单臂工作 臂采用固定电阻； 臂采用固定电阻； b.双臂工作：如果电桥两个臂接入被测量， b.双臂工作：如果电桥两个臂接入被测量，另两个为固 双臂工作 定电阻就称为双臂工作电桥，又称为半桥形式； 定电阻就称为双臂工作电桥，又称为半桥形式； c.全桥方式： c.全桥方式：如果四个桥臂都接入被测量则称为全桥形 全桥方式 式。全桥形式灵敏度最高，结构最复杂，要综合考虑选 全桥形式灵敏度最高，结构最复杂， 择。
U CA
R2 = U R1 + R2
生物机电
电桥与电桥的电源
直流电桥
b.电压输出型：当电桥输出端接有放大器时， b.电压输出型：当电桥输出端接有放大器时，由于放 电压输出型 大器的输入阻抗很高， 大器的输入阻抗很高，所以可以认为电桥的负载电阻 为无穷大，这时电桥以电压的形式输出。 为无穷大，这时电桥以电压的形式输出。输出电压即 为电桥输出端的开路电压， 为电桥输出端的开路电压，其表达式为
生物机电
传感器信号放大电路
过改变其外接电阻R的办法可实现增益控制。 过改变其外接电阻R的办法可实现增益控制。
U
程控增益放大器
AD521测量放大器与模拟开关结合组成的程控增益放大器, AD521测量放大器与模拟开关结合组成的程控增益放大器,通 测量放大器与模拟开关结合组成的程控增益放大器
D0 D1
8 1 11 2 3 5
Uo =
R1 R3 R2 R4 3 ( R1 + R2 )( R3 + R4 )
U
生物机电
电桥与电桥的电源
直流电桥
对于单臂电桥R1=R2=R3=R4=R R1的电阻 对于单臂电桥R1=R2=R3=R4=R ，当R1的电阻 增量ΔR1=ΔR时 增量ΔR1=ΔR时，可得输出电压为 ΔR1=ΔR
R RR U R U0 = U ( )= ( ) 2 4 R ( R + R) R
对于全桥等臂输出R1=R2=R3=R4=R R1的 对于全桥等臂输出R1=R2=R3=R4=R ，当R1的 电阻增量ΔR1=ΔR时 电阻增量ΔR1=ΔR时，可得输出电压为 ΔR1=ΔR
U U 0 = 4 4
R R = U R R
生物机电
电桥与电桥的电源
交流电桥
交流电桥通常是采 用正弦交流电压供电， 正弦交流电压供电， 供电 在频率较高的情况下需 要考虑分布电感和分布 电容的影响， 电容的影响，主要用于 随时间变化的被测量。 随时间变化的被测量。 如右图。 如右图。
RW
－
Rf2 R A2 Uo2
＋
A3
U2
＋
AU =
AU =
U0 U 2 U1
(1 + Rf 1 + Rf 2 RW )
Ri
制共模信号的能力。 制共模信号的能力。A3实际上是 一差动跟随器,其增益近似为 。 一差动跟随器 其增益近似为1。 其增益近似为 测量放大器的放大倍数由左式确 定：
Rf R
生物机电
z3 z2 z4 z1z3 z2 V0 = VBC VDC = E E = E[ ] z1 + z2 z3 + z4 ( z1 + z2 )( z3 + z4 )
桥臂阻抗可以是电阻、电感和电容式传感器。 桥臂阻抗可以是电阻、电感和电容式传感器。当被测量为某一初 始值并未发生变化时希望电桥输出为0 始值并未发生变化时希望电桥输出为0。
U0 = Z1 Z 3 Z 2 Z 4 Z1 Z 3 Z 2 Z 4 U= U m sin t ( Z 1 + Z 2 )( Z 3 + Z 4 ) ( Z 1 + Z 2 )( Z 3 + Z 4 )
生物机电
任务二 分析传感器信号放大电路
测量放大器
在许多检测技术的应用场合， 在许多检测技术的应用场合，传感器输出的信号 比较弱，而且其中还包括了工频、 比较弱，而且其中还包括了工频、静电和电磁耦合等 共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很 共模干扰， 好的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗， 好的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗， 习惯上将具有这样特点的放大器称为测量放大器或仪 用放大器。 用放大器。
生物机电
主要内容
任务一 分析电桥与电桥电源 任务二 分析传感器信号放大电路 任务三 分析信号滤波电路 任务四 分析信号转换电路
生物机电
分析电桥与电桥的电源 任务一 分析电桥与电桥的电源
一. 阻抗电桥的构成及平衡条件
构成：如图所示， 1. 构成：如图所示，由四个阻抗 构成四个桥臂。 接入电源E 构成四个桥臂。A和C接入电源E， 端为输出端。 B和D端为输出端。 输出电压: 输出电压:
生物机电
传感器信号放大电路
测量放大器
图中三个运放组成的测量放大
U1
＋ －
A1 Rf1
Uo1
R
RL
差动输入端U 器,差动输入端 1和U 2分别是两个 差动输入端
Uo
－
运算放大器(A 运算放大器 1、A2)的同相输入 的同相输入 因此输入阻抗很高。 端,因此输入阻抗很高。采用对称 因此输入阻抗很高 电路结构,而且被测信号直接加入 电路结构 而且被测信号直接加入 到输入端上,从而保证了较强的抑 到输入端上 从而保证了较强的抑
生物机电
电桥与电桥的电源
交流电桥
（1）平衡条件 设交流电桥的电源电压为
u = U m sin t
，式中， 式中，
Um为电源电压的幅值； 为电源电压的角频率，ω=2πf； Um为电源电压的幅值；ω为电源电压的角频率，ω=2πf； 为电源电压的幅值 f为电源电压的频率，一般取被测量最高频率的5--10倍。 为电源电压的频率，一般取被测量最高频率的5--10倍 10 输出电压可用下式表示： 输出电压可用下式表示：
当四臂电阻相等时，为等臂电桥； R1=R2=R,R3=R4=R (R≠R (R≠R’) 当四臂电阻相等时，为等臂电桥；当R1=R2=R,R3=R4=R’(R≠R ) 时，称为输出对称电桥；当R1=R4=R，R2= R3 =R’(R≠R )时，称为 称为输出对称电桥； R1=R4=R， =R (R≠R’) (R≠R 电源对称电桥。 电源对称电桥。
生物机电
电桥与电桥的电源
Байду номын сангаас
直流电桥
（3）输出方式 电桥的输出方式根据负载情况有电流型 电压型两种 电流型和 电桥的输出方式根据负载情况有电流型和电压型两种 a.电流输出型： 当电桥的输出信号较大， a.电流输出型： 当电桥的输出信号较大，输出端又接入电 电流输出型 阻值较小的负载时，如下图所示，可得： 阻值较小的负载时，如下图所示，可得：
－US
UR
10 F 10 F
＋US
1 14 RG 2 3
5
9
地
8
采采
4 13 10 k 6 11
12 7
并输
并并地 并数数数
基 准
RL
生物机电
传感器信号放大电路
利用改变反馈电阻的办法来实现量 程变换的可变换增益放大器电路。 程变换的可变换增益放大器电路。当开关 S1闭合 和S3断开时 放大倍数为 闭合,S2和 断开时 断开时,放大倍数为 闭合
R 10 13 12 7 Uo
4052
AD 521 6 4
U-
AD521和模拟开关构成的程控增益放大器 和模拟开关构成的程控增益放大器
生物机电
传感器信号放大电路
隔离放大器
由于隔离放大器采用了浮离式设计,消除了输入、 由于隔离放大器采用了浮离式设计,消除了输入、 输出端之间的耦合,因此还具有以下特点： 输出端之间的耦合,因此还具有以下特点： 能保护系统元件不受高共模电压的损害, （1） 能保护系统元件不受高共模电压的损害,防止高压 对低压信号系统的损坏。 对低压信号系统的损坏。 泄漏电流低, （2） 泄漏电流低,对于测量放大器的输入端无须提供偏 流返回通路。 流返回通路。 共模抑制比高,能对直流和低频信号(电压或电流) （3） 共模抑制比高,能对直流和低频信号(电压或电流) 进行准确、安全的测量。 进行准确、安全的测量。
生物机电
传感器信号放大电路
隔离放大器
284型隔离放大器的电路结构图 型隔离放大器的电路结构图
生物机电
任务三 分析信号滤波电路
1. 什么是滤波 通过传感器获得的信号中，混淆有许多其他频率的干扰。 通过传感器获得的信号中，混淆有许多其他频率的干扰。 由于干扰的存在，有时得到不正确的测量值， 由于干扰的存在，有时得到不正确的测量值，有时有用的信 号被淹没在干扰噪声中。为了突出有用信号，抑制噪声干扰， 号被淹没在干扰噪声中。为了突出有用信号，抑制噪声干扰， 我们就要对传感器获得的信号进行滤波。 我们就要对传感器获得的信号进行滤波。 滤波的实质：信号的频率选择。 滤波的实质：信号的频率选择。 滤波器：完成滤波功能的装置。 滤波器：完成滤波功能的装置。 当信号通过滤波器时，信号中某些频率成分得以通过， 当信号通过滤波器时，信号中某些频率成分得以通过，其他 频率成分的信号受到衰减或抑制。 频率成分的信号受到衰减或抑制。
程控增益放大器
R3 R2 R1 R Ui R
－ ＋
S3 S2 S1
R1 Avf = R
而当S2闭合 而其余两个开关断开时 而当 闭合,而其余两个开关断开时 闭合 而其余两个开关断开时, 其放大倍数为 其放大倍数为
Avf =
R2 R
Uo
选择不同的开关闭合,即可实现增益 选择不同的开关闭合 即可实现增益 的变换。 的变换。如果利用软件对开关闭合情况进 行选择,即可实现程控增益变换。 行选择 即可实现程控增益变换。 即可实现程控增益变换
生物机电
电桥与电桥的电源
2. 电桥的平衡条件
z2z4-z1z3=0
或者： 或者：
—— 称之为电桥平衡条件 —— 即对边乘积相等
z2z4=z1z3
若为复阻抗
zi = zi
ji
平衡条件可改写为：
z2z4=z1z3
—— 模平衡条件 —— 相位平衡条件
2 + 4 = 1 + 3
生物机电
电桥与电桥的电源
直流电桥：当电桥的电源为直流。 直流电桥：当电桥的电源为直流。直 流电桥的桥臂只能是电阻。 流电桥的桥臂只能是电阻。 如右图所示为最常用的电阻电桥， 如右图所示为最常用的电阻电桥， 有四个电阻组成桥臂， 有四个电阻组成桥臂，一个对角接电 源，另一个作为输出。 另一个作为输出。 （1）桥路形式
直流电桥
传感器信号处理技术
模块二 传感器信号处理技术
生物机电
学习目标
通过学习要求掌握传感器信号处理常用的 通过学习要求掌握传感器信号处理常用的 基本电路以及传感器信号的放大、处理和 基本电路以及传感器信号的放大、 转换。为以后学习传感器应用，组成测量 转换。为以后学习传感器应用， 系统打下基础。 系统打下基础。