传感器信号处理电路

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
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？
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。
• 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。
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
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
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
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
平衡条件
电桥的输出： U o(R 1R 1R R 3 2)R R (3 2R 4R4)U i
输入电阻：
rid 2R1
ric(R 1R 2)/2
难以避免的缺点：
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。
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。
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
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。
– 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、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 ic ＝ i+／2。
仪器（仪用）放大器
V i1V i2 V 01V 02 RW R 1RWR2
R4
b R2
I1 I2
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 (R1R1RR32)(RR32R4R4)Ui (R(0R0RR)RR00)(RR00RR00)Ui
a
I1
I2
R4
d Ui
ΔU
R2
U0＋ΔU
c Uo
R3
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)
改进电路：自举型高输入阻抗放大器
输入阻抗
Rin
Vi Ii
R1R RR1
Uo1
2R1
-
A2
Ii2
R2
Io2
上式表明：只要R稍大
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。
• 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)
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。
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=?
解：根据虚地原理
I Ui i1 R1
Uo Rf1
U0
Rf1 R1
Ui
I Uo i2 R2
Uo1 Rf2
U U U o 1
R f2
R f1R f2
R 2 o R 1R 2 i
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
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
1） 反相放大器
I1
I2
R2 c Uo
b
R1 R
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）
R 21 2 .5 .5 m V A 1 .6 7K
（2） A v ( 1 2 R R P 3 1 )R R 7 5 2 1 V m 00 V 5
则：Rp1=10KΩ
（3）调节Rp2
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。
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
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 :
n C M R 2
C M R 1
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。
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。
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。
5、输入输出阻抗
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。
因此，三运放电路的共模抑制比在电阻匹配精度相同的
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。
三运放结构的测量放大器
K
AK K n C M R 2
C M R 1
AK K C M R
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。
3、线性度
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。
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。
+12V
R6 100M
AD707
LM35D
热电偶 +
-
+12V
R3 +
10K C 10uF
+
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
高输入阻抗放大器
平衡的条件：
温敏电阻 R1
R1·R3=R2·R4
R3
V
R4 R2
b
R1
a
I1
I2
R4
d Ui
R2 c Uo
R3
直流电桥
R1+ΔR R1 ＋ΔR
R3
V
R4 R2
平衡的条件： R1·R3=R2·R4 电桥的输出：
Uo(R1R 1R R32)R R (32R 4R4)Ui
这时，电桥平衡吗？
R1＋ΔR
R1 a
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
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。
U0R R1 2 （ V2V1） R R1 2VS
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。
取值； (3)如果当压力为0时，由于桥路本身的不平衡，传感器桥路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。
2
3
PS3000-
102A
4
1
+15V
R1 100K 2.5V VD1 R2
-
A1 +
+
R5
R7
A2
-
10K
10K
R3
20K RP1
R4 20K
-
A5 +
A3
+ +15 V
R3
b
半 R1 R
R2 R
桥、 双a 臂
I1 I2
输
R4
c Uo R3
出
d
Ui
R2-ΔR R4-ΔR
R3
R4
全桥
R2
R1
b
全 R1 R
桥、 四a
臂
I1 I2
R2 R c Uo
输 出
R4
R d
R3 R
Ui
R3
R4
单臂
半桥
R2
R1
R3 双臂
R2
半桥
R4
R1
R3
R4
全桥
R2
R1
b R1 R
a
所以：
输入阻抗：
1 Ui
R i Ii
1 Rf1Rf2R1R2
R1
R1R2R
令Rf1=R2 Rf2=2R1 则：
I ( )U U o 1 U i o2 R
R f1R f2 1 R 1R 2R R i
R RR1
i
RR1
I I I ( )U 1 R f1 R f2 R 1 R 2 i i1 o 2 R 1 R 1 R 2 R i
V O 1 V O 2 R 1 R R W W R 2(V i1 V i2 )
可得放大器前级的差模增益AVD1和共模增益AVC1
AVDI R1R RW WR2
AVCI0
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
AVD R1R RW WR2R R3 4
A VC R 5R 6R 6R 3R 3R 4R R 3 4
• 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
– 动圈式传声器（30-70Ω）
传 感 器
输 出
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。
R
4R0
2RFra Baidu biblioteki
直流电桥
➢电桥的灵敏度定义为
U i R 4 R 0
(RR 0)
SB
Uo R0 /R0
Ui 4
R1+ΔR
单片
R1+ΔR
两片
R1+ΔR R3+ΔR
四片
R3
R4
单臂 半桥
R2
R1
R2-ΔR
R3
R2
双臂 半桥
R4
R1
b
半 R1 R
桥、 单a
I1 I2
臂 输
R4 d
出
Ui
R2 c Uo
-
RP2 R2
RP1 R4
24.3K
20
232K 20K 1K R1
R5 91
解：
（1）
A V2.0 6 5V4 mV242
（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；
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）