传感器原理与应用第七章

1．反相放大器
3．差动放大器
2．同相放大器
4．测量放大器
7.3.3 A/D转换接口电路
A/D转换器是一种能把输入模拟电压或电流变成与它成正比 的数字量，即能把被控对象的各种模拟信息变成计算机可 以识别的数字信息, 模拟量可以是电压、电流等信号，也可 以是声、光、压力、温度等随时间连续变化的非电的物理 量。非电量的模拟量可以通过适当的传感器（如光电传感 器、压力传感器、温度传感器）转换成电信号。A/D转换器 种类很多，但从原理上通常可以分为以下四种：计数器式 A/D转换器，双积分式A/D转换器，逐次逼近式A/D转换器和 并行A/D转换器。 计数器式A/D转换器结构很简单，但转换速度也很慢，所以 很少用。双积分式A/D转换器抗干扰能力强，转换精度也很 高，但速度不够理想，常用于数字式测量仪表中。计算机 中广泛采用逐次逼近式A/D转换器作为接口电路，它的结构 不太复杂，转换速度也很高。并行A/D转换器的转换速度最 快，但因结构复杂而造价较高，故只用于某些转换速度极 高的场合。
7.1 传感器信号的处理方法
7.1.1 传感器信号的特点
传感器输出信号通常可以分为两类。一类为模拟量，例如压力、温度、加速度等的测量；另一类为数 字量，例如用光电或电磁传感器测量转速等的测量。不同的传感器输出信号具有不同的特点，但总体 上来说，传感器输出信号具有如下共同特点： （1）传感器的输出会受温度的影响，有温度系数变化。 （2）传感器的输出顺着输入物理量的变化而变化，但是他们之间的关系不一定是线形比例关系。 （3）传感器的动态范围很宽。 （4）由于传感器的种类很多，输出的形式也多种多样。例如，尽管同样是温度传感器，热电偶顺温度 变化输出的是不同的电压，热敏电阻顺温度变化其阻抗发生变化，而双金属温度传感器顺温度变化输 出的是开关信号。 （5）传感器的输出阻抗都比较高，这样传感器输出信号到测量电路时会产生较大的信号衰减。 （6）传感器的输出信号一般比较微弱，有的传感器输出的电压最小仅有0.1μV。
IN0～IN7：8路输入通道的模拟量输入端口； D0～D7：8位数字量输出端； A、B、C：3位地址输入线。引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC， ADDC为高地址，用于选通8路模拟输入中的一路； ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效； START：A/D转换启动信号。START上升沿时，复位AD0809；START 下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电 平。ALE和START这两个信号连在一起，当输入一个正脉冲，便立即启动模/ 数转换； EOC： A／D转换结束信号，输出，当A／D转换结束时，此端输出 一个高电平（转换期间一直为低电平）； OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A／D转换结束时， 此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量； CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ； REF（+）、REF（—）：参考电压（+）、（—）端输入。参考电 源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典 型值为+5V（VREF(+)=+5V, VREF(-)=-5V）； Vcc：电源，典型值+5V； GND：模拟和数字地。
3．A/D转换器类型 根据A/D转换器的原理可将A/D转换器分成两大类。一类是直接型A/D转换器，另一类是间接型A/D转换器。 在直接型A/D转换器中，输入的模拟电压被直接转换成数字代码，不经任何中间变量；在间接型A/D转换 器中，首先把输入的模拟电压转换成某种中间变量（时间、频率、脉冲宽度等等），然后再把这个中间 变量转换为数字代码输出。 A/D转换器的分类如图2-19 所示。尽管A/D转换器的种类很多，但是目前应用较广泛的主要有三种类型。 逐次逼近式A/D转换器、双积分式A/D转换器和V/F变换式A/D转换器。 （1）逐次逼近ADC （2）双积分型ADC （3）V/F转换器
2．A/D转换器主要性能指标 无论是分析或者是设计A/D转换器接口电路，还是面对实际 设计应用选购A/DC芯片，都会涉及到有关ADC的技术指标及 术语。因此，弄清ADC的主要性能指标术语的确切含义及有 关的基本概念是非常必要的。A/D转换器主要性能指标有以 下几个方面： （1） 分辨率 （2） 精度 （3） 转换时间 （4）量程(满刻度范围) （5）线性度误差 （6） 温度系数和增益系数 （7） 对电源电压变化的抑制比
7.1.2 传感器信号的处理方法
7.2 传感器的典型接口电路
7.2.1 电桥电路
1．直流电桥
2．交流电桥
3．非平衡电桥
2.3.2 信号放大接口电路
传感器的输出信号一般比较微弱，因此，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直流信号或交流信号进行放大处理，为检测系统提供高 精度的模拟输入信号，它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，基本上均采用运算放大器构成放大电路。 集成运算放大器也简称为“运放”，是一种十分理想的增益器件。它的工作特性非 常接近于理想情况，实际工作性能也非常接近于理论计算水平。这表明利用集成运 算放大器可以使电路设计变得非常简单。它可以广泛地应用于涉及模拟信号处理的 各个领域。 从信号的观点来看，运算放大器有两个输入端和一个输出端。运算放大器的电路符 号如图7-8(a)所示，其中端口1和端口2为输入端，端口3为输出端。 从供电的观点来看，大多数运算放大器需要两个直流电源供电，如图7-8（b）所示， 其中端口4为连接到一个正电源V_CC ，端口5连接到一个负电源〖-V〗_EE 。通常情 况下，这两个直流电源为对称电源，即V_CC=V_EE
（1）AD0809介绍 AD0809是8位逐次逼近式A/D转换器是采样频率为8位的、以逐次逼近原 理进行模—数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据 地址码锁存译码后的信号，只选通8个单断模拟输入信号中的一个进行 A/D转换。输出带三态数据锁存器。启动信号为脉冲启动方式，最大可 调节误差为±1LSB。AD0809内部设有时钟电路，故CLK时钟需要由外部 输入时钟允许范围为500KHz～1MHz，典型值为640KHz。每一通道的转 换需66～73个时钟脉冲，大约100～110μs。 ① 主要特性 8路8位A/D转换器，即分辨率是8位； 误差±1LSB，无漏码； 转换时间为100μs； 单独+5V电源供电，量程为0～5V； 不需零点和满刻度校准； 带有锁存控制逻辑的8通道多路转换开关，便于选择8路中任 一路进行转换； 使用5V或采用经调整模拟间距的电压基准工作； 带锁存器的三态数据输出； 低功耗，约15mW； 工作温度范围