第五章信号调理电路

5.3线性化
几种有源线性化电路 非线性反馈电路
多放大器反馈电路
电桥传感器非线性校正电路 分段式电路
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5.3线性化
非线性反馈电路 原理：利用非线性反馈，使反馈之路的非线性和 有源敏感器件的变换特性的非线性相互抵消，从 而实现线性化。也可以用运算放大器构成的函数 运算器进行线性化。
例：硅光电池的输出电压为：
Vc x Vo 4 1 x 2
前置放大器AD521输出的一部分与稳压管的基准 电压一起，经运放后反馈到电桥的电源端，使电 桥的电源随Vo变化。 若使AD521的增益AV与β AV Vref 乘积为2，则有
Vo
4
x
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5.3线性化
分段式电路 原理：对传感器的特性曲线呈缓慢、单调变化 的情况，将其特性曲线划分成若干段，每段 用一段直线近似代替。段间切换有开关二极 管控制。 参见下图
f Hz
4000 3000 2000
F1 F0 F2
F N
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振弦式传感器的特性曲线
5.3线性化
5.3.4有源线性化电路 无源线性化的缺点是降低了灵敏度。 有源线性化：运用运放、场效应管或晶体管等有 源器件实现线性化。 因运放有很高的增益、极高的输入阻抗、灵活多 变的接法，可获得各种各样函数变换。原则上， 任何敏感器件的变换特性都可以校正为足够好的 直线特性。电路复杂、调整不便、成本较高。 27
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5.3线性化
解得：
电阻 RHa RHb RHc
RHb RHb RHc 2 RHa RHc R RHa RHc 2 RHb
a
b c
Ha Hb Hc 相对湿度RH% 湿敏电阻修正后的特性曲线
22
5.3线性化
也可以直接对输出电压 进行线性化：
Vi RH R
RHb RHb RHc 2 RHa RHc R RHa RHc 2 RHb
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5.3线性化
y
y
'
y 2
y 3
输出经折线逼近可以得到：
y1 x1 x2 x3 x4
x
y y1 y2 y3 y
'
' 4 ' 4
40
k1x1 k2 x2 k3x3 k4 x
5.3线性化
电路
R0 Ru Rr D1 D2 r1 r2 r3 Uc
9
5.2电平调整
R2 Vref Vi1 Vi2 R1 + R4

+ R2
R3 +

+ R2
Vo
双运放电压调整电路
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5.2电平调整
双运放电压调整电路的输出为
R4 Vo R3
R4 R2 R4 R2 1 V 1 i 1 R R Vi 2 R R Vref 3 1 1 3 R4 R1 ，则电路具有较高CMRR， 选取电阻值，使 R3 R2
6
5.2电平调整
5.2.3有源电平调整
有源电平调整电路普遍采用 运算放大器，如反相放大电 路、同相放大电路等。 Rf Vi Vo Vi Ri
Rf
Ri Rp
+

+ R2
Vo
反相放大电路
7
5.2电平调整
有源电平调整的特点
可以实现放大或衰减，调整方便； 满足了阻抗匹配要求； 放大电路的带宽有限，一般厂家给增益带宽积， 如30MHz，若G=1000，则带宽小于30KHz ； 放大器本身的噪声影响；
18
5.3线性化
硬件线性化的特点 实时性强、简便、经济、可靠，应用广泛。 5.3.3无源线性化电路 用简单的无源器件（如电阻）与敏感器件并 联或串联，只要电阻值选择合适，就可以将非 线性校正到满意的程度。 如湿敏电阻的线性化
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5.3线性化
电阻 RHa RHb RHc a b c RH R R’h
42
5.4信号变换
5.4.1电压－电流转换 为了减少长线传输过程中线路电阻和负 载电阻的影响，可以将直流电压变换成 直流电流后进行传输。
电压-电流变换器：输出负载中的电流 正比于输入电压的电路。
信号制式：被测量电压→4～20mA。
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5.4信号变换
几种电压－电流转换电路 浮地电压-电流变电路：
双运放电压调整电路的输出简化为：
R4 Vo 1 V V V i 2 i 1 ref R 3
11
5.2电平调整
双运放电压调整电路的增益为
R4 G 1 R3
改变增益且保证CMRR不变，须同时调整两个电阻值。
能否只调整一个电阻值就达到目的？
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5.2电平调整
在检测系统设计与调试过程中，为了得到理想的 传函常常调整传感器/放大器的传函；
变送器量程也是标准的，不能全满足工程要求。 4
5.2电平调整
5.2.2无源电平调整
Vi
该电路可以实现信号的衰减
R1 R2
Vo
R2 Vo Vi R1 R2
无源电平调整电路
5
5.2电平调整
注意： 两个电阻的稳定性直接影响电平调整效果 作为传感器电路的负载希望电阻大些，作为 后续电路的输入希望电阻小些，折中考虑 大阻值（如MΩ）的电阻精度与噪声均较差 常用于精度要求较低的场合，否则用有源调 整电路
VI V0e
I
29
5.3线性化
利用运放构成对数电路，使输出电压为：
VA K ln VI K ln V0 KI
30
5.3线性化
运放构成的对数电路原理图如
iD
VI R D
iR
R’
+ R2
+

Vo
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5.3线性化
PN结的伏安特性为：
iD I S e
iD I S e
被测对象
传感器
实验结果 处理装置
激发装置
1
5.1概述
5.1.2信号调理的基本概念 信号调理：对传感器输出信号进行操作，将其 转换成满足后续传输与处理系统要求的信号 信号调理与检测电路关系：界限不很清楚，有 时二者合二为一。如有些教材将电阻抗-电压转 换电路（电阻、电感、电容等检测电路）归为 信号调理电路。
R2 RG
R4 R3 -
Vref
Vi1 Vi2
R1 +

+

+ R2
Vo
R2
+
增益可调的双运放电压调整电路
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5.2电平调整
电路的输出为
R4 R4 R4 R2 R4 R2 Vo Vi1 R R3 RG R3 R1 3 RG R4 R4 R4 R2 R4 R2 1 Vi 2 Vref R R3 RG R3 R1 3 RG
2
5.1概述
5.1.3信号调理的类型 电平调整（放大或衰减） 线性化（非线性信号调正成线性信号）
信号形式变换（如电压电流变换）
滤波与阻抗匹配（滤波电路、传感器内 部阻抗或电缆阻抗引起重大误差的处理）
3
5.2电平调整
5.2.1为何进行电平调整 检测系统中虽然可以采用输出标准信号的变送器， 但在具体设计中也常用传感器加电平调整的方案。 原因有三： 变送器虽然方便但成本较高，缺乏调节环节；
Et 4kTRf
8 放大器参数影响：输入失调电流、输入失调电压
5.2电平调整
5.2.4有源电平调整实例
某差动压力传感器的输出为33mV~58mV，数据 采集卡输入范围为0.5V~4.5V，因此中间需要电 平调整电路。 调整电路应具有如下特性： 33mV~58mV调整成0.5V~4V（留0.5V余量）
RL R1
ui R2 + IL
RL IL
R1

+
I1
ui R2
+

+ R2
R2
Ui IL RL
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5.4信号变换
具有放大作用的浮地电压-电流变电路：
R2 R1 + R3 R2
ui

+ R2
RL IL R4 ui
R1 I R3 +

+
RL
IL R4
Vo
串联电阻线性化电路
这种方法所需元件少、成本低，非常简便。但校 正范围窄，校正准确度不高，主要用于被测量变 化不大的场合。否则，要采用较复杂的无源电路。 23
5.3线性化
用较复杂的无源电路 仍以湿敏电阻为例，下图是不同敏感区的敏感元 件进行组合来进行线性化的电路
R1 RH1 RH R2 RH2
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R1 R2
Ui R3 R4
D3
D4 r4
+
Leabharlann Baidu
+ R2 Uo
5.3线性化
电路原理：四个二极管串联四个不同的电阻， 即可实现分段逼近线性化。 如：D1串联反向电压Uc1=R1Uc/(r1+R1)， D2串联反向电压Uc2=R2Uc/(r2+R2)， D3串联反向电压Uc3=R3Uc/(r3+R3)， D4串联反向电压Uc4=R4Uc/(r4+R4) 当输入信号Ui很小时，Ru= R0，随着Ui的增大， 四个二极管依次导通，实现分段拟合。
5.1概述
5.1.1检测系统的构成
力 位移 速度 加速度 压力 流量 温度 电阻式 电容式 电感式 压电式 热电式 光电式 磁电式 电桥 放大器 滤波器 调制器 解调器 运算器 阻抗变换器
中间变换 测量装置
笔式记录仪 光线示波器 磁带记录仪 电子示波器 半导体存储器 显示器 磁卡
显示及 记录装置
数据处理器 频谱分析仪 FFT 实时信号分析仪 电子计算机
Ha Hb Hc 相对湿度RH% 湿敏电阻的线性化
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5.3线性化
并联后的总电阻为
使a，b，c三点一线应满足 即满足
' Ha
RRH R R RH
' H
R R R R
' Hb ' Hb
' Hc
RRHa RRHb RRHb RRHc R RHa R RHb R RHb R RHc
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5.3线性化
5.3.1为何进行线性化 检测系统中希望输入输出特性是线性化的。 实际传感器大多数是非线性化的。 减少计算量，提高运算速度； 满足线性刻度； 使用方便。
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5.3线性化
5.3.2线性化的方法 数字式线性化：单片机、嵌入式系统、专用芯片； 灵活，适用性强，速度有限，难 以满足动态检测场合。 模拟式线性化：在信号调理电路中加入模拟非线 性环节。 按使用元件分：无源线性化、有源线性化
5.3线性化
RT W1 9.5K 22K 10K + 10K 3K
1μF 1K
+
1K
W3

+

+ Vo
1K W2
24K 10K +

+
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5.3线性化
电桥传感器非线性校正电路 原理：对电桥传感器电路，利用电桥输出对电 源电压敏感的特性，将电路信号反馈到电桥 的供桥电源端，是电源电压随输出信号变化 而变化，从而使输入输出成线性关系。 电路：如下图
+

+ R2 Vo
R2
+
具有正负零位电压调整的三运放电压调整电路
R1= R4， R2= R3， R5= R6
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5.2电平调整
电路的输出为
R4 R4 Vo 2 1 2 R3 RG
V V V V i 2 i 1 ref shift
q VD kT
1
ISe
VD / VT
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常温（25度）时，可以近似为
q VD kT
5.3线性化
运放构成的对数电路的输出为：
VI Vo VT ln RIS
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5.3线性化
多放大器反馈电路 通过多级运算放大器，将信号调理电路的输出信 号反馈到相关放大器的输入端，从而构造一个与 传感器特性相近的函数运算器，以实现较理想的 线性校正。 例如：热电阻的特性表达式一般是二次多项式， 温度变化较大时，非线性严重，下图为实用铂电 阻TRRA102B的非线性校正电路，采用正反馈， 非线性由2%变为0.1% 。 34
选取电阻值，使
R4 R1
R2 R3 输出简化为：
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R4 R4 Vo 1 2 V V V i 2 i 1 ref R RG 3
5.2电平调整
Vshift R5 R2 RG R4 R3 R6
Vref
Vi1 Vi2
R1 +

+

+ R2
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5.3线性化
电桥传感器非线性校正电路
Vc=Vref+βVo R R (1+X）R R + + LM324 10K -15V 4.3K 10K 1K Vref DZ

10K βVo
W Vo
+ +AD521

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5.3线性化
设电桥四臂电阻为R，传感器阻值为Rx=（1+x） R，桥路电压为V，则桥路输出为：
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5.3线性化
电阻 电阻 a b c
Ha Hb HcHd Ha Hb HcHd 相对湿度RH% 相对湿度RH% 湿敏电阻的线性化效果
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5.3线性化
用传感器特性曲线上线性较好的一段改善线性
振弦式传感器的特 性曲线中，频率的 平方与张力的成正 比，通过施加预紧 力，调整到中间一 段测量，非线性显 著减小。