传感器信号处理电路

Ros(M ) 3.3 3.9
RH(M ) 2.2 1.0
RF(K ) 18 22
(2)应用举例
增益调节 5 2
传 感 器 4
8
3
+
0~10 13 V/F 6 1 450/456
kHz
∆ ∆
8
用 8 F/V 451 2
∆
9
Fi 0~10 kHz
图6-23 FVC在两线制数据传输系统中的应用
第四节 滤波电路
第十一章
传感器信号处理电路
传感器信号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
传感器信号处理电路概述
基本要求：
信号的选取与抗干扰能力
①要求电路本身是低噪声的； ②采用恰当的屏蔽、隔离，合理的布线与接地； ③被测信号的调制和解调。
稳定性
电压变化型 电流变化型 电阻变化型 电流电压变换 电阻电压变换 电容脉冲率变换 电容变化型 电感变化型 频率脉冲 传感器 前处理 长距离传输 哈特来 科比兹 振荡 电路 电压脉冲 率变换 脉冲率电 压变换 数字技术 延迟电路 A/D 变换
利用脉冲率形式的前处理体系
•AD650原理
积分器CINT Cos
4558 + 15V e02 3.3K +15V 5k 1k 5k 5V 3.3K 15V 5V
2.电压—脉冲数变换电路
将传感器输出的电压或电流信号高低变成单位时 间内脉冲数的多少称作对信号进行前处理。这样 就大大提高了信号传输的抗干扰能力，解决了长 距离传输的问题。 这种方法只适用于实时性要求不是太高的场合。
解： （1）
AV =
5V 20 .64 mV
= 242
（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）
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。
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。
线性度
检测的非线性由传感器、传感器电路、显示执行 机构这三部分的非线性度产生。
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。
+5V
Iin
比较器
8
VIN
R1N
8
单稳
+
+
S1
∆
-Vs
+
-0.6V
∆
频率输出 1mA±10％
（a） V/F 转换方框图
• 结论：
当输入电阻 Rin、定时电容 Cos 一定时，输 出频率 Fo 正比于输入电压 Vin，而与积分电容 Cint 无关，它只决定积分器输出锯齿波的高度。
• AD650基本应用电路
AD650
V1N -15V
}
CINT RIN R1
1 2 3 4 5 6 7
14 13 12 11 10 9 8
20K 250K
+15V
0.1µF
R3
VL
1µF
R2
Cos
图 单极性输入V/F 转换电路
• 对AD650 单极性正输入电压V/F 转换电路，当 Vin=0-10V 时，Fo=0-100Khz； • 对AD650 单极性负输入电压V/F 转换电路，当 Vin=-10V～0V 时，Fo=100～0 Khz； • 对AD650 双极性输入电压V/F 转换电路，当 Vin=-5V~+5V 时，Fo=0-100Khz；
V0
R1=RB//RF
单运放可编程增益放大器
RB
RF1
RF2
8 A
Vi
+
单运放可编程增益放大器
∆
Vo
SW1
SW2
SW3
SW4
C
Q3 D3 D2Q2
B
A ∆ 8 V0 DY-04
D1D0
74LS273
D4 D5 D6D7
+ Vi
实用可编程增益放大器
六、集成隔离放大器
定义：
集成隔离放大器是一种特殊的仪用放大器，其 输入、输出和电源电路之间，在电流上和电阻上 彼此隔离而没有直接的电路耦合。
解： （1）
. V R2 = 1255mA ≈ 167 KΩ .
（2）
A v = (1 + 2
R3 RP1
)
R7 R5
=
1V 200 mV
= 5
则：Rp1=10KΩ （3）调节Rp2
三、电荷放大器
•要求放大器的输入阻抗非常高；（为什么？） 要求放大器的输入阻抗非常高；（为什么？） •利用绝缘性好的电容和高增益的运算放大器来实现。
eo = −i ⋅ R f
电流—电压变换电路实例
Rf
防止振荡 C’f 100K +15V 8
{
±1µA ±10µA ±100µA ±1mA F. S. 输 入 端 全量程 20 8 K ∆ 电路 950K 1K 950 100 Cf +15V 10K ∆ 950K 100K 950K 10K µA +714 15V e 01
R f 1 ⋅ R f 2 − R1 ⋅ R2 R1 ⋅ R2 ⋅ R
第二节
信号放大电路
一、电压放大器电路
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。
— AdQ
U0 =
Cf（1+Ad）
≈—
Q Cf
四、集成仪用放大器(AD521
特点
1. 2. 3. 4. 输入阻抗高，最大可达109Ω； 偏置电流低； 共模抑制比高； 平衡的差动输入；
AD612 AD620)
5. 具有良好的温度稳定性； 6. 增益可由用户选择不同的增益电阻来确定； 7. 单端输出
主要参数
Ui Ii
=
1
1 R1
−
R f 1R f 2 −R1R2 R1R2 R
⋅U o =
所以：
− I o 2 = U o1R U i = ( R f 1 ⋅R f 2 R1 ⋅ R2 ⋅ R
1 R1
令Rf1=R2 Rf2=2R1 则：
1 − R )U i
Ri =
)U i
R ⋅ R1 R − R1
I i = I i1 − I o 2 = ( −
特点：
1. 具有保护系统硬件不受高共模电压（CMV） 损坏的能力； 2. 没有外偏流流入引线，泄漏电流很低，解决 了噪声拾取问题； 3. 具有非常高的共模抑制能力。
耦合方式：
1. 变压器耦合 利用变压器耦合实现载波调制，通常具有 较高的线性度和隔离性能，但是带宽被限制 在1KHz以下。 2. 光电耦合 利用LED光电耦合的方法实现载波调制， 其隔离性能不如变压器耦合，但可获得 10KHz的带宽。
& & U+ =U−
& Uo RF 1 = (1+ ) & Ui R1 1+ jω RC
的一次项，故称为一阶滤波器 一阶滤波器。 传递函数中出现ω 的一次项，故称为一阶滤波器。
Uo RF = (1+ ) 幅频特性： 幅频特性： Ui R1
1
ω 2 1+ ( ) ωo
1 (ωo = ) RC
ω 相频特性： 相频特性： ϕ = −argtg ωo
284J的原理框图
高端5 Vi 2 Ri 1 ）（ ）（ ）（ 60KHz 振荡器 8 7 输入屏蔽 +Vs + 8 ∆ 10
调制器 ）（ ）（ ）（
解调器
滤波器
9
地 6 3 +V
ISO
-VISO 4 电源
提问：Uout=?
第三节
信号变换电路
1.电流—电压变换电路(电流放大器)
Ef Zi i ei i’ Rf ∆ + 8 e0
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。
传感器的匹配
• 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（100M ）
• 输出阻抗小——变压器匹配
作用：
滤除各种外接干扰所引起的噪声以及多余的不需要的信 号，提高信噪比(S/N)。
分类：
无源滤波器、有源滤波器 模拟滤波器、数字滤波器 低通、高通、带通、带阻、全通
理想滤Hale Waihona Puke Baidu器
Uo Ui
低通
Uo Ui
高通
ω
Uo Ui
带通
ω
Uo Ui
带阻
ω
ω
一、低通滤波器
• 无源低通滤波器
G (s )
1 2
G(s) =
1. 增益方程式:仪用放大器所要求的增益与放大器增益 控制电阻的关系式为： V0 = ViRs / RG 2. 增益范围：系指可提供的使放大器工作正常的增益范 围（典型值1－1000）。 3. 失调电压：系指为了使输出电压为零而需要在输入端 外加的电压。 。 4. 输入偏流：系指保证直流放大器的输入晶体管正常工 作所需的偏置电流。 5. 共模抑制比：系指当两个输入端具有等量电压变化时 所测出的输出电压的变化。 6. 非线性度：系指实际的输出和输入的关系曲线与一条 理想直线的偏差
(1)基本工作原理
模块式 451 和 453 型 F/V 转换器。
+15V Eos 校准 -15V
1 8 2
1K
Ros Cc滤波电容
精密 电
滤 波 器 ∆ A2 + 8 +1
∆ ∆ +Vs
+ A1
RH
器
8 满 刻 度 校
3
10K
100K
Ce RF 9 准
4
型号 CF(pF) 451 453 0.015 0.001
五、可编程增益放大器( 五、可编程增益放大器(PGA)
1M 1 8 V0 ∆ 1M
110K 2 20.4K 10.1K + 10kς 3 4
增益
1 100 50 10 2 1 1 0 1 1 1 2 1 1 0 1 1
开关
3 1 1 1 0 1 4 1 1 1 1 0
RF1 RF2 Vi Rs + 8 A ∆
1 RC ⋅ S + 1
缺点 ： • 带负载能力差； 带负载能力差； • 无放大作用； 无放大作用； • 特性不理想，边沿不陡。 特性不理想，边沿不陡。
• 有源低通一阶滤波器
RF R1
& U− =
R1 & ⋅Uo R1 + RF
& Ui
R
∞ + +
C
1
& Uo
1 jω C & & & ⋅Ui U+ = ⋅Ui = 1 1+ jωRC R+ jω C
Cf ∆ ∆ 8 A + U0
~Q
U0 = - Q / Cf
•电荷放大器实际等效电路
Cf Gf
8
∆ ∆
U0
Q
~
Cs
Cc
Gc Ci
Gi
+
传感器
}
}
电缆
放大器
Cs—压电传感器固有电容 Cc—输入电缆等效电容 Ci—放大器输入电容 Cf—反馈电容 Gc—输入电缆的漏电导 Gi—放大器的输入电导 Gf—反馈电导
二、差动放大器电路
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 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。
1 Tmax 2
Tmax
T(ω)
ϕ (ω )
ω
ωo = 1
RC
ω
− 90 °
电路的特点： 电路的特点：
Uo RF = (1 + ) Ui R1 Uo RF 1 = (1 + ) Ui R1 2
1. ω =0 时 2. ω =ωo 时
– 动圈式传声器（30-70 ）
高输入阻抗放大器
求：输入阻抗Ri=?
解：根据虚地原理
I i1 =
Ui R1
=−
Rf 1 R1
Uo Rf 1
输入阻抗：
U0 = −
U o1 = −
⋅U i
R f 1 ⋅R f 2 R1 ⋅ R2
Ri =
⋅U i
I i 2 = U 2o = − Ufo12 R R
Rf 2 R2
• AD650 应用很广，几乎可代替目前所有的 V/F 转换电路。它具有以下优点：
– 工作频率高； – 抗干扰和共模电压能力强； – 非线形和温漂低； – 可靠性高； – 适用与远距离传输； – 且输入方式灵活，价格低廉。
3.脉冲数—电压变换电路 3.脉冲数—
• 脉冲数-电压变换电路即频率-电压转换器，简称 F/V 转换器； • 由于转换的阈值和增益可调，且具有很低的非线 性误差，它在电机转速控制、电源频率监视器和 VCO 稳定电路方面都具有广泛的应用； VCO（压控振荡器）： 主要利用它的结电容随反偏压变化而变化的特 性,通过改变变容二极管两端的电压便可改变电容 的大小,从而改变振荡频率。