传感器接口电路与信号处理.ppt

UO
R R0
U
i
从上式可见，全桥输出电压是单臂电桥输出的电压的四 倍，是双桥输出电压的两倍;全桥的灵敏度也是单臂电桥灵敏 度的四倍，是双桥灵敏度的两倍，而且无非线性误差。
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7.1 电桥电路
2.交流电桥
交流电桥的工作电源为交流。把图7-1中的直流电源换成 交流电源ui，它的四个桥臂换成电阻、电感、电容等任意组 合的复阻抗Z1，Z2，Z3，Z4，根据直流电桥的分析方法，得 交流电桥的输出电压为:
Kn
UO R1
R1 4R0
U
i
R1
1 4
U
i
R0
R0
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7.1 电桥电路
②双臂电桥就是电桥中两相邻桥臂为传感器，其余为固定值。 如图7-1所示为R1，R2传感器，并且满足条件R1=R2=R3=R4 =R0，同时△R1=-△R2=△R0 ，则该电桥的输出为
UO
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1 2
R R0
U
i
上式表明，电桥的实际输出与电阻变化率成线性关系，
的不平衡状态相似，也有三种形式，即单臂电桥、双臂电桥
和全桥。
单臂交流电桥的输出电压为:
uO
1 4 ui
Z Z0
双臂交流电桥的输出电压为:
uO
1 2
u
i
Z Z0
全桥交流电桥的输出电压为:
uO
ui
Z Z0
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7. 2 放大电路
传感器的输出信号一般比较微弱，因而在大多数情况下 都需要放大电路。放大电路主要用来将传感器输出的信号进 行放大处理，为检测系统提供高精度的输入信号，对检测系 统的精度起着关键作用。
则说明该电桥无非线性误差。又由于该电桥的输出电压比单 臂电桥输出电压提高一倍，则电桥的灵敏度也提高一倍。
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7.1 电桥电路
③全桥就是电桥的四个臂均为传感器。如图7-1所示，若满足 R1=R2=R3=R4 =R0 ，同时△R1=-△R2= △ R4=-△R3 = △ R0， 则该电桥的输出为:
第7章 传感器接口电路与信号处理
7.1 电桥电路 7. 2 放大电路 7. 3 噪声干扰的抑制 7. 4 调制与解调电路 7.5 D/A、A/D转换电路及接口
第7章 传感器接口电路与信号处理
传感器接口与信号处理电路是检测系统一个非常重要的 环节，其性能直接影响到整个系统的测量精度和灵敏度。在 实际应用中，传感器接口与信号处理电路主要用于传感器信 号检测和信号预处理，并起连接作用。
2)直流电桥的不平衡状态。直流电桥的不平衡状态有三种形式， 即单臂电桥、双臂电桥和全桥。
①单臂电桥就是电桥中一桥臂为传感器，其余为固定值。假设 只有R1是传感器，工作时其阻值变化为△R，这时电桥的输 出电压可用公式表示为:
UO
Ui
( R1 R1 R1 R1 R2
R3 ) R3 R4
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直流电桥的基本形式如图7-1所示。图中R1，R2，R3，R4 为电桥的桥臂电阻，RL为其负载。当RL趋于无穷时，电桥的 输出电压UO用公式表示为:
UO
Ui
( R3 R1 R3
R4 ) R2 R4
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7.1 电桥电路
1)直流电桥的平衡条件。当电桥平衡时， UO =0，可以得到电桥 平衡的条件，即: R1R2=R3R4
U out
RF R1
U in
负号表示输出电压与输入电压反相，其放大倍数取决于 RF与R1的比值大小，具有很大的灵活性，因此反相放大器广 泛用于各种比例运算中。
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7. 2 放大电路
7. 2. 2 同相放大器
如图7-3是同相放大器的基本电路。输入电压直接从同相 输入端加入，而输出电压通过电阻RF反馈到反相输入端，同 相放大器的输出电压可表示为：
不平衡电桥的应用是基于偏差测量法。电桥平衡则输出 为零，否则输出量不为零，这时输出量的大小反映了被测量 的变化情况。
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7.1 电桥电路
7.1.2 电桥的工作原理及主要性能指标 电桥电路的主要性能指标有输出特性、非线性误差和灵
敏度，下面具体讨论有关电桥的工作原理和这几项性能指标。 直流电桥
传感器接口与信号处理电路的选择是根据传感器输出信 号的特点及用途来确定的。不同传感器有不同的输出信号， 而且，这些输出信号很微弱，并与输入的被测量之间一般呈 非线性关系，为了获取有效的信息或数据，因而需要的接口 与信号处理电路也各不相同。本章仅对一些重要的接口与信 号处理电路加以介绍。
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7.1 电桥电路
7.1.1电桥的分类 电桥的分类方法有多种，按电桥采用电源的不同，可分
为直流电桥和交流电桥;按电桥的工作方式的不同，可分为平 衡电桥和不平衡电桥;按电桥被测电阻接入方式的不同，可分 为单臂电桥、双臂电桥和全桥
平衡电桥的应用是基于零位测量法。电桥平衡则输出为 零，否则输出则不为零，这时可以通过调节电桥比较臂电阻 的大小使电桥重新达到平衡，然后根据电桥平衡条件，计算 出被测量的变化。
U out
1
RF R1
U in
可以看出，同相放大器的增益也同样只取决于RF与R1， 的比值大小，这个数值为正，说明输出电压与输入电压同相，
7.1 电桥电路
当满足条件R1=R2=R3=R4 ，且R0>> △R1时，电桥的理想输出为:
UO
R1 4R0
U
i
从上式可以看出，单臂电桥的理想输出与工作桥臂电
阻的变化率为线性关系。但这一线性关系是在一定条件下
的近似，其输出结果与电桥的实际输出之间存在一定的误
差，这个误差称为非线性误差。
电桥的灵敏度是指电桥的输出电压与被测电阻的变化 率之间的比值。用公式表示为:
目前，检测系统中的放大电路，除特殊情况外，一般都 采用运算放大器构成。常用的运算放大器有反相放大器、同 相放大器和差动放大器等。
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7. 2 放大电路
7.2.1 反相放大器 如图7-2是反相放大器的基本电路。输入电压通过电阻R1，
加到反相输入端，同相输入端接地，输出电压通过电阻RF反 馈到反相输入端，反相放大器的输出电压可表示为:
uO
ui
(
Z1
Z3 Z
3
Z4 ) Z2 Z4
ui
Z2Z3 Z1Z4 (Z1 Z3 )(Z 2 Z 4 )
1)交流电桥的平衡条件。交流电桥的平衡条件分析与直流电桥平 衡条件分析相似，可以知道其平衡条件为:
Z2Z3=Z1Z4
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7.1 电桥电路
2)交流电桥的不平衡状态。交流电桥的不平衡状态与直流电桥