传感器及其信号调理技术 教学课件 ppt 作者 徐湘元 第10章（1）
,第10章 传感器信号的加工调理,【内容提示】当传感器将被测物理量转变为电信号后，通常还不便直接应用，其主要原因包括：电信号幅度小，且大都混有、甚至淹没在噪声之中，传感器的输入和输出之间呈非线性关系，输出信号形式与后续应用要求不匹配等，这就急切需要对传感器的输出信号从技术上进行处理，以满足后续工作的需要。为此，本章将讨论传感器输出信号的放大、滤波、非线性处理和信号变换等技术问题。,经过传感器或敏感元件转换后输出的电信号一般比较微弱，而且大多数情况下信号中还夹杂着噪声，如果将这种信号直接用于显示、记录或控制，往往会引发问题，所以有必要对输出信号进行放大和滤波处理；另外，几乎所有传感器都存在不同程度的非线性，有的还比较严重，难以满足应用的要求，需要对其进行线性化校正；再有，在信号的传输过程中，为了提高信号的抗干扰能力和减小信号衰减，往往需要将电压信号转变为频率或电流等形式；最后，在计算机测量系统和数字仪表中，还需要将传感器信号进行模数转换。所有这些对传感器输出信号进行的处理或转换，我们称之为传感器信号的加工与调理。本章将讨论检测信号的放大、硬件滤波、非线性系统的硬件校正和信号变换等内容。,10.1 基本放大电路,传感器的输出电信号一般都比较弱，电压为毫伏级，有的甚至为微伏级，电流为毫安级，有的甚至为微安级。它们一般都需要用运算放大器来进行放大。 如果将传感器的输出等效为电压源，则应包括共模电压（common mode voltage ）和差模电压（differential mode voltage）。通常，共模电压是无用信号，应进行抑制，而差模电压是需进行放大的有用信号。所以，要求放大器有极大的差模放大倍数AD，以及极小的共模放大倍数AC。也就是说有极大的共模抑制比（common mode repression ratio, CMRR)：,由电子技术可知，当今世界，集成运算放大器是进行信号放大的首选器件，理想运算放大器具有共模抑制比无穷大、输入阻抗无穷大、对差模信号的开环放大倍数也为无穷大的特点。实际集成运算放大器的增益可达 之高，输入阻抗可达几千欧至几十兆欧之大，输出阻抗可达不大于100欧姆之小。所以，为了方便起见，人们常将实际集成运算放大器视为理想运算放大器。尽管这样做会有误差，但很多情况下这种误差是可以接受的。下面将电信号的基本放大电路作一简单的回顾，同时，为过渡到测量信号放大器作铺垫。,10.1.1 同相和反相放大器,图10-1为同相放大器（noninverting amplifier），考虑运算放大器的正负输入端口阻抗很大，可以认为电流不流入，且电位相等，即“虚短”。根据图10-1，由基尔霍夫电流定律和“虚短”概念，可获得同相放大器的增益为,图10-2 反相放大器,图10-1 同相放大器,反相放大器（inverting amplifier）电路如图10-2所示，根据基尔霍夫电流定律和“虚地”（因运算放大器的正输入端通过 接地，且无电流，所以负输入端对地电位为零）的概念，可得增益,负号表示输入输出信号反相。,10.1.2 差动放大器,差动放大器（differential amplifier）电路如图 10-3 所示，分别对运算放大器正负输入端列基尔霍夫电流方程：,图10-3 差动放大器,，,消去中间变量 ，并设 ，,显然，差动放大器的输出电压与输入电压差成正比。,10.1.3 电桥放大器,对于将被测量变化转化为电阻变化的这类传感器，往往需要借助适当的电路，将电阻的变化转化为相应的电压或者电流的变化，最常见的这种电路就是惠斯顿电桥(Wheatstone electrical bridge)，简称电桥。该电路理论上要求电桥的负载无穷大，而采用运算放大器作负载，其输入电阻可达很高。下面讨论三种形式的电桥放大器。,1电桥输出与运算放大器输入端不接电阻 其具体电路如图10-4所示。根据该电路，对运算放大器正负输入端分别列基尔霍夫电流方,程，有,，,图10-4 电桥放大器1,图10-5 电桥放大器2,考虑： ， ，其中 为传感器电阻相对变化。联立两方程，消除中间变量 、 ， 有输出,由于 ，上式可变为,可见，输出电压 与传感器电阻相对变化 成正比，即与被测物理量成正比。,2电桥输出与运算放大器输入端接电阻,该情况的电路如图10-5所示，与图10-4比较起来，仅电桥输出与运算放大器正负输入端分别接有电阻 。 忽略放大器对电桥的影响，则有,（10-1）,由于 ，所以有,由上面的10.1.2 的输入和输出的关系可知，,（10-2）,3反馈式电桥放大器,在如图10-6所示的电路中，由于运算放大器 A2 是跟随器，所以有,又由于流过两个电阻 的电流相等，所以有,（10-3）,图10-6 反馈式电桥放大器电路,此处 ，其大小可 由来调节，它反映 反馈到电桥电路的大小。由式（10-3）可求出,图10-6 除了反馈部分，其它部分与图10-5 相似，用 代替式（10-1）中的 E，有,（10-4）,将式（10-4）带入式（10-2）的前一等号，有,整理得到,调节 ，使 ，则有,以上谈了几种基本放大电路，目前集成运算放大器种类较多，例如，通用型、高输入阻抗型、低功耗型和低漂移型等。如何选择符合要求、并且性能价格比高的放大器，是一个很实际的问题。下面几条可作为参考： 1如果没有特殊要求，可选通用型。因为它种类多、价格较低、挑选余地大。实际上，通用型中还有单放、双放、四放等多种之分，可根据实际需要确定；,2如果传感器输出阻抗很大，例如电容式和压电式传感器可达 欧姆，可选高输入阻抗型运算放大器， MOSFET 类的集成运算放大器有：CA3140 、CA3260等，FET类的有：LF356/A、LF412、LF444 和 LM310等，它们的输入阻抗可达 。,3. 如果传感器获得的电信号在毫伏级或者更微弱，可选高精度、低漂移和低噪声类型的运算放大器，如LMP7732、AD8628/AD8629/AD8630 等；,4对高速采样保持、高频振荡等选用高速宽带型运算放大器，对高压输入输出场合选高压型运算放大器，对宽范围电压控制振荡、伺服放大与驱动，可选跨导型、电流型运算放大器。,10.2 测量信号放大器,测量信号放大器也叫仪器放大器（instrumentation amplifier）、数据放大器（data amplifier），其作用是对来自传感器的电信号进行放大。由于传感器输出信号电平低、内阻高、且伴有较高的共模电压，所以对检测信号放大器的要求为：输入阻抗应该远大于信号源内阻（即高输入阻抗），低输出阻抗，抗共模电压干扰能力强，在预定的频带范围有稳定而较高的增益、良好的线性度，输出性能稳定。有些情况下，还要求这类放大器具备一些特别的功能，如：放大器增益可改变、放大器输入和输出之间具有隔离功能等。下面我们来具体讨论这些问题。,10.2.1 仪器放大器,1电路结构与放大原理,图10-7为仪器放大器原理结构图，它由对称同相放大器和差动放大器两部分构成。其中运算放大器 、 和电阻 、 、 构成对称（ ）同相放大器，可以获得高输入阻抗，飘移也大为减小；运放 和电阻 组成差动放大器，此时如果配置的电阻参数对称，即 ， 则仪器放大器可获得高共模抑制比 (即强抗共模电压干扰能力) 。,下面计算电路增益。由图10-7，考虑运算放大器 、 (包括 ) 输入端无电流，所以有,另外,图10-7 仪器放大器电路结构图,考虑运算放大器 正负输入端电位相等，但无电流进出，对其节点列基尔霍夫电流方程,，,消去中间变量 ，则有,所以放大器增益为,（10-5）,从增益 G 的表达式看，改变 、 和 均可改变 G 的大小，但实践中是通过改变 来实现 G 的变化，其原因是， 或 的改变必须同时进行 、 或 、 的等值改变，否则，难以保证电路的对称性，并由此产生增益误差和共模抑制比下降。,在弱信号、强干扰的测量场合，通用运算放大器代替不了仪器放大器，其主要原因是： 通用运算放大器抗共模干扰能力远低于仪器放大器，尤其对交流共模信号，原因是它无法接入输入保护电路； 为了提高抗共模干扰能力和抑制漂移影响，要求运算放大器两输入端等效直流电阻对称； 仪器放大器具有高共模抑制比、高输入阻抗、低温漂、对小差模信号敏感、适合远距离传来的传感器信号。,2仪器放大器集成器件,图10-7 仅是仪器放大器的原理电路，作为实际应用，往往以集成器件的形式出现，而且还有一些实际问题需要考虑和解决。例如，电路中电阻的误差和温漂引起增益不准确、共模抑制比下降、增益调节等。为此，下面以美国模拟器件公司(Analog Devices Inc., AD)生产的 AD521/AD522 为例，介绍一下基本情况。,AD521是美国AD公司生产的一种集成测量放大器，放大倍数范围在1-1000，输入阻抗为 ，工作电压范围为5-18V，共模抑制比可达120dB，具有输入输出保护功能和较强的过载能力。图10-8是 AD521 器件的管脚接线图，放大倍数由 决定。,AD521芯片的使用：AD521与变压器、热电偶和电容的连接耦合见图10-910-11。值得一提的是，使用AD521时应为偏置电流提供回路，防止输出饱和而不可控。具体做法是,图10- 9 AD521与电容连接,图10- 8 AD521基本接线图,图10-11 AD521与热电偶直接连接,图10-10 AD521与变压器连接,输入端对地有一条通路，即AD521输入端 (1、3脚) 直接或经电阻与电源的地线构成回路.,AD522是另一款集成精密测量放大器，放大倍数为1-1000，共模抑制比可达120dB，具有低电压漂移 ( )、低噪声（峰峰值1.5mV）和线性度好等特点。与AD521相比，AD522还具有数据防护端。,除了上述测量放大器之外，还有AD620、AD626、LH36/LH0036C 和 LM363 等测量放大器，限于篇幅，不作进一步介绍。,10.2.2 可编程增益放大器（programmable gain amplifier, PGA）,对于自动检测系统来说，总是希望能够根据输入量的幅度，自动调整放大器的增益，使输出信号维持在一个合适的动态范围，也就是实现自动量程切换。另外，在多路数据采集系统中，经常遇到各路输入信号动态范围不相同的情况，于是希望对输入信号幅度小的支路，放大时获得较大增益，输入信号幅度大的支路，放大时获得较小增益，以实现尽管输入幅度范围不同，但输出幅度范围相同。对于这些情况，需用到可编程增益放大器了。,LH0084 是在仪器放大器的基础上实现的PGA，其内部结构如图10-12所示。通过软件输出相应的编码控制信号 和 ，以选择通道。每个控制信号同时驱动两个对称开关闭合： 和 、 和 、 和 ，或者 和 ，确保电路参数对称地变化，获得不同的输入级增益。,举例来说，假如编码控制信号使开关 和 闭合，那么就有： ， （ 和 R 等含义见图10-7）。,图10-12 LH0084电路结构图,输出级增益不是通过编程选择的，而是通过芯片引脚的不同接线来实现的。为了保证较高共模抑制比，接地电阻与反馈电阻需对称使用，即引脚8（接引脚10）和引脚11（接地）、或引脚7（接引脚10）和引脚12（接地）、或引脚6（接引脚10）和引脚13（接地）。,例10.1 假如编码控制信号 和 使
