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)
20页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。,
2、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
3、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(Wheats
4、tone 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
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