传感器信号处理电路.ppt

传感器检测电路设计,传感器检测与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,为什么需要信号转换和处理电路？ 检测与处理电路设计的基本要求？,第一节 检测电路设计概述,对测试信号进行转换处理的目的： 1.传感器输出的信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。 2.有些传感器输出的是电参量，需要转换成电信号才能进行处理。 3.有些传感器输出的是电信号，但信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。 4.某些场合，为便于信号的远距离传输等原因，需要对传感器测量信号进行调制解调处理。,为什么需要信号转换和处理电路？,1、稳定性 温漂：处理的结果在一次运行中发生渐变 长期稳定性：由于元器件老化、插接件弹性疲劳、氧化等原因 短期稳定性：示值重复性。,2、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。,检测与处理电路设计的基本要求：,3、线性度 检测的非线性由传感器、传感器检测电路、显示执行机构这三部分的非线性度产生。,4、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。,5、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。,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 动圈式传声器（30-70）,第二节 信号放大电路,传感器输出的信号常为微弱电压、电流或电荷信号，因此需要接放大电路。对信号的放大有很多种电路可以实现，但工程测试中所遇到的信号，多为100kHz以下的低频信号，在大多数的情况下，都可以用放大器集成芯片来设计放大电路。 1、基本放大电路 2、仪表放大电路 3、电桥放大电路 4、程控增益放大电路 5、隔离放大电路,一. 基本放大电路,比例放大器 反相与同相放大电路是集成运算放大器两种最基本的应用电路，许多集成运放的功能电路都是在反相和同相两种放大电路的基础上组合和演变而来的。 2、差动放大电路,1） 反相放大器,闭环增益：,反馈电阻R2值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。R1的取值应远大于信号源Ui的内阻。(放大倍数小，噪声大，输入阻抗小),高输入阻抗反相放大器,A2提供补偿电流，减小A1从信号源吸取的电流，可以大幅度地提高主放大器的等效输入阻抗Rin,输入阻抗,上式表明：只要R稍大于Rr，就能获得很高的输入阻抗，可高达100M。但R绝对不能小于Rr，否则输入阻抗为负，会产生严重自激。,改进电路：自举型高输入阻抗放大器,高输入阻抗放大器,求：输入阻抗Ri=?,解：根据虚地原理,所以：,输入阻抗：,令Rf1=R2 Rf2=2R1 则：,2） 同相放大器,闭环增益：,同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。,输入阻抗,输出阻抗,集成运算放大器可以作为一个器件构成各种基本功能的电路。这些基本电路又可以作为单元电路组成电子应用电路。 同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。 高输入阻抗电路常应用于传感器的输出阻抗很高的测量放大电路中。如电容式、压电式传感器的测量放大电路。,同相放大器输入阻抗ri+ ri+= ri(1+AF) 同相放大器输出阻抗ro+ ro+= ro/(1+AF),教材约定：在涉及同相放大器的输入阻抗时，均以ri+来表示，即指同相放大器所具有的最低在107以上的输入电阻，而不器刻意指明其具体的数值。,电压放大器电路举例,例：K型热电偶，将0500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。,解： （1） （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? （2）断线检测功能为什么要求运放的输入偏置电流小？,（因为运放有输入偏置电流）,（因为运放输入偏置电流在R6上产生很大的压降）,3） 基本差动（差分）放大器,什么是差动放大器？ 差动放大器是把二个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反相二个输入端，然后在输出端取出二个信号的差模成分，而尽量抑制二个信号的共模成分。,差动放大器具有双端输入单端输出、共模抑制比较高的特点，通常用作传感放大器的前端放大器。,输入电阻：,难以避免的缺点：,1. 输入阻抗低,3. 工艺性差,2. 共模抑制比低,二、 仪用放大器/电路,什么是仪用放大器？ 是一类高输入阻抗，高共模抑制比的差分放大器。具有精度高，稳定性好等特点，经常用于精密仪器电路和测控电路中，故称为仪用放大器，也称为仪器放大器。 典型的仪表放大电路如下图所示，图中所有电阻均采用精密电阻。,1、仪器（仪用）放大器,由于同相放大器的输入阻抗为ri+，不难得出三运放电路的输入阻抗：差动输入阻抗rid 2 ri+，共模输入阻抗ric ri+2。,仪器（仪用）放大器,可得放大器前级的差模增益AVD1和共模增益AVC1,仪器（仪用）放大器,仪器放大器前级的差模增益AVD和共模增益AVC,因此，三运放电路的共模抑制比在电阻匹配精度相同的情况下，要比基本差动放大器高 倍。由此可见，由三运放组成的差动放大器具有高共模抑制比、高输入阻抗和可变增益等一系列优点，它是目前测控系统和仪器仪表中最典型的前置放大器。,三运放结构的测量放大器,该电路具有很高的共模抑制比。只要A3的两输入端所接的电阻对称，V3和V6共模成分则可以互相抵消。,测量放大电路具有以下的特点： (1) 测量放大器是一种带有精密差动电压增益的器件。 (2) 具有高输入阻抗、低输出阻抗。 (3) 具有强抗共模干扰能力、低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点。 (4) 在检测微弱信号的系统中被广泛用作前置放大器。,仪表放大器电路举例,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。,解： （1）,（2） 则：Rp1=10K,（3）调节Rp2,三、 电桥放大电路,何谓电桥放大电路？ 由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路或由传感器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。 应用于何种场合？ 应用于电参量式传感器，如电感式、电阻应变式、电容式传感器等，经常通过电桥转换电路输出电压或电流信号，并用运算放大器作进一步放大，或由传感器和运算放大器直接构成电桥放大电路，输出放大了的电压信号。,a 、c两端接电源Ui，称供桥端； b、d两端接输出电压Uo，称输出端。,一、电桥 电桥的作用：将电阻R(应变片)、电感L、电容C等电参数变为电压U或电流I信号后输出。,根据桥臂阻抗性质的不同为 :,电阻电桥 电容电桥 电感电桥,根据供桥电源分为 :,直流电桥: 采用直流电源 只用于测量电阻R的变化 交流电桥：采用交流电源测量电阻R 、电容C 、电感L的变化,1. 电桥的分类,2. 直流电桥,四个桥臂由电阻R1、R2、R3和R4组成。,直流电桥,平衡条件,R1R3=R2R4,直流电桥,电桥的输出：,平衡的条件：,温敏电阻,直流电桥,R1R,U0U,U,R1,R1R3=R2R4,平衡的条件：,电桥的输出：,这时，电桥平衡吗？,R,为了简化设计，R2=R3=R4=R0 ，而 R1=R0+R,直流电桥,R0R,U0U,U,电桥的灵敏度定义为,单片,半桥、单臂输出,全桥、四臂输出,半桥、双臂输出,四片,两片,半桥、单臂输出,全桥、四臂输出,半桥、双臂输出,统一表示：,四片,全桥、四臂输出,当R1 R1R1，R2 R2 R2 ，,由于，R1=R2=R3=R4=R0，R取相同值，可得,R3 R3R3，R4 R2 R4时,电桥的灵敏度定义为,全桥、四臂平衡条件简要推导,程控增益放大器(PGA)是自动检测系统和智能仪器中实现量程增益自动转换和调整信号电平的重要器件。 程控放大器由运算放大器、模拟开关驱动电路和电阻网络组成。基本形式有同相输入和反相输入两类。,三、程控增益放大器,1、可变增益放大器,2、可变增益放大器,3、可变增益放大器,4、可变增益放大器,5、可变增益放大器,什么是隔离放大电路？ 隔离放大电路是一种特殊的测量放大电路，其输入回路与输出回路之间是电绝缘的，没有直接的电耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。 应用于何种场合？ 隔离放大电路主要用于便携式测量仪器和某些测控系统（如生物医学人体测量、自动化试验设备、工业过程控制系统等）中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。,四. 隔离放大电路,五、电荷放大器,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。,U0 = - Q / Cf,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。,特点： 具有保护系统硬件不受高共模电压（CMV）损坏的能力； 没有外偏流流入引线，泄漏电流很低，解决了噪声拾取问题； 具有非常高的共模抑制能力。,耦合方式： 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。 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。,提问：Uout=?,电流电压（I-U）变换电路 电压电流（U-I）变换电路 电压脉冲（V-F）变换电路 脉冲电压（F-V）变换电路,第四节 信号变换电路,1、电流电压变换电路(电流放大器),电流电压变换电路实例,1A,10A,100A,1mA,F. S.,全量程,输入端,+,1k,5k,5k,e02,e01,Cf,+15V,-15V,输入保护电路,+,Cf,+15V,-15V,-15V,+15V,5V,5V,950K 100K,95K 10K,9.5K 1K,950 100,20K,10K,3.3K,3.3K,100K,Rf,4558,A,714,8,8,防止振荡,2、电压-电流变换,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。,3.电压脉冲数变换电路,电压变化型,电流变化型,电阻变化型,电容变化型,电感变化型,频率脉冲,电流电压变换,电阻电压变换,电容脉冲率变换,延迟电路,电压脉冲 率变换,脉冲率电 压变换,A/D 变换,数字技术,传感器,长距离传输,前处理,利用脉冲率形式的前处理体系,4.脉冲数电压变换电路,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。,二、传感器的噪声来源,传感器和电路元件产生的噪声 电阻产生的噪声(热噪声：自由电子随机热运动） 晶体管产生的噪声（散粒噪声+1/f噪声） 放大器产生的噪声 接触噪声（接触面导电率不一样） 开关器件产生的噪声 寄生振荡干扰（布线不合理）,外部噪声源引起的噪声 雷电、大气电离、宇宙射线、其他电磁波； 电磁场、电火花、电弧焊接、高频加热。,三、干扰的耦合方式,1、静电耦合（电容性耦合） 由于两个电路之间存在着分布电容，当其中一个电路的电位发生变化时，该电路的电荷就会通过分布电容传送到另一个电路。,结论： （1）干扰源的频率越高，静电耦合引起的干扰越严重； （2）降低接收电路输入阻抗，可减少静电耦合干扰； （3）通过合理布线，减少分布电容C，减少静电耦合干扰。,2、电磁耦合（互感性耦合） 当两个电路之间有互感存在时，一个电路的电流产生变化就会通过磁场耦合到另一个电路。,3、共阻抗耦合 当一个电路的电流流经共阻抗产生电压降时，就成为其他电路的干扰电压。 通过电源内阻的共阻抗耦合干扰 减小电源内阻 各电路接去耦滤波电路 通过公共地线的共阻抗耦合干扰 采用一点接地,4、漏电流耦合 由于测量电路内部存在漏电阻产生漏电流引起的干扰。,例：设直流放大器输入阻抗Zi=108，干扰源电动势En=15V,绝缘电阻R=1010，求耦合干扰Eo=?。,四、噪声的抑制,噪声的抑制途径 消除或抑制干扰源 减少接收电路对干扰的灵敏度 阻断干扰的传输途径和耦合方式,传感器和电路器件产生的噪声的抑制,（1）为减少电路元件的热噪声，应使放大器的外部电阻尽量小； （2）使用双极型晶体管的前置放大器来放大传感器的输出信号的场合，选取 IC值尽可能小； （3）选用 Vna、Ina 小的运算放大器来组成传感器电路； （4）对于开关噪声，设置相应的伪电路，用差分来消除开关噪声。,降低噪声的信号处理方法,（1）滤波（只能去除带外噪声）； （2）相位检波（基于信号是周期的，而噪声是随机的原理） 。,外部噪声的抑制 外部噪声是通过静电耦合和磁耦合串入传感器电路。 具体方法：屏蔽、接地 （浮空、隔离、滤波）,2、接地技术 基本目的：消除各电路电流流经公共地线时所产生的噪声电压，以及免受电磁场和电位差的影响。 地线种类： 信号地线：模拟信号地线、数字信号地线 功率地线：大电流网络部件的零电平 交流电源地线： 屏蔽接地线及机壳接地线 接地原则 一点接地和多点接地：高频电路就近多点接地，低频电路一点接地；(可以举例说明) 交流地线、功率地线同信号地线不能共用； 屏蔽接地的方式随屏蔽目的不同而异。,