传感器应用设计.ppt

传感器应用设计 一.传感器作用 用于感知信息信号，并对信息信号进行变换与传递。 是信息信号的感知、变换与传递的器件或装置。 是现代信息技术的三支柱(传感技术、计算机技术、通信技术)之一。 二.传感器发展历程 经典传感器 指结构型传感器，20世纪70年代是其发展的高潮时期。 现代传感器 以固体物理学和现代科技新原理为依据，以高灵敏、高精度、非接触探测等为主流特色的传感器。 传感器正向集成化，并与微处理机相结合进而向智能型的方向发展。 当前我国重点开发的新一代传感器(多学科交叉融合): MEMS(微电子与微机械的结合) MOMES(MEMS与微光学的结合) 智能传感器(MEMS与CPU、信息控制技术的结合) 生物化学传感器(MEMS与生物技术、电化学的结合) 网络化传感器(MEMS网络技术的结合) 纳米传感器(纳米技术与传感技术的结合) 三.传感器分类一 传感器分类二 四.传感器组成 一般由敏感元件、传感器电路和电源组成。 五.传感器电路 前接口电路： 对敏感元件输出的电参数（电阻、电容、电感等）信号进行检测变换为可传递信息的电量信号（电压、电流、电势，电荷等）的电路。 模拟信号处理电路： 由放大、滤波、补偿等电路组成。 后接口电路： 输出的一定是标准的电量信号 数字信号处理电路： 数字变换电路、数字接口电路、微处理器及相关软件等部分组成。 六.传感器电路中的噪声问题 在传感器电路中既可能产生内部噪声，也可能有外界窜入的干扰噪声。 传感器电路中噪声的存在，将使得信息传递质量下降。 噪声分类： 热噪声 散粒噪声或肖特基噪声 闪烁噪声 1.传感器噪声类型及特性 热噪声： 导体中由电荷的热运动而产生的噪声称热噪声。 热噪声与频率无关，也称白噪声。 只要元件具有一定的电阻值，并存在一定的温度，就会产生一定大小的热噪声电压，而与元件的制造方法无关。 降低热噪声只能从降低元件工作温度入手，例如采用散热、恒温等方法。 散粒噪声或肖特基噪声 电流是由载有电荷的载流子的定向运动形成的。 当高阻抗敏感元件与电路耦合时容易产生散粒噪声。 因此，设计高阻抗敏感元件接口电路时，散粒噪声是突出问题。 闪烁噪声 当电流流过具有陷阱、晶格缺陷的元件电阻体时，产生闪烁噪声。 闪烁噪声与频率具有相关性。即其功率谱与频率成反比，也称为1/f噪声 闪烁噪声也与外加电压及电阻参数有关。 2.放大电路中的降噪问题 在晶体管中主要应考虑基区电阻的热噪声． 基极电流的散粒噪声． 基极－射极间因基极电流和电位波动所形成的闪烁噪声 集电极电流的散粒噪声等 降噪电路 低噪偏置电路设计 运放低噪偏置电路 3.外部干扰噪声的抑制 外部干扰主要通过静电感应和电磁感应耦合传人电路之中。 电磁干扰的抑制 减少电磁耦合的方法是减小闭合回路面积 或让磁场与导线垂直 或将导线绞扭在一起 印刷电路板避免环状布线 4.信号处理中的降噪问题 级联放大器的降噪技术 当增益系数G较大时，级联放大器的噪声系数主要由第一级放大器决定。 因此，若第一级放大器G＝1(如变压器耦合)，则第二级放大器(实际放大器)在降噪中具有决定性重要地位。 由此可知，级联放大器时，为降噪目的，前级放大器增益安排具有重要地位。 信号处理中的降噪问题（续） 滤波器的降噪作用 如果事先知道信号频带或噪声频谱，可以用滤波器改善信噪比。 相位检波降噪作用 若已知信号是按一定周期重复输出的，则对输出信号按信号周期同步采样，可以改善信噪比。因信号是周期性的，而噪声是随机的。 七、模拟信号处理基本电路 模拟信号处理电路由放大电路、滤波电路、补偿电路组成。 正确使用运放的原则 正确使用运放是提高电路质量的重要问题之一。正确使用运放包括如下内容： (1)正确选用运放元件. 为提高运算精度．一般应选用失调参数小，开环增益高，共模抑制比大的元件，这是选用运放的一般原则 但是，在运放技术参数中存在一些相互制约的关系，一般难以兼顾所有参数都优良。 因此，初学电路设计者很答易追求高档器件，选择运放参数指标应恰当．以满足所设计电路的质量要求为界限，不应片面追求高档器件 (2)正确设计运放外围电路。 运放外围电路设计的最重要问题是运放输入失调补偿设计和运放输出直流调零设计、一般在电路设计中应有电路调整部位。 １．常用电压放大电路 反相端输入比例放大器 同相端输入比例放大器 双端差动输入比例放大器 根据输入偏置平衡关系，显然应取R1=R1’，R2＝R2’合适，称输入电阻匹配条件，这是差动输入放大器设计中十分重要的问题 通常电阻R2取值不宜大于lM。 运算放大器的偏置与调零技术 放大器在应用过程中，更重要的是输入的偏置与补偿技术，以及输出调零技术问题。 1.运放的输入偏置与补偿技术 运放输入平