传感器信号处理和微机接口技术.ppt

第11章传感器信号处理及微机接口技术 引言 被测的各种非电量信号经传感器检测后转变为电信号，但这些信号很微弱，并与输入的被测量之间呈非线性关系，所以需进行信号放大、隔离、滤波、A/D转换、线性化处理、误差修正等处理。 主要章节 11.1传感器信号的预处理 11.2传感器信号的放大电路 11.3传感器与微机的接口技术 11.4抗干扰技术 11.1传感器信号的预处理 传感器与微机接口电路主要由信号预处理电路、数据采集系统和计算机接口电路组成。 11.1.1 开关式输出信号的预处理 在输入传感器的物理量小于某阈值范围内，传感器处于“关”的状态，而当输入量大于该阈值时，传感器处于“开”的状态，这类传感器称为开/关式传感器。 为了消除噪声及改善特性，常接入具有迟滞特性的电路，称为鉴别器或称脉冲整形电路，多使用施密特触发器 开关量传感器特性示意图 11.1.2 模拟连续式输出信号的预处理 模拟连续式传感器的输出参量可以归纳为5种形式：电压、电流、电阻、电容和电感。这些参量必须先转换成电压量信号，然后进行放大及带宽处理才能进行A/D转换。 1．电流/电压变换电路（I/V变换） I/V变换器作用是将电流信号变换为标准的电压信号，它不仅要求具有恒压性能，而且要求输出电压随负载电阻变化所引起的变化量不能超过允许值。 采用运放的I/V转换电路 2.电压/电流变换（V/I变换） V/I变换器的作用是将电压信号变换为标准的电流信号，它不仅要求具有恒流性能，而且要求输出电流随负载电阻变化所引起的变化量不能超过允许值。 4～20?mA的V/I变换电路 3.模拟频率式输出信号的预处理 模拟频率式输出信号，一种方法是直接通过数字式频率计变为数字信号；另一种方法是用频率/电压变换器变为模拟电压信号，再进行A/D转换。 频率/电压变换器原理框图 4.数字式输出信号的预处理 数字式输出信号分为数字脉冲式信号和数字编码式信号。数字脉冲式输出信号可直接将输出脉冲经整形电路后接至数字计数器，得到数字信号。 传感器信号的预处理，应根据传感器输出信号的特点及后续检测电路对信号的要求选择不同的电路。 11.2传感器信号的放大电路 测量放大器又叫做仪表放大器（简称IA），广泛应用于信号微弱及存在较大共模干扰的场合，具有精确的增益标定，因此又称为数据放大器。 11.2.1 通用IA 通用IA由3个运算放大器A1、A2、A3组成 . 11.2.2 增益调控IA 为了节约费用，多种传感器共用一个IA。当切换通道时，必须迅速调整IA的增益，称为增益调控IA。 在模拟非线性校正中也要使用增益调控IA。 增益调控IA分为自动增益IA和程控增益IA两大类。 自动增益IA基本工作过程 工作速度较慢，不适用于高速系统。 11.2.3 IA的技术指标 （1）非线性度 （2）偏置漂移 （3）建立时间 （4）恢复时间 （5）共模抑制比 11.2.4 常用集成仪表放大电路 集成运算放大器OP07，斩波自动稳零集成运算放大器7650，集成仪表放大器AD522，集成变送器WS112、XTR101，TD系列变压器耦合隔离放大器，ISO100等光耦合隔离放大器，ISO102等电容耦合隔离放大器，PG系列程控放大器、2B30/2B31电阻信号适配器等 11.3传感器与微机的接口技术 传感器输出的信号经预处理变为模拟电压信号后，需转换成数字量方能进行数字显示或送入计算机。 1.数据采集系统的配置 典型的数据采集系统由传感器（T）、放大器（IA）、 模拟多路开关（MUX）、采样保持器（SHA）、A/D转换器、计算机（MPS）或数字逻辑电路组成。 根据电路中的位置分为同时采集、高速采集、分时采集和差动结构4种配置 2.采样周期的选择 采样就是以相等的时间间隔对某个连续时间信号a（t）取样，得到对应的离散时间信号的过程 香农采样定理 对一个具有有限频谱（ωmin＜ω＜ωmax）的连续信号进行采样，当采样频率ωS=2π/TS≥2ωmax时，采样结果可不失真。 模拟量的采样参照的经验数据 3.量化噪声（量化误差） 模拟信号是连续的，而数字信号是离散的，每个数又是用有限个数码来表示，二者之间不可避免地存在误差，这种误差称为量化噪声。 一般A/D转换的量化噪声有1 LSB和LSB/2两种。 11.3.2 ADC接口技术 （1）分辨力 分辨力表示ADC对输入量微小变化的敏感度，它等于输出数字量最低位一个字（1 LSB）所代表的输入模拟电压值。 ADC的位数越多，分辨力越高。因此，分辨力也可以用A/D转换的位数表示。 （2）精度 精度分为绝对精度和相对精度。 绝对精度：它是指输入模拟信号的实际电压值与被转换成数字信