电子系统设计与工程应用 课件 第3章 信息传感与转换.pptx

3.1信息传感技术

3.2模/数转换技术

3.3数/模转换技术

3.4信源编译码技术;3.1信息传感技术;3.1.1传感器概述

电子系统无论采用模拟体制还是数字体制,均只能直接处理电信号,而自然界大量存在的、信号检测与处理的对象或需要传递的信息往往是非电量的,如语音、图像、温度、烟雾、压力、光强等。传感器亦称为变换器、换能器或探测器,它是将各种非电量按一定规律转换成便于处理和传输的电量的装置,也定义为对应于特定被测量提供有效电信号输出的器件。传感器种类繁多,通常都用静态特性与动态特性对其性能进行描述。另外,传感器的敏感元件输出的信号一般比较微弱,往往还需要信号调理电路,以便将微弱的传感器输出信号转换成抗干扰和驱动能力强的信号,有时甚至直接变换成能满足后续电路处理要求的电流(如4~20mA)与电压(如0~10V)信号。

传感器的性能主要通过其输入/输出关系来描述,传感器的输入/输出关系特性是传感器的基本特性。传感器基本特性又分为静态特性与动态特性,静态特性描述的是传感器在被测量不随时间变化,或变化缓慢且在测量期间可忽略其变化时的性能特性,动态特性描述的是传感器在被测量随时间变化时的性能特性。;1.传感器的静态特性

传感器的静态特性主要通过线性度、精度、迟滞、重复性偏差、准确度、灵敏度、分辨率、稳定性等性能指标来衡量。

对于输入/输出特性呈线性关系的传感器,线性度是非常重要的性能指标,它反映的是实际特性曲线与理论直线间的偏差。

传感器的精度是指测量结果的精确程度,即测量结果与真值的偏差。它以给定的准确度表述重复某个度数的能力,误差越小,精度越高。

当传感器的正(输入量增大)行程和反(输入量减小)行

程的实际特性不相重合并形成回线时,称之为传感器具有

迟滞,其偏差称为迟滞偏差,如图3.1所示。;当传感器在全量程范围内多次重复测试时,同在正行程或同在反行程上对应于同一个输入量,其输出量之间的差值称为重复性偏差。重复性偏差所反映的是测量结果偶然误差的大小而不是表示与真值之间的偏差。有时重复性偏差虽然很好,但实际测量值可能远离真值。传感器的灵敏度是指传感器在???态下输出量变化与输入量变化的比值,灵敏度反映了传感器对输入信号的敏感程度。

分辨率又称分辨力,是指使传感器输出发生可观测变化的最小输入变化量。

稳定性表示传感器在一个较长时间内保持其性能的能力,一般以室温条件下经过规定时间间隔后传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示。;2.传感器的动态特性

传感器的动态特性又称为动态响应,它研究的是当被测量随时间变化时,传感器的输出量与输入量之间的动态关系。传感器的动态特性通常用时域、复频域、频域三种数学模型表示。

时域模型就是通过常系数线性微分方程表示传感器的输入/输出关系,复频域模型是通过传递函数表示传感器的输入/输出关系,而频域模型则通过频率响应函数表示传感器的输入/输出关系。

在传感器的应用设计中,应注意以下两点:

(1)合理选择满足应用要求的传感器。

(2)设计合适的信号调理电路;3.1.2传声器与应用电路设计

1.传声器

传声器是一种将声音信号转换为电信号的能量转换器件,它是通过声波作用到电声元件上产生电压,再转为电能。话筒(也称为麦克风,Microphone英文单词的音译)是最常用的传声器,由最初通过电阻转换声/电发展为电感、电容式转换声/电。按照目前业内广泛使用的分类方法,话筒可分为动圈话筒和电容话筒。其中,动圈话筒是指由磁场中运动的导体产生电信号的话筒,由振膜带动线圈振动,从而使磁场中的线圈生成感应电流。动圈话筒的特点有:

(1)结构牢固,性能稳定。

(2)频率特性良好,50~15000Hz频率范围内幅频特性曲线平坦。

(3)指向性好。

(4)无需直流工作电压,使用简便,噪声小。;电容话筒的振膜就是电容器的一个电极,当振膜振动,振膜和固定的后极板间的距离发生变化,就产生了可变电容量,这个可变电容量和话筒本身所带的前置放大器一起产生信号电压。电容话筒的特点有:

(1)频率特性好,在音频范围内幅频特性曲线平坦。

(2)无方向性。

(3)灵敏度高,噪声小,音色柔和。

(4)输出信号电平比较大,失真小,瞬态响应性能好,这是动圈话筒所达不到的优点。

(5)工作特性不够稳定,低频段灵敏度随着使用时间的增加而下降,寿命比较短,工作时需要直流电源,使用不方便。

相比较而言,电容话筒在灵敏度和扩展后的高频(有时也会是低频)响应方面通常要优于动圈话筒。

铝带式话筒也是动圈话筒的一种,但它是采用一个很薄的金属片代替传统动圈话筒中所使用的振膜和线圈,通过金属片自身根据声压变化而产生的震动来带动磁场中电流的变化,从而最终产生声音信号。铝带式话筒对高频的响应能力要高于传统的动圈式话筒,但无法和电容话筒相媲美。;传声器或话筒的主要技术指