第10章传感器接口电路.

第10章传感器接口电路10.1传感器输出信号的处理方法10.2传感器信号检测电路10.3传感器和微型计算机的连接10.4传感器接口电路应用实例10.5实训10.1传感器输出信号的处理方法10.1传感器输出信号的处理方法10.1.1输出信号的特点由于传感器种类繁多，传感器的输出形式也是各式各样的。例如，尽管同是温度传感器，热电偶随温度变化输出的是不同的电压，热敏电阻随温度变化使电阻发生变化，双金属温度传感器则随温度变化输出开关信号。表10-1列出了传感器的一般输出形式。表10-1传感器的输出信号形式输出形式输出变化量传感器的例子开关信号型机械触点双金属温度传感器模拟信号型电子开关霍耳开关式集成传感器电压热电偶、磁敏元件、气敏元件电流光敏二极管电阻热敏电阻，应变片电容电容式传感器电感电感式传感器其它频率多普勒速度传感器、揩振式传感器2.传感器的输出信号，一般比较微弱，有的传感器输出电压最小仅有0.1μV。3.传感器的输出阻抗都比较高，这样会使传感器信号输入到测量电路时，产生较大的信号衰减。4.传感器的输出信号动态范围很宽。5.传感器的输出信号随着输入物理量的变化而变化，但它们之间的关系不一定是线性比例关系。6.传感器的输出信号大小会受温度的影响，有温度系数存在。10.1.2输出信号的处理方法目的是：提高测量系统的测量精度，提高测量系统的线性度，抑制噪声。由传感器的接口电路完成。处理后的信号，应成为可供测量、控制使用及便于向微型计算机输入的信号形式。典型的应用接口电路，如表10-2所示。表10-2典型的传感器接口电路接口电路信号预处理的功能阻抗变换电路在传感器输出为高阻抗的情况下，变换为低阻抗，以便于检测电路准确地拾取传感器的输出信号。放大电路将微弱的传感器输出信号放大。电流电压转换电路将传感器的电流输出转换成电压。电桥电路把传感器的电阻、电容、电感变化转换为电流或电压。频率电压转换电路把传感器输出的频率信号转换为电流或电压。电荷放大器将电场型传感器输出产生的电荷转换为电压。有效值转换电路在传感器为交流输出的情况下，转为有效值，变为直流输出。滤波电路通过低通及带能滤波器消除传感器的噪声成分。线性化电路在传感器的特性不是线性的情况下，用来进行线性校正。对数压缩电路当传感器输出信号的动态范围较宽时，用对数电路进行压缩10.2传感器信号检测电路10.2传感器信号检测电路完成传感器输出信号处理的各种接口电路统称为传感器检测电路。10.2.1检测电路形式1.直接用传感器输出的开关信号驱动控制电路和报警电路工作。2.传感器输出信号达到设置的比较电平时，比较器输出状态发生变化，驱动控制电路及报警电路工作。3.由数字式电压表将检测结果直接显示出来。10.2.2常用电路1.阻抗匹配器传感器输出阻抗都比较高，为防止信号的衰减，常常采用高输入阻抗的阻抗匹配器作为传感器输入到测量系统的前置电路。半导体管阻抗匹配器，实际上是一个半导体管共集电极电路，又称为射极输出器。场效应管是一种电平驱动元件，栅漏极间电流很小，其输入阻抗可高达1012Ω以上，可作阻抗匹配器。运算放大器阻抗匹配器。2.电桥电路电桥电路是传感器检测电路中经常使用的电路，主要用来把传感器的电阻、电容、电感变化转换为电压或电流。1）直流电桥直流电桥的基本电路，如图10-1所示。它是由直流电源供电的电桥电路，电阻构成桥式电路的桥臂，桥路的一对角线是输出端，一般接有高输入阻抗的放大器。在电桥的另一对角线接点上加有直流电压。图10.1直流电桥的基本电路电桥的输出电压可由下式给出，即：UOUT=))(()(32413142RRRRRRRRU电桥的平衡条件为：R2R4=R1R3当电桥平衡时，输出电压为零。当电桥四个臂的电阻发生变化而产生增量时，电桥的平衡被打破，电桥此时的输出电压为：UOUT=24141)(RRURR)RR(11223344RRRRRR2314RRRRa若取则：21)(aUa)RR(11223344RRRRRRUOUT＝当a=1时，输出灵敏最大，此时：UOUT=4U)RR(11223344RRRRRR如果R1=R2=R3=R4时，则电桥电路被称为四等臂电桥，此时输出灵敏感度最高，而非线性误差最小，因此在传感器的实际应用中多采用四等臂电桥。2）交流电桥如图10-2所示。其中Z1和Z2为阻抗元件，它们同时可以为电感或电容，电桥两臂为差动方式，又称为差动交流电桥。在初始状态时，Z1=Z2=Z0电桥平衡，输出电压等于UOUT=0。测量时一个元件的阻抗增加，另一个元件的阻抗减小，假定Z1=Z0+ΔZ，Z2=Z0-ΔZ，则电桥的输出电压为：UZZUZZZUOUT0002)212(图10-2电感式传感器配用的交流电桥3.放大电路传感器的输出信号一般比较微弱，因而在大多数情况下都需要放大电路。目前检测系统中的放大电路，除特殊情况外，一般都采用运算放大器构成。1)反相放大器图10-3a是反相放大器的基本电路。反相放大器的输出电压，可由下式确定，即：UOUT=-1RRFUin图10-3放大电路2)同相放大器图10-3b是同相放大器的基本电路。同相放大器的输出电压为：UOUT=(11RRF)Uin输出电压与输入电压同相,而且其绝对值也比反相放大器多1。3)差动放大器图10-3c是差动放大器的基本电路。差动放大器的输出电压为：UOUT=1RRF(U2-U1)差动放大器最突出的优点是能够抑制共模信号。4.电荷放大器压电式传感器输出的信号是电荷量的变化，配上适当的电容后，输出电压可高达几十伏到数百伏，但信号功率却很小，信号源的内阻也很大。放大器应采用输入阻抗高、输出阻抗低的电荷放大器。电荷放大器是一种带电容负反馈的高输入阻抗、高放大倍数的运算放大器。图10-4是用于压电传感器的电荷放大器的等效电路。图10-4电荷放大器等效电路忽略较高的输入电阻后，电荷放大器的输出电压为：UOUT=fCKCiCCaQK)1(0由于K值很大，故（1+K）CfCa+C0+Ci，则上式可以简化为：UOUT=fCKQK)1(≈-fCQ电荷放大器输出电压UOUT只与电荷Q和反馈电容Cf有关，而与传输电缆的分布电容无关。但是，测量精度却与配接电缆的分布电容C0有关。5.传感器与放大电路配接的示例图10-5是应变片式传感器与测量电桥配接的放大电路。应变式传感器作为电桥的一个桥臂，在电桥的输出端接入一个输入阻抗高、共模抑制作用好的放大电路。当被测物理量引起应变片电阻变化时，电桥的输出电压也随之改变，以实现被测物理量和电压之间的转换。图10-5应变电桥配接的放大电路6.噪声的抑制在非电量的检测及控制系统中，往往混入一些干扰的噪声信号，它们会使测量结果产生很大的误差，这些误差将导致控制程序的紊乱，从而造成控制系统中的执行机构产生误动作。传感器信号处理中，噪声的抑制是非常重要的。1)噪声产生的根源a.内部噪声内部带电微粒的无规则运动产生。b.外部噪声由传感器检测系统外部人为或自然干扰造成。2）噪声的抑制方法a.选用质量好的元器件。b.屏蔽c.接地d.隔离e.滤波10.3传感器和微型计算机的连接10.3传感器和微型计算机的连接10.3.1传感器与微型计算机结合的重要性在现代技术中，传感器与微型计算机的结合，对信息处理自动化及科学技术进步起着非常重要的作用。1.促进自动化生产水平的提高：2.有利于新产品的开发：3.提高企业管理水平：4.为技术改造开辟新的领域。10.3.2检测信号在输入微型计算机前的处理检测信号在输入微型计算机前的处理要根据不同类型的传感器区别对待。1.接点开关型传感器会产生信号抖动现象，消除抖动的方法可以采用硬件处理或软件处理。2.无接点开关型传感器具有模拟信号特性，在微型计算机的输入电路中设置比较器。3.模拟输出型传感器分为电压输出变化型、电流输出变化型及阻抗变化型三种。电压输出变化型和电流输出变化型的传感器，经A/D转换器转换成数字信号，或经V/F转换器转换成频率变化的信号。阻抗变换型传感器，一般使用LC振荡器或RC振荡器将传感器输出的阻抗变化转换成频率的变化。再输入给微型计算机。10.3.3A/D模数转换电路1.比较型A/D转换器比较型A/D转换器一般由比较器、D/A数模转换器、时序电路和输出寄存器等组成，如图10-6所示。由比较转换原理可以知道，对任一个输入电压Uin，下式成立，即：Uin=Uref·N+△N为二进制位权表示式：niiinnDDDDN122112222图10-6比较型转换器原理框图2.积分型A/D转换器积分型A/D转换器是先将输入的模拟电压转换成相应的时间间隔，然后采用计数器对时间间隔计数。在积分型A/D转换方式中，有单积分、双积分和多级积分等形式，其中应用最广的是双积分转换方式，其线性和噪声消除特性好，而且价格低。图10-7是双积分型A/D转换器的工作原理图。图10-7双积分型A/D转换器工作原理图10.3.4电压—频率转换电路电压—频率转换电路也是模/数转换接口电路的一种，它将电压或电流转换成脉冲系列，该脉冲序列的瞬时周期精确地与模拟量成正比关系。虽然V/F转换电路是一种模拟─模拟转换电路，但由于频率可用数字方法进行测量，因而也可以实现模/数的转换，所以它是一种准数字化电路。V/F转换电路的形式较多，但以积分式V/F转换电路应用最为广泛。如图10-8所示。图10-8积分型V/F转换电路输入信号Uin为：Uin=R•ic电容两端的电压为：CtiCQUcc当t=T、Uc=Ur时，得：TCRUUrin充放电频率为：dtTf1频率很低时，td可以忽略。inrUCRUf110.4传感器接口电路应用实例10.4传感器接口电路应用实例图10-9所示为自动温度控制仪表电路框图。系统主要由以下几部分组成：1)传感器2)差分放大器3)V/F转换4)CPU电路5)存储器电路6)看门狗与复位电路7)显示电路8)键盘9)控制输出电路10)系统支持电源图10-9温控仪表原理框图10.5实训10.5实训1.频移键控FSK是最常用的调制方法，如图10-10所示。（1）用一个数字信号源、一个开关电路、两个频率源、一个示波器组成图10-11所示电路。开关电路也可以用手动开关来代替。（2）用示波器观察“1”和“0”对应的频率信号。“1”、“0”数字信号开关频率信号源1示波器频率信号源2图10-10频移键控FSK原理框图2.采用双光耦器件TLP521的光隔离放大器电路如图10-11所示。虽然两光耦本身是非线性的，由于非线性程度相同，所以采用了负反馈的方法相互抵消，改善了线性。电容C用于防止运放的自激振荡。输出放大器OP-07用于缓冲隔离。（1）做印制电路板或利用面包板装调该光隔离放大器电路；（2）用一高阻抗话筒接到电路输入端；示波器或高频毫伏表接到输出端；（3）对着话筒讲话，观察示波器或高频毫伏表的输出指示；（4）扩展该电路的用途。图10-11光隔离放大器电路