第11章传感器信号处理及微机接口技术课件.ppt

引言引言n被测的各种非电量信号经传感器检测后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、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。转换、线性化处理、误差修正等处理。1/24/20231主要章节主要章节n11.1传感器信号的预处理传感器信号的预处理n11.2传感器信号的放大电路传感器信号的放大电路n11.3传感器与微机的接口技术传感器与微机的接口技术n11.4抗干扰技术抗干扰技术1/24/2023211.1传感器信号的预处理传感器信号的预处理n传感器与微机接口电路主要由信号预处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理电路、数据采集系统和计算机接口电路组成。路组成。传感器与微机的接口框图传感器与微机的接口框图1/24/2023311.1.1开关式输出信号的预处理开关式输出信号的预处理n在输入传感器的物理量小于某阈值范围在输入传感器的物理量小于某阈值范围内，传感器处于内，传感器处于“关关”的状态，而当输入的状态，而当输入量大于该阈值时，传感器处于量大于该阈值时，传感器处于“开开”的状的状态，这类传感器称为开态，这类传感器称为开/关式传感器。关式传感器。n为了消除噪声及改善特性，常接入具有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整形电路，多使用施密特触发器1/24/20234开关量传感器特性示意图开关量传感器特性示意图1/24/2023511.1.2模拟连续式输出信号的预模拟连续式输出信号的预处理处理n模拟连续式传感器的输出参量可以归纳模拟连续式传感器的输出参量可以归纳为为5种形式：电压、电流、电阻、电容和种形式：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号，然后进行放大及带宽处理才能进行A/D转换。转换。1/24/202361电流电流/电压变换电路（电压变换电路（I/V变换）变换）nI/V变换器作用是将电流信号变换为标准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，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。起的变化量不能超过允许值。1/24/20237采用运放的采用运放的I/V转换电路转换电路1/24/202382.电压电压/电流变换（电流变换（V/I变换）变换）nV/I变换器的作用是将电压信号变换为标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。所引起的变化量不能超过允许值。1/24/20239420mA的的V/I变换电路变换电路1/24/2023103.模拟频率式输出信号的预处理模拟频率式输出信号的预处理n模拟频率式输出信号，一种方法是直接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；另一通过数字式频率计变为数字信号；另一种方法是用频率种方法是用频率/电压变换器变为模拟电电压变换器变为模拟电压信号，再进行压信号，再进行A/D转换。转换。1/24/202311频率频率/电压变换器原理框图电压变换器原理框图1/24/2023124.数字式输出信号的预处理数字式输出信号的预处理n数字式输出信号分为数字脉冲式信号和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。字计数器，得到数字信号。n传感器信号的预处理，应根据传感器输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。要求选择不同的电路。1/24/20231311.2传感器信号的放大电路传感器信号的放大电路n测量放大器又叫做仪表放大器（简称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），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，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。因此又称为数据放大器。1/24/20231411.2.1通用通用IAn通用通用IA由由3个运算放大器个运算放大器A1、A2、A3组组成成.1/24/20231511.2.2增益调控增益调控IAn为了节约费用，多种传感器共用一个为了节约费用，多种传感器共用一个IA。当切换通道时，必须迅速调整当切换通道时，必须迅速调整IA的增益，的增益，称为增益调控称为增益调控IA。n在模拟非线性校正中也要使用增益调控在模拟非线性校正中也要使用增益调控IA。n增益调控增益调控IA分为自动增益分为自动增益IA和程控增益和程控增益IA两大类。两大类。1/24/202316自动增益自动增益IA基本工作过程基本工作过程n工作速度较慢，不适用于高速系统。工作速度较慢，不适用于高速系统。程控测量放大器的原理结构程控测量放大器的原理结构1/24/20231711.2.3IA的技术指标的技术指标n（1）非线性度）非线性度n（2）偏置漂移）偏置漂移n（3）建立时间）建立时间n（4）恢复时间）恢复时间n（5）共模抑制比）共模抑制比1/24/20231811.2.4常用集成仪表放大电路常用集成仪表放大电路n集成运算放大器集成运算放大器OP07，斩波自动稳零集，斩波自动稳零集成运算放大器成运算放大器7650，集成仪表放大器，集成仪表放大器AD522，集成变送器，集成变送器WS112、XTR101，TD系列变压器耦合隔离放大系列变压器耦合隔离放大器，器，ISO100等光耦合隔离放大器，等光耦合隔离放大器，ISO102等电容耦合隔离放大器，等电容耦合隔离放大器，PG系系列程控放大器、列程控放大器、2B30/2B31电阻信号适电阻信号适配器等配器等1/24/20231911.3传感器与微机的接口技术传感器与微机的接口技术n传感器输出的信号经预处理变为模拟电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。字显示或送入计算机。11.3.1 11.3.1 数据采集的概念数据采集的概念 1/24/2023201.数据采集系统的配置数据采集系统的配置n典型的数据采集系统由传感器（典型的数据采集系统由传感器（T）、放）、放大器（大器（IA）、）、模拟多路开关（模拟多路开关（MUX）、）、采样保持器（采样保持器（SHA）、A/D转换器、计转换器、计算机（算机（MPS）或数字逻辑电路组成。）或数字逻辑电路组成。n根据电路中的位置分为同时采集、高速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采集、分时采集和差动结构4种配置种配置1/24/2023211/24/2023222.采样周期的选择采样周期的选择n采样就是以相等的时间间隔对某个连续采样就是以相等的时间间隔对某个连续时间信号时间信号a（t）取样，得到对应的离散）取样，得到对应的离散时间信号的过程时间信号的过程连续时间信号的取样连续时间信号的取样1/24/202323香农采样定理香农采样定理n对一个具有有限频谱（对一个具有有限频谱（minmax）的连续信号进行采样，当采样）的连续信号进行采样，当采样频率频率S=2/TS2max时，采样结果时，采样结果可不失真。可不失真。1/24/202324模拟量的采样参照的经验数据模拟量的采样参照的经验数据输入物理输入物理量量采样周期采样周期Ts/s说说 明明流量流量15一般选用一般选用12s压力压力310一般选用一般选用68s液位液位68温度温度1520串级系统串级系统TS=0，副环，副环TS=（1/41/5）主环主环TS成分成分15201/24/2023253.量化噪声（量化误差）量化噪声（量化误差）n模拟信号是连续的，而数字信号是离散模拟信号是连续的，而数字信号是离散的，每个数又是用有限个数码来表示，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，这种误二者之间不可避免地存在误差，这种误差称为量化噪声。差称为量化噪声。n一般一般A/D转换的量化噪声有转换的量化噪声有1 LSB和和LSB/2两种。两种。1/24/20232611.3.2ADC接口技术接口技术n（1）分辨力）分辨力n分辨力表示分辨力表示ADC对输入量微小变化的敏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感度，它等于输出数字量最低位一个字（1LSB）所代表的输入模拟电压值。）所代表的输入模拟电压值。nADC的位数越多，分辨力越高。因此，的位数越多，分辨力越高。因此，分辨力也可以用分辨力也可以用A/D转换的位数表示。转换的位数表示。1A/D转换器（转换器（ADC）的主要技术指标）的主要技术指标1/24/202327（2）精度）精度n精度分为绝对精度和相对精度。精度分为绝对精度和相对精度。n绝对精度：它是指输入模拟信号的实际电压值绝对精度：它是指输入模拟信号的实际电压值与被转换成数字信号的理论电压值之间的差值。与被转换成数字信号的理论电压值之间的差值。它包括量化误差、线性误差和零位误差。绝对它包括量化误差、线性误差和零位误差。绝对精度常用精度常用LSB的倍数来表示，常见的有的倍数来表示，常见的有1/2LSB和和1LSB。n相对精度：它是指绝对误差与满刻度值的百分相对精度：它是指绝对误差与满刻度值的百分比。由于输入满刻度值可根据需要设定，因此比。由于输入满刻度值可根据需要设定，因此相对误差也常用相对误差也常用LSB为单位来表示。为单位来表示。1/24/202328（3）量程（满刻度范围）量程（满刻度范围）n量程是指输入模拟电压的变化范围。量程是指输入模拟电压的变化范围。1/24/202329（4）线性度误差）线性度误差n线性度误差是转换器实际的模拟数字转线性度误差是转换器实际的模拟数字转换关系与理想直线不同而出现的误差，换关系与理想直线不同而出现的误差，通常也用通常也用LSB的倍数来表示。的倍数来表示。1/24/202330（5）转换时间）转换时间n转换时间指从发出启动转换脉冲开始到转换时间指从发出启动转换脉冲开始到输出稳定的二进代码，即完成一次转换输出稳定的二进代码，即完成一次转换所需要的最长时间。所需要的最长时间。1/24/2023312.ADC的选择与使用的选择与使用n按按A/D转换的原理，转换的原理，ADC主要分为比较主要分为比较型和积分型两大类。型和积分型两大类。n其中，常用的是逐次逼近型、双积分型其中，常用的是逐次逼近型、双积分型和和V/F变换型（电荷平衡式）。变换型（电荷平衡式）。1/24/202332选择的标准选择的标准n逐次逼近逐次逼近ADC的特点是转换速度较高（的特点是转换速度较高（1s1ms），），814位中等精度，输出为瞬时值，位中等精度，输出为瞬时值，抗干扰能力差；双积分抗干扰能力差；双积分ADC测量的是信号平均测量的是信号平均值，对常态噪声有很强的抑制能力，精度很高，值，对常态噪声有很强的抑制能力，精度很高，分辨率达分辨率达1220位，价格便宜，但转换速度位，价格便宜，但转换速度较慢（较慢（4ms1s）；）；V/F转换器是由积分器、转换器是由积分器、比较器和整形电路构成的比较器和整形电路构成的VFC电路，把模拟电电路，把模拟电压变换成相应频率的脉冲信号，其频率正比于压变换成相应频率的脉冲信号，其频率正比于输入电压值，然后用频率计测量。输入电压值，然后用频率计测量。VFC能快速能快速响应，抗干扰性能好，能连续转换，适用于输响应，抗干扰性能好，能连续转换，适用于输入信号动态范围宽和需要远距离传送的场合，入信号动态范围宽和需要远距离传送的场合，但转换速度慢。但转换速度慢。1/24/2023333.A/D转换器及其与单片机的接口转换器及其与单片机的接口n（1）传感器采集接口组成）传感器采集接口组成1/24/202334（2）A/D转换器及接口电路转换器及接口电路ADC0808/0809与与8031的接口连接的接口连接1/24/2023358031的的8路连续采样程序路连续采样程序nMOVDPTR，#7FF8H；设置外设；设置外设（A/D）口地址和通道号）口地址和通道号nMOVR0，#40H；设置数据指针；设置数据指针nMOVIE，#84H；允许外部中断；允许外部中断1中中断断nSETBIT1；置边沿触发方式；置边沿触发方式nMOVXDPTR，A；启动转换；启动转换1/24/202336nLOOP：CJNER0，#48，LOOP；判断；判断8个通道是否完毕个通道是否完毕nRET；返回主程序；返回主程序nAINT：MOVXA，DPTR；输入；输入数据数据nMOVR0，AnINCDPTR；修改指针；修改指针nINCR0nMOVXDPTR，A；启动转换；启动转换nRETI；中断返回；中断返回1/24/20233711.4抗干扰技术抗干扰技术n1.外部干扰外部干扰n（1）从外部侵入检测装置的干扰称为外）从外部侵入检测装置的干扰称为外部干扰。部干扰。n（2）电气设备干扰的特点）电气设备干扰的特点,工频干扰工频干扰,射射频干扰频干扰,电子开关通断干扰电子开关通断干扰11.4.1干扰的来源及形式干扰的来源及形式1/24/2023382.内部干扰内部干扰n（1）固有噪声源）固有噪声源n（2）信噪比（）信噪比（S/N）1/24/2023393.干扰的传输途径干扰的传输途径n（1）通过）通过“路路”的干扰的干扰n（2）通过）通过“场场”的干扰的干扰1/24/2023404.干扰的作用方式干扰的作用方式n（1）串模干扰）串模干扰n凡干扰信号和有用信号按电势源的形式串联凡干扰信号和有用信号按电势源的形式串联（或按电流源的形式并联）起来作用在输入端（或按电流源的形式并联）起来作用在输入端的称为串模干扰，串模干扰又常称为差模干扰，的称为串模干扰，串模干扰又常称为差模干扰，它使测量装置的两个输入端电压发生变化，它使测量装置的两个输入端电压发生变化，所所以影响很大。以影响很大。串模干扰等效电路串模干扰等效电路1/24/202341n（2）共模干扰）共模干扰n干扰信号使两个输入端的电位相对于某一公共干扰信号使两个输入端的电位相对于某一公共端一起变化（涨落）的属共模干扰。共模干扰端一起变化（涨落）的属共模干扰。共模干扰本身不会使两输入端电压变化，但在输入回路本身不会使两输入端电压变化，但在输入回路两端不对称的条件下，便会转化为串模干扰。两端不对称的条件下，便会转化为串模干扰。因共模电压一般都比较大，所以对测量的影响因共模电压一般都比较大，所以对测量的影响更为严重。更为严重。共模干扰等效电路共模干扰等效电路1/24/202342n（3）共模抑制比（）共模抑制比（CMRR）n共模噪声只有转换成差模噪声才能形成共模噪声只有转换成差模噪声才能形成干扰，这种转换是由测量装置的特性决干扰，这种转换是由测量装置的特性决定。因此，常用共模抑制比衡量测量装定。因此，常用共模抑制比衡量测量装置抑制共模干扰的能力，定义为置抑制共模干扰的能力，定义为1/24/20234311.4.2干扰的抑制技术干扰的抑制技术n（1）消除或抑制干扰源）消除或抑制干扰源n（2）破坏干扰途径）破坏干扰途径n（3）削弱接收电路对干扰的敏感性例如）削弱接收电路对干扰的敏感性例如电路中的选频措施可以削弱对全频带噪电路中的选频措施可以削弱对全频带噪声的敏感性，负反馈可以有效削弱内部声的敏感性，负反馈可以有效削弱内部噪声源，噪声源，n常用的抗干扰技术有屏蔽、接地、浮置、常用的抗干扰技术有屏蔽、接地、浮置、滤波、隔离技术等。滤波、隔离技术等。1抑制干扰的方法抑制干扰的方法1/24/2023442.屏蔽技术屏蔽技术n（1）静电屏蔽）静电屏蔽n选用铜、铝等低电阻金属材料作屏蔽盒。选用铜、铝等低电阻金属材料作屏蔽盒。n屏蔽盒要良好地接地。屏蔽盒要良好地接地。n尽量缩短被屏蔽电路伸出屏蔽盒之外的导尽量缩短被屏蔽电路伸出屏蔽盒之外的导线长度。线长度。n（2）电磁屏蔽）电磁屏蔽n（3）磁屏蔽）磁屏蔽n（4）驱动屏蔽的概念）驱动屏蔽的概念1/24/202345磁屏蔽的原理图磁屏蔽的原理图驱动屏蔽原理图驱动屏蔽原理图1/24/2023463.接地技术接地技术n（1）电气、电子设备中的地线）电气、电子设备中的地线n接地起源于强电技术。为保障安全，将电网零接地起源于强电技术。为保障安全，将电网零线和设备外壳接大地，称为保安地线。对于以线和设备外壳接大地，称为保安地线。对于以电能作为信号的通信、测量、计算控制等电子电能作为信号的通信、测量、计算控制等电子技术来说，把电信号的基准电位点称为技术来说，把电信号的基准电位点称为“地地”，它可能与大地是隔绝的，称为信号地线。信号它可能与大地是隔绝的，称为信号地线。信号地线分为模拟信号地线和数字信号地线两种。地线分为模拟信号地线和数字信号地线两种。另外从信号特点来看，还有信号源地线和负载另外从信号特点来看，还有信号源地线和负载地线。地线。1/24/202347（2）一点接地原则）一点接地原则机内一点接地机内一点接地1/24/202348检测系统的一点接地示意图检测系统的一点接地示意图系统一点接地系统一点接地1/24/202349（3）电缆屏蔽层的一点接地）电缆屏蔽层的一点接地信号源不接地，测量电路接地，信号源不接地，测量电路接地，信号源接地，测量电路不信号源接地，测量电路不接地，电缆屏蔽层应接到信接地，电缆屏蔽层应接到信号源的地端号源的地端1/24/2023504.浮置技术浮置技术n如果测量装置电路的公共线不接机壳也如果测量装置电路的公共线不接机壳也不接大地，即与大地之间没有任何导电不接大地，即与大地之间没有任何导电性的直接联系（仅有寄生电容存在），性的直接联系（仅有寄生电容存在），这种接线法称为浮置。这种接线法称为浮置。1/24/202351“浮置屏蔽浮置屏蔽”的检测系统的检测系统1/24/202352各层接法各层接法n（1）一次侧屏蔽层及电源变压器外壳与）一次侧屏蔽层及电源变压器外壳与测量装置的外壳连接并接大地。测量装置的外壳连接并接大地。n（2）中间屏蔽层与）中间屏蔽层与“保护屏蔽保护屏蔽”层连接。层连接。n（3）二次侧屏蔽层与测量装置的零电位）二次侧屏蔽层与测量装置的零电位连接连接1/24/2023535.其他抑制干扰的措施其他抑制干扰的措施n采用调制、解调技术，滤波和隔离（一采用调制、解调技术，滤波和隔离（一般用变压器作前隔离，光电耦合器作后般用变压器作前隔离，光电耦合器作后隔离）技术抑制干扰，通过调制，选频隔离）技术抑制干扰，通过调制，选频放大，解调，滤波，只放大输出有用信放大，解调，滤波，只放大输出有用信号，抑制无用的干扰信号。滤波的类型号，抑制无用的干扰信号。滤波的类型有低通滤波、高通滤波、带通滤波、带有低通滤波、高通滤波、带通滤波、带阻滤波等，起选频作用。隔离主要防止阻滤波等，起选频作用。隔离主要防止后级对前级的干扰。后级对前级的干扰。1/24/202354好好休息！好好休息！1/24/202355xiexie!xiexie!谢谢！谢谢！xiexie!xiexie!谢谢！谢谢！