第09章-传感器信号的处理..ppt

第第9 9章章 传感器信号的处理传感器信号的处理第第9 9章章 传感器信号的处理传感器信号的处理9.1 9.1 传感器信号的预处理传感器信号的预处理 9.2 9.2 传感器信号的放大电路传感器信号的放大电路 9.3 9.3 信号的调制与解调信号的调制与解调 9.4 9.4 滤波电路滤波电路 9.5 9.5 传感器信号的非线性校正传感器信号的非线性校正 9.6 A/D9.6 A/D转换器的选择转换器的选择 9.7 9.7 抗干扰技术抗干扰技术 9.1 9.1 传感器信号的预处理传感器信号的预处理 9.1.1 9.1.1 传感器输出信号的特点传感器输出信号的特点 9.1.2 9.1.2 传感器信号的预处理方法传感器信号的预处理方法 9.1 9.1 传感器信号的预处理传感器信号的预处理9.1.1 9.1.1 传感器输出信号的特点传感器输出信号的特点 传感器输出信号具有以下特点：传感器输出信号具有以下特点：(1)(1)传感器种类繁多，输出形式各式各样。有开关传感器种类繁多，输出形式各式各样。有开关信号型、模拟信号型信号型、模拟信号型(有电压型、电流型和阻抗型等有电压型、电流型和阻抗型等)和和数字信号型等。数字信号型等。(2)(2)传感器的输出信号一般比较微弱，有的传感器传感器的输出信号一般比较微弱，有的传感器输出电压仅有输出电压仅有0.1mV0.1mV。9.1 9.1 传感器信号的预处理传感器信号的预处理 (3)(3)传感器的输出阻抗都比较高，这样使传感传感器的输出阻抗都比较高，这样使传感器信号输入到测量转换电路时会产生较大的信号衰器信号输入到测量转换电路时会产生较大的信号衰减。减。(4)(4)传感器的动态范围很宽。传感器的动态范围很宽。(5)(5)传感器的输出与输入之间的关系有时不是传感器的输出与输入之间的关系有时不是线性关系。线性关系。(6)(6)传感器的输出量会受温度的影响。传感器的输出量会受温度的影响。9.1 9.1 传感器信号的预处理传感器信号的预处理9.1.2 9.1.2 传感器信号的预处理方法传感器信号的预处理方法 常用的传感器信号的预处理方法有以下几种：常用的传感器信号的预处理方法有以下几种：(1)(1)阻抗变换电路在传感器输出为高阻抗的情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。传感器的输出信号。(2)(2)放大电路将传感器输出的微弱信号放大。放大电路将传感器输出的微弱信号放大。(3)(3)电流电压转换电路将传感器的电流输出转电流电压转换电路将传感器的电流输出转换成电压值。换成电压值。9.1 9.1 传感器信号的预处理传感器信号的预处理 (4)(4)频率电压转换电路把传感器输出的频率信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值。号转换为电流或电压值。(5)(5)电桥电路把传感器的电阻、电感和电容值电桥电路把传感器的电阻、电感和电容值转换为电流或电压值。转换为电流或电压值。(6)(6)电荷放大器将电场型传感器输出产生的电电荷放大器将电场型传感器输出产生的电荷量转换为电压值。荷量转换为电压值。(7)(7)交交直流转换电路在传感器为交流输出的直流转换电路在传感器为交流输出的情况下，转换为直流输出。情况下，转换为直流输出。9.1 9.1 传感器信号的预处理传感器信号的预处理 (7)(7)交交直流转换电路在传感器为交流输出的直流转换电路在传感器为交流输出的情况下，转换为直流输出。情况下，转换为直流输出。(8)(8)滤波电路通过低通及带通滤波器消除传感滤波电路通过低通及带通滤波器消除传感器的噪声成分。器的噪声成分。(9)(9)非线性校正电路传感器的特性是非线性时，非线性校正电路传感器的特性是非线性时，进行非线性校正。进行非线性校正。9.1 9.1 传感器信号的预处理传感器信号的预处理 (10)(10)对数压缩电路。当传感器输出信号的动态对数压缩电路。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范围较宽时，用对数电路进行压缩。9.2 9.2 传感器信号的放大电路传感器信号的放大电路9.2.1 9.2.1 高精度、低漂移运算放大器高精度、低漂移运算放大器 9.2.2 9.2.2 高输入阻抗运算放大电路及高输入阻抗运算放大电路及 仪表放大器仪表放大器 9.2.4 9.2.4 程控增益放大器程控增益放大器 9.2.3 9.2.3 隔离放大器和隔离放大系统隔离放大器和隔离放大系统 9.2 9.2 传感器信号的放大电路传感器信号的放大电路9.2.1 9.2.1 高精度、低漂移运算放大器高精度、低漂移运算放大器 温度漂移系数是运算放大器的一个重要指标。温度漂移系数是运算放大器的一个重要指标。通用型运算放大器的温度漂移系数一般在通用型运算放大器的温度漂移系数一般在1010300V/300V/范围内，而低温度漂移运算放大器的温范围内，而低温度漂移运算放大器的温度漂移系数仅为度漂移系数仅为1V/1V/左右。左右。9.2 9.2 传感器信号的放大电路传感器信号的放大电路 ADOP-07ADOP-07是最典型的低温度漂移运算放大器，其是最典型的低温度漂移运算放大器，其温度漂移系数为温度漂移系数为0.2V/0.2V/。它还具有极低的失调电。它还具有极低的失调电压压(10V)(10V)、较高的共模输入电压、较高的共模输入电压(14V)(14V)和共模抑制和共模抑制比比(126dB)(126dB)，电源电压范围为，电源电压范围为(3(38)V8)V。该运算放大。该运算放大器的一种接法如图器的一种接法如图9-19-1所示。所示。9.2 9.2 传感器信号的放大电路传感器信号的放大电路图图9-1 ADOP-079-1 ADOP-07运算放大器接线图运算放大器接线图 9.2 9.2 传感器信号的放大电路传感器信号的放大电路9.2.2 9.2.2 高输入阻抗运算放大电路及仪高输入阻抗运算放大电路及仪表放大器表放大器9.2.2.1 CA3l409.2.2.1 CA3l40 CA3140 CA3140是一种高输入阻抗集成运算放大器，其是一种高输入阻抗集成运算放大器，其输入阻抗达输入阻抗达10101212，开环增益和共模抑制比也较高，开环增益和共模抑制比也较高，电源电压为电源电压为15V15V。如图。如图9-29-2所示为所示为CA3140CA3140的一种接法。的一种接法。9.2 9.2 传感器信号的放大电路传感器信号的放大电路图图9-2 CA31409-2 CA3140运算放大器接线图运算放大器接线图9.2 9.2 传感器信号的放大电路传感器信号的放大电路9.2.2.2 9.2.2.2 仪表放大器仪表放大器 仪仪表表放放大大器器也也称称测测量量放放大大器器或或数数据据放放大大器器。在在模模拟拟放放大大电电路路中中，常常采采用用由由3 3个个运运算算放放大大器器构构成成的的对对称称式式差差动动放放大大器器来来提提高高输输入入阻阻抗抗、共共模模抑抑制制比比、闭闭环环增增益益和和温温度度稳稳定定性性，如如图图9-39-3所所示示。放放大大器器的的差差动动输输入入端端V VIN+IN+和和V VIN-IN-分分别别是是两两个个运运算算放放大大器器的的同同相相输输入入端端，因因此此输输入入阻阻抗抗很很高高，而而且且电电路路的的对对称称结结构构保保证证了了抑抑制制共共模模信信号号的的能能力力。图图9-39-3中中电电位位器器RPRP4 4用用以以调调整整放放大大倍数，二极管用来限幅。倍数，二极管用来限幅。9.2 9.2 传感器信号的放大电路传感器信号的放大电路图图9-3 9-3 仪表放大器仪表放大器9.2 9.2 传感器信号的放大电路传感器信号的放大电路9.2.3 9.2.3 隔离放大器和隔离放大系统隔离放大器和隔离放大系统 隔离放大器有变压器耦合隔离放大器有变压器耦合(磁耦合磁耦合)型和光电耦型和光电耦合型两类。合型两类。用于小信号放大的隔离放大器通常采用变压器用于小信号放大的隔离放大器通常采用变压器耦合型，这种放大器内含有一个为调制器提供载波耦合型，这种放大器内含有一个为调制器提供载波的振荡器，输入信号对载波进行幅度调制，然后通的振荡器，输入信号对载波进行幅度调制，然后通过变压器耦合到输出电路。在输出电路中，已被输过变压器耦合到输出电路。在输出电路中，已被输入信号调制的载波又被解调，恢复为输入信号，并入信号调制的载波又被解调，恢复为输入信号，并经运算放大器放大后输出。经运算放大器放大后输出。9.2 9.2 传感器信号的放大电路传感器信号的放大电路 MODEL284JMODEL284J是一种常用的变压器耦合型隔离是一种常用的变压器耦合型隔离放大器，其内部包含有输入放大器、调制器、变放大器，其内部包含有输入放大器、调制器、变压器、解调器和振荡器等部分，它的接法如图压器、解调器和振荡器等部分，它的接法如图9-9-4 4所示。所示。9.2 9.2 传感器信号的放大电路传感器信号的放大电路图图9-4 9-4 变压器耦合型隔离放大器变压器耦合型隔离放大器MODEL284JMODEL284J接线图接线图9.2 9.2 传感器信号的放大电路传感器信号的放大电路9.2.4 9.2.4 程控增益放大器程控增益放大器 程控增益放大器是解决宽范围模拟信号数据程控增益放大器是解决宽范围模拟信号数据采集的简单而有效的方法，其原理如图采集的简单而有效的方法，其原理如图9-59-5所示。所示。它由运算放大器它由运算放大器A A和多路模拟开关和多路模拟开关S1S1S Sn n(可采用可采用CD4051CD4051或或AD7501AD7501，由，由CPUCPU通过程序来控制某一路通过程序来控制某一路开关的接通开关的接通)、电阻网络及控制电路组成。、电阻网络及控制电路组成。9.2 9.2 传感器信号的放大电路传感器信号的放大电路 各支路开关各支路开关S1S1S Sn n的通断受输入二进制数的通断受输入二进制数d d1 1，d d2 2，dndn的相应位控制，当的相应位控制，当dndn=1=1时，开关时，开关S Sn n接通，当接通，当dndn=0=0时，开关时，开关S Sn n断开。开关的通断状态断开。开关的通断状态不同，运算放大器输入端等效电阻的大小也不一不同，运算放大器输入端等效电阻的大小也不一样，使得运算放大器的闭环增益随输入二进制数样，使得运算放大器的闭环增益随输入二进制数变化。变化。9.2 9.2 传感器信号的放大电路传感器信号的放大电路图图9-5 9-5 程控增益放大器原理图程控增益放大器原理图9.3 9.3 信号的调制与解调信号的调制与解调 9.3.1 9.3.1 信号调制的概念信号调制的概念 9.3.2 9.3.2 电桥调幅的原理电桥调幅的原理 9.3.4 9.3.4 应用举例应用举例 9.3.3 9.3.3 电桥调幅波的解调电桥调幅波的解调 9.3 9.3 信号的调制与解调信号的调制与解调9.3.1 9.3.1 信号调制的概念信号调制的概念 所所谓谓调调制制，就就是是利利用用信信号号来来控控制制高高频频振振荡荡的的过过程程，即即人人为为地地产产生生一一个个高高频频信信号号(它它由由频频率率、幅幅值值和和相相位位3 3个个参参数数决决定定)，使使这这个个高高频频信信号号的的3 3个个参参数数中中的的一一个个随随着着需需要要传传输输的的信信号号变变化化而而变变化化。这这样样，原原来来变变化化缓缓慢慢的的信信号号，就就被被这这个个受受控控制制的的高高频频振振荡荡信信号号所所代代替替，进进行行放放大大和和传传输，以期得到最好的放大和传输效果。输，以期得到最好的放大和传输效果。9.3 9.3 信号的调制与解调信号的调制与解调 所谓解调，就是从已被放大和传输的，且有原来所谓解调，就是从已被放大和传输的，且有原来信号信息的高频信号中，把原来信号取出的过程。信号信息的高频信号中，把原来信号取出的过程。调制的过程有调制的过程有3 3种：种：(1)(1)高频振荡的幅度受缓变信号控制时，称为调高频振荡的幅度受缓变信号控制时，称为调幅，以幅，以AMAM表示。表示。(2)(2)高频振荡的频率受缓变信号控制时，称为调高频振荡的频率受缓变信号控制时，称为调频，以频，以FMFM表示。表示。(3)(3)高频振荡的相位受缓变信号控制时，称为调高频振荡的相位受缓变信号控制时，称为调相，以相，以PMPM表示。表示。9.3 9.3 信号的调制与解调信号的调制与解调9.3.2 9.3.2 电桥调幅的原理电桥调幅的原理由第由第2 2章可知，电桥的输出与输入关系通式为章可知，电桥的输出与输入关系通式为(9-1)(9-1)式中式中 u u0 0 输出电压；输出电压；K K 接法系数，其中单臂桥接法，半桥接法，接法系数，其中单臂桥接法，半桥接法，全桥接法；全桥接法；9.3 9.3 信号的调制与解调信号的调制与解调 R R 电桥输入；电桥输入；u uI I 电桥的激励电压。电桥的激励电压。当当 ，时有时有(9-2)(9-2)9.3 9.3 信号的调制与解调信号的调制与解调 由由上上式式可可知知，电电桥桥输输出出电电压压u u0 0的的幅幅值值随随输输入入信信号号R R(t t)而而变变，或或者者说说，u u0 0的的幅幅值值受受R R(t t)的的控控制制。从从信信号号调调制制角角度度说说，电电桥桥激激励励电电压压u uI I是是调调制制过过程程的的载载波波，电电桥桥的的输输入入 R R是是调调制制过过程程的的调调制制信信号号，电电桥桥的的输输出出u u0 0是是调调制制过过程程的的调调制制波波。因因此此，电电桥桥就就是是一一个个调调幅幅器器，它它的原理和输出、输入的关系如图的原理和输出、输入的关系如图9-69-6所示。所示。9.3 9.3 信号的调制与解调信号的调制与解调图图9-6 9-6 电桥调幅的原理和输出、输入的关系电桥调幅的原理和输出、输入的关系9.3 9.3 信号的调制与解调信号的调制与解调 如如图图9-69-6所所示示的的调调制制波波是是载载波波随随调调制制信信号号变变化化的的结结果果。它它的的频频率率和和载载波波相相同同，它它的的幅幅值值随随调调制制信信号号而而变变化化，它它的的波波峰峰的的连连线线(称称为为包包络络线线，图图中中未未画画出出)的的形形状状和和调调制制信信号号的的波波形形一一致致。包包络络线线与与调调制制信信号号的的逼逼近近程程度度表表征征了了调调制制的的精精度度。为为了了保保证证调调制制精精度度，一一般般需需使使载载波波的的频频率率大大于于调调制制信信号号频频率率的的1010倍倍以以上上，常常取取2020倍。倍。9.3 9.3 信号的调制与解调信号的调制与解调9.3.3 9.3.3 电桥调幅波的解调电桥调幅波的解调 电桥调幅波的解调，常用相敏检波器电桥调幅波的解调，常用相敏检波器(或称相敏或称相敏解调器解调器)。常见的二极管相敏检波器的结构和输出、。常见的二极管相敏检波器的结构和输出、输入的关系如图输入的关系如图9-79-7所示。它是一种能够辨别调制信所示。它是一种能够辨别调制信号极性号极性(相位相位)的解调器。的解调器。9.3 9.3 信号的调制与解调信号的调制与解调图图9-7 9-7 二极管相敏检波器的结构和输出、输入的关系二极管相敏检波器的结构和输出、输入的关系9.3 9.3 信号的调制与解调信号的调制与解调 调调幅幅波波经经过过相相敏敏检检波波后后，既既能能反反映映出出调调制制信信号号的的幅幅值值，又又能能反反映映出出调调制制信信号号的的极极性性，它它由由4 4个个特特性性相相同同的的二二极极管管VD1VD1、VD2VD2、VD3VD3、VD4VD4沿沿同同一一方方向向串串联联成成一一个个回回路路。4 4个个端端点点分分别别接接在在变变压压器器A A和和B B的的二二次次线线圈圈上上。变变压压器器A A的的一一次次线线圈圈中中接接入入电电桥桥调调幅幅器器输输出出的的调调幅幅波波u uO O，变变压压器器B B的的一一次次线线圈圈中中接接入入与与电电桥桥调调幅幅器器载载波波一一样样的的参参考考电电压压u uI I，作作为为辨辨别别电电桥桥输输出出的的调调幅幅波波相相位位(极极性性)的的标标准准。R Rf f是是解解调调器器的的负负载载电电阻阻，解解调调器器的的输输出电压从出电压从R Rf f上引出。上引出。9.3 9.3 信号的调制与解调信号的调制与解调9.3.4 9.3.4 应用举例应用举例 Y6D-3Y6D-3型动态应变仪是利用电桥调幅和相敏解型动态应变仪是利用电桥调幅和相敏解调的典型例子。它的调制过程各环节的输出波形如调的典型例子。它的调制过程各环节的输出波形如图图9-89-8所示。所示。9.3 9.3 信号的调制与解调信号的调制与解调图图9-8 Y6D-39-8 Y6D-3型动态应变仪调制过程各环节的波形型动态应变仪调制过程各环节的波形9.3 9.3 信号的调制与解调信号的调制与解调 图图9-89-8中中的的电电桥桥由由载载波波发发生生器器供供给给高高频频等等幅幅电电压压u uI(3VI(3V，10kHz)10kHz)，被被测测参参数数(力力和和应应变变等等)通通过过电电阻阻应应变变片片转转换换成成电电阻阻变变化化值值后后，作作为为调调制制信信号号通通过过电电桥桥对对载载波波u uI I进进行行调调制制。调调制制波波u uO O从从电电桥桥输输出出后后，进进入入交交流流放放大大器器进进行行放放大大，放放大大后后的的调调制制波波由由二二极极管管相相敏敏检检波波器器进进行行解解调调，再再通通过过低低通通滤滤波波器器将将高高频频成成分分滤滤去去而而取取得得被被测测信信号号的的模模拟拟电电压压(电电流流)，最最后后，由光线示波器进行记录。由光线示波器进行记录。9.4 9.4 滤波电路滤波电路 9.4 9.4 滤波电路滤波电路 滤波器用以容许通过某一频率范围的电信号，而阻滤波器用以容许通过某一频率范围的电信号，而阻止或滤去此频率范围外的电信号。在检测中通常用来把止或滤去此频率范围外的电信号。在检测中通常用来把测量信号中不同频率成分分离开来，保留有用信号，去测量信号中不同频率成分分离开来，保留有用信号，去除噪声，所以应用广泛。按通过的频率范围，滤波器可除噪声，所以应用广泛。按通过的频率范围，滤波器可分为低通滤波分为低通滤波(LPF)(LPF)、高通滤波、高通滤波(HPF)(HPF)、带通滤波、带通滤波(BPF)(BPF)和和带阻滤波带阻滤波(BEF)4(BEF)4大类，它们的特性如图大类，它们的特性如图9-99-9所示。所示。9.4 9.4 滤波电路滤波电路 图图9-99-9中中，j j称称为为截截止止频频率率(rad/s)(rad/s)，它它对对应应于于幅幅频频特特性性H H(j j)=0.707)=0.707，j j又又称称半半功功率率点点，即即若若把把不不同同频频率率的的电电压压加加到到该该类类滤滤波波器器上上，经经滤滤波波后后，=j j的的那那种种电电压压将将被被衰衰减减为为原原信信号号电电压压幅幅值值的的倍倍，由由于于电电功功率率与与电电压压幅幅值值的的平平方方成成正正比比，故故功功率率被被衰衰减为原信号功率的减为原信号功率的1/21/2倍。倍。9.4 9.4 滤波电路滤波电路 理理想想的的滤滤波波器器，j j是是“通通”与与“阻阻”的的分分界界线线，j j处处应应为为一一条条竖竖直直线线，而而实实际际滤滤波波器器，“通通”与与“阻阻”界界线线不不分分明明。半半功功率率点点是是一一个个定定义义性性的的界界限限，所所谓谓截截止止，也也不不是是真真正正截截止止，而而是是截截止止了了功功率的一半。率的一半。9.4 9.4 滤波电路滤波电路(a)(a)低通滤波器低通滤波器(b)(b)高通滤波器高通滤波器(c)(c)带通滤波器带通滤波器(d)(d)带阻滤波器带阻滤波器图图9-9 9-9 滤波器的特性滤波器的特性9.4 9.4 滤波电路滤波电路 0 0称称为为中中心心频频率率，它它对对应应于于H H()的的极极值值。对对于于带带通通滤滤波波器器为为最最大大值值；对对于于带带阻阻滤滤波波器器为为最最小小值值。0 0的的两两旁旁，可可以以找找到到截截止止频频率率i i和和j j，它它们们的的差差值值称称为为带带宽宽，在在带带宽宽范范围围内内，就就是是需需要要通通过过或或需需要要截止的频率成分。截止的频率成分。9.5 9.5 传感器信号的非线性校正传感器信号的非线性校正9.5.1 9.5.1 校正曲线的求取校正曲线的求取 9.5.2 9.5.2 模拟量的非线性校正模拟量的非线性校正 9.5.3 9.5.3 数字量的非线性校正数字量的非线性校正 9.5 9.5 传感器信号的非线性校正传感器信号的非线性校正 在自动检测系统中，利用传感器把被测量转换成电在自动检测系统中，利用传感器把被测量转换成电量时，大多数传感器的输出电量与被测量之间的关系并量时，大多数传感器的输出电量与被测量之间的关系并非线性关系。造成非线性的原因很多，主要有：非线性关系。造成非线性的原因很多，主要有：(1)(1)传感元件变换原理的非线性，如测温用铂电阻传感元件变换原理的非线性，如测温用铂电阻在在00650650范围内，等。范围内，等。9.5 9.5 传感器信号的非线性校正传感器信号的非线性校正 (2)(2)测量转换电路的非线性，如不平衡电桥单测量转换电路的非线性，如不平衡电桥单臂工作桥是非线性的等。臂工作桥是非线性的等。(3)(3)不少近似线性关系的转换电路均为相对于不少近似线性关系的转换电路均为相对于一定精度和范围而言，随着这些要求的提高，非线一定精度和范围而言，随着这些要求的提高，非线性问题也就不容忽视了。性问题也就不容忽视了。9.5 9.5 传感器信号的非线性校正传感器信号的非线性校正对于这些问题的解决不外乎对于这些问题的解决不外乎3 3种办法：种办法：(1)(1)缩小测量范围，取近似值。缩小测量范围，取近似值。(2)(2)采用非线性指示刻度。采用非线性指示刻度。(3)(3)加非线性校正环节。加非线性校正环节。9.5 9.5 传感器信号的非线性校正传感器信号的非线性校正9.5.1 9.5.1 校正曲线的求取校正曲线的求取 如图如图9-109-10所示，特性所示，特性是已知的变换器特性，是已知的变换器特性，求取求取x xm m对应的对应的A Am m点后，作出直线点后，作出直线，再作特性，再作特性相相对于直线对于直线的镜像，则得所需的校正特性的镜像，则得所需的校正特性。为了。为了避免作图过程中特性避免作图过程中特性进入第二或第四象限，作特进入第二或第四象限，作特性性时应适当地选取时应适当地选取x x、y y坐标的比例尺。校正环节坐标的比例尺。校正环节的电压增益可以在求得校正曲线后考虑。的电压增益可以在求得校正曲线后考虑。9.5 9.5 传感器信号的非线性校正传感器信号的非线性校正图图9-10 9-10 校正曲线的求取校正曲线的求取9.5 9.5 传感器信号的非线性校正传感器信号的非线性校正9.5.2 9.5.2 模拟量的非线性校正模拟量的非线性校正 如图如图9-119-11所示为一种斜率提升的校正电路，它所示为一种斜率提升的校正电路，它是由反相放大器构成的，当是由反相放大器构成的，当VD1VD1、VD2VD2均不导通时，均不导通时，闭环放大器是一个负反馈放大器，随着闭环放大器是一个负反馈放大器，随着u ui i增大，输增大，输出电压出电压u uo o反馈增大，反馈增大，VD1VD1导通，电路将引入正反馈，导通，电路将引入正反馈，其结果是使放大倍数提高。其结果是使放大倍数提高。9.5 9.5 传感器信号的非线性校正传感器信号的非线性校正 当当VD2VD2导通时，正反馈作用加强，放大倍数进导通时，正反馈作用加强，放大倍数进一步提高。因而一步提高。因而u uo ou ui i特性是一条斜率提升曲线。特性是一条斜率提升曲线。在图在图9-119-11中，纵坐标表示输出电压绝对值大小。其中，纵坐标表示输出电压绝对值大小。其余校正电路可参阅有关书籍。余校正电路可参阅有关书籍。9.5 9.5 传感器信号的非线性校正传感器信号的非线性校正图图9-11 9-11 斜率提升校正电路斜率提升校正电路9.5 9.5 传感器信号的非线性校正传感器信号的非线性校正9.5.3 9.5.3 数字量的非线性校正数字量的非线性校正 用软件实现传感器特性线性化，一般需要进行用软件实现传感器特性线性化，一般需要进行两方面的工作：首先由于大部分仪表、传感器输出两方面的工作：首先由于大部分仪表、传感器输出量是模拟量或频率量，故需要将它们变成数字量，量是模拟量或频率量，故需要将它们变成数字量，也就是使特性数字化；其次是将特性数据表格存于也就是使特性数字化；其次是将特性数据表格存于内存，通过微处理器执行程序，对采样信息进行数内存，通过微处理器执行程序，对采样信息进行数据处理，实现特性数据的线性化。据处理，实现特性数据的线性化。9.5 9.5 传感器信号的非线性校正传感器信号的非线性校正 采用软件实现数据线性化，一般有采用软件实现数据线性化，一般有3 3种方法：种方法：计算法、查表法和插值法。计算法、查表法和插值法。(1)(1)计算法。当传感器的输入量与输出量之间计算法。当传感器的输入量与输出量之间有确定的数学表达式时，就可以采用计算法进行非有确定的数学表达式时，就可以采用计算法进行非线性补偿。计算法就是在软件中编制一段完成数学线性补偿。计算法就是在软件中编制一段完成数学表达式的计算程序，当被测量经过采样、滤波和变表达式的计算程序，当被测量经过采样、滤波和变换后，直接进入计算程序进行计算，计算后的数值换后，直接进入计算程序进行计算，计算后的数值为经过线性化处理的输出。为经过线性化处理的输出。9.5 9.5 传感器信号的非线性校正传感器信号的非线性校正 (2)(2)查表法。如果某些参数计算非常复杂，查表法。如果某些参数计算非常复杂，特别是计算公式涉及到指数、对数、三角函数和特别是计算公式涉及到指数、对数、三角函数和微分、积分等运算时，编制程序相当麻烦，用计微分、积分等运算时，编制程序相当麻烦，用计算法计算不仅程序冗长，而且费时，此时可以采算法计算不仅程序冗长，而且费时，此时可以采用查表法。用查表法。9.5 9.5 传感器信号的非线性校正传感器信号的非线性校正 (3)(3)插值法。插值法就是用一段简单的曲线，插值法。插值法就是用一段简单的曲线，近似代替这段区间里的实际曲线，然后通过近似曲近似代替这段区间里的实际曲线，然后通过近似曲线公式，计算出输出量。使用不同的近似曲线，就线公式，计算出输出量。使用不同的近似曲线，就形成不同的插值方法。在仪表及传感器线性化中常形成不同的插值方法。在仪表及传感器线性化中常用的插值法有线性插值法用的插值法有线性插值法(又称折线法又称折线法)和二次插值和二次插值法法(又称抛物线法又称抛物线法)。9.6 A/D9.6 A/D转换器的选择转换器的选择 9.6.1 A/D9.6.1 A/D转换器的性能指标转换器的性能指标 9.6.2 A/D9.6.2 A/D转换器的选择转换器的选择 9.6 A/D9.6 A/D转换器的选择转换器的选择9.6.1 A/D9.6.1 A/D转换器的性能指标转换器的性能指标 A/DA/D转换器是集成在一块芯片上，并能完成模拟转换器是集成在一块芯片上，并能完成模拟信号向数字信号转换的单元电路。信号向数字信号转换的单元电路。A/DA/D转换的方法有转换的方法有多种，最常用的是直接型和间接型两类。多种，最常用的是直接型和间接型两类。9.6 A/D9.6 A/D转换器的选择转换器的选择 直接型又称比较型，它将模拟输入电压与基准直接型又称比较型，它将模拟输入电压与基准电压比较后直接得到数字信号输出。间接型又称积电压比较后直接得到数字信号输出。间接型又称积分型，它先将模拟信号电压转换成时间间隔或频率分型，它先将模拟信号电压转换成时间间隔或频率信号，然后再把时间间隔或频率转换成数字信号输信号，然后再把时间间隔或频率转换成数字信号输出。在进行出。在进行8 8位转换时，比较型转换器的转换时间位转换时，比较型转换器的转换时间为为101030s30s，而积分型转换器的转换时间较慢，而积分型转换器的转换时间较慢，通常需要通常需要1 120ms20ms。A/DA/D转换器一般有以下性能指标：转换器一般有以下性能指标：9.6 A/D9.6 A/D转换器的选择转换器的选择 (1)(1)分辨率。分辨率。A/DA/D转换器的分辨率转换器的分辨率D D是指输出是指输出数字量对输入模拟量变化的分辨能力，利用它可数字量对输入模拟量变化的分辨能力，利用它可以决定使输出数码增加以决定使输出数码增加(或减少或减少)1)1位所需要的输位所需要的输入信号的最小变化量。入信号的最小变化量。9.6 A/D9.6 A/D转换器的选择转换器的选择 分辨率分辨率D D可用可用A/DA/D转换器数字信号输出端的位数转换器数字信号输出端的位数表示，可写成表示，可写成或或 (9-3)(9-3)式中式中 n nA/DA/D转换器的位数。转换器的位数。n n越高，测量误差越小，转换精度越高，但成本也越高，测量误差越小，转换精度越高，但成本也高。当高。当A/DA/D转换器的位数足够多时，上述两种表达转换器的位数足够多时，上述两种表达式是等价的。式是等价的。9.6 A/D9.6 A/D转换器的选择转换器的选择 (2)(2)转换时间。设转换时间。设A/DA/D转换器已处于准备就绪状转换器已处于准备就绪状态，从态，从A/DA/D转换的启动信号转换的启动信号(Start)(Start)加入时起，到获加入时起，到获得数字输出信号得数字输出信号(与输入信号对应之值与输入信号对应之值)为止所需的为止所需的时间称为时间称为A/DA/D转换器的转换时间。转换器的转换时间。9.6 A/D9.6 A/D转换器的选择转换器的选择 (3)(3)转换频率。转换频率与转换时间成反比，转换频率。转换频率与转换时间成反比，但是对于但是对于A/DA/D转换器的最大可能的转换频率，除了转换器的最大可能的转换频率，除了考虑转换时间外，还必须包括置零信号考虑转换时间外，还必须包括置零信号(Reset)(Reset)，把转换器全部恢复到零的时间，上述两项时间之把转换器全部恢复到零的时间，上述两项时间之和的倒数才为转换器的最高工作频率。和的倒数才为转换器的最高工作频率。9.6 A/D9.6 A/D转换器的选择转换器的选择 (4)(4)精度。精度。A/DA/D转换器的精度定义为输入模拟转换器的精度定义为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，这一差值亦称绝对误差。当它压值之间的差值，这一差值亦称绝对误差。当它用百分数表示时，称为相对精度或相对误差。用百分数表示时，称为相对精度或相对误差。9.6 A/D9.6 A/D转换器的选择转换器的选择9.6.2 A/D9.6.2 A/D转换器的选择转换器的选择 在选择在选择A/DA/D转换器时，除需要满足用户的各种转换器时，除需要满足用户的各种技术要求外，还必须注意如下几点：技术要求外，还必须注意如下几点：(1)(1)数字输出的方式。数字输出的方式。(2)(2)对启动信号的要求。对启动信号的要求。(3)(3)转换精度和转换时间。转换精度和转换时间。(4)(4)稳定性及抗干扰能力等。稳定性及抗干扰能力等。9.6 A/D9.6 A/D转换器的选择转换器的选择 选选择择A/DA/D转转换换器器时时，需需要要考考虑虑精精度度、分分辨辨率率、转转换换时时间间和和价价格格等等因因素素。比比较较型型A/DA/D转转换换器器的的转转换换速速度度快快，但但要要实实现现高高精精度度则则价价格格比比较较高高。积积分分型型A/DA/D转转换换器器虽虽然然转转换换时时间间较较长长，但但价价格格低低，精度高。精度高。9.7 9.7 抗干扰技术抗干扰技术 9.7.1 9.7.1 干扰的来源干扰的来源 9.7.2 9.7.2 抗电磁干扰技术抗电磁干扰技术 9.7 9.7 抗干扰技术抗干扰技术 9.7.1 9.7.1 干扰的来源干扰的来源 根据产生干扰的物理原因，干扰有如下几种来源：根据产生干扰的物理原因，干扰有如下几种来源：(1)(1)机械的干扰。机械的干扰。(2)(2)热的干扰。热的干扰。(3)(3)光的干扰。光的干扰。9.7 9.7 抗干扰技术抗干扰技术 (4)(4)湿度变化的影响。湿度变化的影响。(5)(5)化学的干扰。化学的干扰。(6)(6)电和磁的干扰。电和磁的干扰。(7)(7)射线辐射的干扰。射线辐射的干扰。9.7 9.7 抗干扰技术抗干扰技术9.7.2 9.7.2 抗电磁干扰技术抗电磁干扰技术 抑制干扰的基本措施中消除干扰源是最有效、抑制干扰的基本措施中消除干扰源是最有效、最彻底的方法。但实际上不少干扰源是不可消除最彻底的方法。但实际上不少干扰源是不可消除的，所以需要研究抗电磁干扰技术。抗电磁干扰的，所以需要研究抗电磁干扰技术。抗电磁干扰技术有时又称为电磁兼容控制技术，下面介绍几技术有时又称为电磁兼容控制技术，下面介绍几种常用的、行之有效的抗电磁干扰技术，如屏蔽种常用的、行之有效的抗电磁干扰技术，如屏蔽技术、接地技术、浮置技术、平衡电路、滤波技技术、接地技术、浮置技术、平衡电路、滤波技术和光电耦合技术等。术和光电耦合技术等。9.7 9.7 抗干扰技术抗干扰技术 9.7.2.1 9.7.2.1 屏蔽技术屏蔽技术 利用金属材料制成容器，将需要防护的电利用金属材料制成容器，将需要防护的电路包在其中，可以防止电场或磁场的耦合干扰，路包在其中，可以防止电场或磁场的耦合干扰，此种方法称为屏蔽。屏蔽可以分为静电屏蔽、此种方法称为屏蔽。屏蔽可以分为静电屏蔽、电磁屏蔽和低频磁屏蔽等。电磁屏蔽和低频磁屏蔽等。(1)(1)静电屏蔽。静电屏蔽。(2)(2)电磁屏蔽。电磁屏蔽。(3)(3)低频磁屏蔽。低频磁屏蔽。9.7 9.7 抗干扰技术抗干扰技术 9.7.2.2 9.7.2.2 接地技术接地技术 导线接地起源于强电技术，它的本意是接导线接地起源于强电技术，它的本意是接大地，主要着眼于安全。这种地线也称为大地，主要着眼于安全。这种地线也称为“保保护地线护地线”。9.7 9.7 抗干扰技术抗干扰技术 如图如图9-129-12所示为电气设备接大地的示意图。所示为电气设备接大地的示意图。对于组成仪器、通信和计算机等电子技术来说，对于组成仪器、通信和计算机等电子技术来说，“地线地线”多是指电信号的基准单位，也称为多是指电信号的基准单位，也称为“公公共参考端共参考端”，它除了作为各级电路的电流通道之，它除了作为各级电路的电流通道之外，还是保证电路工作稳定、抑制干扰的重要环外，还是保证电路工作稳定、抑制干扰的重要环节。它可以是接大地的，也可以是与大地隔绝的，节。它可以是接大地的，也可以是与大地隔绝的，例如飞机、卫星上的地线。因此，通常将仪器设例如飞机、卫星上的地线。因此，通常将仪器设备中的公共参考端称为信号地线。备中的公共参考端称为信号地线。9.7 9.7 抗干扰技术抗干扰技术图图9-12 9-12 电气设备接大地的示意图电气设备接大地的示意图9.7 9.7 抗干扰技术抗干扰技术信号地线又可分为以下几种：信号地线又可分为以下几种：(1)(1)模拟信号地线。模拟信号地线。(2)(2)数字信号地线。数字信号地线。(3)(3)信号源地线。信号源地线。(4)(4)负载地线。负载地线。9.7 9.7 抗干扰技术抗干扰技术9.7.2.3 9.7.2.3 浮置技术浮置技术 浮置又称浮空、浮接，它指的是模拟输入信号浮置又称浮空、浮接，它指的是模拟输入信号放大器的公共线放大器的公共线(即模拟信号地线即模拟信号地线)不接机壳或大不接机壳或大地。对于被浮置的测量系统，测量电路与机壳或地。对于被浮置的测量系统，测量电路与机壳或大地之间无直接联系。大地之间无直接联系。9.7 9.7 抗干扰技术抗干扰技术 前面讲过，屏蔽