第11章传感器信号处理及微机接口技术-自动检测技术课件.ppt

第11章传感器信号处理及微机接口技术5/26/2023 1引言n 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。5/26/2023 2主要章节n 11.1 传感器信号的预处理n 11.2 传感器信号的放大电路n 11.3 传感器与微机的接口技术n 11.4 抗干扰技术5/26/2023 311.1 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理电路、数据采集系统和计算机接口电路组成。传感器与微机的接口框图5/26/2023 4 开关量传感器特性示意图5/26/2023 611.1.2 模拟连续式输出信号的预处理n 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。5/26/2023 71 电流/电压变换电路（I/V 变换）n 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。5/26/2023 82.电压/电流变换（V/I 变换）n 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。5/26/2023 104 20mA 的V/I 变换电路5/26/2023 11 频率/电压变换器原理框图5/26/2023 1311.2 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。5/26/2023 1511.2.1 通用IAn 通用IA 由3 个运算放大器A1、A2、A3 组成.5/26/2023 16自动增益IA 基本工作过程n 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5/26/2023 1811.2.3IA 的技术指标n（1）非线性度n（2）偏置漂移n（3）建立时间n（4）恢复时间n（5）共模抑制比5/26/2023 1911.2.4 常用集成仪表放大电路n 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5/26/2023 2011.3 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。11.3.1 数据采集的概念 5/26/2023 211.数据采集系统的配置n 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。n 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5/26/2023 222.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时间信号a（t）取样，得到对应的离散时间信号的过程连续时间信号的取样5/26/2023 24香农采样定理n 对一个具有有限频谱（min max）的连续信号进行采样，当采样频率S=2/TS2 max 时，采样结果可不失真。5/26/2023 25模拟量的采样参照的经验数据输入物理量采样周期Ts/s说 明流量15 一般选用12s压力310 一般选用68s液位68温度1520串级系统TS=0，副环TS=（1/4 1/5）主环TS成分15205/26/2023 2611.3.2ADC 接口技术n（1）分辨力n 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（1LSB）所代表的输入模拟电压值。n 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。1 A/D 转换器（ADC）的主要技术指标5/26/2023 28（2）精度n 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。绝对精度常用LSB 的倍数来表示，常见的有1/2 LSB 和1 LSB。n 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，因此相对误差也常用LSB 为单位来表示。5/26/2023 29（4）线性度误差n 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，通常也用LSB 的倍数来表示。5/26/2023 31（5）转换时间n 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，即完成一次转换所需要的最长时间。5/26/2023 322.ADC 的选择与使用n 按A/D 转换的原理，ADC 主要分为比较型和积分型两大类。n 其中，常用的是逐次逼近型、双积分型和V/F 变换型（电荷平衡式）。5/26/2023 33选择的标准n 逐次逼近ADC 的特点是转换速度较高（1s 1ms），8 14 位中等精度，输出为瞬时值，抗干扰能力差；双积分ADC 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，分辨率达12 20 位，价格便宜，但转换速度较慢（4ms 1s）；V/F 转换器是由积分器、比较器和整形电路构成的VFC 电路，把模拟电压变换成相应频率的脉冲信号，其频率正比于输入电压值，然后用频率计测量。VFC 能快速响应，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，但转换速度慢。5/26/2023 343.A/D 转换器及其与单片机的接口n（1）传感器采集接口组成5/26/2023 35（2）A/D 转换器及接口电路ADC0808/0809 与8031 的接口连接5/26/2023 368031 的8 路连续采样程序n MOVDPTR，#7FF8H；设置外设（A/D）口地址和通道号n MOVR0，#40H；设置数据指针n MOVIE，#84H；允许外部中断1 中断n SETBIT1；置边沿触发方式n MOVXDPTR，A；启动转换5/26/2023 37n LOOP：CJNER0，#48，LOOP；判断8个通道是否完毕n RET；返回主程序n AINT：MOVXA，DPTR；输入数据n MOVR0，An INCDPTR；修改指针n INCR0n MOVXDPTR，A；启动转换n RETI；中断返回5/26/2023 3811.4 抗干扰技术n 1.外部干扰n（1）从外部侵入检测装置的干扰称为外部干扰。n（2）电气设备干扰的特点,工频干扰,射频干扰,电子开关通断干扰11.4.1 干扰的来源及形式5/26/2023 392.内部干扰n（1）固有噪声源n（2）信噪比（S/N）5/26/2023 403.干扰的传输途径n（1）通过“路”的干扰n（2）通过“场”的干扰5/26/2023 414.干扰的作用方式n（1）串模干扰n 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，所以影响很大。串模干扰等效电路5/26/2023 42n（2）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，所以对测量的影响更为严重。共模干扰等效电路5/26/2023 43n（3）共模抑制比（CMRR）n 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5/26/2023 4411.4.2 干扰的抑制技术n（1）消除或抑制干扰源n（2）破坏干扰途径n（3）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声的敏感性，负反馈可以有效削弱内部噪声源，n 常用的抗干扰技术有屏蔽、接地、浮置、滤波、隔离技术等。1 抑制干扰的方法5/26/2023 452.屏蔽技术n（1）静电屏蔽n 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。n 尽量缩短被屏蔽电路伸出屏蔽盒之外的导线长度。n（2）电磁屏蔽n（3）磁屏蔽n（4）驱动屏蔽的概念5/26/2023 46磁屏蔽的原理图 驱动屏蔽原理图5/26/2023 473.接地技术n（1）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、计算控制等电子技术来说，把电信号的基准电位点称为“地”，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。另外从信号特点来看，还有信号源地线和负载地线。5/26/2023 48（2）一点接地原则 机内一点接地5/26/2023 49检测系统的一点接地示意图 系统一点接地5/26/2023 50（3）电缆屏蔽层的一点接地 信号源不接地，测量电路接地，信号源接地，测量电路不接地，电缆屏蔽层应接到信号源的地端5/26/2023 514.浮置技术n 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性的直接联系（仅有寄生电容存在），这种接线法称为浮置。5/26/2023 52“浮置屏蔽”的检测系统5/26/2023 53各层接法n（1）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。n（2）中间屏蔽层与“保护屏蔽”层连接。n（3）二次侧屏蔽层与测量装置的零电位连接5/26/2023 545.其他抑制干扰的措施n 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、带阻滤波等，起选频作用。隔离主要防止后级对前级的干扰。5/26/2023 55好好休息！5/26/2023 56