传感器应用技术.pptx
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1、 信号变换在实际应用中,敏感元件或传感器输出的信号可能是直流电压、直流电流,也可能是交流电压、交流电流,甚至是电阻值、电容值等等。在进行处理、传输、接口、显示记录过程中,常常需要借助各种信号变换器进行信号变换。这些变换通常包括以下几种:(1)利用I-U变换把直流电流(I)变换成直流电压(U)。(2)利用u-U变换把交流电压(u)变换成直流电压(U)(亦称AC-DC变换)。(3)利用i-U变换把交流电流(i)变换成直流电压(U)。第1页/共81页(4)利用R-U变换把电阻值(R)变换成直流电压(U)(亦称-U变换)。(5)利用C-U变换把电容量(C)变换成直流电压(U)。(6)利用f-U变换把频
2、率(f)变换成直流电压(U)。电流-电压(I-U)变换器最简单的电流-电压变换电路如图所示。显然,Uo=IiR,因此,Uo与电流Ii成正比。通常采用高输入阻抗运算放大器,如LM356、CF3140、F071F074、F353等,可方便地组成电流-电压变换器。一个简单的方案如图所示。第2页/共81页图最简单的电流-电压变换电路第3页/共81页图简单电流-电压变换电路第4页/共81页该电路能提供正比于输入电流的输出电压,比例常数就是反馈电阻R,即Uo=IiR如果运算放大器是理想的,那么它的输入电阻为,输出电阻为零。R阻值的大小仅受运放的输出电压范围和输入电流大小的限制。一种大电流-电压变换电路如图
3、所示。该电路中,利用小阻值的取样电阻Rs把电流转变为电压后,再用差动放大器进行放大。输入电流在1 A范围内,其变换精度为0.5%。第5页/共81页图大电流-电压变换电路第6页/共81页根据该电路的结构,只要选用R1=R2=RF,R3=R4=R5=R6=Rf,则差动放大倍数为由上式可见,R7越小,Kd越大。调节RP2,可以使Kd在58274内变化。当Kd=100时,电流-电压变换系数为10 VA。运算放大器必须采用高输入阻抗(1071012)、低漂移的运算放大器。另一种微电流-电压变换电路如图所示。该电路只需输入5 pA电流,就能得到5 V电压输出。第7页/共81页图微电流-电压变换电路第8页/
4、共81页电压-电流(U-I)变换器1.负载浮动的U-I变换器一个简单的U-I变换电路如图所示。它类似于一个同相放大器,RL的两端都不接地。利用运算放大器的分析概念可得,输出电流与输入电压的关系:调节RP就可以改变输入电压与输出电流之间的变换系数。通常所用的运算放大器其输出最大电流约为20 mA。为了降低运算放大器的功耗,扩大输出电流,在运算放大器的输出端可加一个三极管驱动电路,如图所示。该电路的输入为01 V,输出为010 mA。第9页/共81页图负载浮动的U-I变换电路第10页/共81页图一种改进的U-I变换电路第11页/共81页2.负载接地的U-I变换器一种负载接地的U-I变换电路如图所示
5、。该变换器的工作原理与浮动负载U-I变换器的类似。所不同的是,电流采样电阻R7是浮动的,而负载RL则有一端接地,所以需要两个反馈电阻R3和R4。当R1=R2,R3=R4+R7时,输出电流为对于来自传感器的微弱电压信号,实现远距离传输是比较困难的。此时,将电压信号变换为电流信号后再进行长线传输,就可得到满意的效果。图所示就是一个精度较高的电压-电流变换电路。第12页/共81页图负载接地的U-I变换电路第13页/共81页图高精度U-I变换电路第14页/共81页交流电压-直流电压(u-U)变换器和交流电流-直流电压(i-U)变换器把交流电压变换成直流电压亦称AC-DC变换。图是使用二极管的整流电路,
6、该电路利用半波整流把交流电变成直流电。直流输出电压Uo可用下式表示:但是,从图所示的硅二极管的正向伏安特性曲线可以看出,用硅二极管进行半波整流时,如果Um0.5 V,则输出电压Uo0。显然,该电路不能把峰值在0.5 V以下的交流电压转换成直流电压。第15页/共81页图简单整流电路第16页/共81页图硅二极管的正向伏安特性曲线第17页/共81页为此,可采用图11.11(a)所示的由运算放大器构成的线性整流电路。这时,Um与Uo呈线性关系,如图11.11(b)所示。实际应用中,图11.11(a)所示电路的输出端对地还要接滤波电容,使输出电压Uo平滑。如果要测量输入正弦波的有效值,则还需增加一级放大
7、器并能对放大器的增益进行调整,以便对输入正弦波的有效值进行校准。图就是一种实用的电路。该电路是由半波整流电路和平均值-有效值转换器构成的线性变换电路。考虑到下级是反相放大器,图中V2的输出(即R5的输入)是负半周整流波形。20 F电容起平滑作用,使输出得到直流。与R7相串联的电位器RP用来调整,可使平均值等于有效值。输出端将得到与交流电压的有效值相等的直流电压输出。第18页/共81页图由运算放大器构成的线性整流电路第19页/共81页图实用交流电压-直流电压变换电路第20页/共81页i-U变换即把交流电流变换成直流电压,可按照图所示的方框图进行。图i-U变换器方框图第21页/共81页电阻-电压(
8、R-U或-U)变换器把电阻值变换成直流电压的电路如图所示。Ux与电阻Rx有如下关系:图是使用运算放大器的R-U变换电路。该电路为反相比例放大器,其输出电压Uo为第22页/共81页图电阻分压式R-U变换电路第23页/共81页图使用运算放大器的R-U变换电路第24页/共81页如果使用恒流源进行R-U变换,如图所示,就能取得很好的变换效果。因为无论Rx的阻值如何变化,流过Rx的电流Is恒定,所以有Ux=IsRxUx与Rx成正比,且图中b端可以接地。图是利用运算放大器作恒流源的一个例子。图使用恒流源的R-U变换电路第25页/共81页图用运算放大器作恒流源的变换电路第26页/共81页电容-电压(C-U)
9、变换器下面介绍一种C-U实用电路。该电路由ICM7556(国产型号有CC7556、5G7556)双时基集成电路和阻容元件构成,如图所示。该电路有5个电容挡:200 pF、2 nF、20 nF、200 nF、2 F。A1、A2是7556内部的两个完全相同的单时基电路。A1和R1、C1组成多谐振荡器。由于未接定时电阻,所以振荡脉冲的占空比q1接近100%,振荡频率f0=90 Hz,周期T=0.011 s。A1的输出送至A2触发端。A2和R2R6、电容Cx组成单稳触发器。第27页/共81页图C-U变换电路第28页/共81页电压-频率(U-f)变换器(简称VFC)和频率-电压(f-U)变换器(简称FV
10、C)VFC是输出信号频率正比于输入信号电压的线性变换装置,其传输函数可表示为fo=KUiFVC是输出信号电压正比于输入信号频率的线性变换装置,其传输函数可表示为Uo=Qfi由于集成U-f与f-U变换器不需要同步时钟,因此,其成本比AD(模/数转换器)和DA(数/模转换器)低得多,与计算机连接时特别简单。另外,电压模拟量经U-f变换成频率第29页/共81页信号后,其抗干扰能力大为增强,故非常适用于远距离传输,在遥控系统以及噪声环境下,更能显示出它的必要性。目前,U-f和f-U变换器有模块(混合工艺)式和单片集成(双极工艺)式两种。通常单片集成式是可逆的,即兼有U-f和f-U功能,而模块式是不可逆
11、的。对于理想的VFC和FVC,K、Q为常数,其特性为通过原点的直线,但实际上会出现非线性误差。模块式VFC常采用恒流恢复型,FVC采用精密电荷分配器和积分平均电路。单片集成式VFC大致分为超宽扫描多谐振荡器式和电荷平衡振荡器式,FVC基本分为脉冲积分式和锁相环式。第30页/共81页VFC和FVC电路都可以用运算放大器加上一些元件组成。然而由于目前单片集成式VFC、FVC和模块式VFC、FVC组件已大量商品化,因此它们只要外接极少元件就可构成一个高精密的VFC或FVC电路,如国产5GVFC32、BG382等以及国外产AD6508、LM131231331等。下面介绍一下LM331。LM331是一种
12、简单、廉价的VFC单片式集成电路,它的特点如下:(1)保证的最大线性度为0.01%。(2)双电源或单电源工作。(3)脉冲输出与所有逻辑形式相容。第31页/共81页(4)最佳温度稳定性的最大值为50106。(5)低功率消耗,5 V下的典型值为15 mW。(6)宽的满量程频率范围,为1 Hz100 kHz。LM331的封装及引脚排列如图所示。图LM331的封装及引脚排列第32页/共81页LM331的电原理框图如图所示,它包括一个开关电流源、输入比较器和单脉冲定时器。图LM331的电原理框图第33页/共81页电压比较器将正输入电压UI(7脚)与电压Ux比较,若UI大,则比较器启动单脉冲定时器,定时器
13、的输出将同时打开频率输出晶体管和开关电流源,周期为t=1.1 RtCt。在这个周期中,电流i通过开关电流源向电容CL充电,电荷为Q=it。当充电使Ux大于UI时,电流i被关断,定时器自行复位。此时,1脚无电流流过,电容CL上的电荷逐渐通过RL放掉。直到Ux等于UI以后,比较器将重新启动定时器,开始另一个循环。输入电压UI越大,定时器工作周期越短,输出频率fo越高,且fo正比于UI。LM331的典型应用如图所示。第34页/共81页图LM331的典型应用第35页/共81页LM331构成的精密VFC电路如图所示。图和图所示电路中标有*号的元件稳定性要好;标有*号的元件,对Us=822 V,其阻值用5
14、 k或10 k,而对Us8 V,其阻值必须是10 k。A1应选用低失调电压和低失调电流的运算放大器。LM331也可方便地用于频率-电压变换器(FVC),如图所示。在图中,fi的输入脉冲经C-R网络微分电路,其6脚上的负沿脉冲引起输入比较器输出,触发定时电路动作,使输出Uo为一脉动直流电压,该电压的大小正比于输入信号的频率fi。第36页/共81页图精密VFC电路第37页/共81页图精密FVC电路第38页/共81页电压-脉宽(U-H)变换器U-H变换器是用来将电压信号变换为脉冲宽度信号的变换器。变换后输出的脉冲周期T是固定的,而脉冲宽度H随输入电压信号的变化而变化,两者呈线性关系。U-H输出的脉冲
15、信号的直流分量与输入电压成正比关系,因此,只需简单的RC滤波电路即可复现原模拟电压信号。U-H变换器输出的脉冲信号可以很方便地驱动发光器件,进而完成光电隔离。下面结合图所示的U-H变换器的原理电路介绍其工作情况。该电路由三角波发生器、比较器和输出级三部分组成。第39页/共81页图U-H变换器的原理电路第40页/共81页三角波发生器由具有正反馈的运算放大器A1和阻容元件R4、C组成。设起始时A1输出为正向限幅电压Uw,它一方面通过R1、R2正反馈电路使A1同相端的电压为同时,Uw通过R4对电容C充电,使UF(=UC)逐渐增大。A1实质上是一个比较器,当UF=U1时,A1翻转,输出由正向限幅电压突
16、变为负向限幅电压Uw,同相端的电压变为第41页/共81页三角波发生器的各点波形(Uo1、UT、UC)如图所示。图三角波发生器各点的波形图第42页/共81页输出的三角波实际上是由电容C充、放电的指数曲线交替组合而成的。因为充电与放电回路相同,充电电压与放电电压相对于零点对称,所以充、放电的持续时间相同,均为振荡周期的一半。要计算三角波的周期T,只需计算其中的一个放电过程然后乘2即可。根据RC电路瞬态过程的分析,可得已知=R4C,当t=0+时,即放电过程刚开始瞬间:第43页/共81页当t,UC()=Uw时,有考虑到当时,得第44页/共81页整理得根据选择的R1、R2、R4及C的数值,就可确定三角波
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