传感器接口电路课件.ppt

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1、 机机机机 电电电电 一一一一 体体体体 化化化化 技技技技 术术术术第二十三讲第二十三讲第二十三讲第二十三讲 传感器与微机接口电路传感器与微机接口电路传感器与微机接口电路传感器与微机接口电路 放大与滤波放大与滤波多路模拟开关多路模拟开关采样保持电路采样保持电路模模/数转换器数转换器电压比较器电压比较器 机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器信号处理电路信号处理电路R R uI URuO+UOMUOMuIuOOUR 电压比较器电压比较器R R uI URuIuOOURUOM+UOM模拟电压比较电路是用来鉴别和比较两个模拟输入电压大小的电路。比较器的输入量是模拟量，输出量是数字量，

2、所以它兼有模拟电路和数字电路的某些属性，是模拟电路和数字电路之间联系的桥梁，是重要的接口电路。一般情况下，运算放大器在开环状态下工作也可用来比较两个模拟信号，但运算放大器电路在设计时，重点考虑的是输入与输出之间的线性放大特性以及稳定性等重要指标，其响应时间一般较长。为了解决响应时间和电平匹配问题，电压比较器被设计成专用的电路，并出现了各种集成比较器。机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器信号处理电路信号处理电路 电压比较器电压比较器模拟电压比较电路是用来鉴别和比较两个模拟输入电压大小的电路。比较器的输入量是模拟量，输出量是数字量，所以它兼有模拟电路和数字电路的某些属性，是模拟电路

3、和数字电路之间联系的桥梁，是重要的接口电路。一般情况下，运算放大器在开环状态下工作也可用来比较两个模拟信号，但运算放大器电路在设计时，重点考虑的是输入与输出之间的线性放大特性以及稳定性等重要指标，其响应时间一般较长。为了解决响应时间和电平匹配问题，电压比较器被设计成专用的电路，并出现了各种集成比较器。机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 信号处理电路信号处理电路 过零比较器过零比较器过零比较器过零比较器 当当UR=0 时，称为零电压比较器时，称为零电压比较器R R uI uOUOM t uIO t uO O UOM 零电压比较器可以实现波形变换零电压比较器可以实现波形变换,即可

4、以即可以把正弦波变换为方波。把正弦波变换为方波。机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器信号处理电路信号处理电路 二、二、二、二、滞回电压比较器滞回电压比较器滞回电压比较器滞回电压比较器 uO+_R1 R2uI UR RF 电压传输特性电压传输特性+UOMUOMO uO uIULUH下限触发电压下限触发电压 上限触发电压上限触发电压 当当 uO=+UOM 时时,u+=UH=RF R2+RF UR+R2 R2+RF UOM 当当 uO=UOM 时时,u+=UL=RF R2+RF UR R2 R2+RF UOM 机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器uO+_R1 R2uI

5、 UR Rf+UOMUOMOuO uIULUH 电压传输特性电压传输特性 U=UH UL 称为滞称为滞回宽度回宽度 改变改变 R2 和和 RF，可以改变，可以改变 U、UL、UH 值。值。机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器信号处理电路信号处理电路数字化自动检测系统数字化自动检测系统 传感器传感器传感器传感器调制、解调电路调制、解调电路转转换换/放放大大/滤滤波波多多路路开开关关采采样样保保持持模模数数转转换换微微机机被测的物理量首先经过传感器变换成电信号、经信号调理电路被测的物理量首先经过传感器变换成电信号、经信号调理电路（调制与解调或通过电桥参数转换、放大、滤波）后，由多路

6、（调制与解调或通过电桥参数转换、放大、滤波）后，由多路开关选择某一路的模拟信号送到采样保持器，再经过模开关选择某一路的模拟信号送到采样保持器，再经过模/数转换数转换器将模拟量转换城数字量送到计算机进行必要的运算和处理。器将模拟量转换城数字量送到计算机进行必要的运算和处理。机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器信号处理电路信号处理电路一、放大与滤波环节一、放大与滤波环节一、放大与滤波环节一、放大与滤波环节 目前使用较多的放大器是集成运算放大器。因为它的漂移和噪声很低，目前使用较多的放大器是集成运算放大器。因为它的漂移和噪声很低，增益和共模抑制比很高，出入阻抗高，而且输出阻抗低。增益

7、和共模抑制比很高，出入阻抗高，而且输出阻抗低。常用的放大电路见下图，该电路输入阻抗高、输出阻抗低，失调及零漂很小，常用的放大电路见下图，该电路输入阻抗高、输出阻抗低，失调及零漂很小，放大倍数精确可调，具有差动输入、单端输出，共模抑制比很高。放大倍数精确可调，具有差动输入、单端输出，共模抑制比很高。机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器数据采集电路数据采集电路RC滤波电路中的电阻，不仅消耗希望抑制的信号能量，也消耗希望通过的滤波电路中的电阻，不仅消耗希望抑制的信号能量，也消耗希望通过的信号能量。为了克服这一缺点，可采用信号能量。为了克服这一缺点，可采用RC网络和集成运算放大器组成的

8、有网络和集成运算放大器组成的有源滤波器，该电路除滤波外，还可将信号放大。源滤波器，该电路除滤波外，还可将信号放大。测量信号中含干扰噪声较大，若不抑制，高增益放大器接收到这样测量信号中含干扰噪声较大，若不抑制，高增益放大器接收到这样的信号，会导致仪器不能正常工作，故常将滤波器置于放大器之前的信号，会导致仪器不能正常工作，故常将滤波器置于放大器之前 机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器数据采集电路数据采集电路11423598127116413UEEUCCRRCUi1()Ui2()Ui100H0.1F屏蔽线屏蔽线屏蔽线屏蔽线RG10kAD522数据防护数据防护利用利用AD522组装的

9、仪用放大器组装的仪用放大器 测量放大器测量放大器 传传感感器器输输出出点点信信号号的的参参量量形形式式可可分分为为电电压压输输出出、电电流流输输出出和和频频率率输输出出，其其中中以以电电压压输输出出型型为为最最多多。在在电电流流输输出出和和频频率率输输出出传传感感器器中中，除除了了少少数数直直接接利利用用电电流流或或频频率率输输出出信信号号外外，大大多多数数是是分分别别配配以以电电流流电电压压变变换换器器或或频频率率电电压压变变换换器器，从而将它们转换成电压输出型传感器。从而将它们转换成电压输出型传感器。机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器数据采集电路数据采集电路二、多路模拟开

10、关环节二、多路模拟开关环节二、多路模拟开关环节二、多路模拟开关环节为减少检测通道的设备，而使多个信号的采样共同使用为减少检测通道的设备，而使多个信号的采样共同使用一个模一个模/数转换器，将经过多路传感器变换后的信号采用数转换器，将经过多路传感器变换后的信号采用分时法切换到模分时法切换到模/数转换器上，这一过程称为多路切换。数转换器上，这一过程称为多路切换。多路模拟开关的结构多路模拟开关的结构主要有主要有4选选1、8选选1、双、双4选选1、双、双8选选1和和16选选1等几种，多等几种，多路模拟开关由地址译码器和多路双向模拟开关组成。它通路模拟开关由地址译码器和多路双向模拟开关组成。它通过外部地址

11、输入，经电路内部的地址译码器译码后，接与过外部地址输入，经电路内部的地址译码器译码后，接与地址码相对应的其中一个开关。以实现任一路信号的传送。地址码相对应的其中一个开关。以实现任一路信号的传送。机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器数据采集电路数据采集电路双四路模拟开关双四路模拟开关CD4052CD4051原理图 机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器数据采集电路数据采集电路多路模拟开关多路模拟开关单八路模拟开关单八路模拟开关CD4051图图CD4051引脚功能引脚功能 机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器数据采集电路数据采集电路双四路模拟开关双四路

12、模拟开关CD4052图CD4052的引脚功能 机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器数据采集电路数据采集电路三、采样保持环节三、采样保持环节图中虚线表示再现原来的连续时间信号。可以看出，图中虚线表示再现原来的连续时间信号。可以看出，采样周期越短，误差越小；采样周期越短，误差越小；采样周期越长，失真越大。采样周期越长，失真越大。为了尽可能保持被采样信号的真实性，为了尽可能保持被采样信号的真实性，采样周期不宜过长。采样周期不宜过长。采样就是以相等的时间间隔对某个连续时间信号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，如图所示。取样，得到对应的

13、离散时间信号的过程，如图所示。其中，其中，t1、t2为各采样时刻为各采样时刻,d1、d2为各时刻的采样值为各时刻的采样值,两次采样之间两次采样之间的时间间隔称为采样周期的时间间隔称为采样周期TS。数据采集电路数据采集电路 机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器采样保持采样保持作用：在采作用：在采样样期期间间，其，其输输出能跟随出能跟随输输入的入的变换变换而而变变化，化，而在保持状而在保持状态态能使其能使其输输出出值值保持不保持不变变。S合：采样；合：采样；S开开:保持。保持。采样开关被接通的时间称为采样时间，采样开关被接通的时间称为采样时间，采样开关断开的时间为保持时间。采样开关

14、断开的时间为保持时间。S 机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器数据采集电路数据采集电路 采样保持电采样保持电 路路LF198采样保持电路采样保持电路 图图所示所示为为一个一个实际实际的采的采样样保持保持电电路路LF198的的电电路路结结构构图图，图图中中A1、A2是两个运算放大器，是两个运算放大器，S是模是模拟拟开关，开关，L是控制是控制S状状态态的的逻辑单逻辑单元元电电路。采路。采样时样时令令uL=1，S随之随之闭闭合。合。A1、A2接成接成单单位增益的位增益的电压电压跟随器，故跟随器，故同同时时uo通通过过R2对对外外电电容容Ch充充电电使使uch=ui。，因。，因电压电压

15、跟随器跟随器的的输输出出电电阻十分小，故阻十分小，故对对Ch充充电电很快很快结结束。采束。采样结样结束束时时，uL=0V，S断开，由于断开，由于uch无放无放电电通路，其上通路，其上电压值电压值基本不基本不变变，故使故使uo值值得以保持，即将采得以保持，即将采样结样结果保持下来。果保持下来。数据采集电路数据采集电路 机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器l 采样开关采样开关干簧继电器干簧继电器 干干簧簧继继电电器器主主要要由由驱驱动动线线圈圈和和干干簧簧管管组组成成，驱驱动动线线圈圈绕绕在在干干簧簧管管外外面面。当当线线圈圈通通以以额额定定电电流流后后，干干簧簧管管中中的的两两根

16、根常常开开弹弹簧簧片片互互相相吸吸引引而而吸吸合合。它它的的耐耐压压较较高高，额额定定电电流流较较大大，导导通通电电阻阻接接近近零零。耗耗电电较较大大、速速度度较较慢慢是是干干簧簧继电器的主要缺点。继电器的主要缺点。机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 数据采集电路数据采集电路 CMOS模拟采样开关模拟采样开关 模模拟拟采采样样开开关关切切换换对对象象是是多多路路模模拟拟信信号号。它它的的控控制制端端处处于于“有有效效”状状态态时时，模模拟拟开开关关处处于于导导通通状状态态，导导通通电电阻阻约约几几欧欧至至几几百百欧欧（视视型型号号而而定定）。当当控控制制端端处处于于“无无效效

17、”状状态态时时开开关关截截止止，截截止止电电阻阻大大于于108。其其优优点点是是集集成成度度高高，动动作作快快（小小于于1 s）、耗耗电电省省等等。缺缺点点是是有有一一定定的的导导通通电电阻阻、各各通通道道间间有有一一定定的的漏漏电电、击击穿穿电电压压低低、易易损坏等。损坏等。机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器数据采集电路数据采集电路四、模四、模/数转换环节数转换环节 放放大大器器放放大大后后的的模模拟拟信信号号必必须须进进行行A/D转转换换才才能能由由计计算算机机进进行行运运算算处处理理。目目前前采采用用较多的较多的A/D转换器有两大类：一类是并行转换器有两大类：一类是并行

18、A/D转换器，另一类是串行转换器，另一类是串行A/D转换器。转换器。A/D转换器的光耦接口电路转换器的光耦接口电路 机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器数据采集电路数据采集电路四、模四、模/数转换环节数转换环节AD574A是美国模拟数字公司是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速）推出的单片高速12位逐次比较型位逐次比较型A/D转换器，转换器，采样保持器的输出信号被送到模采样保持器的输出信号被送到模/数转换器的输入端，由模数转换器的输入端，由模/数转换器数转换器将模拟信号转换成数字信号，再送入微机等设备进行处理和显示。将模拟信号转换成数字信号，再送入微机等设备进行处理和

19、显示。1.Pin1(+V)+5V电源输入端。电源输入端。2.Pin2()数据模式选择端，通过此引脚可数据模式选择端，通过此引脚可选择数据纵线是选择数据纵线是12位或位或8位输出。位输出。3.Pin3()片选端。片选端。5.Pin5()读转换数据控制端。读转换数据控制端。7.Pin7(V+)正电源输入端，输入正电源输入端，输入+15V电源。电源。8.Pin8(REF OUT)10V基准电源电压输出端。基准电源电压输出端。9.Pin9(AGND)模拟地端。模拟地端。10.Pin10(REF IN)基准电源电压输入端。基准电源电压输入端。11.Pin(V-)负电源输入端，输入负电源输入端，输入-15

20、V电源。电源。12.Pin1(V+)正电源输入端，输入正电源输入端，输入+15V电源。电源。13.Pin13(10V IN)10V量程模拟电压输入端。量程模拟电压输入端。14.Pin14(20V IN)20V量程模拟电压输入端。量程模拟电压输入端。15.Pin15(DGND)数字地端。数字地端。16.Pin16Pin27(DB0DB11)12条数据总线。条数据总线。通过这通过这12条数据总线向外输出条数据总线向外输出A/D转换数据。转换数据。机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器数据采集电路数据采集电路四、数四、数/模转换环节模转换环节 计计算算机机运运算算处处理理后后的的数数字

21、字信信号号有有时时必必须须转转换换为为模模拟拟信信号号，才才能能用用于于工工业业生生产产的的过过程程控控制制。它它的的输输入入是是计计算算机机送送出出的的数数字字量量，它它的的输输出出是是与与数数字字量量相相对对应应的的电电压压或或电电流流。如如果果在在计计算算机机与与D/A之之间间插插入入多多路路光光耦耦合合器器就就能能较较好好地地防防止止工工业业控控制制设设备备干干扰扰计计算算机机的的工工作作。如如果果使使用用多多路路采采样样保保持持器器，只只要使用一个要使用一个D/A即可进行多路即可进行多路D/A转换。转换。D/A转换器的光耦接口电路转换器的光耦接口电路 机电一体化技术机电一体化技术检测

22、与传感器检测与传感器数据采集电路数据采集电路五、数据采集的概念五、数据采集的概念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）、放大器（）、放大器（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、转换器、计算机（计算机（MPS）或数字逻辑电路组成。）或数字逻辑电路组成。根据它们在电路中的位置可分为同时采集、根据它们在电路中的位置可分为同时采集、高速采集、高速采集、分时采集和差动结构分时采集和差动结构四种配置，四种配置，（a）同时采集；同时采集；（b）高速采集；高速采集；（c）分时采集；分时采集；（d）差动结构差动结构 同时

23、采集和保持，然后分时转换和存储，同时采集和保持，然后分时转换和存储，机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器数据采集电路数据采集电路五、数据采集的概念五、数据采集的概念（a）同时采集；同时采集；（b）高速采集；高速采集；（c）分时采集；分时采集；（d）差动结构差动结构 同时采集系统：同时采集和保持，然后分时转换和存储，同时采集系统：同时采集和保持，然后分时转换和存储，高速采集系统：在时实控制中对多个模拟信号的同时实时测量。高速采集系统：在时实控制中对多个模拟信号的同时实时测量。分时采集系统：这种系统价格便宜，分时采集系统：这种系统价格便宜，具有通用性，每个采样点值间具有通用性，每个

24、采样点值间存在一个时差输入通道数越多，存在一个时差输入通道数越多，扭斜现象越严重，扭斜现象越严重，不适合采集高速不适合采集高速变化的模拟量。变化的模拟量。机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器数据采集电路数据采集电路电压频率转换电路电压频率转换电路 V/f 转换器转换器定义：V/f(电压/频率)转换器能把输入信号电压转换成相应的频率信号，即它的输出信号频率与输入信号电压值成比例，故又称为电压控制(压控)振荡器(VCO)。应用：在调频，锁相和A/D变换等许多技术领域得到非常广泛的应用。指标：额定工作频率和动态范围，灵敏度或变换系数，非线性误差，灵敏度误差和温度系数等。机电一体化技术

25、机电一体化技术检测与传感器检测与传感器数据采集电路数据采集电路通用运放V/f转换电路组成：积分器、比较器和积分复原开关等。机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器数据采集电路数据采集电路 O U1 U2 uo T1 T2 t uC U2 U1 t t OO uP-UZ+UZ 积分器输出一串负向锯齿波电压，比较器输出相应频率的矩形脉冲序列。输入电压越大，充电电流及锯齿波斜率越大，输出脉冲频率越高。机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器数据采集电路数据采集电路集成V/f转换器 模拟集成V/f转换器具有精度高、线性度高、温度系数低、功耗低及动态范围宽等一系列优点，目前已广泛

26、应用于数据采集、自动控制和数字化及智能化测量仪器中。集成V/f转换器大多采用电荷平衡型V/f转换电路作基本电路，例如典型的LM131系列转换器。机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器数据采集电路数据采集电路 由输入比较器、定时比较器和RS触发器构成的单稳定时器、基准电源电路、精密电流源、电流开关及集电极开路输出管等部分组成。LM131 机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器数据采集电路数据采集电路LM131用作用作V/f转换器的简化电路及振荡波形图转换器的简化电路及振荡波形图 b)约 10mV O O T to t t u6 ui uo（1）uiu6时，比较器输出高

27、电平，Q=1，V导通，uo=0；开关S闭合，iS对CL充电，u6逐 渐 上 升；与 引 脚 5相 连 的 芯 片 内 放 电 管 截 止，U经 Rt对 Ct充 电，Ct上 升，直 至 。（2）当 ，Q=0，V截止，uo=+E；开关S断开，CL通过RL放电，u6下降；Ct通过芯片内放电管迅速放电到零。当 ，开始新周期。机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器数据采集电路数据采集电路 f/V 转换电器 把频率变化的信号线性地转换成电压变化的信号。主要包括电平比较器、单稳触发器和低通滤波器三部分。输入信号通过比较器转换成快速上升/下降的方波信号去触发单稳触发器，产生定宽、定幅度的输出脉冲

28、序列。uoOc)ustttOOb)a)Us 将此脉冲序列经低通滤波器平滑，可得到比例于输入信号频率fi的输出电压uo。机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器数据采集电路数据采集电路P165 5.1电压电压/电流变换电路电流变换电路典型的二线方式输出应用典型的二线方式输出应用(420mA)机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器数据采集电路数据采集电路电压电压/电流变换电路电流变换电路应用范围 工业自动化控制 传感器电流变送接口电路 可调的电流源输出 远距离输送AM402 是一个用于处理差分电桥信号的电压电流 输出转换接口集成电路，这种电路应用在信号变化范围较大的传感器上是十分理想的，比如：压力传感器、热敏电阻探测器（RTD）等。它可以用二线方式输出（420mA）或者三线方式（0/420mA）输出。它是由一个用于差分输入信号放大的高度精度仪表放大器，一个可调的高度稳定的参考电压（4.5 至10V）以及一个由电压控制的电流输出级组成。此接口电路的电流输出范围和偏置调零以及增益系数可以通过外接电阻在较宽的范围内进行调整。用少量的外接元件就可以使AM402 成为一个用途广泛的电压电流转换接口电路。机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器数据采集电路数据采集电路今日作业今日作业P165 5.1