1、2022-3-221第第1111章章傳感器信號處理傳感器信號處理及微機接口技術及微機接口技術2022-3-222引言引言n被測的各種非電量信號經傳感器檢測后被測的各種非電量信號經傳感器檢測后轉變為電信號，但這些信號很微弱，并轉變為電信號，但這些信號很微弱，并與輸入的被測量之間呈非線性關系，所與輸入的被測量之間呈非線性關系，所以需進行信號放大、隔離、濾波、以需進行信號放大、隔離、濾波、A/D轉換、線性化處理、誤差修正等處理。轉換、線性化處理、誤差修正等處理。 2022-3-223主要章節主要章節n11.1傳感器信號的預處理傳感器信號的預處理 n11.2傳感器信號的放大電路傳感器信號的放大電路 n

2、11.3傳感器與微機的接口技術傳感器與微機的接口技術 n11.4抗干擾技術抗干擾技術2022-3-22411.1傳感器信號的預處理傳感器信號的預處理n傳感器與微機接口電路主要由信號預處傳感器與微機接口電路主要由信號預處理電路、數據采集系統和計算機接口電理電路、數據采集系統和計算機接口電路組成。路組成。 傳感器與微機的接口框圖傳感器與微機的接口框圖 2022-3-22511.1.1 開關式輸出信號的預處理開關式輸出信號的預處理 n在輸入傳感器的物理量小于某閾值范圍在輸入傳感器的物理量小于某閾值范圍內，傳感器處于內，傳感器處于“關關”的狀態，而當輸的狀態，而當輸入量大于該閾值時，傳感器處于入量大于

3、該閾值時，傳感器處于“開開”的狀態，這類傳感器稱為開的狀態，這類傳感器稱為開/關式傳感器。關式傳感器。n為了消除噪聲及改善特性，常接入具有為了消除噪聲及改善特性，常接入具有遲滯特性的電路，稱為鑒別器或稱脈沖遲滯特性的電路，稱為鑒別器或稱脈沖整形電路，多使用施密特觸發器整形電路，多使用施密特觸發器 2022-3-226 開關量傳感器特性示意圖開關量傳感器特性示意圖 2022-3-22711.1.2 模擬連續式輸出信號的預模擬連續式輸出信號的預處理處理 n模擬連續式傳感器的輸出參量可以歸納模擬連續式傳感器的輸出參量可以歸納為為5種形式：電壓、電流、電阻、電容和種形式：電壓、電流、電阻、電容和電感。

4、這些參量必須先轉換成電壓量信電感。這些參量必須先轉換成電壓量信號，然后進行放大及帶寬處理才能進行號，然后進行放大及帶寬處理才能進行A/D轉換。轉換。 2022-3-2281電流電流/電壓變換電路（電壓變換電路（I/V變變換）換） nI/V變換器作用是將電流信號變換為標準變換器作用是將電流信號變換為標準的電壓信號，它不僅要求具有恒壓性能，的電壓信號，它不僅要求具有恒壓性能，而且要求輸出電壓隨負載電阻變化所引而且要求輸出電壓隨負載電阻變化所引起的變化量不能超過允許值。起的變化量不能超過允許值。2022-3-229采用運放的采用運放的I/V轉換電路轉換電路 2022-3-22102.電壓電壓/電流變

5、換（電流變換（V/I變換）變換） nV/I變換器的作用是將電壓信號變換為標變換器的作用是將電壓信號變換為標準的電流信號，它不僅要求具有恒流性準的電流信號，它不僅要求具有恒流性能，而且要求輸出電流隨負載電阻變化能，而且要求輸出電流隨負載電阻變化所引起的變化量不能超過允許值。所引起的變化量不能超過允許值。2022-3-2211 420 mA的的V/I變換電路變換電路 2022-3-22123.模擬頻率式輸出信號的預處理模擬頻率式輸出信號的預處理 n模擬頻率式輸出信號，一種方法是直接模擬頻率式輸出信號，一種方法是直接通過數字式頻率計變為數字信號；另一通過數字式頻率計變為數字信號；另一種方法是用頻率種

6、方法是用頻率/電壓變換器變為模擬電電壓變換器變為模擬電壓信號，再進行壓信號，再進行A/D轉換。轉換。 2022-3-2213 頻率頻率/電壓變換器原理框圖電壓變換器原理框圖 2022-3-22144.數字式輸出信號的預處理數字式輸出信號的預處理 n數字式輸出信號分為數字脈沖式信號和數字式輸出信號分為數字脈沖式信號和數字編碼式信號。數字脈沖式輸出信號數字編碼式信號。數字脈沖式輸出信號可直接將輸出脈沖經整形電路后接至數可直接將輸出脈沖經整形電路后接至數字計數器，得到數字信號。字計數器，得到數字信號。 n傳感器信號的預處理，應根據傳感器輸傳感器信號的預處理，應根據傳感器輸出信號的特點及后續檢測電路對

7、信號的出信號的特點及后續檢測電路對信號的要求選擇不同的電路。要求選擇不同的電路。 2022-3-221511.2傳感器信號的放大電路傳感器信號的放大電路n測量放大器又叫做儀表放大器（簡稱測量放大器又叫做儀表放大器（簡稱IA），廣泛應用于信號微弱及存在較大），廣泛應用于信號微弱及存在較大共模干擾的場合，具有精確的增益標定，共模干擾的場合，具有精確的增益標定，因此又稱為數據放大器。因此又稱為數據放大器。2022-3-221611.2.1 通用通用IA n通用通用IA由由3個運算放大器個運算放大器A1、A2、A3組組成成 .01u1112G2(1)uRAuuR 2022-3-221711.2.2 增

8、益調控增益調控IA n為了節約費用，多種傳感器共用一個為了節約費用，多種傳感器共用一個IA。當切換通道時，必須迅速調整當切換通道時，必須迅速調整IA的增益，的增益，稱為增益調控稱為增益調控IA。n在模擬非線性校正中也要使用增益調控在模擬非線性校正中也要使用增益調控IA。n增益調控增益調控IA分為自動增益分為自動增益IA和程控增益和程控增益IA兩大類。兩大類。 2022-3-2218自動增益自動增益IA基本工作過程基本工作過程 n工作速度較慢，不適用于高速系統。工作速度較慢，不適用于高速系統。 程控測量放大器的原理結構程控測量放大器的原理結構 2022-3-221911.2.3 IA的技術指標的

9、技術指標 n（1）非線性度）非線性度 n（2）偏置漂移）偏置漂移 n（3）建立時間）建立時間 n（4）恢復時間）恢復時間 n（5）共模抑制比）共模抑制比 2022-3-222011.2.4 常用集成儀表放大電路常用集成儀表放大電路 n集成運算放大器集成運算放大器OP07，斬波自動穩零集，斬波自動穩零集成運算放大器成運算放大器7650，集成儀表放大器，集成儀表放大器AD522，集成變送器，集成變送器WS112、XTR101，TD系列變壓器耦合隔離放大系列變壓器耦合隔離放大器，器，ISO100等光耦合隔離放大器，等光耦合隔離放大器，ISO102等電容耦合隔離放大器，等電容耦合隔離放大器，PG系系列

10、程控放大器、列程控放大器、2B30/2B31電阻信號適電阻信號適配器等配器等 2022-3-222111.3傳感器與微機的接口技術傳感器與微機的接口技術n傳感器輸出的信號經預處理變為模擬電傳感器輸出的信號經預處理變為模擬電壓信號后，需轉換成數字量方能進行數壓信號后，需轉換成數字量方能進行數字顯示或送入計算機。字顯示或送入計算機。 11.3.1 11.3.1 數據采集的概念數據采集的概念 2022-3-22221.數據采集系統的配置數據采集系統的配置 n典型的數據采集系統由傳感器（典型的數據采集系統由傳感器（T）、放）、放大器（大器（IA）、）、 模擬多路開關（模擬多路開關（MUX）、）、采樣保

11、持器（采樣保持器（SHA）、A/D轉換器、計轉換器、計算機（算機（MPS）或數字邏輯電路組成。）或數字邏輯電路組成。n根據電路中的位置分為同時采集、高速根據電路中的位置分為同時采集、高速采集、分時采集和差動結構采集、分時采集和差動結構4種配置種配置 2022-3-22242.采樣周期的選擇采樣周期的選擇 n采樣就是以相等的時間間隔對某個連續采樣就是以相等的時間間隔對某個連續時間信號時間信號a（t）取樣，得到對應的離散）取樣，得到對應的離散時間信號的過程時間信號的過程 連續時間信號的取樣連續時間信號的取樣 2022-3-2225香農采樣定理香農采樣定理 n對一個具有有限頻譜（對一個具有有限頻譜（

12、minmax）的連續信號進行采樣，當采樣）的連續信號進行采樣，當采樣頻率頻率S=2/TS2max時，采樣結果時，采樣結果可不失真。可不失真。 2022-3-2226模擬量的采樣參照的經驗數據模擬量的采樣參照的經驗數據 輸入物理輸入物理量量采樣周期采樣周期Ts/s說說 明明流量流量15一般選用一般選用12s壓力壓力310一般選用一般選用68s液位液位68溫度溫度1520串級系統串級系統TS= 0，副環，副環TS=（1/41/5）主環主環TS成分成分15202022-3-22273.量化噪聲（量化誤差）量化噪聲（量化誤差） n模擬信號是連續的，而數字信號是離散模擬信號是連續的，而數字信號是離散的，

13、每個數又是用有限個數碼來表示，的，每個數又是用有限個數碼來表示，二者之間不可避免地存在誤差，這種誤二者之間不可避免地存在誤差，這種誤差稱為量化噪聲。差稱為量化噪聲。n一般一般A/D轉換的量化噪聲有轉換的量化噪聲有1 LSB和和LSB/2兩種。兩種。2022-3-222811.3.2 ADC接口技術接口技術 n（1）分辨力）分辨力 n分辨力表示分辨力表示ADC對輸入量微小變化的敏對輸入量微小變化的敏感度，它等于輸出數字量最低位一個字感度，它等于輸出數字量最低位一個字（1 LSB）所代表的輸入模擬電壓值。）所代表的輸入模擬電壓值。 nADC的位數越多，分辨力越高。因此，的位數越多，分辨力越高。因此

14、，分辨力也可以用分辨力也可以用A/D轉換的位數表示。轉換的位數表示。1A/D轉換器（轉換器（ADC）的主要技術指標）的主要技術指標 2022-3-2229（2）精度）精度n精度分為絕對精度和相對精度。精度分為絕對精度和相對精度。n絕對精度：它是指輸入模擬信號的實際電壓值絕對精度：它是指輸入模擬信號的實際電壓值與被轉換成數字信號的理論電壓值之間的差值。與被轉換成數字信號的理論電壓值之間的差值。它包括量化誤差、線性誤差和零位誤差。絕對它包括量化誤差、線性誤差和零位誤差。絕對精度常用精度常用LSB的倍數來表示，常見的有的倍數來表示，常見的有1/2LSB和和1LSB。n相對精度：它是指絕對誤差與滿刻度

15、值的百分相對精度：它是指絕對誤差與滿刻度值的百分比。由于輸入滿刻度值可根據需要設定，因此比。由于輸入滿刻度值可根據需要設定，因此相對誤差也常用相對誤差也常用LSB為單位來表示。為單位來表示。 2022-3-2230（3）量程（滿刻度范圍）量程（滿刻度范圍）n量程是指輸入模擬電壓的變化范圍。量程是指輸入模擬電壓的變化范圍。 2022-3-2231（4）線性度誤差）線性度誤差n線性度誤差是轉換器實際的模擬數字轉線性度誤差是轉換器實際的模擬數字轉換關系與理想直線不同而出現的誤差，換關系與理想直線不同而出現的誤差，通常也用通常也用LSB的倍數來表示。的倍數來表示。 2022-3-2232（5）轉換時間

16、）轉換時間 n轉換時間指從發出啟動轉換脈沖開始到轉換時間指從發出啟動轉換脈沖開始到輸出穩定的二進代碼，即完成一次轉換輸出穩定的二進代碼，即完成一次轉換所需要的最長時間。所需要的最長時間。 2022-3-22332.ADC的選擇與使用的選擇與使用 n按按A/D轉換的原理，轉換的原理，ADC主要分為比較主要分為比較型和積分型兩大類。型和積分型兩大類。n其中，常用的是逐次逼近型、雙積分型其中，常用的是逐次逼近型、雙積分型和和V/F變換型（電荷平衡式）。變換型（電荷平衡式）。 2022-3-2234選擇的標準選擇的標準n逐次逼近逐次逼近ADC的特點是轉換速度較高（的特點是轉換速度較高（1s1 ms），

17、），814位中等精度，輸出為瞬時值，位中等精度，輸出為瞬時值，抗干擾能力差；雙積分抗干擾能力差；雙積分ADC測量的是信號平均測量的是信號平均值，對常態噪聲有很強的抑制能力，精度很高，值，對常態噪聲有很強的抑制能力，精度很高，分辨率達分辨率達1220位，價格便宜，但轉換速度位，價格便宜，但轉換速度較慢（較慢（4 ms1 s）；）；V/F轉換器是由積分器、轉換器是由積分器、比較器和整形電路構成的比較器和整形電路構成的VFC電路，把模擬電電路，把模擬電壓變換成相應頻率的脈沖信號，其頻率正比于壓變換成相應頻率的脈沖信號，其頻率正比于輸入電壓值，然后用頻率計測量。輸入電壓值，然后用頻率計測量。VFC能快

18、速能快速響應，抗干擾性能好，能連續轉換，適用于輸響應，抗干擾性能好，能連續轉換，適用于輸入信號動態范圍寬和需要遠距離傳送的場合，入信號動態范圍寬和需要遠距離傳送的場合，但轉換速度慢。但轉換速度慢。 2022-3-22353.A/D轉換器及其與單片機的接轉換器及其與單片機的接口口 n（1）傳感器采集接口組成）傳感器采集接口組成2022-3-2236（2）A/D轉換器及接口電路轉換器及接口電路ADC0808/0809與與8031的接口連接的接口連接 2022-3-22378031的的8路連續采樣程序路連續采樣程序 n MOV DPTR，#7FF8H ；設置外設（；設置外設（A/D）口地址和通道號口

19、地址和通道號n MOV R0，#40H ；設置數據指針；設置數據指針n MOV IE，#84H ；允許外部中斷；允許外部中斷1中中斷斷 n SETB IT1 ；置邊沿觸發方式；置邊沿觸發方式n MOVX DPTR，A ；啟動轉換；啟動轉換2022-3-2238nLOOP：CJNE R0，#48，LOOP；判斷；判斷8個通道是否完畢個通道是否完畢n RET ；返回主程序；返回主程序nAINT：MOVX A，DPTR ；輸入；輸入數據數據 n MOV R0， An INC DPTR ；修改指針；修改指針n INC R0n MOVX DPTR，A ；啟動轉換；啟動轉換n RETI ；中斷返回；中斷返

20、回2022-3-223911.4抗干擾技術抗干擾技術n1.外部干擾外部干擾 n（1）從外部侵入檢測裝置的干擾稱為外）從外部侵入檢測裝置的干擾稱為外部干擾。部干擾。 n（2）電氣設備干擾的特點）電氣設備干擾的特點,工頻干擾工頻干擾 ,射射頻干擾頻干擾 ,電子開關通斷干擾電子開關通斷干擾 11.4.1 干擾的來源及形式干擾的來源及形式2022-3-22402.內部干擾內部干擾 n（1）固有噪聲源）固有噪聲源 n（2）信噪比（）信噪比（S/N）2022-3-22413.干擾的傳輸途徑干擾的傳輸途徑 n（1）通過）通過“路路”的干擾的干擾n（2）通過）通過“場場”的干擾的干擾2022-3-22424.

21、干擾的作用方式干擾的作用方式n（1）串模干擾）串模干擾n凡干擾信號和有用信號按電勢源的形式串聯凡干擾信號和有用信號按電勢源的形式串聯（或按電流源的形式并聯）起來作用在輸入端（或按電流源的形式并聯）起來作用在輸入端的稱為串模干擾，串模干擾又常稱為差模干擾，的稱為串模干擾，串模干擾又常稱為差模干擾，它使測量裝置的兩個輸入端電壓發生變化，它使測量裝置的兩個輸入端電壓發生變化， 所以影響很大。所以影響很大。 串模干擾等效電路串模干擾等效電路 2022-3-2243n（2）共模干擾）共模干擾 n干擾信號使兩個輸入端的電位相對于某一公共干擾信號使兩個輸入端的電位相對于某一公共端一起變化（漲落）的屬共模干擾

22、。共模干擾端一起變化（漲落）的屬共模干擾。共模干擾本身不會使兩輸入端電壓變化，但在輸入回路本身不會使兩輸入端電壓變化，但在輸入回路兩端不對稱的條件下，便會轉化為串模干擾。兩端不對稱的條件下，便會轉化為串模干擾。因共模電壓一般都比較大，所以對測量的影響因共模電壓一般都比較大，所以對測量的影響更為嚴重。更為嚴重。共模干擾等效電路共模干擾等效電路 2022-3-2244n（3）共模抑制比（）共模抑制比（CMRR）n共模噪聲只有轉換成差模噪聲才能形成共模噪聲只有轉換成差模噪聲才能形成干擾，這種轉換是由測量裝置的特性決干擾，這種轉換是由測量裝置的特性決定。因此，常用共模抑制比衡量測量裝定。因此，常用共模

23、抑制比衡量測量裝置抑制共模干擾的能力，定義為置抑制共模干擾的能力，定義為 cmdmCMRR20lgAAcmdmCMRR20lgUU2022-3-224511.4.2 干擾的抑制技術干擾的抑制技術 n（1）消除或抑制干擾源）消除或抑制干擾源 n（2）破壞干擾途徑）破壞干擾途徑 n（3）削弱接收電路對干擾的敏感性例如）削弱接收電路對干擾的敏感性例如電路中的選頻措施可以削弱對全頻帶噪電路中的選頻措施可以削弱對全頻帶噪聲的敏感性，負反饋可以有效削弱內部聲的敏感性，負反饋可以有效削弱內部噪聲源，噪聲源， n常用的抗干擾技術有屏蔽、接地、浮置、常用的抗干擾技術有屏蔽、接地、浮置、濾波、隔離技術等。濾波、隔

24、離技術等。1抑制干擾的方法抑制干擾的方法 2022-3-22462.屏蔽技術屏蔽技術 n（1）靜電屏蔽）靜電屏蔽 n 選用銅、鋁等低電阻金屬材料作屏蔽盒。選用銅、鋁等低電阻金屬材料作屏蔽盒。n 屏蔽盒要良好地接地。屏蔽盒要良好地接地。n 盡量縮短被屏蔽電路伸出屏蔽盒之外的導盡量縮短被屏蔽電路伸出屏蔽盒之外的導線長度。線長度。 n（2）電磁屏蔽）電磁屏蔽 n（3）磁屏蔽）磁屏蔽 n（4）驅動屏蔽的概念）驅動屏蔽的概念2022-3-2247磁屏蔽的原理圖磁屏蔽的原理圖 驅動屏蔽原理圖驅動屏蔽原理圖 2022-3-22483.接地技術接地技術 n（1）電氣、電子設備中的地線）電氣、電子設備中的地線

25、n接地起源于強電技術。為保障安全，將電網零接地起源于強電技術。為保障安全，將電網零線和設備外殼接大地，稱為保安地線。對于以線和設備外殼接大地，稱為保安地線。對于以電能作為信號的通信、測量、計算控制等電子電能作為信號的通信、測量、計算控制等電子技術來說，把電信號的基準電位點稱為技術來說，把電信號的基準電位點稱為“地地”，它可能與大地是隔絕的，稱為信號地線。信號它可能與大地是隔絕的，稱為信號地線。信號地線分為模擬信號地線和數字信號地線兩種。地線分為模擬信號地線和數字信號地線兩種。另外從信號特點來看，還有信號源地線和負載另外從信號特點來看，還有信號源地線和負載地線。地線。2022-3-2249（2）一點接地原則）一點接