传感器的信号处理与接口技术

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1、第12章传感器的信号处理与接口技术12.1传感器的信号预处理电路12.2传感器信号的放大电路12.3传感器的补偿与标度变换12.4传感器与微机的接口技术12.5抗干扰技术思考与练习12.1传感器的信号预处理电路如图12-1所示，传感器与微机的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。其中，预处理电路把传感器输出的非电压量转换成具有一定幅值的电压量；数据采集系统把模拟电压量转换成数字量；计算机接口电路把A/D转换后的数字信号送入计算机，并把计算机发出的控制信号送至输入接口的各功能部件

2、；计算机还可通过其他接口把信息数据送往显示器、控制器、打印机等等。由于信号预处理电路随被测量和传感器而不同，因此传感器的信号处理技术则是构成不同系统的关键。图12-1传感器与微机的接口框图由于待检测的非电量种类繁多，传感器的工作原理也各不相同，因此待检测物理量作用于传感器后，传感器输出的相应信号种类亦各式各样。总结前面所学知识，可将传感器按下列方式分类。12.1.1开关式输出信号的预处理如图12-2(a)所示，在输入传感器的物理量小于某阈值的范围内，传感器处于“关”的状态，而当输入量大于该阈值时，传感器

3、处于“开”的状态，这类传感器称为开/关式传感器。实际上，由于输入信号总存在噪声叠加成分，使传感器不能在阈值点准确地发生跃变，如图12-2(b)所示。另外，无接触式传感器的输出也不是理想的开关特性，而是具有一定的线性过渡。因此，为了消除噪声及改善特性，常接入具有迟滞特性的电路，称为鉴别器或称脉冲整形电路，多使用施密特触发器，如图12-2(c)所示。经处理后的特性如图12-2（d）所示。图12-2开关量传感器特性示意图及处理方案（a）理想特性；（b）实际特性；（c）处理方案；（d）处理后特性12.1.2模

4、拟脉冲式输出信号的预处理1.峰值脉冲式传感器信号处理方法不少传感器在受输入冲击时，其输出信号呈指数性衰减，若直接进行A/D转换，必将导致错误的结果。因此，在传感器后面接脉冲限幅电路，使输出变成窄脉冲，方可采用脉冲峰值保持电路将脉冲扩展，以便进行A/D转换。如图12-3所示，US为峰值脉冲式传感器输出信号波形，UC为限幅后的波形，UH为经峰值保持电路后的波形。图12-3脉冲峰值信号变换2.脉冲宽度式和脉冲间隔式信号的处理方法脉宽式传感器输出脉冲的宽度受被测物理量调制，与被测量大小成正比，例如采用脉冲调宽电

5、路的电容传感器的输出信号。脉冲间隔式传感器在受到一次输入作用时，便产生两个脉冲，两个脉冲的时间间隔与被测物理量成正比，例如应变式扭矩传感器，超声波测距等。这两类信号都是时间间隔信号，在时间间隔大于微秒级时，可将其作为门控信号，用数字计数器计数。另一种方法是利用时间／峰值转换电路(TAC)将时间间隔转换成电压峰值，再进行A/D转换，其原理如图12-4所示。图12-4时间间隔信号处理12.1.3模拟连续式输出信号的预处理模拟连续式传感器的输出参量可以归纳为五种形式：电压、电流、电阻、电容和电感。这些参量必须

6、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。它们的预处理一般体系可用图12-5表示。可见，数字万用表已包括了预处理、数据采样与A/D转换等全部功能电路。图12-5模拟连续输出预处理的一般体系1.电流/电压转换电路用一只电阻可构成简单的电流/电压转换电路。在要求较高的场合，可采用图12-6（a）所示的I/U转换电路。该电路输入阻抗Ri≈n×10mΩ，输出电压Uo＝IiRS，RS＞10MΩ，电路输出电阻Ro一般小于1kΩ。I/U转换电路也可由运算放大器组成，如图12-6（b）所示。电路的输

7、出电压Uo=-IsRf。一般Rf比较大，若传感器内部电容量较大时容易振荡，需要消振电容Cf。Cf的大小随Rf用实验方法确定。因此该电路不适用于高频。电路利用运算放大器“虚短”的原理，若与光电池直接相接，可获得光电池的短路电流输出特性。但是，当运算放大器直接接到高阻抗的传感器时，需要加保护电路。当信号较大时，可在运算放大器输入端用正、反向并联的二极管保护；当信号较小时，可在运算放大器输入端串联100kΩ的电阻保护。图12-6电流/电压转换电路（a）I/U转换器；（b）采用运放的I/U转换电路2.模拟频率

8、式输出信号的预处理模拟频率式输出信号，一种方法是直接通过数字式频率计变为数字信号；另一种方法是用频率/电压变换器变为模拟电压信号，再进行A/D转换。频率/电压变换器的原理如图12-7所示。通常可直接选用LM2907/LM2917等单片集成频率/电压变换器。图12-7频率/电压变换器原理框图3.数字式输出信号的预处理数字式输出信号分为数字脉冲式信号和数字编码式信号。数字脉冲式输出信号可直接将输出脉冲经整形电路后接至数字计数器，得到数字信号。