精品课程传感器与检测技术.docx
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精品课程传感器与检测技术
-精品课程——传感器与检测技术
第11章
检测装置的信号处理及接口技术
在检测系统中，被测的非电量信号经传感器转变后成为电信号，如电压、电流等。
但传感器输出的电信号一般是很微弱的，并与输入的被测量呈非线性关系，而且易受外界环境的影响，易被噪声所污染。
因此检测装置的信号处理技术是比较重要的，它包括微弱信号放大、滤波、隔离、A/D转换、标准化输出、线性化处理、误差修正、量程切换等技术。
随着微型计算机，特别是单片机技术的发展，检测装置输出信号可以通过各种接口电路与微机相连，形成了智能化检测装置，在自诊断、数据处理、远距离通信等应用方面体现出强大的优势。
11.1信号的放大与隔离技术
由于经传感器输出的信号属微弱信号，故一般采用运算放大器将小信号放大到与A/D电路输入电压相匹配的电压，才能进行A/D转换。
现在已经生产出各种专用或通用运算放大器以满足高精度检测系统的需要，其中有测量放大器、程控放大器、隔离放大器等。
在实际应用中，一次测量仪表的安装环境和输出特性千差万别。
因此，选用哪种类型的放大器应取决于应用场合和系统要求，一般应首先考虑选择通用型，只在有特殊要求时才考虑选择其他类型的运放电路。
选择集成运放的依据是其性能参数，运放的主要参数有：
差模输入电阻、输出电阻、输入失调电压、电流及温漂、开环差模增益、共模抑制比和最大输出电压幅度。
这些参数均可在有关手册中查得。
11.1.1运算放大器
1．反相比例放大器
由运放构成的反相比例放大器的电路如图11.1（a）所示。
图11.1运算放大器应用
反相放大器的传递函数为
G（s）=
（11.1）
由拉氏变换终值定理，当s→0时，反相放大器的放大倍数为
G=
（11.2）
当R1=R2时，则为反相跟随器，Uo=-Ui
2．同相放大器
反相放大器存在的问题是输入阻抗Ri较低，R1=R2，通常R2为几千欧。
采用如图11.1（b）所示同相放大器电路，可以得到高的输入阻抗。
1.根据“虚地原理”，同相放大器的放大倍数为
G=
（11.3）
11.1.2测量放大器
1．测量放大器概述
运算放大器对微弱信号的放大，仅适用于信号回路不受干扰的情况，然而传感器的使用环境通常比较恶劣。
因此，在传感器的两个输出端上经常产生较大的干扰信号，而且有时它们是完全相同的。
这种完全相同的干扰信号称为共模干扰。
虽然运放对输入到差动端的共模信号有较强的抑制能力，但对于像同相或者反相输入接法，由于电路结构不对称，表现为不平衡的输入阻抗，因此对共模干扰信号不能起到很好的抑制作用，故不能在精密场合下运用。
为此，需要引入另一种形式的放大器，即测量放大器。
它广泛应用于传感器的信号放大，特别是对微弱信号及其有较大共模干扰的场合。
测量放大器除了用于对低电平信号进行线性放大外，还担负着阻抗匹配和抗共模干扰的作用。
它具有高共模抑制比、高速度、高精度、宽频带、高稳定性、高输入阻抗、低输出阻抗，低噪声等特点。
2．测量放大器的组成
图11.2测量放大器原理图
测量放大器的基本电路如图11.2所示。
放大器由两级串联而成，前级由两个同相放大器组成，为对称结构，输入信号加在A1、A2的同相输入端，从而使前级放大器具有高抑制共模干扰的能力和高输入阻抗。
后级是差动放大器，它不仅切断共模干扰的传输，而且将双端输入方式变换成单端输出方式，适应对地负载的需要。
2.测量放大器的放大倍数由下面公式计算：
G=
（11.4）
式中的RG是用于调节放大倍数的外接电阻，通常RG采用多圈电位计，并应靠近组件，若距离较远，应将连线绞合在一起。
改变RG可使放大倍数在1～1000范围内调节。
无论选用哪种型号的运算放大器，组成前级差动放大器的A1、A2两个芯片必须配对，即两块芯片的温度漂移符号和数值尽量相同或接近，以保证模拟输入为零时，放大器的输出尽量接近于零。
此外，还应该满足条件R′3R′2=R3R2。
3．实用测量放大器
目前，国内外已有不少厂家生产测量放大器单芯片集成块。
美国AD公司提供的有AD521、AD522、AD612、AD605等。
国产芯片有7650ZF605、ZF603、ZF604、ZF606等。
如图11.3所示为AD521引脚及连接方法。
该测量放大器的放大倍数按下面公式计算：
G=
（11.5）
放大倍数的调节范围为0.1～1000，RS=1000kΩ±15%。
必须指出，任何测量放大器在工作时都要有输入偏置电流，故要为偏置电流提供回路，为此，输入端“1”或“3”必须与电源地线相连。
国产的7650芯片是高精度、低漂移的动态自动校零的斩波放大器，应用甚广泛。
图11.3AD521引脚及连接方法
11.1.3隔离放大器
图11.4隔离放大器示意图
在测量系统中，有时需要将仪表与现场相隔离（即无电路的联系），这时可采用隔离放大器。
这种放大器能完成小信号的放大任务。
由于在电路的输入端与输出端之间没有直接的联系，因而这种放大器具有很强的抗共模干扰的能力。
隔离放大器有变压器耦合型和光电耦合型，用于小信号放大的隔离放大器通常采用变压器耦合型。
这种放大器先将现场模拟信号调制成交流信号，再通过变压器将其耦合到解调器，输出的信号再送到后续电路。
1．隔离放大器的组成
隔离放大器由4个基本部分组成，如图11.4所示。
（1）输入部分A。
其中包括输入运算放大器、调制器。
（2）输出部分B。
其中包括解调器、输出运算放大器。
（3）信号耦合变压器。
（4）隔离电源。
将这4个基本部分装配在一起，组成模块结构，不但方便了用户使用，而且提高了可靠性。
此种隔离了放大器组件的核心技术是超小型变压器及其精密装配技术。
目前，在国内应用较广泛的是美国AD公司的隔离放大器，如Model277、278，AD293，AD294等。
2．隔离放大器的工作原理
典型的隔离放大器的原理如图11.5所示。
图11.5（a）所示为原理方框图，图11.5（b）所示为简化的功能图。
对它的结构简要说明如下：
外加直流电源VS，经稳压器后为电源振荡器提供电源，可产生100kHz的高频电压，其副方分两路输出。
一路到输入部分，其中C绕组作为调制器的交流电源，而b绕组供给1＃隔离电源产生±15V的直流电源，可作为前置放大器A1及外附加电路的直流电源。
另一路到输出部分，e绕组作为解调器的交流电源，而d绕组供给2＃隔离电源产生±15V直流电源，供给输出放大器A2等。
图11.5典型的隔离放大器
输入部分的作用是将传感器送来的信号进行滤波及放大处理，并调制成交流信号，然后通过隔离变压器耦合到输出部分。
而输出部分的作用是把交流信号解调变成直流信号，再经滤波和放大，最后输出0～±10V的直流电压。
由于放大器的两个输入端都是直流的，所以，它能够有效地作为测量放大器，又因采用变压器耦合，所以输入部分与输出部分是隔离的。
隔离放大器总电压增益为
G=GIN·GOUT=1～1000
式中，GIN为输入部分电压增益；GOUT为输出部分电压增益。
3．一个典型接线图
Model284J也是一个变压器耦合型的隔离放大器。
284J内部包括输入放大器、调制器、变压器、解调器和振荡器等部分，它的接法如图11.6所示。
图11.6Model284J外部接线
284J的输入放大器被接成同相输入形式，端子1、2之间的电阻R1与输入电阻串在一起，调整R1可改变放大器的增益，20kΩ电位器用于调整零点，C为滤波电容。
11.1.4程控测量放大器PGA
当传感器的输出与自动测试装置和采集系统相连接时，特别是多路传感器的信号，由于使用条件不同，输出的信号电平也有较大的差异，通常从微伏到伏，变化范围很宽。
由于A/D转换器的输入电压通常规定为0～10V或者±5V，若将上述传感器的输出电压直接作为A/D转换器的输入电压，就不能充分利用A/D转换器的有效位，如影响测定范围和测量精度。
因此，必须根据输入信号电平的大小，改变测量放大器的增益，使各输入通道均用最佳增益进行放大。
为满足此需要，在电动单元组合仪表中，常常使用各种类型的变送器。
例如，温度变送器、差压变送器、位移变送器等，但是这些变送器造价较贵。
在微型机系统中则采用一种新型的可编程增益放大器PGA（ProgrammableGainAmplifier），它是通用性很强的放大器，其特点是硬件设备少，放大倍数可根据需要通过编程进行控制，使A/D转换器满量程信号达到均一化。
例如，工业生产中使用的各种类型的热电偶，它们的输出信号范围大致在0～60mV之间，而每一个热电偶都有其最佳测温范围，通常可划分为0～±10mV、0～±20mV、0～±50mV、0～±890mV四种量程，便可将整个范围都覆盖起来。
针对这4种量程，只需相应地把放大器设置为500、250、125、62.5四种增益，则可把各种热电偶输出信号都放大到0～±5V。
图11.7所示为程控测量放大器的原理结构图。
它是在图11.2的基础上，增加了一些模拟开关和驱动电路。
增益选择开关S1—S1′，S2—S2′，S3—S3′成对动作，每一时刻仅有一对开关闭合。
当改变数字量输入编码，则可改变闭合的开关号。
选择不同的反馈电阻，可达到改变放大增益的目的。
下面介绍美国AD公司生产的LH0084程控测量放大器，其结构原理如图11.8所示。
在图11.8中，开关网络由译码-驱动器和双4通道模拟开关组成，开关网络的数字输入由D0和D1二位状态决定，经译码后可有4种状态输出，分别控制S1—S1′、S2—S2′、S3—S3′、S4—S4′四组双向开关，从而获得不同的输入级增益。
为保证线路正常工作，必须满足R2=R3，R4=R5，R6=R7。
此外，该模块也可通过改变输出端的接线方法来改变后一级放大器A3的增益。
当引脚6与10相连作为输出端。
引脚13接地，则放大器A3的增益G3=1。
改变连线方式，即改变A3的输入电阻和反馈电阻，可分别得到4～10倍的增益；但这种改变方法不能用程序实现。
图11.7程控测量放大器图11.8LH0084程控放大器原理图
11.2信号变换技术
在自动化仪表系统及自动检测系统中，传感器与仪表、仪表与仪表之间的信号传输采用统一的标准信号，这样，不仅便于微机进行巡回检测，而且便于使指示、记录仪表单一化。
此外，若通过各种转换器，如气-电转换器，电-气转换器等，还可将电动仪表和气动仪表联系起来，混合使用，从而扩大仪表的使用范围。
目前，作为统一的标准信号是直流电压0～5V，直流电流0～10mA或4～20mA。
采用直流电流信号传输时，由于它的“恒流性能”，传输导线长度在一定范围内变化时，仍能保证精度，因而直流标准信号便于远距离传输。
通常，传感器的输出信号多数为电压信号，为了将电压信号转换为电流信号，需采用信号变送器（V/I）。
此外，传感器的原始信号一般不能进行远距离传输，故常把传感器与信号变送器装在一起，形成一体（如Ⅲ型仪表）。
11.2.10～10mA的电压/电流变换（V/I变换）
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。
V/I变换电路如图11.9所示。
运算放大器A接成同相放大器，此变换电路属于电流串联负反馈电路，具有较好的恒流性能。
R3为电流反馈电阻；R为负载电阻，它小于R3。
三极管T1和T2组成电流输出级，用于扩展电流。
若运算放大器的开环增益和输入阻抗足够大，则可认为运算放大器两输入端2、3的电位近似相等，且运算放大器的输入基极的电流近似为零。
根据电流串联负反馈关系，有
Ui≈UF=IoR3
可见，输出电流Io仅与输入电压Ui和反馈电阻R3有关，与负载电阻R无关，说明它具有较好的恒流性能。
选择合适的反馈电阻R3之值，便能得到所需的变换关系。
11.2.24～20mA的电压/电流变换（V/I变换）
传感器与微型机之间要进行远距离信号传输，更可靠的方法是使用具有恒流输出的V/I变换器，产生4～20mA的统一标准信号，即规定传感器从零到满量程的统一输出信号为4～20mA的恒定直流电流，这种统一标准信号广泛应用于高可靠性的过程仪表中。
在过程仪表中使用的压力、流量、温度、液位等传感器的输出，几乎全部都采用了直流4～20mA的统一标准信号。
实现该特性的典型电路如图11.10所示。
4～20mA的V/I变换电路由运算放大器A和三极管T1、T2组成。
运算放大器除了具有放大作用外，还兼有比较的作用。
T1为倒相放大级，T2为电流输出级。
Ub为偏置电压，加在A的同相端，用于进行零点迁移。
输出电流Io流经R3得到反馈电压UF，此电压经R5、R4加到A的两个输入端，形成A的差动输入信号。
由于具有深度电流串联负反馈，因此具有较好的恒流性能。
图11.90～10mA的V/I变换电路图11.104～20mA的V/I变换电路
11.3过程输入通道
11.3.1模拟量输入通道
模拟量输入通道（简称模入通道）一般由滤波电路、多路模拟开关、放大器、采样保持器（S/H）和A/D转换器组成，其中A/D转换器是完成模/数转换的主要器件。
模入通道有单通道和多通道之分。
多通道的结构通常又可分为以下两种：
（1）每个通道有独自的放大器、S/H采样保持器和A/D转换器，其结构如图11.11所示。
这种形式通常用于高速数据采集系统，它允许各通道同时进行转换。
图11.11每通道有独自A/D转换器等器件的结构
（2）多路通道共享放大器、S/H采样保持器和A/D转换器，其结构如图11.12所示。
这种形式通常用于对速度要求不高的数据采集系统中。
由多路模拟开关轮流采集各通道模拟信号，经放大、保持和A/D转换，送入主机电路。
图11.12多通道共享A/D转换器等器件的结构
11.3.2A/D转换器及其与单片机的接口
1．A/D转换器的一般描述
（1）主要性能指标。
①分辨率。
它是指使A/D转换器的输出数码变动一个LSB（二进制数码的最低有效位）时输入模拟信号的最小变化量。
在一个n位的A/D转换器中，分辨率等于最大允许的模拟输入量（满度值）除以2n。
可见，A/D分辨率与输出数字的位数有直接关系。
因此，通常可用转换器输出数字位数来表示其分辨率。
②转换时间（或转换速率）。
A/D转换器从启动转换到转换结束（即完成一次模/数转换）所需的时间称为转换时间。
这个指标也可表述为转换率，即A/D转换器在每秒钟内所能完成的转换次数。
③转换误差（或精度）。
它是指A/D转换结果的实际值与真实值之间的偏差，用最低有效位数LSB或满度值的百分数来表示。
转换误差包括量化误差（因量化单位有限所造成的误差）、偏移误差（零输入信号时输出信号的数值）、量程误差（转换器在满度值时的误差）、非线性误差（转换特性偏离直线的程度）等。
在选择A/D转换器时，分辨率和转换时间是首先要考虑的指标，因为这两个指标直接影响测量、控制的精度和响应速度。
选用高分辨率和转换时间短的A/D转换器，可提高仪表的精度和响应速度，在确定分辨率指标时，应留有一定的余量，因为多路开关、放大器、采样保持器和转换器本身都会引入一定的误差。
（2）类型和品种。
A/D转换器大致上可分为比较型和积分型两种类型，每种类型又分为许多品种。
比较型中常采用逐次比较（逼近）式A/D转换器；积分型中使用较多的是双积分式（即电压-时间转换式）和电压-频率转换式A/D转换器。
这两类A/D转换器的精度和分辨率均较高。
转换误差一般在0.1%以下，输出位数可达12位以上。
比较型的转换速度要比积分型的转换速度快得多，但后者的抗干扰能力则比前者的强，且价格也比较低。
从实际应用出发，应采用合适类型的A/D转换器。
例如，某测温系统的输入范围为0～500℃，要求测温的分辨率为2.5℃，转换时间在1ms以内，可选用分辨率为8位的逐次比较型A/D转换器（如ADC0804、ADC0809等）；如果要求测温的分辨率为0.5℃（即满量程的1/1000），转换时间为0.5s，则可选用双积分型A/D转换器14433。
（3）输入/输出方式和控制信号。
A/D转换器的输入/输出方式和控制信号是使用者必须注意的问题。
不同的芯片，其输入端的连接方式也不同，有单端输入的，也有差动输入的。
差动输入方式有利于克服共模干扰。
输入信号的极性也有两种，即单极性和双极性。
有些芯片既可单极性输入，又可双极性输入，这由极性控制端的接法来决定。
A/D转换器的输出方式有两种：
①数据输出寄存器具备可控的三态门。
此时芯片输出线允许与CPU的数据总线直接相连，并在转换结束后利用读信号
控制三态门，将数据传输至总线上。
②不具备可控的三态门，或者根本没有门控电路，数据输出寄存器直接与芯片引脚相连，此时，芯片输出线必须通过输入缓冲器（如74LS244）连至CPU的数据总线。
A/D转换器的启动转换信号有电位和脉冲两种形式。
使用时应特别注意：
对要求用电位启动的芯片，如果在转换过程中将启动信号撤去，一般芯片将停止转换而得到错误的结果。
A/D转换器转换结束后，将发出结束信号，以示主机可从转换器读取数据。
结束信号用于向CPU申请中断后，在中断服务子程序中读取数据。
也可用延时等待和查询A/D转换是否结束的方法来读取数据。
下面就逐次比较型A/D转换器做些介绍。
2．几种A/D转换器及接口电路
（1）ADC0808、ADC0809。
ADC0808/0809是8位A/D转换器，转换时间为100μs，ADC0808的转换误差为±0.5LSB，ADC0809为±1LSB。
芯片由8路模拟开关、地址锁存器和译码电路、A/D转换电路及三态输出锁存缓冲器组成。
转换器由单+5V电源供电，模拟量输入电压范围为0～5V，无须零点和满刻度调整。
ADC0809芯片引脚如图11.13所示。
IN0～IN7是模拟量输入引脚，A、B、C为通道选通信号引脚，用于选择某一路模拟量进行A/D转换。
D0～D7是数字量输出引脚。
START和ALE分别为启动转换信号和地址锁存信号（该转换器由脉冲启动）引脚。
EOC是转换结束信号引脚，可用于向主机申请中断。
OEC为读控制信号引脚。
CPU用写信号启动转换器，用读信号取出转换结果。
基准电源（VREF）可与供电电源合用，但在精度要求较高的情况下，要用独立高精度的基准电源。
时钟（CLK）频率为500kHz。
ADC0809与单片机8031的接口如图11.14所示。
A/D转换器的时钟信号（CLK）由8031的ALE输出脉冲（其频率为8031时钟频率的1/6），经二分频后得到。
8031P0口输出低3位地址信号经74LS373送至ADC0809引脚A、B、C。
和P2.7经或非门启动A/D转换器，
和P2.7经或非门输出读取数据的信号。
A/D转换结束信号EOC经反相后连至8031的
引脚。
图11.13ADC0809引脚图图11.14ADC0808/0809与8031的接口
8031的8路连续采样程序如下（略去伪指令ORG等，以下程序同）：
MOVDPTR，#7FF8H；设置外设（A/D）口地址和通道号
MOVR0，#40H；设置数据指针
MOVIE，#84H；允许外部中断1中断
SETBIT1；置边沿触发方式
MOVX@DPTR，A；启动转换
LOOP：
CJNER0，#48H，LOOP；判8个通道是否完毕
RET；返回主程序
AINT：
MOVXA，@DPTR；输入数据
MOV@R0，A
INCDPTR；修改指针
INCR0
MOVX@DPTR，A；启动转换
RETI；中断返回
（2）AD574。
AD574是12位的A/D转换器，转换时间为25μs，转换误差为±1LSB。
供电电源有+5V、±12V（或±15V）。
片内提供基准电压源，并具有输出三态缓冲器。
它可与8位或16位字长的微处理器直接相连。
输出数据可12位一起读出，也可分成两次读出。
输入模拟信号可以是单极性0～10V或0～20V信号，也可以是双极性±5V或±10V信号。
AD574引脚如图11.15所示。
图中R/
是读/启动转换信号，A0和12/
用于控制转换数据长度（12位或8位）及数据输出格式。
它们的功能如表11.2所示。
由表11.1可知，在CE=1且
=0（大于300ns的脉冲宽度）时，才能启动转换或读出数据，因此，启动A/D或读数可用CE或
信号来触发。
在启动信号有效前，R/
必须为低电平，否则将产生读数据的操作。
启动转换后，STS引脚输出变为高电平，表示转换正在进行，转换结束后，STS引脚输出为低电平。
（a）单极性输入（b）双极性输入
图11.15AD574单极性和双极性输入
表11.1AD574的转换方式和数据输出格式
CE
R/
12/
A0
功能
1
0
0
—
0
12位转换
1
0
0
—
1
8位转换
1
0
1
接+5V
—
输出数据格式为并行12位
1
0
1
接地
0
输出数据是8位最高有效位（由20～27脚输出）
1
0
1
接地
1
输出数据是4位最低有效位（由16～19脚输出）
加4位“0”（由20～23脚输出）
AD574单极性模拟输入和双极性模拟输入的连线如图11.15（a）和（b）所示。
13脚的输入电压范围分别0～+10V或-5V～+5V（双极性输入时），1LSB对应模拟电压为2.44mV。
14脚的输入电压范围为0～+20V（单极性输入时）或-10V～+10V（双极性输入时），1LSB对应4.88mV。
如果要求2.5mV/位（对于0～+10V或-5V～+5V范围）或者是5mV/位（对于0～+20V或-10V～+10V范围），则在模拟电压输入回路中应分别串联200Ω或500Ω的电阻。
AD574与8031的接口如图11.16所示。
单片机的读/写信号用于控制AD574的CE和R/
端，而P2.7和P2.0则分别连至AD574的
和A0端。
图11.16AD574与8031的接口
8031的调试程序如下：
MOVDPTR，#7EFFH
MOVX@DPTR，A；启动A/D
MOVR7，#20H
LOOP：
DJNZR7，LOOP；延时
MOVXA，@DPTR
MOVR0，A；读高位数据，存入R0中
INCDPH
MOVXA，@DPTR
MOVR1，A；读低位数据，存入R1中
RET
11.4信号的非线性补偿技术
在工业检测技术中，存在许多非线性环节，特别是传感器的输出量与被测物理量之间的关系绝大部分是非线性的，引起非线性的原因归纳起来不外乎两个：
一是许多传感器的转换原理并非线性。
例如：
热电偶的电动势与温度关系是非线性的；用孔板测量时，孔板输出的差压信号与流量输入信号之间也是非线性关系。
二是采用的测量电路是非线性的。
例如，测量热电阻用桥路，而电阻的变化引起电桥失去平衡，此时输出电压与电阻之间的关系为非线性。
一般总希望输出与输入之间具有线性关系，这样可以保证在整个测量范围内灵敏度均匀，以利于读数和分析，也便于处理测量结果或进行自动控制。
解决这一矛盾即是对非线性特性进行线性化处理，一般有三种办法：
其一是缩小测量范围区间，在该区间内将非线性曲线近似看作线性；其二是采用非线性刻度（如万用表Ω挡，光
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