预处理电路及数据采集.ppt

1、第 3 章预处理电路及数据采集 目录目录3.1 3.1 概述概述3.3 3.3 模拟信号放大电路模拟信号放大电路3.4 DAC3.4 DAC接口接口3.5 ADC3.5 ADC接口接口 3.6 3.6 数据采集系统数据采集系统习题与思考题习题与思考题3.2 3.2 传感器及其应用传感器及其应用3.1概述概述智能仪器是一种典型的微机应用系统。用计算机对模拟世界实行控制时，应先把模拟信号转换为数字信号，然后由计算机进行各种处理，再存储、显示，或还原成模拟信号，输出到模拟世界进行种种控制。3.1概述概述典型的微机控制的数据采集与处理系统框图如下：典型的微机控制的数据采集与处理系统框图如下：图图3-1

2、微型机控制的数据采集和处理系统框图微型机控制的数据采集和处理系统框图3.1概述概述传感器：将非电量转换为电量。放大器：把微弱的模拟信号适当放大。滤波器：把信号中无用的频率分量滤除掉。采样保持电路：使信号成为时间离散信号。A/D转换器：对信号幅度进行量化，输出数字信号。D/A转换器：将数字信号还原成模拟信号。本章主要介绍A/D、D/A转换器与单片机的接口。3.2 传感器及其应用传感器及其应用图3-2 传感器组成3.2.1传感器简介传感器简介1.传感器的定义：传感器的定义：感受和响应规定的被测量，并按一定规律将其转换成感受和响应规定的被测量，并按一定规律将其转换成有用输出，特别是完成从非电量到电量

3、的转换。有用输出，特别是完成从非电量到电量的转换。2.传感器的组成传感器的组成由敏感元件和变换器两部分组成，如图所示：由敏感元件和变换器两部分组成，如图所示：3.2 传感器及其应用传感器及其应用3.2.1传感器简介传感器简介1.传感器的组成2.1）敏感元件 有的非电量无法直接变换为电量，必须先变为易于转换成电量的另一种非电量。能完成这种预变换的器件称为敏感元件。2）变换器 能将感受到的非电量变换为电量的器件称为变换器。变换器是不可缺少的。实际常无法将敏感元件与变换器严格加以区别。3.2 传感器及其应用传感器及其应用3.2.1传感器简介传感器简介2.传感器的分类传感器的分类（1）按输入被测量分类

4、按输入被测量分类基本被测量派生的被测量基本被测量派生的被测量热工量温度、热量、比热、压力、压差、流量、流速、风速、真空度物理量、化学量气体（液体）化学成分、浓度、盐度、粘度、湿度、密度、比重机械量位移、尺寸、形状、应力、力矩、振动、加速度、噪声生物量、医学量心音、血压、体温、气流量、心电流、眼压、脑电波3.2 传感器及其应用传感器及其应用3.2.1传感器简介传感器简介2.传感器的分类（2）按工作原理分类工作原理传感器举例变电阻电位器式、应变式、压阻式等传感器变磁阻电感式、差动变压器式、涡流式等传感器变电容电容式、温敏式等传感器变谐振频率振动膜（筒弦、梁）式等传感器变电荷压电式传感器变电势霍尔式

5、、热电偶式传感器3.2 传感器及其应用传感器及其应用3.2.1传感器简介传感器简介2.传感器的分类传感器的分类（3）按输出信号形式分类按输出信号形式分类图3-3传感器按输出信号形式的分类3.2传感器及其应用传感器及其应用3.2.2传感器应用实例1.AD590电流输出式精密集成温度传感器是恒流源式模拟温度传感器。动态阻抗高、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗；测温误差小，无需进行非线性校准。适合于远距离测温、控温。3.2传感器及其应用传感器及其应用3.2.2传感器应用实例1.AD590电流输出式精密集成温度传感器外型与小功率晶体管相仿，共有3个管脚：1脚为正极，2脚为负极，3脚接管壳。使用时

6、将3脚接地可起到屏蔽作用。图图3-4AD590的外形及符号的外形及符号(a)TO-52封装的外形；封装的外形；(b)符号。符号。3.2传感器及其应用传感器及其应用3.2.2传感器应用实例1.AD590电流输出式精密集成温度传感器下图电路可以测量千米之外的温度。AD590输出电流经屏蔽线、1k电阻，产生1mV的电压加在放大器的输入正端，屏蔽线两侧的RC环滤除干扰。当温度为-55+100时，输出电压以100mV/的规律变化，输出范围为-5.5V+10V。AD590直接输出的为绝对温度，为了以摄氏温度读出，需要在放大器的负端加上273.2mV电压，这一电压由LM1403经电阻分压产生。3.2传感器及

7、其应用传感器及其应用3.2.2传感器应用实例1.AD590电流输出式精密集成温度传感器AD590远程测温电路3.2传感器及其应用传感器及其应用3.2.2传感器应用实例2.LM35系列电压输出式集成温度传感器LM35的灵敏度为10mV/，常温下测温精度绝对值为0.5以内，耗电最大为70，自身发热对测量精度影响在0.1以内。采用+4V以上单电源供电时，测温范围为2150；采用双电源供电时，测温范围为-55150（金属壳封装）和-40110（TO-92封装）。3.2传感器及其应用传感器及其应用3.2.2传感器应用实例2.LM35系列电压输出式集成温度传感器LM35外形如下图所示：图3-6 LM35封

8、装形式及管脚图下面介绍两个实际应用电路。3.2传感器及其应用传感器及其应用3.2.2传感器应用实例2.LM35系列电压输出式集成温度传感器1）-20+100测温电路利用LM35或LM45及二极管1N914可以组成单电源供电的测温电路，如下图。输出电压Vo=10mVt（t为测量温度值），温度测量范围为-20+100。图3-7 温度传感器测温电路3.2传感器及其应用传感器及其应用3.2.2传感器应用实例2.LM35系列电压输出式集成温度传感器2）温度/频率变换电路用V/F变换器LM131、集成温度传感器LM35或LM45及光偶4N128，组成输入输出隔离的温度/频率变换电路，如图3-8。光偶还进行

9、电平转换。其温度测量范围为25+100，响应的频率输出为25Hz1000Hz。图中由5k电位器来调整，使100时电路输出为1000Hz。3.2传感器及其应用传感器及其应用3.2.2传感器应用实例2.LM35系列电压输出式集成温度传感器2）温度/频率变换电路图3-8 温度/频率变换电路3.3模拟信号放大电路模拟信号放大电路3.3.1模拟信号放大及集成运放简介模拟信号放大及集成运放简介 1.集成运放简介集成运放简介集成运放内部电路通常由：集成运放内部电路通常由：偏置电路、差动输入电路、中间放偏置电路、差动输入电路、中间放大器级、输出及过载保护电路组成。大器级、输出及过载保护电路组成。运放的开环放大

10、倍数可达运放的开环放大倍数可达104，构成闭环负反馈放大电，构成闭环负反馈放大电路时，电压放大倍数只取决于外加电阻的比值。路时，电压放大倍数只取决于外加电阻的比值。图3-9 集成运放示意图3.3模拟信号放大电路模拟信号放大电路3.3.1 模拟信号放大及集成运放简介模拟信号放大及集成运放简介 1.集成运放简介集成运放简介 A741：通用、价廉，在小信号：通用、价廉，在小信号(mV级级)放大中经常使用。放大中经常使用。OP07、ICL7650：一类高精度、低温漂的运算放大器。：一类高精度、低温漂的运算放大器。LM124/LM224/LM324：单片高增益四运算放大器。：单片高增益四运算放大器。LM

11、124：为军品，工作温度范围为：为军品，工作温度范围为-55125；LM224：为工业用品，工作温度范围为：为工业用品，工作温度范围为-2585；LM324：为民用品，工作温度范围为：为民用品，工作温度范围为070。3.3模拟信号放大电路模拟信号放大电路3.3.1模拟信号放大及集成运放简介1.集成运放简介作为简单的小信号放大电路有下图两种基本接法：图3-11 用集成运放实现小信号放大电路(a)同相放大器 (b)反相放大器。当共模干扰较强时宜用测量放大器。它以差动输入，有高共模抑制比、高增益、低噪声和高输入阻抗的特点。下图为下图为3个运放组成的测量放大器（亦称仪表放大器）个运放组成的测量放大器（

12、亦称仪表放大器）图3-12 测量放大器原理图 3.3模拟信号放大电路模拟信号放大电路3.3.1模拟信号放大及集成运放简介模拟信号放大及集成运放简介 2.测量放大器测量放大器3.3模拟信号放大电路模拟信号放大电路3.3.1模拟信号放大及集成运放简介模拟信号放大及集成运放简介2.测量放大器测量放大器图中差动输入端V1和V2分别是A1、A2的同相输入端，A3是一差动跟随器，其增益近似为1。放大倍数为：当A1和A2性能对称，漂移大大减小，高输入阻抗和高共模抑制比，适宜与微小信号输出的传感器配合使用。Rw是调整放大倍数的外接电阻，最好用多圈电位器。若A1、A2采用7650，将是非常优质的放大器。3.3模

13、拟信号放大电路模拟信号放大电路3.3.2放大电路实例放大电路实例 1.AD620仪表放大器仪表放大器 由典型的三运放改进而成的单片仪表放大器，由典型的三运放改进而成的单片仪表放大器，如下图所示：如下图所示：图3-13AD620原理电路图3.3模拟信号放大电路模拟信号放大电路3.3.2 放大电路实例放大电路实例1.AD620仪表放大器仪表放大器小尺寸、低功耗、低噪声、低漂移和低价格，特别适于小尺寸、低功耗、低噪声、低漂移和低价格，特别适于低压供电的高阻抗压力传感器。低压供电的高阻抗压力传感器。下图为一个下图为一个3、+5供电的压力传感器桥路。供电的压力传感器桥路。图3-14+5供电的压力传感器桥

14、路PN结结电压的变化通过电桥输出给放大器，电桥输出结结电压的变化通过电桥输出给放大器，电桥输出为为mV级信号，采用一般通用运放即可完成放大任务。级信号，采用一般通用运放即可完成放大任务。3.3模拟信号放大电路模拟信号放大电路3.3.2 放大电路实例放大电路实例2.PN结测温放大电路结测温放大电路如下图，如下图，PN结为正偏，温度一定时结为正偏，温度一定时PN结两端的结电压结两端的结电压固定。当环境温度变化固定。当环境温度变化(-30+150)时，结电压会随温时，结电压会随温度上升而线性下降度上升而线性下降，的大小与流过的大小与流过PN结的正向电流结的正向电流有关，当有关，当IPN50 A时，时

15、，-2mV/。3.3模拟信号放大电路模拟信号放大电路图3-15 PN结测温放大电路3.3.2 放大电路实例放大电路实例2.PN结测温放大电路结测温放大电路图3-17 热电偶测高温放大电路3.3模拟信号放大电路模拟信号放大电路3.3.2 放大电路实例放大电路实例 3.热电耦测量放大电路热电耦测量放大电路热电偶是一种高温测量传感器，图热电偶是一种高温测量传感器，图3-17所示为实际所示为实际应用的热电偶测高温的检测放大电路。应用的热电偶测高温的检测放大电路。3.3模拟信号放大电路模拟信号放大电路3.3.2放大电路实例放大电路实例3.热电耦测量放大电路热电耦测量放大电路由于热电偶由于热电偶Tc的电压

16、输出决定于热端与的电压输出决定于热端与冷端的温度差，理论上应使冷端温度为基点冷端的温度差，理论上应使冷端温度为基点即即0，而实际上冷端温度通常为室温，所以，而实际上冷端温度通常为室温，所以图中利用图中利用PN结的结电压随温度上升而线性下结的结电压随温度上升而线性下降的特性来进行补偿。降的特性来进行补偿。3.3模拟信号放大电路模拟信号放大电路3.3.2放大电路实例放大电路实例 3.热电耦测量放大电路热电耦测量放大电路热端每变化热端每变化1，K型热电偶有型热电偶有40mV的电位的电位差输出，其灵敏度为微伏级。这里采用差输出，其灵敏度为微伏级。这里采用OP07构构成低漂移、高精度前置放大器，后面再接一级由成低漂移、高精度前置放大器，后面再接一级由741构成的续接放大器就可将毫伏级信号放大到构成的续接放大器就可将毫伏级信号放大到需要的幅度，如需要的幅度，如0V5V。下图为用改变反馈电阻的方法来控制放大倍数。下图为用改变反馈电阻的方法来控制放大倍数。当开关当开关S1闭合，其余开关断开闭合，其余开关断开,放大倍数：放大倍数：选择不同的开关闭合，即可改变增益。如用软件对开选择不同的开关闭合，即可改变