传感器接口电路+(2).ppt

1、机 电 一 体 化 技 术,第二十三讲 传感器与微机接口电路,放大与滤波 多路模拟开关 采样保持电路 模/数转换器 电压比较器,机电一体化技术,检测与传感器,信号处理电路,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

2、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,检测与传感器,信号处理电路,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,检测与传感器,信号处理电

3、路,过零比较器,当UR =0 时，称为零电压比较器,零电压比较器可以实现波形变换, 即可以 把正弦波变换为方波。,机电一体化技术,检测与传感器,信号处理电路,二、 滞回电压比较器,下限触发电压,上限触发电压,机电一体化技术,检测与传感器,电压传输特性,U= UH UL, 称为滞回宽度,改变 R2 和 RF，可以改变 U、UL、UH 值。,机电一体化技术,检测与传感器,信号处理电路,数字化自动检测系统,传感器,传感器,调制、解调电路,转换/放大/滤波,多 路 开 关,采样 保持,模数转换,微机,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 （调制与解调或通过电桥参数转换、放大、滤波）后

4、，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/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。,机电一体化技术,检测与传感器,信号处理电路,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， 增益和共模抑制比很高，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， 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,检测与传感器,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 信号能量。为了克服这一缺点，可采用RC网络和集成运算放

5、大器组成的有 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 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,检测与传感器,数据采集电路,1,14,2,3,5,9,8,12,7,11,6,4,13,UEE,UCC,R,R,C,Ui1(),Ui2 (),Ui,100H,0.1F,屏蔽线,屏蔽线,RG,10k,AD522,数据防护,利用AD522组装的仪用放大器,测量放大器,传感器输出点信号的参量形式可分为电压输出、电流输出和频率输出，其中以电压输出型为最多。在电流输出和频率输出传感器中，除了少数直接利用电流或频率

6、输出信号外，大多数是分别配以电流电压变换器或频率电压变换器，从而将它们转换成电压输出型传感器。,机电一体化技术,检测与传感器,数据采集电路,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 一个模/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/数转换器上，这一过程称为多路切换。,多路模拟开关的结构,主要有4选1、8选1、双4选1、双8选1和16选1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 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。,机电一体化技术,检测与传感器,数据采集电路,

7、双四路模拟开关CD4052,CD4051原理图,机电一体化技术,检测与传感器,数据采集电路,多路模拟开关,单八路模拟开关CD4051,图CD4051引脚功能,机电一体化技术,检测与传感器,数据采集电路,双四路模拟开关CD4052,图CD4052的引脚功能,机电一体化技术,检测与传感器,数据采集电路,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， 采样周期越短，误差越小； 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， 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a（t） 取样，得到对应的离散时间信号的过程，如图所示。,其中， t1、t2为各采样

8、时刻, d1、d2 为各时刻的采样值,两次采样之间 的时间间隔称为采样周期TS。,数据采集电路,机电一体化技术,检测与传感器,采样保持,作用：在采样期间，其输出能跟随输入的变换而变化， 而在保持状态能使其输出值保持不变。,S合：采样；S开: 保持。 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。,S,机电一体化技术,检测与传感器,数据采集电路,采样保持电路LF198,采样保持电路,图所示为一个实际的采样保持电路LF198的电路结构图， 图中A1、A2是两个运算放大器，S是模拟开关，L是控制 S状态的逻辑单元电路。采样时令uL=1，S随之闭合。A1、 A2接成单位增益的电压跟

9、随器，故,同时uo通过R2对外电容Ch充电使uch=ui。，因电压跟随器 的输出电阻十分小，故对Ch充电很快结束。采样结束时， uL=0V，S断开，由于uch无放电通路，其上电压值基本不变， 故使uo值得以保持，即将采样结果保持下来。,数据采集电路,机电一体化技术,检测与传感器,机电一体化技术,检测与传感器,数据采集电路,CMOS模拟采样开关,模拟采样开关切换对象是多路模拟信号。它的控制端处于“有效”状态时，模拟开关处于导通状态，导通电阻约几欧至几百欧（视型号而定）。当控制端处于“无效”状态时开关截止，截止电阻大于108。 其优点是集成度高，动作快（小于1s）、耗电省等。缺点是有一定的导通电阻

10、、各通道间有一定的漏电、击穿电压低、易损坏等。,机电一体化技术,检测与传感器,数据采集电路,四、模/数转换环节,放大器放大后的模拟信号必须进行A/D转换才能由计算机进行运算处理。目前采用较多的A/D转换器有两大类：一类是并行A/D转换器，另一类是串行A/D转换器。,A/D转换器的光耦接口电路,机电一体化技术,检测与传感器,数据采集电路,四、模/数转换环节,AD574A是美国模拟数字公司 （Analog）推出的单片高速12 位逐次比较型A/D转换器，,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 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。,1. Pin1(+V)

11、+5V电源输入端。 2. Pin2( )数据模式选择端，通过此引脚可 选择数据纵线是12位或8位输出。 3. Pin3( )片选端。 5. Pin5( )读转换数据控制端。 7. Pin7(V+)正电源输入端，输入+15V电源。8. Pin8(REF OUT)10V基准电源电压输出端。 9. Pin9(AGND)模拟地端。 10. Pin10(REF IN)基准电源电压输入端。 11. Pin(V-)负电源输入端，输入-15V电源。 12. Pin1(V+)正电源输入端，输入+15V电源。 13. Pin13(10V IN)10V量程模拟电压输入端。 14. Pin14(20V IN)20V量

12、程模拟电压输入端。 15. Pin15(DGND)数字地端。 16. Pin16Pin27(DB0DB11)12条数据总线。 通过这12条数据总线向外输出A/D转换数据。,机电一体化技术,检测与传感器,数据采集电路,四、数/模转换环节,计算机运算处理后的数字信号有时必须转换为模拟信号，才能用于工业生产的过程控制。它的输入是计算机送出的数字量，它的输出是与数字量相对应的电压或电流。如果在计算机与D/A之间插入多路光耦合器就能较好地防止工业控制设备干扰计算机的工作。如果使用多路采样保持器，只要使用一个D/A即可进行多路D/A转换。,D/A转换器的光耦接口电路,机电一体化技术,检测与传感器,数据采集

13、电路,五、数据采集的概念,典型的数据采集系统由传感器（T）、放大器（IA）、 模拟多路开关（MUX）、采样保持器（SHA）、 A/D转换器、 计算机（MPS）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、 高速采集、 分时采集和差动结构 四种配置，,（a） 同时采集； （b） 高速采集； （c） 分时采集； （d） 差动结构,同时采集和保持，然后分时转换和存储，,机电一体化技术,检测与传感器,数据采集电路,五、数据采集的概念,（a） 同时采集； （b） 高速采集； （c） 分时采集； （d） 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，,高速采集系统：在时实控制中对

14、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， 具有通用性，每个采样点值间 存在一个时差输入通道数越多， 扭斜现象越严重， 不适合采集高速 变化的模拟量。,机电一体化技术,检测与传感器,数据采集电路,电压频率转换电路 V/f 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,检测与传感器,数据采集电

15、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,检测与传感器,数据采集电路,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,检测与传感器,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,检测与传感器,数据采集电路,由输入比较器

16、、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,检测与传感器,数据采集电路,LM131用作V/f转换器的简化电路及振荡波形图,（1）uiu6时，比较器输出高电平，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,检测与传感器,数据采集电路,f/V 转换电器,把频率变化的信

17、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、定幅度的输出脉冲序列。,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,检测与传感器,数据采集电路,P165 5.1,电压/电流变换电路,典型的二线方式输出应用(420mA),机电一体化技术,检测与传感器,数据采集电路,电压/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（4 20mA）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,检测与传感器,数据采集电路,今日作业,P165 5.1,