1、5-1 问题提出和解决方案 5-2 交流电桥 5-2-1 灵敏度和线性 5-2-2 电容性电桥的模拟线性化 5-2-3 交流放大器和电源去耦 5-2-4 静电屏蔽和有源屏蔽 5-2-5 交直流信号变换器,变电抗式传感器需要适当的激励和检测电路，来提取传感器电感或电容变化中的有用信息。测量信号最终可以是以下形式： 模拟电压信号输出(如：010V) 模拟电流信号输出(如：420mA) 可变频率信号输出(如：10kHz 1000kHz) 数字信号输出（如：串行口RS232）变抗式传感器的几种情况： 变化电容或电感（L0 L、 C0 C ） 变化电感参考电感（L0 L、 L0）如：涡流式接近开关 差动
2、电感或电容（L0 L、 L0 L ；C0 C、 C0 C ）或给出调幅信号的可调变压器如：LVDT、自动同步器、和分解器。变抗式传感器的激励电源： 上述装置都需要交流激励电源，由于电容在100pF的量级上，所以电源的频率应在10kHz100MHz,以使电路阻抗在需要的范围内。将信号转换为直流电压的方案包括：峰值检波有效值测量整流后平均。,5-1 问题提出和解决方案,(a)具有线性导纳变化的传感器,5-1 问题提出和解决方案,常用方法：欧姆定律 具有线性导纳变化的传感器图5.1(a)所示电路将恒流源方法用在平板电容极板间距离变化的电容位移传感器上，电容按下式规律变化时： Cx= A /(d+z)
3、= A / d(1+x) = C0 / (1+x) (5.1)式中 x=z/d如果将R忽略不计，则输出电压为Vo= - Ve Zx/Z= -Ve(1+x)C/C0 (5.2)这时输出电压与被测距离成正比，尽管电容量与距离呈非线性关系。R是为了对运算放大器加上偏转，在激励频率上，RZx。与电容Cx并联的任何杂散电容都都会带来误差，电容极板引线必须屏蔽。,5-1 问题提出和解决方案,具有线性阻抗变化的传感器图5.1(b)所示称为电荷放大器的电路 将恒定电压加到传感器上，并通过将恒定电压转换成跨接在C两端的电压来测量所得电流。忽略R和杂散电容Cs3时，输出电压为Vo= -VeCx / C (5.3)
4、这时输出电压与电容量Cx成正比，而Cs1 ， Cs2不影响输出。但大的Cs2可能引起振荡。 Cx 引线需要屏蔽，减少Cs3 的干扰。,5-1 问题提出和解决方案,例5.1 图E5.1用于图E4.2所示差动电容式传感器的信号调节器。激励电压为10V(峰值)、10kHz方波。利用例4.2的结果，设计C4所示和R,使对应位移距离为50mm-50mm时的输出为1V-1V。 R为偏置电阻，不予考虑。 设VA是滑动电极上的电压，则输出电压为Vo= -VAC3 / C4 在这个电极上，基尔霍夫定律给出： jC1 (Ve-VA)=jC3 VA + jC2 (Ve+VA)VA= Ve (C1 - C2)/ (C
5、1 + C2 + C3) 根据例4.2的结果,图5E.1用于图4.2的差动电容式传感器的信号调节电路,图E4.2差动电容式传感器,5-1 问题提出和解决方案,将上式代入电压输出表达式，有：Vo= -VAC3 / C4= -Ve (C1 C2) /(2C4)代入条件：Ve=10V,Vo=1V, 并且w=8mm,d=0.5mm,h=10mm和q=1mm,可以得到C4=5pF。为使R不影响输出波形，可以选择它为在激励频率处C4阻抗的10倍，大约为33M。运算放大器应选择具有场效应晶体管（FET) 的输入级，否则，偏流将形成大的输出失调电压。,5-1 问题提出和解决方案,分压器是另一种解决方案。 (a
6、)对于单个传感器，分压器给出非线性输出5.4(b)对于差动传感器，分压器给出线性输出5.5,5-2 交流电桥 5-2-1 灵敏度和线性,消除分压器输出式5.4和式5.5中的常数项的解决方法是采用电桥电路。 (a)采用一个电抗性传感器的普通交流电桥 当Z1=Z0(1+x),Z0=Z2=Z3=Z4时， 输出电压为当Z2=Z0(1-x)时， 输出电压为(b)有电阻臂和差动电感式传感器的线性交流电桥。电感电桥可以用电阻器作为另一臂，只要传感器电感的Q值足够高。(c)有电阻臂和 差动传感器的交流电桥，以降低线性为代价，使灵敏度提高一倍。,5-2 交流电桥 5-2-1 灵敏度和线性,图5.4布卢姆莱因(B
7、lunlein)电桥或变压器电桥：由于对地的寄生电容的影响，电容电桥一般采用变压器电桥。(a)利用变压器。(b)利用自耦变压器。(c)传感器屏蔽线的连接。(d)与检测器相连的电桥的等效电路。 若装置1作为激励源，则装置2作为检测器； 相反，装置2作为激励源，而将装置1作为检测器，则通常称为变流器的电流比较器 。,5-2 交流电桥 5-2-1 灵敏度和线性,变压器电桥 优点变压器的中心抽头一般接地，这样对地的杂散电容Cs1和Cs1 忽略。可以实现在1000pF的杂散电容的情况下，对50pF电容器变化0.1fF的检测。电压比或电流比几乎不随时间和温度改变。只取决于N3/N4,在很宽的范围内极精确的
8、变化。 缺点在高于100kHz时特性变坏；调零不方便。,准电桥准电桥保留了消除干扰和进行比值测量的优点，还可提供线性输出，比变压器电桥简单，普遍应用于电容式传感器。当传感器是单一电容时，也可能实现线性输出，如图5.6所示电路。输出电压为(5.11)当被测对象改变极板间距时，传感器必须安放在Z2处，输出随间距改变呈线性变化。当被测对象改变极板面积时，传感器必须安放在Z1处，输出随面积改变呈线性变化。 Z3和Z4可以采用电阻器。由于Z1和Z2都是电容器所以需要一个电阻器与Z2并联，为运放提供偏流，这个电阻应足够大，以不影响式(5.11)的输出电压。,5-2-2电容性电桥的模拟线性化,图5.6(a)
9、用于单一电容式传感器,准电桥如图5.6(b)所示电路提供差动输出的一个解决方案。输出电压为(5.12)Z1和Z4形成差动电容器，电容的一个公共极可以接地，使屏蔽简化。如果被测对象改变极板面积，则输出电压Vo将随x呈线性变化。,5-2-2电容性电桥的模拟线性化,图5.6(b)用于差动电容式传感器， 输出差动电压,目前市场上所提供的运放性能使我们很容易用单级放大器将10MHz信号放大10倍。在大多数应用中廉价元件就够用了。由于交流电桥比例臂的中心接线端一般都接地，所以其中一个输出信号接线端也接地。与直流电桥不同，这里无需使用差动放大器。 反相放大器采用反相放大器有以下优点，输出信号与同电桥输出端并
10、联的任何寄生电容Zp无关,因为放大器输入端处于虚地状态。若放大器具有下列有限微分增益：Ad=Ad0 fa/(fa+jf)= fT/(fa+jf) 5.13 则对电路进行分析的方程为：(Vo-Vn)/Z= (Vn-Vs)/Zs 5.14Vo= Ad(0-Vn) 5.15 于是得：Vo/Vs=-(Z/Zs)/(1+1/(Ad ) = Zs/(Z+Zs) 因此，放大器输出电压与Vs和Zs有关，可能导致非线性输出。,5-2-3 交流放大器和电源去耦,图5.7(a)反相放大器,同相放大器图5.7(b)所示同相放大器比反相放大器更容易受到寄生阻抗的影响，因为同相输入端的电压为：Vp=Vs *Zp/(Zp+
11、Zs) 5.17 运放的输出为： Vo/Vs= (Zp/(Zp+Zs)(Z2Z1)/Zs)/(1+1/(Ad )5.18要求Zp足够高才能不影响放大器的线性。 放大器的阻抗集成电路放大器的交流阻抗远低于直流值，这是由于输入电容所造成的。在1MHz上，3pF的输入电容的阻抗为50K。电路布线、连接电缆会进一步降低这个值。 放大器的带宽另外，电阻器中的寄生电容会影响放大器带宽。在图5.7(b)中，若R2=1M ,并联电容C=1pF,便将带宽减小到160KHz。为避免反相输入端的杂散电容C1,引起的振荡，故意用电容C与R2并联，以使R1C1=R2C。C将限制信号带宽。运算放大器转换速率(SR)引起的
12、带宽限制,对于峰值幅度为Vp的正弦信号的最大频率不应超过：fmax=SR/(2Vp) 5.22,5-2-3 交流放大器和电源去耦,图5.7(b)同相放大器,例5.2 图E5.2(a) 示出用于图4.7中差动电容式传感器的三运放式仪表放大器。传感器极板的半径为2.5cm,间隔距离为0.5mm。若激励电压频率为10kHz,计算R。若放大器的转换速率SR=13V/us,确定激励电压的最大峰值幅度。由传感器的几何尺寸有：在等效电路中我们有C1+C2=C3+C4=2C0,由传感器尺寸得到： C0=(8.85pF/m)x3.14x(0.025m)2/4/0.0005m=8.7pF 这个电容和R形成高通滤波
13、器，选择转折频率为激励频率的1/10，要求R1/(2x3.14x10kHzx2x8.7pF)=9.6M 取R为10M。,5-2-3 交流放大器和电源去耦,图4.7（c)差动电容式传感器,图E5.2（a)差动电容式传感器用仪表放大器,图E5.2（b)等效电路,例5.2(续) 电桥的开路电压为：对应电桥最大输出Vs=Ve,对图中所示的参数，放大器的增益为3。因此，最大输出为Vo=3Ve；若Ve=Vpsin2ft,则应满足的条件为：dVo/dt|max3Vp2f13V/us F=10kHz时，Vp138V。,5-2-3 交流放大器和电源去耦,图E5.2（b)等效电路,图E5.2（c)等效电路,电源去
14、耦 当运放工作在高频时，采用如图5.9所示的电路实现电源去耦。附加的电容对通过电源线耦合的可能的瞬变信号提供到参考端的低阻抗路径。 电源去耦的目的是减小放大器供电线路的瞬变电压波动幅度。 运算放大器具有一定的电源抑制比（PSRR), PSRR是电源变化导致输出电压变化的等效输入电压变化之比。 频率升高时，PSRR减小。例如：对于OPA605,fT=200M，其PSRR在直流时是100dB,在1kHz时是70dB,在1MHz时是30dB。,5-2-3 交流放大器和电源去耦,图5.9对运算放大器的电源去耦，可以将电源瞬变值减小到最小。,在不能忽略与周围环境之间的寄生电容时，为防止干扰，可采取屏蔽措
15、施。 (a)单层屏蔽(b)双层屏蔽,5-2-4 静电屏蔽和有源屏蔽,(a)普通电屏蔽或保护(b)有源屏蔽将屏蔽层连接到与其内部导体的电压相接近的某个电压点上，便能降低寄生电容。,5-2-4 静电屏蔽和有源屏蔽,有效值直流变换 峰值检波 交流平均绝对值有效值 对于正弦电压：Vs=Vpsin( t+ )图5.13(a) 利用乘法器(平方电路)、低通滤波电路，和平方根电路计算有效值。除法器和反馈的隐函数法计算来获得有效值。图5.13(b)如何通过利用乘法器/除法器和反馈的隐函数法计算来获得有效值。,5-2-5 交直流信号变换器,有效值还可以定义为在电阻器中耗散与原始信号相同热量的直流电压幅度。图5.
16、14体现了这一定义的热有效值直流变换器。输入信号加到散热器上输出则加到相类似的但与输入热隔离的加热器上。反馈电路控制输出电压的增加，直到两个加热器温度相同。,5-2-5 交直流信号变换器,图5.14热有效值直流变换器。,峰值检波器 峰值检波器的工作依赖于比较器和一个起存储作用的电容器。见图5.15。交流平均绝对值（MAV) 交流平均绝对值变换器的工作是依赖正弦波的有效值和其整流后的平均绝对值之间的特殊关系进行的。对于全波整流的正弦波，有：波形因子FF有效值/MAV 对于正弦波FF=/(22)=1.11,5-2-5 交直流信号变换器,图5.16交流平均绝对值变换器,交流平均绝对值变换器 由整流器
17、和低通滤波器组成。输入为负时，D1导通、D2截止，v1=0。输出放大器给出： Vo=- Vs (R5/R4) 输入为正时，D1截止、D2导通，V1=-VsR2/R1,输出放大器给出： Vo=- Vs R5/R4+Vs (R2/R1) (R5/R3)=Vs(R5/R4 )(R2R4 /(R1R3)-1) 如果R2R4 /(R1R3) =2,则负输入的增益等于正输入的增益。 R5不会影响增益平衡。 对于整流后的正弦曲线，傅立叶级数的系数为：C1起滤波作用。,5-2-5 交直流信号变换器,图5.16交流平均绝对值变换器,例5.4 图E5.4是用于电容式液位传感器的信号调节电路。该传感器具有Cmin=
18、41.46pF,Cmax=87.07pF和灵敏度为0.19pF/L。设计该电路中的元件， 要求输出电压与频率无关，且对空罐为0V,对满罐为1V。 对于理想放大器,电路分析可得：(Ve-Vp)C1=(Vp-Va)C+VpCxVp=VeR3/(R2+R3) 由此得空罐条件下，输出为零：当这个条件满足时，运算放大器的输出为,5-2-5 交直流信号变换器,图5.16交流平均绝对值变换器,例5.4 满罐条件下，输出为1Vk=MAV/Ve=2/如果选择R2=R3和Ve=10V C=870.7pF/3.14=318.5pF C1=C+Cmin=277pF+41.46pF=318.5pF,5-2-5 交直流信号变换器,图5.16交流平均绝对值变换器,
