1、检测装置信号处理第十二章 、检测装置的信号处理技术 1、在检测系统中，被测的非电信号经传感器后可变换为电信号，如电压、电流、电阻等。但传感器输出的电信号往往很微弱且输出阻抗高，输出信号在包含被测信号的同时，不可避免地被噪声所污染。2、因此检测装置的信号处理技术是比较复杂的，它包括微弱信号的放大、滤波、隔离、标准化输出、线性化处理、温度补偿、误差修正、量程切换等。3、本章介绍信号的放大与隔离、信号的变换、线性化处理等比较重要的处理技术。 4、随着半导体技术的发展，目前的放大电路几乎都采用运算放大器，由于其输入阻抗高，增益大，可靠性高，价格低廉，使用方便，因而得到广泛应用。5、随着半导体工艺的不断
2、改进和完善，运算放大器的精度越来越高，品种也越来越多，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(亦称数据放大器)、可编程放大器、隔离放大器等。6、信号放大特别是微弱信号放大的技术是电子学的专门研究领域，这方面的书籍很多，所以有关运算放大器的原理等不再赘述。考虑到系统设计的需要，本节重点讨论测量放大器、隔离放大器、可编程放大器。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，也很复杂，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、运算放大器 各种非电学量的测量，通常由传感器将非电量转换成电压(或电流)信号，此电压(或电流)信号一般情况下
3、属于微弱信号。对一个单纯的微弱信号，可采用运算放大器进行放大。 1、反相放大器 用运算放大器构成的反相放大器电路如图12-1a所示。图12-1、运算放大器应用根据虚地原理，即U0，反相放大器的传递函数为 ： 由拉氏变换终值定理，当S0时，反相放大器放大倍数为：当R1=R2时，则为反相跟随器： 2、同相放大器 反相放大器存在输入阻抗R1较低的问题，通常R2为几千欧。采用图12-1b同相放大器电路，可以得到较高的输入阻抗。根据“虚地原理”同相放大器的放大倍数为： 二、测量放大器 1、测量放大器的特点 1）、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。2）、传感器的工作环境往往比较恶
4、劣，在传感器的两个输出端上经常产生较大的干扰信号，有时是完全相同的，完全相同的干扰信号称为共模干扰。虽然运算放大器对直接输入到差动端的共模信号有较强的抑制能力；对简单的反相输入或同相输入接法，由于电路结构的不对称，抵御共模干扰的能力很差，故不能用在精密测量场合。3）、测量放大器，又称仪用放大器、数据放大器，它广泛用于传感器的信号放大，特别是微弱信号及具有较大共模干扰的场合。 4）、测量放大器除了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任务，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、低输出阻扰、低噪声等特点。 2、测量放大器的组成 1）、测量放大器的基本
5、电路如图12-2所示。测量放大器由三个运算放大器组成，其中Al、A2二个同相放大器组成前级，为对称结构，输入信号加在Al、A2的同相输入端，从而具有高抑制共模干扰的能力和高输入阻抗。差动放大器A3为后级，它不仅切断共模干扰的传输，还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用下面公式计算： （12-4）式中：RG为用于调节放大倍数的外接电阻，通常RG采用多圈电位器，并应靠近组件，若距离较远，应将联线绞合在一起。改变RG可使放大倍数在11000范围内调节。若按以下电路，测量放大器的放大倍数计算：图12-2、测量放大器原理图 (1) (2) (3) (4)设:
6、 R2=R2；R3=R3解得：由(4)式 (5)由(3)式:代入(5) (6)将(2)代人(6)式得：若R1=R1=R则： 又R2=R3=R则： 若按以下电路，测量放大器的放大倍数计算：I=Ui/RG (1)U1-U2=I(R1RGR1)=(R1RGR1)Ui/RG (2)I3=U2/R2+R3)U3=I3R3=R3U2/(R2+R3) (3)I2=(U1-U3)/R2=(U3-U0)/R3 (4)设: R2=R2；R3=R3解得：由(4)式 (U3-U0)= (U1-U3)R3/R2U0=U3-(U1-U3)R3/R2=U3(1+R3/R2)-U1R3/R2 (5)由(3)式:U3=R3U2
7、 /(R2+R3)代入(5)U0=U3(1+R3/R2)-U1R3/R2=（1+R3/R2）R3U2/(R2+R3)-U1R3/R2= R3U2（R2+R3）/(R2+R3)R2-U1R3/R2=U2R3/R2-U1R3/R2=(U2-U1)R3/R2 U0=(U2-U1)R3/R2 (6)将(2)代人(6)式得：U0=(U2-U1)R3/R2=-(1+（R1R1）/RG（R3/R2）Ui若R1=R1=R则：U0=-(12R/ RG)（R3/R2）Ui又R2=R3=R则：U0=-(1+2R/RG)Ui 3、实用测量放大器 1）、国内外已有不少厂家生产了许多型号的单片测量放大器芯片。国内749厂
8、生产的有ZF605、ZF603、ZF604、ZF606等。美国公司提供的有AD521、AD522、AD612、AD605 等。在信号处理中需对微弱信号放大时，可以不必再用分立的通用运算放大器来构成测量放大器。采用单片测量放大器芯片显然具有性能优异、体积小、电路结构简单、成本低等优点。下面介绍两种单片测量放大器。 (1)、 AD521 、AD521的管脚功能与基本接法如图12-3所示。 、管脚OFFSET (4、6)用来调节放大器零点，调整方法是将该端子接到10k电位器的两固定端，滑动端接负电源端。、测量放大器计算公式为： （12-5）放大倍数在O.1到1000范围内调整，选用Rs=1000k土
9、15%时，可以得到较稳定的放大倍数。 、在使用AD521 (或其他测量放大器)时，都要特别注意为偏置电流提供回路。为此，输入(1或3)端必须与电源的地线相连构成回路。可以直接相连，也可以通过电阻相连。 a)、管脚功能； b)、基本接法图12-3、AD521管脚功能与基本接法、图（12-4）中给出了信号处理电路中与传感器不同的藕合方式下的接地方法。图12-4、AD521输入信号耦合方式 图12-4、AD521的输入信号藕合方式 a)变压器藕合 b)热电偶直接藕合 c)电容器藕合电容器糯合通过电阻R为偏置电流提供回路 (2)、 AD522、 AD522也是单芯片集成精密测量放大器，当放大倍数为10
10、0时，非线性仅为O.005，在O.lHz到100Hz频带内噪声的峰值为1.5mV，其中共模抑制比CMRR大于120dB (当放大倍数为1000时)。 、AD522的管脚功能如图12-5所示。管脚4、6是调零端， 2和14端连接调整放大倍数的电阻。与AD521不同的是，该芯片引出了电源地9和数据屏蔽端13，该端用于连接输入信号引线的屏蔽网，以减少外电场对输入信号的干扰。图12-5、AD522的管脚功能、图12-6所示为AD522在信号处理中与直流测量电桥的连接图。 图中的信号地必须与电源地相连，以便为放大器的偏置电流构成通路。连接在端子2和14之间的RG是调整增益电位器，调整RG大小，即可调整测
11、量放大器的倍数。SENSE：检测端子； REF：参考端子；这两个端子的作用主要是消除放大器负载的影响，在该电路中分别接在放大器输出端和电源公共端。输出电压U。计算如下： （12-6） 当共模抑制比CMRR 1时，上式变为： （12-7） 图12-6、测量放大器AD522用于电桥的典型电路 三、程控测量放大器PGA 、当传感器的输出与自动测试装置或系统相连接时，特别是在多路信号检测时，各检测点因所采用的传感器不同，即使同一类型传感器，根据使用条件的不同，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O10V或者5V，因此若将上述传感器的输出电
12、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，影响测定范围和测量精度。因此，必需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，常使用各种类型的变送器。、在含有微机的检测系统则采用一种新型的可编程增益放大器PGA (Programmabll Gain Amplifier)，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，工业中使用的各种类型的热电偶，它们的输出信号范围大致在060mV左右，而每一个热电偶都有其最佳测温范围，通常
13、可划分为：O10mV， 020mV， 040mV、O80mV四种量程；针对这四种量程，只需相应地把放大器设置为500，250，125，62.5四以种增益，则可把各种热电偶输出信号都放大到05V。 图12-7、程控测量放大器1、程控测量放大器原理结构 1）、图12-7为程控测量放大器的原理结构图，它是图12-2电路的扩展，增加了模拟开关和驱动电路。增益选择开关、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，达到改变放大器增益的目的。2）、LH0084程控测量放大器：、图12-8是由美国AD公司生产的LH0084。图12-8、LH0084程控测
14、量放大器原理图、在图12-8中，开关网络由译码-驱动器和双4通道模拟开关1组成，开关网络的数字输入由D0和 D1二位状态决定，经译码后可有四种状态输出，分别控制、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；、该模块也通过改变输出端的接线方式来改变后一级放大器A3的增益。当管脚6与10相连作为输出端，管脚13接地时，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倍到10倍的增益。但这种改变的方法不能用程序实现。 3）、程控测量放大器的应用 程控测量放大器(PGA)的优越性之一 就是能进行量
15、程自动切换。特别当被测参数动态范围比较宽时，采用程控测量放大器会更方便，更灵活。例如：数字电压表，其测量动态范围可以从几微伏到几百伏，过去是用于拨动切换开关进行量程选择， 现在，在智能化数字电压表中，采用程控放大器和微处理器，可以很容易实现量程自动切换，其原理如图12-9所示。设PGA的增益为1、10、100三档，A/D转换器为12位双积分式。图12-9、具有量程自动切换的数字电压表原理图用软件实现量程自动切换的框图如图12-10所示。图12-10、自动切换量程的程序框图自动切换量程的过程如下:、当对被测信号进行检测，并进行A/D转换后，CPU便判断是否超值。、若超值，且这时PGA的增益已经降
16、到最低档，则说明被测量超过数字电压表的最大量程，需转入超量程处理。、若未在最低档的位置，则把PGA的增益降一档，再重复前面的处理。若不超值，便判断最高位是否为零。如果是零，则再查增益是否为最高一档，如不是最高档，将增益升高一级再进行A/D转换及判断；如果是1，或PGA已经升到最高档，则说明量程已经切换到最合适挡，此时微处理器对所测得的数据再进一步处理。因此智能化数字电压表可自动选取最合适的量程，提高了测量精度。 四、隔离般大器 1）、在一个自动检测系统中，都希望在输人通道中把工业现场传感器输出的模拟信号与检测系统的后续电路隔离开来，即无电的联系。 2）、这样可以避免工业现场送出的模拟信号带来的
17、共模电压及各种干扰对系统的影响。解决模拟信号的隔离问题要比解决数字信号的隔离问题困难得多。目前，对于模拟量信号的隔离，广泛采用隔离放大器。这是近十几年来发展起来的新型器件。3）、隔离放大器按原理分有两种类型：一种是按变压器藕合的方式；一种是利用线性光藕合器再加相应的补偿的方式。4）、按变压器藕合方式工作的隔离放大器：按变压器藕合方式工作的隔离放大器先将现场模拟信号调制成交流信号，通过变压器藕合给解调器，输出的信号再送给后续电路。例如：计算机的A/D转换器。1、隔离放大器的原理结构 、隔离放大器由四个基本部分组成：如图12-11所示。、输入部分包括：输入运算放大器、调制器；、输出部分包括：解调器
18、、输出运算放大器；、信号藕合变压器；、隔离电源。图12-11、隔离放大器示意图、这四个基本部分装配在一起，组成模块结构，不但用户使用方便，同时提高了可靠性。此种隔离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。这样一个非常复杂的功能组件，其体积只有64129mm3，安装形式为双列直插式，插座用40脚插座。、国内应用较广泛的是美国AD公司的隔离放大器；如：Mode1277、Mode1278、AD293、AD294等。、典型的隔离放大器原理图如图12-12所示。图12-12、典型隔离放电器（a）：原理框图，图12-12、典型隔离放电器（b）:为简化的功能图。、对它的结构简要说明如下：外加直流
19、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，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号隔离电源形成士15V的浮空电源，可作为前置放大器Al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号隔离电源形成土15V直流电源，供给输出放大器A2等。 2、隔离放大器工作原理 、输入部分的作用是将传感器来的信号滤波和放大，并调制成交流信号，通过隔离变压器藕合到输出部分。、输出部分完成的作用，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O10V的直流电压。 、由于放大器的两个输入端都是浮空的，它能够有
20、效地作为测量放大器，又因采用变压器藕合，所以输入部分和输出部分是隔离的。 、隔离放大器总电压增益为： （12-8）式中：为输入部分电压增益；为输出部分电压增益。 第二节：信号在传输过程中变换技术一、信号在传输过程中变换的意义 1）、在成套仪表系统及自动检测装置中，都希望传感器和仪表之间及仪表和仪表之间的信号传送都采用统一的标准信号，这样不仅便于使用微机进行巡回检测，同时可以使指示、记录仪表单一化。2）、若通过各转换器，如气-电转换器、电-气转换器等还可将电动仪表和气功仪表联系起来混合使用，从而扩大仪表的使用范围。3）、目前，世界各国均采用直流信号作为统一信号，并将直流电压05V和直流电流010
21、mA或420mA作为统一的标准信号。4）、采用直流信号作为统一的标准信号与交流信号相比有以下优点:、在信号传输线中，直流不受交流感应的影响，干扰问题易于解决；、直流不受传输线路的电感、电容及负荷性质的影响，不存在相位移问题，使接线简单；、直流信号便于A/D转换，因而巡回检测系统都是以直流信号作为输入信号。 5）、为了信号的远距离传送。经常将电压信号转换成010mA或420mA的电流信号，以减少干扰的影响和长线电压传输的信号损失。6）、在检测系统需接收电压信号时，可在电流回路串入一个负载电阻获得电压信号。通常传感器输出的信号多数为电压信号，为了将电压信号变成电流信号，需采用电压-电流信号变换器(
22、V/I变换器)。二、常用的信号变换方法 1）、V/I变换器的作用是将电压变换为标准的电流信号，具有恒流性能。要求输出电流随负载电阻变化所引起的变化量不超过允许值。2）、一般的V/I变换器构成的主要部件是运算放大器；3）、O10mAV/I变换的典型电路：、典型电路如如图12-13所示。、电路原理：、运算放大器A接成同相放大器，由电路分析可知，此变换电路属于电流串联负反馈，具有很好的恒流性能；R3为电流反馈电阻，R为负载电阻，它小于R3。三极管VT1和VT2组成电流输出级，用来扩展电流。 、若运算放大器的开环增益和输入阻抗足够大，不难证明 （12-9) 、输出电流I0仅与输入电压Ui和反馈电阻R3
23、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的值便能得到所需的变换关系。 、O10mA的标准信号仅适用于II型仪表；图12-13、O10mAV/I变换的典型电路4）、420mA V/I变换的典型电路：如图12-13所示。、为了更加提高仪表的精度和稳定性，使仪表工作更可靠，扩大应用功能，目前广泛采用了III型仪表及智能化仪表，这些仪表是420mA的直流电流作为统一的标准信号，即规定传感器从零到满量程的统一输出信号为420mA 的直流电流。、实现该特性的典型电路如图12-14所示。 图12-14、420mA V/I变换的典型电路、电路原理：、该变换电路由运算放大器A和三
24、极管VT1、VT2组成。、运算放大器主要完成信号的放大和比较作用，VT1为倒相放大级， VT2为电流输出级。Ub为偏置电压，用以进行零点迁移。3 、输出电流I。流经R3得到反馈电压UF，此电压经R5、R4加到运算放大器的两个输入端，形成差动输入信号。由于此电路具有深度电流串联负反馈，因此有较好的恒流性能。 、R2=R4 R7=R1 UT=UH则：Uf=Ub+Ui例题：当Ui=0-4V时，I0=420mA,求：R3=?、Ub=?解：4mA=Ub/R3 20mA=(Ub+4V)/R34/20=Ub/(Ub+4V) (Ub+4V) =5Ub Ub=4V/4=1.0V R3=Ub/4mA=1000/4
25、=250则：Ui=4V时：I0=(Ub+4V)/R3=5V/250=20mA、采用420mA电流信号作为标准信号，还可以实现传送线的断线自检功能。断线自检电路如图12-15所示。由于这种传送信号方式在正常工作时有4mA的基本电流，因此接收端信号电压为15V。当传送图12-15 4-20mA电流信号传送断线自检电路线断时，接收端的信号为零值。据此即可以检出断线。图12-15、4-20mA电流信号传送断线自检电路第三节：信号的非线性补偿技术1）、在自动检测系统中，往往存在非线性环节，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。2）、造成非线性的原因主要有两个：、是许多传感器的转
26、换原理并非线性；例如：温度测量时，热电阻的阻值与温度、热电偶的电动势与温度都是非线性关系；流量测量时，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。、是采用的测量电路的非线性；例如：测量热电阻用四臂电桥，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。3）、对于这类问题的解决，在模拟量自动检测系统中，一般采用三种方法：、缩小测量范围，并取近似值；、采用非线性的指示刻度；、增加非线性补偿环节 (亦称线性化器)。4）、显然前两种方法的局限性和缺点比较明显，我们着重介绍增加非线性补偿环节的方法。5）、常用的增加非线性补偿环节的方法有:、硬件电路的补偿方法，通常是采用模拟电路、
27、数字电路，如二极管阵列开方器，各种对数、指数、三角函数运算放大器等数字控制分段校正、非线性A/D转换等。、微机软件的补偿方法，利用微机的运算功能可以很方便地对一个自动检测系统的非线性进行补偿。 一、非续性补偿环节特性的获取方法 在一个自动检测系统中，由于存在着传感器等非线性环节，因此从系统的输入到系统的输出就是非线性的，引人非线性补偿环节的作用就是利用其本身的非线性补偿系统中的非线性环节，保证系统的输入输出具有线性关系。工程上求取非线性补偿环节特性的方法有两种；现分述如下。 1、解析计算法 设图12-16中所示的传感器特性解析式为： （12-10) 放大器特性的解析式为 （12-11)要求整个
28、检测仪表的输入与输出特性为 （12-12) 为了求出非线性补偿环节的输入与输出关系表达式，将以上三式联立求解消去中间变量 U1和x可得： （12-13)图12-16、引人非线性补偿环节的检测系统示意图2、图解法 当传感器等环节的非线性特性用解析式表示比较复杂或比较困难时，我们可用图解法求取非 线性补偿环节的输入-输出特性曲线。图解法的步骤如下(见图12-17): 1)、将传感器的输入输出特性曲线画在直角坐标的第一象限，横坐标表示被测量x，纵坐标表示传感器的输出U1。 2)、将放大器的输入与输出特性画在第二象限，横坐标为放大器的输出U2，纵坐标为放大器的输入U1。 3)、将整台测量仪表的线性特性
29、画在第四象限，纵坐标为输出Uo，横坐标为输入X。 4)、将x轴分成n段，段数n由精度要求决定。由点1、2、n各作x轴垂线，分别与U1=f1(x)曲线及第四象限中U0=kx直线交于11，12， 13，1n及41，42，43，4n各点。尔后以第一象限中这些点作x轴平行线与第二象限U2=GU1直线交于21，22，23，2n各点。 5)、由第二象限各点作x轴垂线，再由第四象限各点作x轴平行线，两者在第三象限的交点连线即为校正曲线Uo=f2(U2)。这也就是非线性补偿环节的非线性特性曲线。 图12-17、图解法求取非线性补偿环节特性曲线二、非续性补偿环节的实现方法 1、硬件电路的实现方法 1）、当我们用
30、解析法或图解法求出非线性补偿环节的输入-输出特性曲线之后，就要研究如何用适当的电路来实现。显然在这类电路中需要有非线性元件或者利用某种元件的非线性区域。 2）、目前最常用的是利用二极管组成非线性电阻网络，配合运算放大器产生折线形式的输入，输出特性曲线。3）、由于折线可以分段逼近任意曲线，从而就可以得到非线性补偿环节所需要的特性曲线。 4）、折线逼近法如图12-18所示，将非线性补偿环节所需要的特性曲线用若干个有限的线段代替，然后根据各折点局和各段折线的斜率ki来设计电路。 根据折线逼近法所作的各段折线可列出下列方程： y=k1x x1xO y=k1x1+k2(x-x1) x2xx1y=k1x1+k2(x2-x1)+k3(x-x2) x3xx2 y=k1x1+k2 (x2-x1)+k3(x3-x2)+kn-1(xn-1-xn-2)+kn(x-xn-1)式中：Xi为折线的各转折点；ki为各段的斜率，是k1=tgl， k2=tg2 ，kn=tgn。
