第十三章传感器信号的调理技术

第十三章传感器信号的调理技术

第一节传感器输出信号的特点第二节阻抗匹配器第三节电桥电路第四节放大器第五节噪声及其抑制第六节传感器信号的数字化

第一节传感器输出信号的特点传感器所感知、检测、转换和传递到信息表现为不同形式的

电信号。用来表征传感器输出电信号的参量形式又多种多样，如有开关电信号型，模拟电信号型和脉冲电信号型等类型。开关电信号型多以电压输出型来表示；模拟电信号型又可分为电压输出型，电流输出型、阻抗输出型、电容输出型、电感输出型。脉冲电信号型多以脉冲频率形式来表示。对于模拟电信号型中的后四种输出形式，往往要稍加变换转换为电压输出型，对于脉冲电信号型的脉冲频率形式有时直接利用，有时要经频率－电压转换，变换成电压输出型。总之传感器的输出信号最终多以电压输出型来表示。传感器的输出信号一般说来有以下的特点：

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第一节传感器输出信号的特点（ 1 ）传感器的输出信号形式多样，有的是直接以电压或电

流的形式输出，而有的是以电阻、电感或者电容的形式输出，为此还有时需要形式上的转换处理。

（ 2 ）传感器的输出信号，一般比较微弱，有的传感器输出电压仅有 0.1μV 。这样微弱的信号很容易被周围环境和系统本身所产生的噪声所淹没。

（ 3 ）传感器的输出阻抗都比较高，当其输出信号输入到测量电路时，会产生较大的衰减。

（ 4 ）传感器的输出信号与输入物理量之间的关系不一定是线性比例关系。

（ 5 ）有些传感器的输出量会受温度的影响，有一定的温度系数。

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第一节传感器输出信号的特点

根据以上传感器输出信号的特点，传感器最初的输出信号往往是不能直接被测量电路所利用的，所以要根据不同的传感器采取不同的处理方法进行调理，一方面需要通过变换调理，把以电阻、电感或电容形式输出的信号转换成电流或电压形式的输出，另一方面要通过处理用以抑制噪声，提高线性度并进行放大，将传感器最初的输出信号变换成能被测量电路所利用的信号。

对传感器最初的输出信号进行处理的方法常用的有阻抗匹配器、电桥电路、放大器电路和噪声抑制电路等措施。

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第二节阻抗匹配器

一、晶体管阻抗匹配器晶体管阻抗匹配器如图13-1所示，晶体管的集电极直接与电

源＋ E 相连接，负载电阻接入发射极。实际上就是一个晶体管射极输出器，又称射极跟随器。该电路具有以下三个特点：

（ 1 ）输出信号能够跟随输入信号的变化，且能对输入信号进行电流放大和功率放大。

（ 2 ）输入阻抗大，防止传感器微弱输入信号的衰减。（ 3 ）输出阻抗小，有较强的负载能力

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第二节阻抗匹配器二、场效应管阻抗匹配器这里首先让我们认识一下场效应管，它的表示符号如图13-2

所示，它有三个电极，引脚 D 称为漏极， S 称为源极， G 称为栅极。从它的几个电极的作用来看，我们可以把场效应管和晶体管加以对比，其栅极 G 相当于基极，源极 S 相当于发射极，漏极 D 相当于集电极。

由场效应管组成的阻抗匹配器电路如图13-3所示。实际上它就是一个场效应管源极输出器，它的电路结构与晶体管阻抗匹配器相类同。由于场效应管是一种电压控制元件，它的漏极电流只取决于栅极电压，而栅极加上电压时基本不取什么电流，它与晶体管相比具有更高的输入阻抗，一般可达上百兆欧甚至几千兆欧。为此场效应管阻抗匹配器更适宜于作为微弱输入信号的阻抗匹配器，它常用作前置级信号的阻抗变换器，有时就直接安装在传感器内，以减少外界的干扰。


第二节阻抗匹配器

三、运算放大器阻抗匹配器 1 、电压跟随器阻抗匹配器

图13-4是运算放大器组成的电压跟随器电路，它是同相比例

放大器的特殊情况（同相比例放大器将在本章第四节讲述），它的放大增益为

（ 13-5 ）它有输入阻抗很高阻抗很低的特点，为此它是一个放大倍数

为 1 的理想阻抗匹配器。


1in

out

V

VK

第二节阻抗匹配器 2 、放大倍数可选配的阻抗匹配器运算放大器和电阻参数的选配，可构成高输入阻抗和放大倍

数适当可选定电路，这种电路可以满足传感器信号阻抗匹配器的要求。图13-5给出运算放大器阻抗匹配器电路图，它由运算放大器和 Rb， R2 ， R1 三个电阻相连接而成。该电路的输入阻抗和放大倍数 K可由下面的表达式进行计算，即

根据这两个表达式，根据传感器输出信号的要求和特点，适当选择，，三个电阻就可组成相应的阻抗匹配器。

关于运算放大器本章第四节还要做比较详细的讲述，这里不再赘述。

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1

21R

R

V

VK

in

out

bin R

RRR 21

（ 13-6）

（ 13-7）

第三节电桥电路

一、电桥电路的工作原理电桥电路的构成如图13-6所示，它由Z1 ， Z2 ， Z3 ， Z4 四个

阻抗组成一个四边形电路，其中一组对角线接激励源（电压或电流），另一组对角线接负载（可以是放大器、测量仪表内阻或其他负载）。

在图 13-6中，当输出端接到输入阻抗比较高的负载时，电桥输出相当于开路，输出电流为零。此时有

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211 ZZ

EI

432 ZZ

EI

（ 13-8）

（ 13-9）

第三节电桥电路由此可求出输出电压为

（ 13-10 ）由式（ 13-10 ）可知，要使电桥输出电压为零（亦即使电桥平衡），必须满足

（ 13-11 ）或 (13-11)就是电桥的平衡条件，它说明要使电桥达到平衡，

其相对的两臂阻抗的乘积要相等。根据式（ 13-11 ）可以看出，电桥电路中任何一个阻抗的变

化，都将使电桥失去平衡，产生输出。测量这个输出量的大小即可测出被测参数。


))(( 4321

3241

43

3

21

13211 ZZZZ

ZZZZ

ZZ

EZ

ZZ

EZZIZIVcd

3241 ZZZZ


根据电桥电路组成桥臂的阻抗性质的不同，电桥可以分为直流电桥和交流电桥。如果四个桥臂为纯电阻，激励源为直流信号时，则电桥称为直流电桥，如果四个桥臂为感抗、容抗或者复阻抗，激励源为交流信号时，则电桥称为交流电桥。根据电桥桥臂可变阻抗数目的不同，电桥又可分为单臂电桥、双臂电桥和全臂电桥三种。下面分别进行讨论。

1．单臂直流电桥所谓单臂直流电桥就是电桥中的一桥臂为电阻或传感器，且

其电阻变化值为，其它桥臂阻值固定不变，如图13-7所示。



由于 R1 的变化，使电桥破坏了平衡，电桥的输出电压不再为零，测试电桥的输出电压 Vcd为

设，又由值很小，可以忽略分母中的值，得


)1)(1

1(

1

3

4

1

21

1

3

4

R

R

R

R

R

RR

R

R

RE

Vcd

3

4

1

2R

RR

Rn 11

R

R

11

R

R

1)1(1

2 R

R

n

nEVcd

2

1

1 )1( n

nE

R

RV

S cdV

（ 13-12 ）

（ 13-13 ）

（ 13-14 ）


SV 称为电桥的电压灵敏度， SV越大，说明可变电阻在相对变化相同的情况下，电桥输出电压越高，电桥越灵敏。由式（ 13-13 ）可以看出，要想提高电桥的电压灵敏度，必须提高电桥电压，但它要受桥臂电阻允许功耗电限制，不能无限制提高。另外就是适当选择桥臂比 n。下面我们分析当电桥电压一定时， n为何值，电桥有最高的灵敏度：

当时， SV 有最大值，故有


0dndSV

0)1(

)1(4

2

n

n（ 13-15 ）


所以当 n＝ 1 时， SV 有最大值。也就是在电桥电压一定时，

当桥臂R1=R2 ， R3=R4 时，或者 R1=R3 ， R2=R4 时都可以获

得最大的电桥灵敏度。前者称为电桥的第一对称形式，后者称为电桥的第二对称形式，等臂电桥则是一个特例。

当 n＝ 1 时，单臂电桥的输出可化简为：


1

1

4

1

R

REVcd

ESV 4

1

（ 13-16）

（ 13-17）

第三节电桥电路 2．双臂直流电桥双臂直流电流又称差动直流电桥，如图13-8所示，它的相邻两臂R1 和 R2 为传感器，且其相应变化为△R1 和△R2 ， R3 和R4 为固定电阻，则该电桥输出电压 Vcd≠0 ，当△R1 =△R2 ，R1=R2 ， R3=R4 时，则有

该式表明， Vcd与成线性关系，比单臂电桥输出电压提高了一倍，且电压灵敏度 SV 为

(13-19) 比使用一只传感器时提高了一倍，同时还可以起到温度补偿作

用。


1

1

2

1

R

REVcd

（ 13-18）

1

1

R

R

ESV 2

1

第三节电桥电路 3．全臂直流电桥全臂直流电桥又称双差动直流电桥，如图13-9所示，它的四臂全为电阻或传感器。如果满足△R1 = △R2= △R3= △R4 ，则输出电压和灵敏度为

由此可知，全桥式直流电桥是单臂直流电桥输出电压和灵敏度的 4倍，是双臂式直流电桥输出电压和灵敏度的 2倍。


1

1

R

REVcd

ESV

（ 13-20 ）

（ 13-21 ）

第三节电桥电路三、交流电桥交流电桥平衡条件的分析与直流电桥相同，当其激励源为 Vac，

四个桥臂阻抗分别为 Z1 、 Z2 、 Z3 、 Z4 时，根据相同的分析方法可得出几种形式的交流电桥输出电压和灵敏度的表达式。

（ 1 ）单臂交流电桥输出电压：

(13-22) （ 2 ）单臂交流电桥电压灵敏度：

(13-23) （ 3 ）双臂交流电桥输出电压：


1

1

4

1

Z

ZVV ACcd

ACV VS4

1

1

1

2

1

Z

ZVV ACcd

（ 13-24 ）

第三节电桥电路（ 4 ）双臂交流电桥电压灵敏度：

(13-25) （ 5 ）全臂交流电桥输出电压：

(13-26) （ 6）全臂交流电桥电压灵敏度：

(13-27)

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ACV VS2

1

1

1

Z

ZVV ACcd

ACV VS

第四节放大器

一、反相比例放大器图13-10为反相比例放大器电路， R1 为输入端电阻， RF为反

馈电阻， R称为平衡电阻。它为输入信号在器件反相输入端输入而得名，其反馈方式为电压并联负反馈，输出电压 V0 通过 RF反馈到反相输入端。在该电路中，求其放大增益K和平衡电阻 R的公式如下：

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1R

R

V

VK F

in

out

1

1

RR

RRR

F

F

（ 13-28）

（ 13-29）

第四节放大器

二、同相比例放大器图13-11是同相比例放大器电路。输入电压 Vin直接从同相输

入端输入，输出电压 Vout通过 RF反馈到反相输入端。

该电路的放大增益K为：（ 13-30 ）

由该式可以看出，同相放大器的增益也同样只取决于 RF与 R1

的比值，这个数值为正，说明输出电压与输入电压同相，而且其绝对值也比反相放大器多 1 。


1

1R

R

V

VK F

in

out

第四节放大器

三、差动放大器图13-12是差动放大器的电路图。两个输入信号 V1 和 V2 分别

经 R1 和 R2 输入到运算放大器的反相输入端和同相输入端，

输出电压则经反馈到反相输入端。电路要求R1=R2 ， RF=R3 。

差动放大器又称减法器，它可以求出两个输入电压之差，其

输出电压 Vout为：

（ 13-31 ）


)( 121

VVR

RV Fout

第四节放大器

差动放大器最突出的优点是能够抑制共模信号。共模信号是

指在两个输入端所加大小相等、极性相同的信号，理想的差

动放大器对共模输入信号的放大倍数为零。在差动放大器中

温度变化和电源电压波动所引起输入信号的变化，都相当于

共模信号，都能被差动放大器所抑制，可使它的零点漂移最

小。来自外部空间的电磁波干扰也属于共模信号，它们也会

被差动放大器所抑制，所以差动放大器有极强的抗干扰能力。


第四节放大器四、交流放大器如果传感器输出的电信号是交流信号，此时就需要交流放大

器。图13-13是交流放大器电路，它是在直流反相比例放大器电路的基础上，增加了反馈电容和直流信号隔离电容。其电压放大增益为

式中：


1Z

Z

V

VK F

in

out

111

1

CjRZ

FFF

CjRZ

11

1

1

RR

RRR

F

F

（ 13-32 ）

第四节放大器

五、反相加法器图13-14为反相加法器电路，实际上它是反相比例放大器电路

的扩展，把原来的一个输入端扩展成个输入端。该电路用来求两个以上的电压之和，其输出电压为：

（ 13-33 ）


)(3

3

2

2

1

1

n

nFout R

V

R

V

R

V

R

VRV

第四节放大器

六、比较器有些传感器的输出信号是开关信号的形式，也还在有的情况

下传感器输出信号虽不是开关信号，但也需要检测输出信号的峰值。在这些情况下就需要对传感器的输出信号进行电平检测，这时需要用比较器进行输出信号的电平比较。由运算放大器组成的比较器如图13-15所示，它的输出电压为：

当时， Vout＝高电平

当时， Vout＝低电平


12 VV

12 VV

第四节放大器

七、仪用放大器仪用放大器是在单运放基础上发展的专用集成放大器，它具

有差动输入阻抗高、共模抑制比高、偏置电流低、温度稳定性好等优点，特别适合于在传感器电路中应用。

仪用放大器的基本结构为三运放结构，如图13-16所示。图中A1 、 A2 为两个同相输入的放大器， RG 为增益调节电阻，整个芯片仅有 RG 为外接元件，其他均为芯片内结构元件。运放A3显然是放大增益为 1 的差动输入放大器。设运放 A1 的输出为 VA1 ， A2 的输出为 VA2 ，则流过 RG 的电流为：


G

AAG RR

VVI

1

21

2 （ 13-34 ）

第四节放大器

对运放 A1 、 A2 用虚短概念，可求流过 RG 的电流：

（ 13-35 ）所以


GG R

VVI 21

G

GAA

R

RR

VV

VV

1

21

21 2

21 AAout VVV

第四节放大器

所以

可见仪用放大器的增益Ad仅与 RG 的取值有关。

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)21)(( 121

Gout R

RVVV

G

outd R

R

VV

VA 1

21

21

（ 13-36）

（ 13-37）

第五节噪声及其抑制

一、传感器噪声产生的根源（一）内部噪声传感器和检测电路元件所产生的噪声统称为内部噪声。一般

说来，有以下几种产生的根源。 1．电阻产生的噪声电阻中的自由电子在作不规则的热运动，从而产生电位差的起伏，称为热噪声。其数值大小与温度成正比，具体由下式进行表示：

（ 13-38）

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KTRBVn 42

第五节噪声及其抑制式中： Vn——噪声电压的有效值，单位 V ； K——玻尔兹曼常数（）； T——绝对温度，单位K； R——噪声源的电阻值，单位Ω； B——测量系统的频带宽度，单位Hz。 2．晶体管产生的噪声（ 1 ）发射噪声发射噪声是在晶体管 PN结之间出现的噪声，又称散粒噪声，

它是由于载流子（电子和空穴）的随机运动，到达电极带电粒子的波动和散落而产生的。发射噪声电流 In的数值由下式表示：


1231038.1 KJ

BeII cn 22 （ 13-39）


式中： In——发射噪声电流的有效值，单位A； e——电子电荷，其值为 1.59×10-19C Ic——集电极电流，单位A； B——频带宽度，单位Hz。（ 2 ）闪烁噪声闪烁噪声是随频率降低而增加的噪声，又称噪声或低频噪

声。它是由于电子和空穴再复合运动的不规则性所产生的噪声。闪烁噪声的数值由下式给出：

（ 13-40 ）


f

1

T

KBVnf 2

第五节噪声及其抑制 3．放大器的噪声运算放大器的电路如图13-17所示，运算放大器的噪声电压是指输入电压为零时出现在输出端的电压成分。产生噪声电压的原因有

（ 1 ）漂移电压（ Un）（ 2 ）漂移电流（ In）（ 3 ）与放大器相连接的外部电阻 R1 、 R1‘、 R2 产生的热

噪声电压（式中）。将上述三种噪声加以合成，即可求出运算放大器的噪声输入

电压：（ 13-41 ）


TKTBR421

211 ' RR

RRRRT

TTnanae KTBRRivV 4222

第五节噪声及其抑制 4．开关元件产生的噪声如图13-18所示，在用模拟开关将多个传感器的输出送到同一

放大器的电路，由于模拟开关的闭合或断开，产生了重叠在信号上的开关噪声。

（二）外部噪声所谓外部噪声即是来自外部环境的噪声。几乎所有的电气、

电力设备都是噪声源，例如使用交流电源的电动机、电焊机等产生电火花的装置，以及用电脉冲信号驱动的脉冲电动机、继电器等都是很大的外部噪声源。他们通过静电耦合（ C）、电磁耦合（M）和漏电电流等方式，在传感器电路中产生噪声。图13-19表示出了C和M耦合噪声感应的等效电路。



二、噪声的抑制（一）内部噪声的抑制既然传感器的内部噪声是由传感器和检测电路元件自身所产

生的噪声，抑制的办法还是从选择质量好的元件和优化电路设计入手，常采用的措施有：

（ 1 ）为减少电路元件的热噪声，在设计放大器电路时要尽量少使用外部电阻；

（ 2 ）在设计电路时要选用 Ic值小的双极性晶体管；（ 3 ）选用 Un和 In小的运算放大器来设计和组成检测电路；（ 4 ）为消除开关噪声，设置如图 13-20 所示的伪电路，充

分利用差分放大器电路来消除开关噪声。



（ 5 ）减小频带宽度由表达式（ 13-38）（ 13-39）（ 13-40 ）（ 13-41 ）可

知，热噪声、发射噪声、闪烁噪声和放大器产生的噪声均与频带宽度有关系，其数值随的增大而增大，随的减小而减小。为此，我们要在可能的范围内尽量使用窄频带放大器进行信号处理。

（二）外部噪声的抑制外部噪声是通过静电耦合、电磁耦合串入传感器电路的。抑

制外部噪声常采用的方法有如下几种：


第五节噪声及其抑制 1．屏蔽（ 1 ）采用屏蔽体的屏蔽屏蔽就是使用低电阻材料或磁材料做成屏蔽体把电路的元件、

传输导线包围起来，以隔离屏蔽体内外电磁场的相互干扰。一般说来，屏蔽可分为三种，即：电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁屏蔽。选用导电率较高的材料作为屏蔽体，如铜、铅等；磁场屏蔽一般选用高磁导系数的磁性材料作为屏蔽体，如软铁、坡莫合金等，在工艺处理时屏蔽体要接地。

（ 2 ）配线屏蔽电源线和电路传输线很容易起噪声的发送和接收天线的作用，在配线上要采取措施，防止电源线和传输线的天线效应。其常用方法有采用双绞线和同轴电缆进行传输等措施。


第五节噪声及其抑制 2．隔离（ 1 ）隔离器件隔离法当电路信号在传输的两端接地时，容易形成地环路电流，引起噪声干扰。为此，常采用隔离器件把电路的两端从电路上隔离开。常用的隔离器件有变压器、光电耦合器和隔离放大器。一般说来变压器用来交流信号和脉冲信号的隔离，隔离放大器用来直流信号的隔离，光电耦合器既可用于交流信号和脉冲信号的隔离，也可用于直流信号的隔离。

（ 2 ）电源及地线在由数字电路和模拟电路混合组成的传感器电路的情况下，原则上要将两种电路的电源分开，并使数字电路的直流电源的内阻充分的小，从而减小数字信号对模拟回路的影响。

伴随着电源的隔离，在电路板上数字电路和模拟电路的两种地也要严格隔离开，并且要把模拟电路部分的地线尽量加粗。对电路共地的要求是通过两种电路电源地线的直接联接实现的。


第五节噪声及其抑制 3．接地电路中的地是指一个等电位点，它是电路中的基准电位点，

与基准电位点相连接，就是接地。为了避免电路中的电流流经公共地线阻抗时所产生的噪声电压，通常把电路接地。另外，电路接地也可以避免磁场或地电位差的影响。把接地和屏蔽相结合使用，可以有效地抑制大部分由于各种原因所产生的噪声。

4．滤波尽管采取了一些不同的抑制噪声的措施，但难免还有一些不

可忽视的噪声混杂在传感器的检测电路之中。为此，传感器的检测电路中还需要设置滤波电路，对由于各种外界干扰所引入的噪声信号加以滤除。


第五节噪声及其抑制滤波电路的功能是能使一种频率顺利通过，而将另一部分频

率进行较大的衰减。由于传感器输出信号大多是缓慢变化的，因而对传感器的输出信号常采用低通滤波器，它只允许低频信号通过而不能通过高频信号。图 13-21 所示为典型的二阶RC有源低通滤波电路，它由二级RC滤波电路构成，其中将第一级电容 C1 接到放大器的输出端。设 f0 为滤波电路的滤波截止频率， f1 为干扰信号频率。当 f1≤ f0 时，输出电压 Vout和输入信号 Vin的相位差在 90 度以内，则输出电压 Vout通过电容将使 Vin的幅度增强，从而提高了电压的幅值；而当 f1＞＞ f0 时，输出电压 Vout和 Vin基本上是反相的，输出电压 Vout通过电容使 Vin的幅值下降，使干扰信号衰减。



有些传感器需用高通滤波器，它只允许高频信号通过，而不

能通过低频信号。图 13-22 是一个典型的二阶高通有源滤波

电路。它只需将低通滤波电路中起滤波作用的电阻电容的位

置进行互换，即可成为高通滤波电路，对低频信号进行衰减

和抑制。

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第六节传感器信号的数字化一、 A/D 变换器 A/D 变换器是将模拟信号转换为数字信号最常用的器件。它

的种类和型号繁多，按工作原理有逐次比较型和积分型之分，按位数有 8位、 12位和 16位之分，等等。

（一） A/D 变换器的工作原理 1．逐次比较型 A/D 变换器典型的逐次比较型 A/D 变换器工作原理如图 13-23 所示。图

中所示为一个 8位 A/D 变换器的工作原理图。它由 D/A变换器、比较器，寄存器和相应的控制逻辑所组成。

D/A变换器作为反馈电路，寄存器由 8位触发器构成，从高位到低位依次为 Q7Q6……Q1Q0 ，控制逻辑由 8个与非门G7G6G5……G0 和相应的时间延迟电路所组成。

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第六节传感器信号的数字化

该电路图的工作原理是，将待转换的模拟电压 Vin连接到比较器的一个输入端， D/A变换器的输出电压 Vd连接到比较器的另一个输入端。如果 Vin<Vd ，则比较器输出 1 ，如果 Vin>Vd，则比较器输出 0 。

2．积分型 A/D 变换器积分型 A/D 变换器系先将输入的模拟电压转换成相应的时间

间隔，然后再用计数器测量该时间间隔，由计数器形成数字量输出。积分型 A/D 转换器包括：单积分、双积分和四积分等形式，其中最通用的是双积分形式，其工作原理图如图 13-24 所示。


第六节传感器信号的数字化它由积分器 A1 、过零比较器 A2 、计数器、控制门 G 、计数器

和开关控制电路等部件所组成。它的工作过程是：首先使计数器清零，积分器完全放电，变换开始。待转换的模拟输入电压通过模拟开关 S 输入到积分器 A1 ， A1 开始积分，其输入线性上升到 V01 ，经过零比较器 A2获得过零指示方波 V02 ，打开控制门 G ，计数器开始计数。当计数器计到其最高位MSB=1（即 t＝ t1 ）时，也即计数器状态为 100……0 时，开关控制电路则使开关 S 转换到基准电压 VR，随后积分器中的电容 C开始放电， V01 开始线性下降，当降到比较器 A2再次获得过零指示方波 V02 ，打开控制门 G ，使计数器重新开始计数。直到t ＝ t2 ， V01 下降为零，比较器输出的负方波结束，计数器停止计数，此时计数器中的暂存二进制数字就是与 Vin相对应的数字量。变换过程的波形图如图 13-25 所示。


第六节传感器信号的数字化（二） A/D 变换器的主要技术指标不同类型的 A/D 变换器有不同的性能指标。通常用下面几个

参数来表示和衡量 A/D 变换器的技术指标。 1．分辨率 A/D 变换器的分辨率是一个与其位数紧密相关的参数，通常

用其输出的二进制数字的位数来表示。位数越多，量化越细，量化误差越小，分辨率就越高。

2．转换速度转换速度用完成一次转换所用的时间来表示，即从转换控制

信号加入时算起，直到输出端得到稳定的数字输出为止这段时间。如转换时间长，则表示转换速度低。


第六节传感器信号的数字化 3．输入模拟电压范围 A/D 变换器的输入模拟电压有一个可变范围，供用户根据自己的具体情况进行选用。通常，单极性输入时有 0～ 5V 或0～ 10V两种情况，双极性输入时一般为 -5V～＋ 5V 。

4．精度由于 A/D 变换器是一个同时涉及到模拟和数字电路的闭环系

统，所以整个系统的精度必须同时考虑模拟和数字两部分的误差。在确定整个精度时，为便于处理，通常把两种误差分开来考虑。数字误差仅由系统的分辨率来确定，即量化误差。模拟误差集中在比较器的直流转化点的变化上。


第六节传感器信号的数字化（三）常用 A/D 变换器举例 1． 8位 A/D 变换器——ADC0809 ADC0809是采用逐次比较法的 8位 A/D 变换芯片，其逻辑结构图如图 13-26所示。芯片内部除 A/D 转换部分外还有多路模拟开关及其地址锁存译码、三态输出锁存器等电路。多路模拟开关有 8路模拟量输入端，最多允许 8路模拟量分时输入，共用一个 A/D 转换器进行转换。 8路模拟开关切换由地址锁存和译码器控制，三根地址线输出到 A、 B、 C引脚端由ALE锁存。改变不同的地址，可以切换 8路模拟通道选择不同的模拟量输入，其通道选择的地址编码见表 13-1 。


第六节传感器信号的数字化 A/D 转换结果通过三态输出锁存器输出，为此在系统连接时允许直接与系统数据总线相连接。 OE 为输出允许信号，高电平有效， EOC为转换结束信号，表示一次 A/D 转换已完成。 VR(＋ )和 VR(－ )是基准参考电压，用来决定输入模拟量的范围。 CLK为时钟信号输入端，决定 A/D 转换的速度，SC为启动转换信号，常用系统的控制发动A/D 转换信号相连接。

上面我们以 ADC0809介绍了常用 8位 A/D 变换器的引脚功能和内部逻辑结构。作为一个系列常用的 8位 A/D 变换器还有 ADC0801~0809、 0816、 0817等。

2． 12位A/D 变换器——AD574A AD574A是采用逐次比较法的 12位A/D 变换器芯片，其逻辑结构如图 13-27所示。


第六节传感器信号的数字化 AD574A的性能指标、电路组成、工作过程和引脚功能具体

如下：（ 1 ）性能指标

具有可与 8位、 12位或 16位微处理器系统总线直接配接的三态输出缓冲器

转换时间为 25μS 功耗为 390mW 供电电源有＋ 5V 、±12V （或±15V ）输入模拟信号范围可为 0～＋ 10V 、 0～＋ 20V 、±5

V 或±10V 内含有基准源和时钟


第六节传感器信号的数字化（ 2 ）工作过程当指令电路开始工作时，时钟电路被启动，同时将逐次比较寄存器 SAR清零。一旦转换开始，转换器不能停止或再次启动，也不能从输出缓冲器获得数据。由时钟控制的 SAR按时序转换。转换期间， 12位电流输出型 D/A转换器的 SAR按由MSB到 LSB的顺序转换。 D/A转换器还提供一个稳定的基准电压源。比较器逐次确定逐位相加的权位电流之和是大于还是小于输入电流，直到 12位逐次比较结束。此时 SAR向控制部件送回转换结束信号，控制部件关闭。时钟脉冲时输出状态信号 GTS 变低，通过外部指令使控制部件读出数据。


第六节传感器信号的数字化（ 3 ）主要管脚的功能 a）数据输出脚 DB0~DB11 对应引脚 16～ 27，共 12条引线，引脚 16对应最低位（ L

SB） DB0 ，引脚 27对应最高位（MSB） DB11 。此组引线由三态输出缓冲寄存器引出，可直接与计算机的系统总线相连接。

b）控制信号引脚及功能器件共有五根控制线 2～ 6，它们依次对应 12/ 、、 A0 、R/ 、 CE 五个控制信号，这五个控制信号的不同的逻辑状态组合实现不同的控制功能，其具体的功能实现见表 13-2 所示。


8 CS

C


其中 A0 （引脚 4 ）为转换位数控制位，当其为“ 1”电位时，控制 A/D 进行 8位转换，其转换周期为 16μS ，当其为“ 0”时，控制 A/D 进位 12位转换，转换周期为 25μS ，12/（引脚 2 ）为输出数据位数控制位，当其为“ 1”时，控制并行 12位输出，当其为“ 0”时，控制 8位输出（ A0的状态同时也影响它的输出方式）； CE （引脚 6）为芯片使能线，高电位有效；（引脚 3 ）为片选信号，低电位有效； R/ 为工作状态控制线，当其为“ 0”时，芯片处于 A/D 转换状态，当其为“ 1”时，芯片处于数据输出状态。


8

CS C


二、 V/F变换器所谓 V/F变换就是将输入电压信号转换成与其数值精确成比

例的脉冲信号频率值。该转换器的输出连续地跟踪输入信号，直接响应输入信号的变化，且不需要外部时钟同步。由于电压和频率均为模拟量，为此严格说来，电压－频率转换实际上是一种模拟－模拟转换，但由于频率可用数字来测量，所以很容易实现模－数转换。 V/F变换器的主要特点可以概括如下：具有固有的单调性，常模干扰抑制能力强，高分辨率，输出信号适于作串行传输，其主要缺点是转换速率低，必须由外加计数器将串行的脉冲输出转换为并行格式。


第六节传感器信号的数字化 1 、压控振荡器在 V/F变换中最常用的器件就是压控振荡器 , 美国国家半导

体器件公司的产品 LM331 就是压控振荡器的典型器件，我们以它为例介绍压控振荡器的电路构成和工作原理。

LM331 的逻辑结构如图 13-28所示，它由电流源、电流开关、比较器、门控触发电路和输出晶体管所组成。该器件外接基准电压 VREF，工作电压 VS ，电阻 RS 、 RL、 RT、电容 CL、CT，就可以形成输出频率与输入电压 VIN成线性变化的振荡器。


第六节传感器信号的数字化在电路中，电容 CL上的电压呈锯齿状变化，电路是一个对电

容 CL充电略高于输入电压 VIN的负反馈电路。当 VIN较高时，则CL通过 RL较快的放电，电路输出较高振荡频率的脉冲；当 VIN较低时， CL通过 RL较慢的放电，电路输出较低振荡频率的脉冲。

当 CL放电到自身电压等于 VIN时，则比较器触发门控触发电路接通电流开关，与此同时打开晶体管。随着电流开关的接通，来自电流源的电流则再次对 CL充电，充电时间由RT和CT来决定，直到上 CL的电压略高于 VIN为止。 CL充电结束后，门控触发电路立即返回到原来的状态， CL再次返回到放电状态。



电阻 RS决定电流源输出电流大小。事实上，当电流开关接通

时，引脚 1 和引脚 2 的电流是相等的。引脚 2 连接的是一个

恒定的基准电压 VREF（通常是 1.9V ） ,为此 RS 的电阻值决

定工作电流的大小。当引脚 2 连接到高阻抗缓冲器时，它就给外部电路提供一个稳定的参考源。

晶体管集电极开路的输出引脚 3 ，允许通过电阻连接不同的

外部电源电压 VL,从而再去连接外部负载，借以增加器件的

负载能力。



LM331 输出的振荡频率由下式表达：

(13-42 )

从表达式（ 13-42 ）可以看出，当 VREF、 RS 、 RL、 RT、 C

T几个参量选定为固定常量时， fout就只是 VIN的函数，电路

就输出同输入电压 VIN成线性比例振荡频率的一系列脉冲。


第六节传感器信号的数字化 2 、频率－数字转换频率－数字转换是模拟－数字转换的必要步骤，如图 13-29

所示，它采用的是数字频率计的原理框图。连续脉冲波加入控制门电路的输入端，再由一个高稳定度的时基发生器所产生的时基信号为时基基准，去控制控制门电路的开通和关闭，通过控制门的脉冲信号对计数器进行计数。单位时基信号时间内所通过脉冲的个数 N与时间比例因子的乘积K即为脉冲信号的频率值，即 f=NK。这里时间比例因子K＝ 1秒 /时基信号时间宽度，在该例中时基信号时间宽度为 1ms，则K＝ 1000 ，如果N＝ 10 ，则 f＝ 10kHz；若时基信号宽度为 1μs，则K＝ 1000000 ，如果N＝ 10 ，则 f＝ 10MHz。如此类推。

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图 13-1 晶体管阻抗匹配器

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Rb

Re

+E

Vout

T

图 13-2 场效应管的符号图

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D

S

G

图 13-3 场效应管阻抗匹配器

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+E

R2

R1

Vout Rs

T

图 13-4 电压跟随器阻抗匹配器

返回

-

+ VoutVi n

图 13-5 运算放大器阻抗匹配器

返回

R2

VoutVi n

Rb

R1

-+

图 13-6 电桥基本电路

返回

Z2

Z4Z3

Z1

E

d

b

c

E Vcd

图 13-7 单臂直流电桥

返回

RL

R2

R4R3

R1 △＋ R1

E

d

b

c

图 13-8 双臂直流电桥

返回

R2

R4R3

R1

E

d

b

c

Vcd

图 13-9 全臂式直流电桥

返回

R2

R4R3

R1

E

d

b

c

Vcd

图 13-10 反相比例放大器

返回

+

-

RF

R

R1

Vi n

Vout

图 13-11 同相比例放大器

返回

+

-

RF

R1

Vout

Vi n

图 13-12 差动放大器

返回

图 13-13 交流放大器

返回

+

-

RF

R

C1 R1

CF

Vout

Vi n

图 13-14 反向加法器

返回

+

-

RF

R

R1

R2

R3

Rn

......

V1

V2

V3

Vn

Vout

图 13-15 比较器

返回

+

-

V2

V1Vout

图 13-16 仪用放大器结构原理图

返回

+

_

+

_

+

_

A1

A3

VA1R2

R2R1

R2R1RG

R2VA2

Vout

图 13-17 运算放大器的等效噪声源

返回

R2

R1'

R1Un

图 13-18 开关噪声产生示意图

返回

传感器

传感器

传感器

模拟开关

放大器

图 13-19 噪声感应的等效电路图

返回

图 13-20 开关噪声的抑制电路

返回

传感器

传感器

图 13-21 二阶 RC 有源低通滤波电路

返回

+

-

RF

C2

R1 R2

C1

R0

Vi nVout

图 13-22 二阶 RC 有源高通滤波电路

返回

+

-

RF

C2

R1 R2

C1

R0

Vi n

Vout

图 13-23 逐次比较型 A/D 变换器工作原理图

返回

R S

D/ A变换器

Q7R S R SR S

τ τττ

Q0Q5Q6

G7 G7G7G7

……

…

Vi n Vd

比较器

T

启动脉冲P

Re

复位脉冲

图 13-24 双积分式 A/D 变换器原理图

返回

+

-

CR

比较器

模拟开关

计数器

开关控制电路

RD

MSB LSB

Vo1

A1A2

G

图 13-25 双积分 A/D 变换器波形图

返回

t

积分

器输

出

t

比较

器输

出

t1 t2

第十三章传感器信号的调理技术

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