传感器与信号调理电路PPT课件

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传感器与信号调理电路-运放PPT资料36页

位置、转速、温度、液位、压力等信息；对传感器的要求：线性度好、无滞环误差、特
性稳定、测量范围宽、响应迅速。
02.01.2020
西安交通大学工程训练中心
3
信号调理电路
问题：
传感器的输出信号往往很微弱，或波形不适当，或信号形式不适合，不能直接用于工业系统的状态显示和控制。
解决：电压放大、整形、电流－电压转换、频率－电压转换等；
信号调理电路：对传感器的输出信号施行一定预处理的装置，使信号适于显示或控制。主要技术：电子技术——运算放大器
测量同一被测量：不同的测量方法不同的传感器及相应的信号调理电路。
同一传感器可以用于不同的工业系统。
02.01.2020
西安交通大学工程训练中心
4
典型测量系统的组成
直流电源
现场物理量
传感器
可用
信号信号调理电路
测量系统显示装置
万用表
控制装置
信号发生器
示波器
02.01.2020
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5
常用仪器在测量系统中的应用
信号发生器：产生标准信号（不同波形种类、不同频率和幅值的信号）；
调试和维修时，模拟传感器的输出信号
示波器：测量并显示电路中不同点的信号；
02.01.2020
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10
理想运算放大器
理想运放是一个高增益、高输入电阻、低输出电阻的器件。 1反相输1入端_
V2
Vi
ri ro
_
AVi +
V1
2+
3
Vo
2同相输入端
V oA V i A (V +-V -)

传感器与信号调理电路

传感器与信号调理电路
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训练目的
►建立对测试系统的初步认识。 ►掌握一种常用的信号调理器件——运算
产生标准信号调试和维修时，模拟传感器的输出信号
示波器
测量并显示电路中不同点的信号
运算放大器
►简称运放，是一种包含许多晶体管的集成电路，常用于信号调理；
►具有高放大倍数，高输入电阻，低输出电阻 ►能完成加、减、乘、除、微积分等多种运算
而被称为运算放大器。当然应用范围远不止运算。
运算放大器
传感器
►本质：将被测量从一种能量形式转换成另一种能量形式，并作为可用信号输出；
►狭义的传感器：被测量电信号； ►分类：
按输入端被测量分：力，温度，转速，位移等按转换原理分：应变式，差动式等按输出量分：模拟式，数字式。
信号调理电路
► 传感器的输出信号往往很微弱，或波形不适当，或信号形式不适合，不能直接用于工业系统的状态显示和控制。
放大器。 ►了解常用信号调理电路的基本输入输出
特性。
设备与器材
►信号发生器 ►双踪示波器 ►自制电路板 ►各色导线若干
现场物理量
测量系统的构成
传感器
信号调理电路
显示装置
►传感器：能感受规定的被测量，并按一定规律将其转换成可用信号的器件或装置；
►信号调理电路：对传感器的输出信号施行一定预处理的装置，使信号适于显示或控制。
－
Ud=0
同相输入端
U-

传感器信号调理电路PPT课件

测量放大器也叫仪表放大器、数据放大器
它对微小差模电压很敏感，适用于测量远距离的小信号，适合与微小信号输出的传感器配合使用。
2 测量放大器的电路原理
测量放大器构成
由两级放大器构成： Ui1
+
U3 R3 U5
R5
A1
-
1. 两个同相放大
R1
-
A3
UO
器A1、A2输
IG
RG
R2
+
入阻抗高。
2. 普通差动放大
+
U3 U 4 RG R1 R2
-
R4
R6
Ui1 Ui2
RG
A2
Ui2
+
U4
U0 U3 R5 R3
U5 U3
R3
U5
R6 R4 R6
U4
测量放大器原理电路
U0
U
4
R4
R6
R6
1
R5 R3
U3
R5 R3
2 测量放大器的电路原理
测量放大器的增益
K U0 U i1 U i2
Ui1
失调电压：当运放两输入为零时，输出端存在的电压。
输入失调电压：运放输出端电压为零时，两个输入端之间所加的补偿电压。
输入偏置电流：当运放的输出直流电压为零时，其两输入端的偏置电流平均值。
输入失调电流：当运放的输出直流电压为零时，其两输入端偏置电流的差值。
……
1 概述
运算放大器类型
通用型运算放大器：
反向输入
-
输出
同向输入
+
运算放大器
μA709很快地被随后而来的新产品μ A741取代， 741有着更好的性能，更为稳定，也更容易使用。741运算放大器成了微电子工业发展历史上一个独一无二的象征，历经了数十年的演进仍然没有被取代，很多集成电路的制造商至今仍然在生产741。

传感器信号调理电路

软件设计
数据采集与处理
编写程序实现数据的实时采集、存储和处理，利用算法对信号进行去噪、补偿和特征提取等操作。
通信接口
实现与上位机或其他设备的通信接口，以便将调理后的传感器信号传输到外部设备进行进一步处理或显示。
嵌入式系统开发
针对具体硬件平台，进行嵌入式系统开发，包括驱动程序编写、系统配置和优化等。
用于各种科研实验中的信号采集、传输和处理，如生物
医学实验、物理实验等。
02 传感器信号调理电路的工作原理
信号采集
传感器将物理量（如温度、压力、位移等）转换为电信号。
不同类型的传感器对应不同的物理量，如热敏电阻对应温度，差分变压器对应位移等。
采集的信号通常比较微弱，需要进一步处理才能使用。
和陷波滤波器等。
滤波器的选择需要根据实际需求进行，不同的滤波器对不同频
03
率的噪声和干扰有不同的抑制效果。
信号转换
01
02
03
转换器将调理后的电信号转换为数字信号或模拟信号，以便于计算机
处理或传输。
转换器有多种类型，如模数转换器和数模转换
器等。
转换器的选择需要根据实际需求进行，不同的转换器适用于不同的应
组合型
由以上几种类型的电路组合而成，具有多种功能，能够满足
复杂的应用需求。
应用领域与场景
医疗电子
用于医疗设备的信号采集、传输和处理，如心电监护仪、血压计等。
环境监测
用于各种环境参数的测量和监测，如温度、湿
度、压力等。
工业控制
用于工业生产过程中的各种参数测量和控制，如流
量、液位、压力等。
科研实验
用场景。

传感器信号处理电路精品PPT课件

第四节滤波电路
作用：
滤除各种外接干扰所引起的噪声以及多余的不需要的信号，提高信噪比(S/N)。
分类：
无源滤波器、有源滤波器模拟滤波器、数字滤波器低通、高通、带通、带阻、全通
理想滤波器
Uo
Uo
Ui
低通
Ui
Uo
Uo
Ui
带通
Ui
高通
带阻
一、低通滤波器
• 无源低通滤波器
R
Ui
C
Uo
G(s)
积分器CINT
Cos
+5V
Iin
+
VIN
R1N
比较器
8 8
Δ Δ
+
+
单稳
-0.6V S1
频率输出
1mA±10％ -Vs
（a） V/F 转换方框图
• 结论：
当输入电阻 Rin、定时电容 Cos 一定时，输出频率 Fo 正比于输入电压 Vin，而与积分电容 Cint 无关，它只决定积分器输出锯齿波的高度。
第十一章传感器信号处理电路
传感器信号处理电路的基本要求传感器的匹配信号放大电路信号变换电路信号滤波电路传感器电路的噪声与抑制
第一节传感器信号处理电路概述
基本要求：
信号的选取与抗干扰能力
①要求电路本身是低噪声的； ②采用恰当的屏蔽、隔离，合理的布线与接地； ③被测信号的调制和解调。
稳定性
R RR1
i
R R1
I I I ( )U 1
R f 1R f 2 R1R2
i
i1 o2
R1
R1R2 R
i
第二节信号放大电路
一、电压放大器电路

传感与测试技术-信号的调理与记录ppt课件

包络检波（整流检波）
把调制信号进行偏置，叠加一个直流分量A，使偏置后的信号都具有正电压，那么调幅波的包络线将具有原调制信号的形状。把该调幅波简单地整流、滤波就可恢复原调制信号。
相敏检波
相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。交变信号过零线时符号发生突变（+、-），与之对应的调幅波相位（与载波比较）
e
Ue
平衡条件：对臂电阻乘积相等。即：R1R3=R2R4
R2 c Uo
R3
直流电桥的输出特性
单臂电桥接法
b
为U 了o 简化桥R路(1R ，1 设R 计 R 取)R R 23RR 32RR 44Ue
a
R 1R 2R 3R 4R 0
R
Uo
4R0
2RUe
一R 般 R 0,所以 U o4 R R 0U e
计算一个模拟信号的频谱
时域或
频域无
时域无限长
限长连续信号
时域采序列频域
样
连续周期信号
截断
时域有限长
时域有限长序列频域连续周期信
号
频域采样
周期性离散序列频域有限长周期性离散序
整周期截断
列
时域有限长序列频域有限长序
列
时域采样、混叠和采样定理
时域采样：把连续时间信号变成离散时间序列的过程。相当于在连续时间信号上 “摘取”许多离散时刻上的信号瞬时值
;.
1
被测信号
传感器
信号
调理与处理
显示或控制装置
信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。
1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。

传感器技术之信号调理处理和记录ppt课件

其中，Z 为各桥臂的复阻抗： ZZejZ0ej
b
Z1
纯电阻时电流与电压同相位：
φ = 0；
a
Z2
c U0
电感性阻抗：φ ＞ 0；电容性阻抗：φ ＜ 0。
Z4
Z3
d
精选ppt课件
~
22
U
第一节电桥
2. 交流电桥
将复阻抗代入，可得： Z Z e j 1 3 Z Z e j 2 4
01 03
（得到电桥输出指示值时），电桥处于非平衡
状态，这种测量方法的最大优点是可对被测量
进行动态测量。但这种电桥的输出受电源电压
的影响较大，若电源电压略有波动，就会影响
桥路输出，给测量带来较大的误差。
—— 在某些情况下（如进行静态测量），常
采用平衡电桥。
精选ppt课件
32
第一节电桥
3. 平衡电桥
3．平衡电桥平衡电桥：电桥读数（输出）时处于平衡状态。
U 0
R1 R1
n
1n2
U
可知：（1） U0 正比于 U；（2） U0 正比于 n/(1+n)2；（3） U0 正比于电阻的相对变化。
半桥单臂电桥的灵敏度为:
精选ppt课件
SRU 1/0R1 1nn2U 9
第一节电桥
U0
R1 R1
n
1n2
U
1. 直流电桥
说明：（1）电阻应变式传感器有：ΔR/R = Kε，
分别为供桥电源和
U0
输出端的测量电路。
电桥的作用：
把电阻、电感或电容的变化
量转换为电压或电流量，以
供后续电路测量记录。
精选ppt课件
2
第一节电桥

项目01 认识传感器及其信号调理电路

任务一认识传感器
五、常见的传感器
在生产生活中有很多传感器，较常见的有位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器等几大类传感器，下面分别介绍这几类比较常见的传感器。
1.位移传感器位移是指物体的某个表面或某点相对于参考表面或参考点位置的变化。位移有线位移和角位移两种。线位移是指物体沿着某一条直线移动的距离；角位移是指物体绕着某一定点旋转的角度。根据测量的位移不同，位移传感器可以分成直线型和回转型两大类。
二、传感器的组成
如图所示的是对压力敏感的弹性元件波纹管、弹簧管，以及对力敏感的悬臂梁。
任务一认识传感器
二、传感器的组成
2. 转换元件转换元件能将敏感元件感受或者响应的被测量转换成电路参量。如图所示，将电阻应变片贴在悬臂梁上，当悬臂梁受力发生形变时，电阻应变片也随之发生形变，引起电阻应变片电阻的变化，即电阻应变片将力的变化转换成电阻的变化，是力变化的转换元件。
任务一认识传感器
二、传感器的组成
要注意的是，不是所有的传感器都有敏感元件和传感元件，如果某传感器的敏感元件直接输出的是电量，说明该敏感元件同时兼做传感元件。或者某传感元件能够直接感受被测量的变化并输出与之成一定关系的电量，则该传感元件同时也是敏感元件，所以有些传感器的敏感元件和传感元件是合二为一的，如图所示的压电晶体、热电偶、光电池等。
任务二传感器的信号调理电路（电流—电压变换）
二、放大电路
由于大部分的传感器输出电压较小，比如热电偶输出的热电势变化是μV级的，不适合直接显示和控制，所以通常需要放大电路将其输出信号进行放大后再显示或控制放大电路主要采用具有高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的集成运算放大器，用集成运算放大器构成的放大电路通常有同相放大器、反相放大器、差动放大器等，如图所示。

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信号调理电路：对传感器的输出信号施行一定预处理的装置，使信号适于显示或控制。主要技术：电子技术——运算放大器
测量同一被测量：不同的测量方法不同的传感器及相应的信号调理电路。
同一传感器可以用于不同的工业系统。
22.11.2020
西安交通大学工程训练中心
4
典型测量系统的组成
直流电源
现场物理量
2
传感器
被测量
物理量化学量生物学量
传感器
可用信号
传感器定义：能感受某种信息（被测量），并按一定规律将其转换成可用信号的器件或装置；
可用信号：某一定场合中便于传输和处理且可以使用的信号，常是电量。
传感器的本质：将被测量从一种能量形式转换成另一种能量形式，并作为可用信号输出；
狭义的传感器：被测量电信号；传感器是工业系统的感官，获取工业系统中的
由于集成运放具有性能稳定、可靠性高、寿命长、体积小、重量轻、耗电量少等优点，得到了广泛的应用；
注意：集成运算放大器是一个有源器件。
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7
运算放大器
运算放大器的符号以及常见的运算放大器：
E+
V+
-
V-
+
Vo
E-
OP07
+V 8765
-
_
OP07 +
+
万用表：最方便的检测仪器
可测量电压、电流、电阻、电容、电感、温度……
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集成运算放大器
集成运算放大器是一种高放大倍数的直接耦合放大器件；
完成信号放大、信号运算（加、减、乘、除、对数、反对数、平方、开方等）、信号处理（滤波、调制等）以及波形的产生和变换等功能；
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16
运放应用：反相比例放大器
i 2 R2
i 1 R1
a ia _
+10V
Vi
V a i3
V3
+
R3
-10V
位置、转速、温度、液位、压力等信息；对传感器的要求：线性度好、无滞环误差、特
性稳定、测量范围宽、响应迅速。
22.11.2020
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3
信号调理电路
问题：
传感器的输出信号往往很微弱，或波形不适当，或信号形式不适合，不能直接用于工业系统的状态显示和控制。
解决：电压放大、整形、电流－电压转换、频率－电压转换等；
一个输出端；
V-
E+ -
Vi
V+
+
Vo
E-
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运算放大器
“放大”的含义及工作特性曲线 Vo
V-
E+ -
E+
Vi
线性放大区
V+
+
Vo
E-
0
V oA V i A (V +-V -)
反向截止
E“放大”的含义
正向饱和
Vi
Vo∈( E- , E+ )
运放的工作特性曲线
工业系统测量
传感器与信号调理电路
引言
如何测量你的体温？包括：获取温度信号以及处理温度信号
温度测量系统
温度
电信号
温度
信号
传感器
预处理
符合要求的信号
本讲我们将了解测量系统的组成，包括信号的获取以及信号的预处理。另外，着重介绍在信号处理中使用最多的器件：运算放大器。
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力的测量与差动放大
开环方式与反馈方式
ui
Vr
+10V
-
+
uo
i R2 100kW
R1 10kW -
+10V
uo
ui
+
R3 10kW
-10V
开环方式
输出端与输入端之间除地线外没有连接；
如：比较器。
反馈方式
有信号从输出端经过某种电路回到输入端，构成反馈回路。
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uo
R3 100kW
-10V
i1
R2
R1
uib
-
uia
R3 i2
+
uo
R4
单端输入方式
一端接输入信号，另一端接地（或通过电阻接地）
同相输入
反相输入
差动输入方式（双端输入）
输入信号V1和V2同时加在同相端1和反相端2上
Vi＝V1－V2
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传感器
可用
信号信号调理电路
测量系统显示装置
万用表
控制装置
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常用仪器在测量系统中的应用
信号发生器：产生标准信号（不同波形种类、不同频率和幅值的信号）；
调试和维修时，模拟传感器的输出信号
示波器：测量并显示电路中不同点的信号；
直流电源：为系统各部分供电；
LM324
14 13 12 11 10 9
8
GND
-
或－V
-
+
+
324
+
+
-
-
+V
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1
2
34
-V
管脚起始朝左
1
2
345
6
7
管脚序号逆时针方向增长！！
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8
运算放大器
运算放大器简称为运放；
运放有两个输入端：
同相输入端
反相输入端
有单端和差动两种输入方式
A→∞ ri→∞
Vi
Vo A
Vo
(E- , E+ ) A
0
ro→0 Vo∈(E-,E+)
Ii
Vi ri
Vi 0 ri
0
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考虑电压虚通
V+=V- 虚短
Ii=0 虚断考虑电流
11
理想运算放大器 Ii 0 1 _
Vi 0
V2
V1
2+
3
Vo
在输入一侧考虑电压关系时：反相输入端与同相输入端的电压相等，称为“虚通”或“虚短”；
若同相端（反相端）接地，即同相端（反相端）电位为零，则反相端（同相端）电位也为零，称为“虚地”；
在输入一侧考虑电流关系时：反相输入端与同相
输入端之间的电流为零，称为“虚断”。
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单端输入与差动输入
i R2 100kW
R1 10kW
-
ui
a
+
+10V
正确理解运放的“工作方式”
运放内部并没有所谓的“工作方式”，它只会按照运放的工作特性曲线工作（即对所有的“工作方式”都一样）；
所谓的“工作方式”是依运放的外部连接而引入的说明。
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运放的分析方法——三步走
虚断：把电路分为两个电阻串并联的支路；虚短：V+=V-，即两个支路之间的关系；使用电阻串并联的方法求解（设电流 i）。
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理想运算放大器
理想运放是一个高增益、高输入电阻、低输出电阻的器件。 1反相输1入端_
V2
Vi
ri ro
_
AVi +
V1
2+
3
Vo
2同相输入端
V oA V i A (V +-V -)
A很大，1000以上 ri很大，兆欧以上 ro很小，可以忽略 Vo有限，电源电压范围内