5.1 传感器信号的预处理（课件）-高一《传感器及应用》同步精品课堂（高教版—第2版）

5.1 传感器信号的预处理 传感器及应用 第一章 常用低压电器 1 学习目标 知识目标 熟悉和掌握传感器信号的预处理。 能力目标 理解和运用数据采集系统的组成、传感器信号的预处理方法等内容进行掌握。 情感目标 注重基本概念、基本原理、基本方法的阐述，并考虑中等职业教育的特点，避免了理论推导，增强了实际应用等方面的知识。 新课导入 思考：分小组总结传感器信号的预处理方法。 新知学习 一 、数据采集系统的组成 在机电一体化产品中，对被测量的控制和信息处理多数采用计算机来实现，因此传感器的 检测信号一般需要被采集到计算机中作进一步处理，以便获得所需要的控制和显示信息。在用 计算机对模拟信号进行测量和控制时，必须首先把模拟信号转换成数字信号，然后计算机按一 定的处理要求对信号进行处理。实现模拟信号转换成数字信号的电路系统称为数据采集系统， 数据采集系统中最重要的器件便是模/数转换器 (A/D 转换器，也称ADC)。 新知学习 一 、数据采集系统的组成 数据采集系统常由包括放大器、滤波器等在内的信号调理电路、多路模拟开关、采样/保 持电路、A/D 转换器以及接口控制逻辑电路所组成。图给出了数据采集系统的典型构成 方式。其各组成部分的功能简要介绍如下： 新知学习 一 、数据采集系统的组成 传感器输出的模拟信号往往因其幅值较小，可能含有不需要的高频分量或其阻抗不能与后 续电路匹配等原因，不能直接送给A/D 转换器转换成数字量，需对这个信号进行必要的处理， 这些处理电路就叫信号调理电路。信号调理电路是内容极为丰富的各种电路的综合名称。对于 一个具体的数据采集系统而言，所采用的信号调理技术及其电路，由传感器输出信号的特性和后续采样/保持电路(或A/D 转换器)的要求或确定的测量要求所决定。 1. 信号调理电路 新知学习 一 、数据采集系统的组成 这种要求，可能是指 要把信号调整到符合 A/D 转换器工作所需要的数值(如放大、衰减、偏移等),也可能是指要 滤除信号中不需要的成分，如低通滤波、带通滤波、高通滤波、带阻滤波等，还可能是指要把 信号调整到进一步处理的需要，如线性修正电路、为了改善信噪比的“相加平均”电路等。 1. 信号调理电路 新知学习 一 、数据采集系统的组成 如果有许多独立的模拟信号源都需要转换成数字量，在可能的条件下，为了简化电路结 构、降低成本、提高可靠性等，常常采用多路模拟开关，让这些信号共享采样/保持电路和 A/D 转换等器件。多路模拟开关在控制信号作用下，按指定的次序把各路模拟信号分时地送至 A/D 转换器转换成数字信号。 2.多路模拟开关 新知学习 一 、数据采集系统的组成 由于 A/D 转换器的转换需要一定的时间，如在转换过程中输入的信号有所改变，则转换 结果与转换之初的模拟信号便有较大的误差，甚至是面目全非。为了保证转换的精度，需要在 模拟信号源与A/D 转换器之间接入采样/保持电路。在A/D 转换前，首先应使采样/保持电路 处于采样模式，采样后使采样/保持电路处于保持模式，即输出电压保持不变，接下来才对这 个输出信号进行 A/D 转换。显然，为了提高系统的测量速度，采样时间越短越好；为了有良 好的转换精度，保持时间越长越好。 3. 采样/保持电路 (S/H 电路) 新知学习 一 、数据采集系统的组成 A/D 转换器是数据采集系统的核心器件，它把模拟信号输入转换成数字信号的输出。其 实现的技术手段很多，相应地派生出许多种不同类型的A/D 转换器，这些 A/D 转换器各有其 特点。目前，传感器系统中最常用的A/D 转换器是逐次逼近型和双斜积分型。 4.A/D 转换器 新知学习 一 、数据采集系统的组成 由于 A/D 转换器所给出的数字信号无论在逻辑电平还是时序要求、驱动能力等方面与计 算机总线要求的信号可能会有差别，因此把A/D 转换器的输出直接送至计算机的总线上往往 是不行的，必须在两者之间加入接口电路以实行电路参数匹配。当然，对于为某类计算机特殊 设计的A/D 转换器来说，这种接口电路已与A/D 芯片集成为一体，无需增加额外的接口电路。 5. 接口电路及控制逻辑 新知学习 二 、传感器信号的预处理方法 1. 传感器输出信号的特点 01 02 03 04 05 06 ⑥ 传感器的输出量受温度的影响。 ⑤ 传感器的输出与输入之间的关系有时不是线性关系。 ④ 传感器的动态范围很宽。 ③ 传感器的输出阻抗都比较高，这样传感器信号输入到测量转换电路时会产生较大的信 号衰减。 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。 ① 由于传感器种类繁多，传感器的输出形式也是各式各样的，有开关型信号、模拟型信 号(有电压型、电流型和阻抗型等)、数字型信号等。 新知学习 二 、传感器信号的预处