专题十五 传感器信号的预处理和仪表放大器及AD转换器的选择（教案）-浙江省职教高考《传感器及应用》第2版 讲练测

专题十五:传感器信号的预处理和仪表放大器及A/D转换器的选择-（讲义）《传感器及应用》专题复习讲练测 [考纲要求] 1. 了解数据采集系统的组成，并能够描述传感器信号的特点。 2. 理解传感器信号的预处理方法，包括滤波、放大和线性化等技术，并能解释其工作原理。 3. 熟悉仪表放大器的基本原理和功能，能够选择适合特定应用的仪表放大器。 4. 掌握A/D转换器的性能指标，如分辨率、采样率、信噪比等，并能根据应用需求选择合适的A/D转换器。 5. 能够分析传感器信号预处理、仪表放大器和A/D转换器在数据采集过程中的作用，并能够解决相关的实际问题。 [课时安排] 2课时 [知识梳理] 1.数据采集系统的组成 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)。 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。 2.传感器输出信号的特点 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。 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0.1 μV。 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。 ④传感器的动态范围很宽。 ⑤传感器的输出与输入之间的关系有时不是线性关系。 ⑥传感器的输出量受温度的影响。 3.传感器信号的预处理方法 (1)阻抗变换电路 在传感器输出为高阻抗的情况下，变换为低阻抗，以便于检测电路准确地拾取传感器的输出信号。 (2)放大电路 将传感器输出的微弱信号放大。 (3)电流电压转换电路 将传感器的电流输出转换成电压值。 （4)频率电压转换电路把传感器输出的频率信号转换为电流或电压值。 （5）电桥电路把传感器的电阻、电感和电容值转换为电流或电压值。 （6）电荷放大器将电场型传感器输出产生的电荷量转换为电压值。 （7）交-直流转换电路在传感器为交流输出的情况下转换为直流输出。 （8）滤波电路通过低通及带通滤波器消除传感器的噪声成分。 （9）线性化电路 传感器的特性是非线性时进行非线性校正。 (10)对数压缩电路当传感器输出信号的动态范围较宽时用对数电路进行压缩。 4.仪表放大器 仪表放大器又称数据放大器。一般是由三只高精度运放及精密电阻一起组装而成。其中两只高精度运放参数对称，构成电路对称的差动输入级。整个组件输入阻抗高，共模抑制比高，噪声低，稳定性好。它主要用于微小信号的精确测量。 5. 仪表放大器的选择 仪表放大器应具有如下性能要求： （1）低噪声采用低噪声放大器件并采取有效地减小噪声措施，以免测量信号被淹没在噪声中 (2 )高稳定性、低漂移 减小温度漂移、防止自激振荡等。 （3）高抗干扰性能 放大器的前级最易受干扰，要尽量减少导线影响，采用调制的方法和妥善的屏蔽措施等。 （4）高输入阻抗由于传感器输出信号很微弱，要求放大器的接入尽可能对传感器影响小。特别是当传感器输出阻抗很高时，更要求放大器有高输入阻抗。 (5) 高共模抑制比 一方面由于许多被测量本身(如锥度)是差模信号，另一方面由于许多干扰为共模干扰，因此高共模抑制比有利于提高抗干扰性能。 (6) 高线性度 在较大量程内有良好的线性。 (7) 适宜的频率特性为使放大后的信号不失真，要求它有宽频带。为抑制某些干扰，又要求它有合适的频带。 5.A/D 转换器的性能指标 A/D转换器是集成在一块芯片上，并能完成模拟信号向数字信号转换的单元电路。A/D转换的方法有多种，最常用的是直接型和间接型两类。 性能指标： （1）分辨率 A/D转换器的分辨率D是指输出数字量对输入模拟量变化的分辨能力，利用它可以决定使输出数码增加(或减少)一位所需要的输入信号最小变化量。 （2）转换时间 设A/D转换器已处于准备就绪状态，从A/D转换的启动信号(Start)加入时起，到获得数字输出信号(与输入信号对应之值)为止，所需时间称为A/D的转换时间。 （3）转换频率 转换频率与转换时间成反比，但对于A/D转换器的最大可能的转换频率，除了考虑转换时间外，还必须包括置零信号(Reset)，把转换器全部恢复到零的时间，上述两项时间之和的倒数才为转换器的最高工作频率。 （4）精度 A/D转换器的精度定义为输入模拟信号的实际电压值与被转换成数字信号的理论电压值之间的差值，这一差值亦称绝对误差。当它用百分数表示时，称为相对精度或相对误差。 6. A/D转换器的选择原则 从使用的角度看，A/D转换器的外特性包括：模拟信号输入部分，数字信号并行输出部分，启动转换的外部控制信号，转换完毕后由转换器发出转换结束信号等。在选择A/