过程控制仪表第7章检测电路、检测算法及抗干扰技术

18检测电路、检测算法及抗干扰技术8.1检测电路设计8.2检测算法8.3检测系统抗干扰技术28.1检测电路设计1）信号放大电路2）信号变换电路3）信号分离电路（滤波）4）信号调制电路38.2检测算法1）数字滤波技术2）克服系统误差的软件算法3）量程自动切换及标度变换48.3检测系统抗干扰设计1）干扰的类型及产生2）常用的抑制干扰措施3）其他抑制干扰的措施58.1检测电路设计1）信号放大电路标准电信号：4～20mA，1～5V其它标准电压、电流信号方便对被测信号的后续变换、处理、记录、分析电压、电势、电位电流、电荷电阻、电容、电感光、磁信号信号放大的目的：传感器直接输出的信号：6放大电路的主要类型比例放大器：通用型差动放大器：电势、电位式传感器电桥放大电路：电阻应变、电感、差动变压器、电容式传感器电荷放大器：电荷式传感器仪用放大器：电位差、电势差隔离放大电路：噪声隔离、光电、磁电、电容7同相比例放大电路同相比例放大器是指输出信号与输入信号相比，相位相同，幅值成一定比例。增益输入阻抗u12A1R/R(1)iirrAF2121/uRFARR其中：A为运放的开环增益；F为电路的反馈系数；ri为运放的开环输入阻抗。8反相比例放大电路反相比例放大器是指输出信号与输入信号相比，相位相反，幅值成一定比例。u1A/fRR9交流电压跟随电路交流电压跟随电路是同相放大电路的特例。为减小失调电流，常取R3=R210差动放大电路差动放大是把二个输入信号分别输入到运算放大器的同相端和反相端，然后在输出端取出二个信号的差模成分，而尽量抑制二个信号的共模成分。特点：提高电路共模抑制比，减小温漂。112122()OSRRUUUURR11RVVVRVORVVBFFFi)21(01RVVRVVRVOBTTST而VT≈VF则V01=－2（Vi－VS）可列出两输入节点的电流方程：DDZ-Ⅲ调节器的输入电路12电桥放大电路特点：灵敏度高；线性好；测量范围宽；容易实现温度补偿。直流电桥（电阻应变式测力称重传感器）交流电桥（电感式、差动变压器式、电容式传感器）分类：13直流电桥直流电桥的桥臂为纯电阻，如图所示，图中UB为电桥电源电压。电桥输出接运放输入端，电桥的平衡条件为：R1R4=R2R3。电桥输出为：uOUB+-R1R2R3R4))((43213241212434RRRRRRRRUURRRURRRuBBBO()()()oBRRRRdRuURRRRdR4BUdRR令R1=R2=R3=R，R4=R+dR（单臂工作）有：14交流电桥i13241324zzzz和1324132413312442RRRRXXXXRXRXRXRX和24131234()()osZZZZuuZZZZ或交流电桥的结构与工作原理和直流电桥基本相同。不同的是输入输出为交流，其平衡条件应为Z1Z3=Z2Z4由于式中Ri、Xi为各桥臂电阻和电抗；zi、为各桥臂复阻抗的模和辐角。因此，式中的平衡条件必须同时满足：输出(1,2,3,4)ijiiiZRjXzei15电荷放大电路特点：把压电器件高内阻的电荷源变换为传感器低内阻的电压源，实现阻抗匹配，并使其输出电压与电荷成正比。电荷放大电路可用于压电式传感器、CCD传感器图（b）电荷放大器等效电路图（a）电荷放大器电路原理框图fAQUoACC（1+）+aei++CCCC输出回路电容16仪用放大器仪用放大器又称测量放大器，为抑制共模输入电压与增益调节和阻抗匹配之间互相牵连和矛盾而设计，电路如图所示。左边部分由运放A1、A2构成同相放大器，右边部分由运算放大器A3和电阻R3～R6组成减法器。设R1=R2=R，R3=R4=R5=R6，则有IgOuRRu）（/21仪用放大器仅调Rg即可调整放大器增益，不需多电位器联动，不影响电路的对称性，输入阻抗高、对称性好、共模抑制比高、增益设定调整方便，适用于电势差、电位差输出型传感器。17隔离放大器隔离放大器能在输入与输出信号之间保持电气隔离的同时，实现输出与输入电压的线性传输。其组成及符号如下图所示。隔离放大器主要用于噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号，适合于电感式、磁电式、电涡流式、光电式、霍尔式等传感器的信号调理与放大。18隔离放大器隔离的媒介主要有电磁隔离（变压器隔离）、光电隔离和电容隔离。a）变压器隔离放大器原理框图b）光电隔离放大器原理框图19变压器隔离放大器：因变压器体积大，成本高，功耗大，无法集成，使器件价格高，体积大，一般为非标准集成电路封装；但一般把隔离电源也固化在器件内，甚至可实现三端隔离，且通过引脚将电源输出，可外接负载，不需另配隔离DC-DC变换器，使用方便。光电耦合隔离放大器：全由半导体器件构成，便于集成，成本低，体积小，性能稳定，不需外接任何器件，使用方便。但器件本身不带隔离电源，需另接隔离DC-DC变换器。电容耦合隔离放大器：引出线少，使用方便，但需使用调制解调技术，频带宽度不及光电耦合型隔离放大器。三种隔离放大器的特点202）信号变换电路电压-电流转换电路交流-直流转换电路电压-频率转换电路电压-脉宽转换电路21电压-电流转换电路在成套仪表和计算机测控系统中，传感器和仪表之间、仪表和仪表之间的信号传送都采用标准信号，即1-5V直流电压或4-20mA直流电流。在传感器测量系统中，常用电压/电流转换电路进行电压、电流信号间的转换。例如，在远距离测量中，把电压信号转换成电流传输，以减小传输导线阻抗对信号的影响。测电流信号时，先将电流信号转换成电压，再由数字电压表测量，或经A/D转换后由计算机测控。22电压-电流(V/I)变换输出负载中的电流正比于输入电压的电路，称为电压-电流变换器。（1）浮地负载的V-I变换电路一个简单的V-I变换电路如图(1)所示。流过RL两端的电流与输入电压的关系为io1wUIR+R图(1)简单的V-I变换器电路23U/I转换电路图(2)带三极管驱动的V-I变换器电路由上式可知，调节Rw可改变输入电压与输出电流之间的变换系数。为降低运算放大器功耗，扩大输出电流，在运算放大器的输出端可加一个三极管驱动电路，如图(2)所示。24接地负载V-I变换电路图(3)中Al为同相加法器，A2为跟随器，所以V02=VL=ILRLA1的同相端电压为：V+=ViR4/(R3+R4)+ILRLR3/(R3+R4)A1的同相端电压经放大后输出为：Vol=V+(R1+R2)/R1=ILR5+ILRL选择元件参数值满足：R3(Rl+R2)＝Rl(R3+R4)，可得负载中的电流IL与负载RL无关。为此选取R3＝R1，R4＝R2，则输出负载中的电流为：IL=ViR2/(R1R5)图(3)接地负载的V-I变换电路25差动式V-I变换电路图a：理想条件下：V-=V+=Vi2，RL中的电流：IL=(Vi1-Vi2)/R1图b：若满足条件：R3/R5=R1/(R2+R4)，则浮地负载中的总电流为：IL=IL1+IL2=(Vi2-Vi1)(R2+R4)/(R1R4)图c：负载中的电流为IL=I3-I4，为使负载的电流与RL无关，电阻选择须满足：R1R4=R2R3，相应的接地负载电流为：IL=(Vi2-Vil)/R3a）b）c）图(4)差动式V-I变换电路26电流-电压转换电路在远程监控中，电流信号常常经长距离导线传送到数据采集接口，需I-V比例转换后再进行A/D转换。如图(5)所示。最简单的电流-电压变换电路如图(6)所示。常用高输入阻抗运放组成电流-电压变换电路，一种简单的方案如图(7)所示。oiUIR图(5)图(6)图(7)27交流-直流变换电路把交流电压变换成直流电压亦称AC-DC变换。图(10)是使用二极管的整流电路，利用半波整流把交流电变成直流电。从图(11)所示硅二极管的正向伏安特性可知，用硅二极管做半波整流时，若Um0.5V，则输出电压Uo≈0。该电路不能把峰值0.5V以下的交流电压转换成直流电压。图(10)简单整流电路图(11)硅二极管的正向伏安特性28交流-直流变换器为此，可采用图(12)所示的由运放构成的半波线性整流电路。这时Uo与Ui呈线性关系。实际应用中图(12)a所示电路的输出端对地还要接滤波电容，使输出电压Uo平滑。当输入uI为正极性时，放大器输出uO1为负，D2通，D1截止，uO为零。uI为负时，放大器输出为正，D1通，D2止，电路处于反相比例运算状态。只要运放输出|uO1|的值大于整流二极管的正向导通电压，D1和D2中总有一个通，一个截止，此时电路能正常检波。0,0,01IIfIOuuRRuu图(12)由运算放大器构成的线性整流放大电路29实用交流电压-直流电压变换电路图(13)实用交流电压-直流电压变换电路图(13)是一种实用的电路。该电路是由半波整流电路和平均值-有效值转换器构成的线性变换电路，输出端将得到与交流电压的有效值相等的直流电压输出。30电压-频率转换电路电压-频率转换(简称V/f转换)是指把电压信号转换成与之成正比的频率信号，其转换过程实质上是对信号进行频率调制。V/f转换器（简称VFC）应用简单，对外围器件性能要求不高，其A/D转换速度不低于双积分型ADC。集成VFC不需同步时钟，其成本比ADC和DAC低得多。另外，电压模拟量经V/f变换成频率信号后其抗干扰能力大为增强，适于远距离传输及噪声环境下工作。31单片集成VFC单片集成VFC和模块式VFC组件已大量商品化，它们只需外接极少元件就可构成一个高精密的VFC电路，如LM331。LM331是一种简单、廉价的VFC单片集成电路。323）信号分离电路滤波器的基本知识RC有源滤波电路集成有源滤波器33滤波器的基本知识滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统。功能：滤除噪声和分离各种不同信号。类型：按处理信号形式分：模拟滤波器和数字滤波器按功能分：低通、高通、带通、带阻按电路组成分：LC无源、RC无源、由特殊元件构成的无源滤波器、RC有源滤波器按传递函数的微分方程阶数分：一阶、二阶、高阶34滤波器的频率特性示意图rc)a)b)OA()OA()OA()rpKpKpKpKpKpKpcpc1rc12p1pd)OA()pKpK1pc11r2pc22rc22r图（1）各种滤波器频率特性示意图低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器35滤波器的主要特性指标特征频率：①通带截频fp=p/(2):通带与过渡带边界点的频率，在该点信号增益下降到一个规定下限；②阻带截频fr=r/(2)：阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号衰耗(增益的倒数)下降到一个规定的下限；③转折频率fc=c/(2)：为信号功率衰减到0.707(约3dB)时的频率，在很多情况下，常以fc作为通带或阻带截频；④固有频率f0=0/(2)：电路没有损耗时，滤波器的谐振频率，复杂电路往往有多个固有频率。36增益与衰耗滤波器在通带内的增益并非常数。①低通滤波器：通带增益Kp，一般指w=0时的增益；高通指w→∞时的增益；带通则指中心频率处的增益。②带阻滤波器：应给出阻带衰耗，衰耗定义为增益的倒数。③通带增益变化量△Kp：指通带内各点增益的最大变化量，若△Kp以dB为单位，则指增益dB值的变化量。37阻尼系数与品质因数阻尼系数：表征滤波器对角频率为0信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰耗的一项指标。品质因数：阻尼系数的倒数，是评价带通与带阻滤波器频率选择特性的一个重要指标。Q=0/△w。式中，△为带通或带阻滤波器的3dB带宽，0为中心频率，在很多情况下中心频率与固有频率相等。38灵敏度滤波电路由许多元件构成，每个元件参数值的变化都会影响滤波器的性能。滤波器某一性能指标y对某一元件参数x变化的灵敏度记作Sxy，定义为：Sxy=(dy/y)/(dx/x)。该灵敏度与测量仪器或电路系统灵敏度不是一个