第十一章 传感器应用技术

第11章传感器应用技术第11章传感器应用技术11.1信号变换11.2驱动电路分析及外围电路器件选择思考题与习题第11章传感器应用技术11.1信号变换在实际应用中，敏感元件或传感器输出的信号可能是直流电压、直流电流，也可能是交流电压、交流电流，甚至是电阻值、电容值等等。在进行处理、传输、接口、显示记录过程中，常常需要借助各种信号变换器进行信号变换。(1)利用I-U变换把直流电流(I)变换成直流电压(U)(2)利用u-U变换把交流电压(u)变换成直流电压(U)(亦称AC-DC变换)(3)利用i-U变换把交流电流(i)变换成直流电压(U)第11章传感器应用技术(4)利用R-U变换把电阻值(R)变换成直流电压(U)(亦称Ω-U变换)(5)利用C-U变换把电容量(C)变换成直流电压(U)(6)利用f-U变换把频率(f)变换成直流电压(U)11.1.1电流-电压(I-U)最简单的电流-电压变换电路如图11.1显然，Uo=IiR，因此，Uo与电流Ii通常采用高输入阻抗运算放大器，如LM356、CF3140、F071～F074、F353等，可方便地组成电流-电压变换器。一个简单的方案如图11.2所示。第11章传感器应用技术图11.1最简单的电流-电压变换电路第11章传感器应用技术图11.2简单电流-电压变换电路第11章传感器应用技术该电路能提供正比于输入电流的输出电压，比例常数就是反馈电阻RUo=－IiR如果运算放大器是理想的，那么它的输入电阻为∞，输出电阻为零。R阻值的大小仅受运放的输出电压范围和输入一种大电流-电压变换电路如图11.3所示。该电路中，利用小阻值的取样电阻Rs把电流转变为电压后，再用差动放大器进行放大。输入电流在0.1～1A范围内，其变换精度为±0.5%。第11章传感器应用技术图11.3大电流-电压变换电路第11章传感器应用技术根据该电路的结构，只要选用R1=R2=RF，R3=R4=R5=R6=Rf，由上式可见，R7越小，Kd越大。调节RP2，可以使Kd在58～274内变化。当Kd=100时，电流-电压变换系数为10V／A。运算放大器必须采用高输入阻抗(107～1012Ω)、低漂移的运算放大器。另一种微电流-电压变换电路如图11.4所示。该电路只需输入5pA电流，就能得到5V第11章传感器应用技术图11.4微电流-电压变换电路第11章传感器应用技术11.1.2电压-电流(U-I)1.负载浮动的U-I一个简单的U-I变换电路如图11.5所示。它类似于一个同相放大器，RL的两端都不接地。利用运算放大器的分析概念可得，输出电流与输入电压的关系：调节RP就可以改变输入电压与输出电流之间的变换系数。通常所用的运算放大器其输出最大电流约为20mA。为了降低运算放大器的功耗，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11.6所示。该电路的输入为0～1V，输出为0～10mA。第11章传感器应用技术图11.5负载浮动的U-I变换电路第11章传感器应用技术图11.6一种改进的U-I变换电路第11章传感器应用技术2.负载接地的U-I一种负载接地的U-I变换电路如图11.7所示。该变换器的工作原理与浮动负载U-I变换器的类似。所不同的是，电流采样电阻R7是浮动的，而负载RL则有一端接地，所以需要两个反馈电阻R3和R4。当R1=R2，R3=R4+R7时，输出电流为对于来自传感器的微弱电压信号，实现远距离传输是比较困难的。此时，将电压信号变换为电流信号后再进行长线传输，就可得到满意的效果。图11.8所示就是一个精度较高的电压-电流变换电路。第11章传感器应用技术图11.7负载接地的U-I变换电路第11章传感器应用技术图11.8高精度U-I变换电路第11章传感器应用技术11.1.3交流电压-直流电压(u-U)变换器和交流电流-直流电压(i-U)变换器把交流电压变换成直流电压亦称AC-DC变换。图11.9是使用二极管的整流电路，该电路利用半波整流把交流电变成直流电。直流输出电压Uo可用下式表示：但是，从图11.10所示的硅二极管的正向伏安特性曲线可以看出，用硅二极管进行半波整流时，如果Um＜0.5V，则输出电压Uo≈0。显然，该电路不能把峰值在0.5V以下的交流电压转换成直流电压。第11章传感器应用技术图11.9简单整流电路第11章传感器应用技术图11.10硅二极管的正向伏安特性曲线第11章传感器应用技术为此，可采用图11.11(a)所示的由运算放大器构成的线性整流电路。这时，Um与Uo呈线性关系，如图11.11(b)所示。实际应用中，图11.11(a)所示电路的输出端对地还要接滤波电容，使输出电压Uo如果要测量输入正弦波的有效值，则还需增加一级放大器并能对放大器的增益进行调整，以便对输入正弦波的有效值进行校准。图11.12就是一种实用的电路。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。考虑到下级是反相放大器，图中V2的输出(即R5的输入)是负半周整流波形。20μF电容起平滑作用，使输出得到直流。与R7相串联的电位器RP用来调整，可使平均值等于有效值。输出端将得到与交流电压的有效值相等的直流电压输出。第11章传感器应用技术图11.11由运算放大器构成的线性整流电路第11章传感器应用技术图11.12实用交流电压-直流电压变换电路第11章传感器应用技术i-U变换即把交流电流变换成直流电压，可按照图11.13图11.13i-U变换器方框图第11章传感器应用技术11.1.4电阻-电压(R-U或Ω-U)把电阻值变换成直流电压的电路如图11.14所示。Ux与电阻Rx有如下关系：图11.15是使用运算放大器的R-U变换电路。该电路为反相比例放大器，其输出电压Uo为第11章传感器应用技术图11.14电阻分压式R-U变换电路第11章传感器应用技术图11.15使用运算放大器的R-U变换电路第11章传感器应用技术如果使用恒流源进行R-U变换，如图11.16所示，就能取得很好的变换效果。因为无论Rx的阻值如何变化，流过Rx的电流Is恒定，所以有Ux=IsRxUx与Rx成正比，且图中b端可以接地。图11.17是利用运算放图11.16使用恒流源的R-U变换电路第11章传感器应用技术图11.17用运算放大器作恒流源的变换电路第11章传感器应用技术11.1.5电容-电压(C-U)下面介绍一种C-U实用电路。该电路由ICM7556(国产型号有CC7556、5G7556)双时基集成电路和阻容元件构成，如图11.18所示。该电路有5个电容挡：200pF、2nF、20nF、200nF、2μF。A1、A2是7556内部的两个完全相同的单时基电路。A1和R1、C1组成多谐振荡器。由于未接定时电阻，所以振荡脉冲的占空比q1接近100%，振荡频率f0=90Hz，周期T=0.011s。A1的输出送至A2触发端。A2和R2～R6、电容Cx第11章传感器应用技术图11.18C-U变换电路第11章传感器应用技术11.1.6电压-频率(U-f)变换器(简称VFC)和频率-电压(f-U)变换器(简称FVC)VFC是输出信号频率正比于输入信号电压的线性变换装置，其传输函数可表示为fo=KUiFVC是输出信号电压正比于输入信号频率的线性变换装置，其传输函数可表示为Uo=Qfi由于集成U-f与f-U变换器不需要同步时钟，因此，其成本比A／D(模/数转换器)和D／A(数/模转换器)低得多，与计算机连接时特别简单。另外，电压模拟量经U-f变换成频率第11章传感器应用技术信号后，其抗干扰能力大为增强，故非常适用于远距离传输，在遥控系统以及噪声环境下，更能显示出它的必要性。目前，U-f和f-U变换器有模块(混合工艺)式和单片集成(双极工艺)式两种。通常单片集成式是可逆的，即兼有U-f和f-U对于理想的VFC和FVC，K、Q为常数，其特性为通过模块式VFC常采用恒流恢复型，FVC采用精密电荷分配单片集成式VFC大致分为超宽扫描多谐振荡器式和电荷平衡振荡器式，FVC第11章传感器应用技术VFC和FVC电路都可以用运算放大器加上一些元件组成。然而由于目前单片集成式VFC、FVC和模块式VFC、FVC组件已大量商品化，因此它们只要外接极少元件就可构成一个高精密的VFC或FVC电路，如国产5GVFC32、BG382等以及国外产AD6508、LM131／231／331下面介绍一下LM331LM331是一种简单、廉价的VFC单片式集成电路，它的(1)保证的最大线性度为0.01%(2)(3)第11章传感器应用技术(4)最佳温度稳定性的最大值为±50×10－6／℃(5)低功率消耗，5V下的典型值为15mW(6)宽的满量程频率范围，为1Hz～100kHzLM331的封装及引脚排列如图11.19图11.19LM331的封装及引脚排列第11章传感器应用技术LM331的电原理框图如图11.20所示，它包括一个开关图11.20LM331的电原理框图第11章传感器应用技术电压比较器将正输入电压UI(7脚)与电压Ux比较，若UI大，则比较器启动单脉冲定时器，定时器的输出将同时打开频率输出晶体管和开关电流源，周期为t=1.1RtCt。在这个周期中，电流i通过开关电流源向电容CL充电，电荷为Q=it。当充电使Ux大于UI时，电流i此时，1脚无电流流过，电容CL上的电荷逐渐通过RL放掉。直到Ux等于UI以后，比较器将重新启动定时器，开始另输入电压UI越大，定时器工作周期越短，输出频率fo越高，且fo正比于UILM331的典型应用如图11.21第11章传感器应用技术图11.21LM331的典型应用第11章传感器应用技术LM331构成的精密VFC电路如图11.22所示。图11.21和图11.22所示电路中标有*号的元件稳定性要好；标有**号的元件，对Us=8～22V，其阻值用5kΩ或10kΩ，而对Us=4.5～8V，其阻值必须是10kΩ。A1应选用低失调电压和低LM331也可方便地用于频率-电压变换器(FVC)，如图11.23所示。在图中，fi的输入脉冲经C-R网络微分电路，其6脚上的负沿脉冲引起输入比较器输出，触发定时电路动作，使输出Uo为一脉动直流电压，该电压的大小正比于输入信号的频率fi第11章传感器应用技术图11.22精密VFC电路第11章传感器应用技术图11.23精密FVC电路第11章传感器应用技术11.1.7电压-脉宽(U-H)U-H变换器是用来将电压信号变换为脉冲宽度信号的变换器。变换后输出的脉冲周期T是固定的，而脉冲宽度H随U-H输出的脉冲信号的直流分量与输入电压成正比关系，因此，只需简单的RC滤波电路即可复现原模拟电压信号。U-H变换器输出的脉冲信号可以很方便地驱动发光器件，进下面结合图11.24所示的U-H变换器的原理电路介绍其工作情况。该电路由三角波发生器、比较器和输出级三部分第11章传感器应用技术图11.24U-H变换器的原理电路第11章传感器应用技术三角波发生器由具有正反馈的运算放大器A1和阻容元件R4、C设起始时A1输出为正向限幅电压Uw，它一方面通过R1、R2正反馈电路使A1同相端的电压为同时，Uw通过R4对电容C充电，使UF(=UC)逐渐增大。A1实质上是一个比较器，当UF=U1时，A1翻转，输出由正向限幅电压突变为负向限幅电压－Uw，同相端的电压变为第11章传感器应用技术三角波发生器的各点波形(Uo1、UT、UC)如图11.25所示。图11.25三角波发生器各点的波形图第11章传感器应用技术输出的三角波实际上是由电容C充、放电的指数曲线交因为充电与放电回路相同，充电电压与放电电压相对于零点对称，所以充、放电的持续时间相同，均为振荡周期的一半。要计算三角波的周期T，只需计算其中的一个放电过程然后乘2根据RC电路瞬态过程的分析，可得已知τ=R4C,当t=0+时，即放电过程刚开始瞬间：第11章传感器应用技术当t→∞，UC(∞)=－Uw时，有考虑到当时，得第11章传感器应用技术整理得根据选择的R1、R2、R4及C的数值，就可确定三角波的振荡周期T比较器部分很简单，由A2比较器A2处于开环