第10章信号处理及抗干扰技术 般测量系统通常由传感器、测量电路(信号转换与信号处理电路)以及显示记录部分 组成。对于被测非电量变换为电路参数(R、L、C、M)的无源型传感器(如电阻式、电 感式、电容式、电涡流式等),因为传感器的输出是电路参数的变化,因此,需要对他 们先进行激励,通过不同的转换电路把电路参数转换成电流或电压信号,然后再经过放 大输出;而对于直接把非电量变换为电学量(电流或电动热)的有源型传感器(如电压 式、磁电式、热电式等),虽然他们输出的是电量,但仍然需要进行放大或特殊处理 因此,一个非电量检测装置(或系统)中,必须具有对电信号进行转换和处理的电路 转换和处理电路的任务比较复杂。除了微弱信号放大、滤波外,还有诸如零点校正、线 性化处理、温度补偿,误差修正、量程切换等信号处理功能。信号处理电路的重点为微 弱信号放大及线性化处理。 检测装置的抗干扰问题,实际上也是电子测量装置的抗于扰问题。为了有效地防止干扰, 必须首先要弄清干扰的类型、来源及其传送的方式,才能根据不同的情况,提出相应的 抗干扰措施,从而达到消除或减弱干扰的目的
第10章 信号处理及抗干扰技术 一般测量系统通常由传感器、测量电路（信号转换与信号处理电路）以及显示记录部分 组成。对于被测非电量变换为电路参数（R、L、C、M）的无源型传感器（如电阻式、电 感式、电容式、电涡流式等），因为传感器的输出是电路参数的变化，因此，需要对他 们先进行激励，通过不同的转换电路把电路参数转换成电流或电压信号，然后再经过放 大输出；而对于直接把非电量变换为电学量（电流或电动热）的有源型传感器（如电压 式、磁电式、热电式等），虽然他们输出的是电量，但仍然需要进行放大或特殊处理。 因此，一个非电量检测装置（或系统）中，必须具有对电信号进行转换和处理的电路。 转换和处理电路的任务比较复杂。除了微弱信号放大、滤波外，还有诸如零点校正、线 性化处理、温度补偿，误差修正、量程切换等信号处理功能。信号处理电路的重点为微 弱信号放大及线性化处理。 检测装置的抗干扰问题，实际上也是电子测量装置的抗于扰问题。为了有效地防止干扰， 必须首先要弄清干扰的类型、来源及其传送的方式，才能根据不同的情况，提出相应的 抗干扰措施，从而达到消除或减弱干扰的目的
10.1信号处理技术 10.1.1微弱信号放大 10.11.1测量放大器 图10.1.1运算放大器放大电路 通常对一个单纯的微弱信号,可以采用运算放大器进行放大,如图10.1.1所示。其中U,为 传感器输出的电压,运算放大器为反相输入接法,U。为放大后的输出电压,此时 R U (10-1-1) 运算放大器也可以接成同相输入形式,由于 R 传感器的工作环境往往比较恶劣,在传感器的两 个输出端上经常产生干扰较大的信号,有时是完 全相同的干扰信号称为共模干扰。虽然运算放大 M 器对直接输入或同相输入的共模信号有较强的抑 制能力,但是对简单的反相输入或同相输入接法 由于电路结构不对称,抵御共模干扰的能力很差 R3 我们可以采用运算放大器的差动接法,从比较大BB 的共模信号中检出差值信号并加以放大。 对于传感器输出的微弱信号,通常是用一组 运算放大器构成的测量放大器来进行放大的,经 典的测量放大器由三个运算放大器构成,如图 10.1.2所示。 图10.1.2测量放大器原理图
10.1 信号处理技术 10.1.1 微弱信号放大 10.1.1.1 测量放大器 通常对一个单纯的微弱信号，可以采用运算放大器进行放大，如图10.1.1所示。其中U，为 传感器输出的电压，运算放大器为反相输入接法,U。为放大后的输出电压，此时 (10-1-1) Us 2 1 0 R R U = − Us R1 R2 + - 图10.1.1 运算放大器放大电路 运算放大器也可以接成同相输入形式，由于 传感器的工作环境往往比较恶劣，在传感器的两 个输出端上经常产生干扰较大的信号，有时是完 全相同的干扰信号称为共模干扰。虽然运算放大 器对直接输入或同相输入的共模信号有较强的抑 制能力，但是对简单的反相输入或同相输入接法， 由于电路结构不对称，抵御共模干扰的能力很差。 我们可以采用运算放大器的差动接法，从比较大 的共模信号中检出差值信号并加以放大。 对于传感器输出的微弱信号，通常是用一组 运算放大器构成的测量放大器来进行放大的，经 典的测量放大器由三个运算放大器构成，如图 10.1.2所示。 U0 R1 R2 + - R2 + - + - R3 R3 R4 R4 N2 N1 Ui 图10.1.2 测量放大器原理图
其中N1、N2构成同相并联差动放大器,差动输入信号和共模输入信号从N1、N2的同相输 入,所以它的差动输入电阻和共模输入电阻都很大。对N1、N2来说,电路的平衡对称机构 也有助于失调及其漂移影响的互相抵消。运算放大器N接成差动式输入,它不但能割断共模 信号的传递,还将N1、N2的双端输出变成单端输出,以适应接地负载的需要。不难证明这个 电路的电压放大倍数为 RR 2R (1+ (10-1-2) R1 调整R即可改变放大倍数。 测量放大器所釆用的上述电路形式,是它具有输入阻抗高、增益调节方便、漂移相互补偿 以及输出不包含共模信号等一系列优点。这种放大器在许多高精度、低电平的放大方面是极 其有用的,而且由于它的共模抑制能力强,所以能从高的共模信号背景中检测出微弱的有用 信号。 10.112实用测量放大器 目前各模拟器件公司竟相推出了许多型号的单片测量放大断气芯片,供用户选择使用。因 此信号处理中需对微弱信号放大时,可以不必再用分立的通用运算放大器来构成测量放大器 采用单片测量放大器芯片显然具有性能优异、体积小、电路结构简单、成本低等优点。如 AD公司推出的单片精密测量放大器AD521和AD522就是最常用的两种单片测量放大器 1) AD521 AD521的管脚功能与基本接法如图10.1.3所示。管脚 OFFSET(1、6)用来调节放大器零 点,调整方法是将该端子接到10KΩ电位器的两个固定端,滑动端接电源负端。测量放大器计 算公式为 U。R K U. R (10-1-3)
其中N1、N2构成同相并联差动放大器，差动输入信号和共模输入信号从N1、N2的同相输 入，所以它的差动输入电阻和共模输入电阻都很大 。对N1、N2来说，电路的平衡对称机构 也有助于失调及其漂移影响的互相抵消。运算放大器N3接成差动式输入，它不但能割断共模 信号的传递，还将N1、N2的双端输出变成单端输出，以适应接地负载的需要。不难证明这个 电路的电压放大倍数为 (10-1-2) 调整R1即可改变放大倍数。 测量放大器所采用的上述电路形式，是它具有输入阻抗高、增益调节方便、漂移相互补偿 以及输出不包含共模信号等一系列优点。这种放大器在许多高精度、低电平的放大方面是极 其有用的，而且由于它的共模抑制能力强，所以能从高的共模信号背景中检测出微弱的有用 信号。 10.1.1.2 实用测量放大器 目前各模拟器件公司竟相推出了许多型号的单片测量放大断气芯片，供用户选择使用。因 此信号处理中需对微弱信号放大时，可以不必再用分立的通用运算放大器来构成测量放大器。 采用单片测量放大器芯片显然具有性能优异、体积小、电路结构简单、成本低等优点。如 AD公司推出的单片精密测量放大器AD521和AD522就是最常用的两种单片测量放大器。 1) 1) AD521 AD521的管脚功能与基本接法如图10.1.3所示。管脚OFFSET（1、6）用来调节放大器零 点，调整方法是将该端子接到10KΩ电位器的两个固定端，滑动端接电源负端。测量放大器计 算公式为 (10-1-3) ) 2 (1 R R K 1 2 3 4 u R R = + G 0 s u R R U U K = = i
放大倍数在0.1到1000范围内调整,选用RS=100KΩ时,可以得到较稳定的放大倍数。在使 用AD521(或任何其他测量放大器)时,都要特别注意为偏置电流提供回路。为此,输入端 (1或3)必须与电源的地线构成回路。可以直接相连,也可以通过电阻相连。 Rs=1000K9 IN2 R R 12 DATA GUARDI R IN SENSE +IN-1 RG NULL O REF RG R V IN SENSE OFFSET REF NULL 34567 9 GND 8V Rs OUTPUT JOFFSET6 COMD OUTPUT7 10K9 图10.1.4AD522管脚功能 a)管脚功能b)基本接法 图10.1.3AD521管脚功能与基本接法 2)AD522 AD522也是单芯片集成精密测量放大器,K0=100时,非线性仅为0.005%,杂0.1HZ到 100HZ频带内噪声的峰值为1.5mV,其中共模抑制比CMRR>120dB(K0=1000时)。 AD522的管脚功能如图10.1.4所示。管脚4、6是调零端,2和14端连接调整放大倍数的 电阻。与AD521不同的是,该芯片引出了电源地9和数据屏蔽端13,该端用于连接输入信号 引线的屏蔽网,以减少外电场对信号的干扰
放大倍数在0.1到1000范围内调整，选用RS=100KΩ时，可以得到较稳定的放大倍数。在使 用AD521（或任何其他测量放大器）时，都要特别注意为偏置电流提供回路。为此，输入端 （1或3）必须与电源的地线构成回路。可以直接相连，也可以通过电阻相连。 b) U0 Ui RG +IN -IN １8 10 13 12 7 11 6 4 3 5 2 14 Rs=1000KΩ 10KΩ 图10.1.3 AD521管脚功能与基本接法 a)管脚功能 b)基本接法 １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ 10 11 12 13 14 - + +IN -IN RG RG Rs OFFSET OFFSET OUTPUT V Rs V+ COMD REF SENSE a) 2) AD522 AD522也是单芯片集成精密测量放大器，K0=100时，非线性仅为0.005%，杂0.1HZ到 100HZ频带内噪声的峰值为1.5mV，其中共模抑制比CMRR>120dB（K0=1000时）。 AD522的管脚功能如图10.1.4所示。管脚4、6是调零端，2和14端连接调整放大倍数的 电阻。与AD521不同的是，该芯片引出了电源地9和数据屏蔽端13，该端用于连接输入信号 引线的屏蔽网，以减少外电场对信号的干扰。 １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ 10 11 12 13 14 - + +IN -IN RG RG DATA GUARD NULL OUTPUT V- 空 V+ GND REF SENSE 图10.1.4 AD522管脚功能 NULL
传感器输出的微弱信号经放大后,通常面临长距离的问题,为了避免电压信号在传输 过程中的损失和抗干扰方面的需要,可将直流电压信号变换为直流电流信号进行传输。过 程控制系列仪表之间信号的传输就是采用直流电流。另外在对测量值进行显示时,常采用 动圈表头,这也需要将直流电压变换为直流电流来驱动线圈。为了不受传输线路电阻变化 和负载电阻大小的影响,输出电流应具有良好的恒流特性。因此使用电压一电流变换器实 现信号的的电流传送时,应使变换器输出电阻尽量大,这可以减小对信号的影响,同时输 出电阻也应尽量大,以保持输出电流的恒流特性。电压一电流变换器是很不容易实现的 具体电路读者可查阅有关书籍。 10.12线性化处理技术 在自动检测系统中,利用多种传感器把各种被测量转换成电信号时,大多数传感器的 输出信号和被测量之间的关系并非是线性关系。这是由于不少传感的转换原理并非线性 其次是由于采用的电路(如电桥电路)的非线性。要解决这个问题,在模拟量自动检测系 统中可采用三种方法:①缩小测量范围,取近似值。②采用非均匀的指示刻度。③增加非 线性校正环节。显然,前两种方法的局限性和缺点比较明显。下面我们着重介绍增加非线 性校正环节的方法。 通常我们在设计测量仪表时总希望得到均匀的指示刻度,这样仪表读数看起来清楚 方便。此外,如果仪表的刻度特性为线性,就能保证仪表在整个量程内灵敏度是相同的, 从而有利于分析和处理测量结果。为了保证测量仪表的输出与输入之间具有线性关系,就 需要在仪表中引入一种特殊环节,用它来补偿其他环节的非线性,这就是非线性校正环节 或称为“线性化器
传感器输出的微弱信号经放大后，通常面临长距离的问题，为了避免电压信号在传输 过程中的损失和抗干扰方面的需要，可将直流电压信号变换为直流电流信号进行传输。过 程控制系列仪表之间信号的传输就是采用直流电流。另外在对测量值进行显示时，常采用 动圈表头，这也需要将直流电压变换为直流电流来驱动线圈。为了不受传输线路电阻变化 和负载电阻大小的影响，输出电流应具有良好的恒流特性。因此使用电压—电流变换器实 现信号的的电流传送时，应使变换器输出电阻尽量大，这可以减小对信号的影响，同时输 出电阻也应尽量大，以保持输出电流的恒流特性。电压—电流变换器是很不容易实现的。 具体电路读者可查阅有关书籍。 10.1.2 线性化处理技术 在自动检测系统中，利用多种传感器把各种被测量转换成电信号时，大多数传感器的 输出信号和被测量之间的关系并非是线性关系。这是由于不少传感的转换原理并非线性， 其次是由于采用的电路（如电桥电路）的非线性。要解决这个问题，在模拟量自动检测系 统中可采用三种方法：①缩小测量范围，取近似值。②采用非均匀的指示刻度。③增加非 线性校正环节。显然，前两种方法的局限性和缺点比较明显。下面我们着重介绍增加非线 性校正环节的方法。 通常我们在设计测量仪表时总希望得到均匀的指示刻度，这样仪表读数看起来清楚、 方便。此外，如果仪表的刻度特性为线性，就能保证仪表在整个量程内灵敏度是相同的， 从而有利于分析和处理测量结果。为了保证测量仪表的输出与输入之间具有线性关系，就 需要在仪表中引入一种特殊环节，用它来补偿其他环节的非线性，这就是非线性校正环节 或称为“线性化器