1、 第一节第一节 信号的放大与隔离信号的放大与隔离第二节第二节 信号在传输过程中的变换技术信号在传输过程中的变换技术第三节第三节 信号的非线性补偿技术信号的非线性补偿技术 在检测系统中，被测的非电信号经传在检测系统中，被测的非电信号经传感器后可变换为电信号，如电压、电流、感器后可变换为电信号，如电压、电流、电阻等。但传感器输出的电信号往往很微电阻等。但传感器输出的电信号往往很微弱且输出阻抗高，输出信号在包含被测信弱且输出阻抗高，输出信号在包含被测信号的同时，又不可避免地被噪声所污染。号的同时，又不可避免地被噪声所污染。检测装置的信号处理是比较复杂的，检测装置的信号处理是比较复杂的，它包括微弱信号
2、的放大、滤波、隔离、标它包括微弱信号的放大、滤波、隔离、标准化输出、线性化处理、温度补偿、误差准化输出、线性化处理、温度补偿、误差修正、量程切换等。修正、量程切换等。本章介绍信号的放大与隔离、信号的本章介绍信号的放大与隔离、信号的变换、线性化等比较重要的处理技术。变换、线性化等比较重要的处理技术。第一节信号的放大与隔离第一节信号的放大与隔离 目前的放大电路几乎都采用运算放大器，由于其输入阻抗高，增益大，可靠性高，价格低廉，使用方便，因而得到广泛应用。一、运算放大器1、反相放大器用运算放大器构成的反相放大器电路如图所示。根据“虚地”原理，即，反相放大器的传递函数和放大倍数分别为：2、同相放大器采
3、用同相放大器电路，可以得到较高的输入阻抗。根据“虚地原理”，同相放大器的放大倍数为：二、测量放大器1、测量放大器的特点 运算放大器对微弱信号的放大，仅适用于信号回路不受干扰的情况。然而，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较大的干扰信号，有时是完全相同的，完全相同的干扰信号称为共模干扰。简单的反相输入或同相输入接法，由于电路结构的不对称，抵御共模干扰的能力很差。因此，需要引入另一种形式的放大器，即测量放大器，又称仪用放大器、数据放大器，它广泛用于传感器的信号放大，特别是微弱信号及具有较大共模干扰的场合。测量放大器除了对低电平信号进行线性放大外，还担负着阻抗匹配和抗共模干
4、扰的任务，它具有高共模抑制比、高速度、高精度、宽频带、高稳定性、高输入阻抗、低输出阻抗、低噪声等特点。2、测量放大器的组成测量放大器的基本电路如图所示。由三个运算放大器组成，其中、两个同相放大器组成前级，为对称结构。差动放大器为后级。测量放大器的放大倍数用下面公式计算：AD521的管脚功能与基本接法如图所示。3、实用测量放大器（1）AD521放大倍数为：（1）AD522AD522的管脚功能如图所示。AD522的典型电路如图所示。三、程控测量放大器 可编程增益放大器（），它是通用性很强的放大器，其特点是硬件设备少，放大倍数可根据需要通过编程进行控制，使转换器满量程信号达到均一化。1、程控测量放大
5、器原理结构图12-7为程控测量放大器的原理结构图。图12-8为实际的程控测量放大器原理图。2、程控测量放大器的应用智能化数字电压图12-9是具有量程自动切换的数字电压表原理图。表中采用程控放大器和微处理器，可以很容易实现量程自动切换。设的增益为、三档。转换器为位双积分式。用软件实现量程自动切换的框图如图12-10所示。四、隔离放大器对于模拟量信号的隔离，广泛采用隔离放大器。隔离放大器按原理分有两种类型，一种是按变压器耦合的方式，另一种是利用线性光电耦合器再加相应的补偿的方式。第二节信号在传输过程中的变换技术第二节信号在传输过程中的变换技术 目前，世界各国均采用直流信号作为统一信号，并将直流电压
6、和直流电流或作为统一的标准信号。采用直流信号作为统一的标准信号与交流信号相比有以下优点：在信号传输线中，直流不受交流感应的影响，干扰问题易于解决；直流不受传输线路的电感、电容及负荷性质的影响，不存在相位移问题，使接线简单；直流信号便于转换，因而巡回检测系统都是以直流信号作为输入信号。一、信号在传输过程中变换的意义二、常用的信号变换方法 变换器的作用是将电压变换为标准的电流信号。图12-13和图12-4所示的就是一个及42变换的典型电路。第三节信号的非线性补偿技术第三节信号的非线性补偿技术 在模拟量自动检测系统中，一般采用三种方法非线性补偿：缩小测量范围，并取近似值；采用非线性的指示刻度；增加非
7、线性补偿环节（亦称线性化器）。增加非线性补偿环节的方法有：硬件电路的补偿方法。微机软件的补偿方法，利用微机的运算功能可以很方便地对一个自动检测系统的非线性进行补偿。一、非线性补偿环节特性的获取方法1、解析计算法设图12-16中所示的传感器特性解析式为：放大器特性解析式为：要求整个检测仪表的输入与输出特性为：三式联立求解消去中间变量和可得：2、图解法 当传感器等环节的非线性特性用解析式表示比较复杂或比较困难时，可用图解法求取非线性补偿环节的输入-输出特性曲线。二、非线性补偿环节的实现方法1、硬件电路实现方法 常用的是利用二极管组成非线性电阻网络，配合运算放大器产生折线形式的输入-输出特性曲线。由
8、于折线可以分段逼近任意曲线，从而就可以得到非线性补偿环节所需要的特性曲线。折线逼近法如图12-18所示，将非线性补偿环节所需要的特性曲线用若干个有限的线段代替，然后根据各折点xi和各段折线的斜率ki来设计电路。可以看出，转折点越多，折线越逼近曲线，精度也越高，但太多则会因电路本身误差而影响精度。图12-19是一个最简单的折点电路图12-20为精密折点单元电路二、微机软件的实现方法1、线性插值法 用实验测出传感器的输入输出数据，利用一次函数进行插值，用直线逼近传感器的特性曲线。假如传感器的特性曲线曲率大，可以将该曲线分段插值，把每段曲线用直线近似，即用折线逼近整个曲线。这样可以按分段线性关系求出
9、输入值所对应的输出值。图12-21所示是用三段直线逼近传感器等器件的非线性曲线。图中是被测量，是测量数据。由于每条直线段的二个端点坐标是已知的，例如图中直线段的两端点（，）和（，）是已知的，因此该直线段的斜率可表示为：该直线段上的各点满足下列方程式：对于折线中任一直线段可以得到：在实际应用中，预先把每段直线方程的常数及测量数据存于内存储器中，计算机在进行校正时，首先根据测量值的大小，找到合适的校正直线段，从存储器中取出该直线段的常数，通过计算获得实际被测量。线性插值法的程序流程图2、二次曲线插值法 二次曲线插值法就是用抛物线代替原来的曲线，结果比线性插值法更精确。二次曲线插值法的分段插值如图12-23所示，图示曲线可划分为、三段，每段可用一个二次曲线方程来描述，即：式中每段的系数可通过下述办法获得。即在每段中找出任意三点，如图中的，其对应的值为，然后解联立方程：图12-24为二次曲线插值法的程序流程图3、查表法 通过计算或实验得到的检测值和被测值的关系，然后按一定的规律把数据排成表格，存入内存单元。微处理器根据检测值大小查表。常用的查表方法有顺序查表法和对分搜索法等。查表法一般适合于参数计算复杂、采用计算法编程较繁并且占用的时间较长等情况。
