傳感器輸出信號(hào)的微機(jī)處理

劉成剛，張利紅

1.濟(jì)南職業(yè)學(xué)院電子工程系，山東濟(jì)南 250103

2.山東省特種設(shè)備協(xié)會(huì)，山東濟(jì)南 250103

0 引言

傳感器按照輸出信號(hào)的性質(zhì)可分為開關(guān)型（二值型）、數(shù)字型和模擬型。開關(guān)型傳感器的輸出就是“1”和“0”；數(shù)字型傳感器有計(jì)數(shù)型（脈沖數(shù)字型）和代碼型（編碼型）兩大類，開關(guān)型和數(shù)字型的信號(hào)可直接送到微機(jī)進(jìn)行處理，使用方便。

模擬型傳感器的輸出是與輸入物理量變換相對(duì)應(yīng)的連續(xù)變化的電參量，其輸入輸出關(guān)系可能是線性的，也可能是非線性的。非線性信號(hào)需要進(jìn)行適當(dāng)修正將其擬合為線性信號(hào)，從而將這些線性信號(hào)進(jìn)行模數(shù)變換，成為數(shù)字信號(hào)，再送到微機(jī)進(jìn)行處理，本文主要談?wù)撃M型輸出。

1 輸出模擬信號(hào)的處理

模擬型傳感器輸出的電參量主要有電壓、電流、電阻、電容或電感等模擬量。對(duì)這類信號(hào)的預(yù)處理和數(shù)字化接口電路的組成如圖1所示。

圖1

從圖1可以看出，對(duì)于電容與電感的信號(hào)往往是采用振蕩電路，將信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率的變化，然后可以用頻率計(jì)數(shù)器將頻率的變化信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，再送到微機(jī)進(jìn)行處理；其它的都以電壓變化的形式出現(xiàn)和處理。下面著重討論電壓信號(hào)的預(yù)處理和數(shù)字化。

1.1 電壓信號(hào)的放大

圖2

多數(shù)傳感器輸出的模擬電壓在毫伏或微伏數(shù)量級(jí)，而且一般變化較為緩慢，但信號(hào)所處的環(huán)境有時(shí)往往比較惡劣，干擾和噪聲較大。

預(yù)處理電路既要將微弱的低電平信號(hào)放大到模數(shù)轉(zhuǎn)換器所要求的信號(hào)電平，如0～+5V或0～+10V的范圍，又要抑制干擾、降低噪聲，保證信號(hào)檢測(cè)的精度。

因此，在電壓信號(hào)的預(yù)處理電路中，可采用儀表放大器，如圖2所示。

儀表放大器具有很高的輸入阻抗（一般高達(dá)109?以上），有利于發(fā)揮傳感器的靈敏度，減小信號(hào)損失；

較低的失調(diào)電壓（一般小于等于25Vμ）與溫度漂移系數(shù)（一般小于等于

較高的共模抑制比CMRR（一般均超過120dB）；

輸入方式為平衡輸入，容易與測(cè)量系統(tǒng)中的傳感器（特別是接成橋路結(jié)構(gòu)的傳感器）配接；

采用不平衡輸出，易與后續(xù)其他電路配接；穩(wěn)定的增益，增益僅由一個(gè)電阻RG調(diào)節(jié)，使用方便；

低的輸出阻抗。其放大倍數(shù)為：

1.2 電壓信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換

1.2.1 采樣保持

在智能傳感器中，一般被測(cè)的連續(xù)模擬信號(hào)只能以一定的采樣頻率將采樣點(diǎn)的量值數(shù)字化后送入微機(jī)處理器，而A/D轉(zhuǎn)換器每完成一次轉(zhuǎn)換都需要一定的時(shí)間cT。

如果輸入A/D轉(zhuǎn)換器的模擬電壓Ux在cT期間變化大于1LSB（LSB為轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后的數(shù)值的最小單位）的量化電壓時(shí)，一般就不能保證轉(zhuǎn)換的精度，因此在轉(zhuǎn)化時(shí)間內(nèi)對(duì)采樣點(diǎn)的信號(hào)電壓要加以保持。

以8位分辨率的ADC0809芯片為例，設(shè)其輸入電壓幅度UFS為0～5V，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100sμ，它允許的輸入電壓最大變化率為當(dāng)Ux為正弦變化的信號(hào)

因此，Ux的最高頻率fmax受到限制。

顯然，直接用ADC對(duì)模擬電壓采用與量化的方法只適合于直流與低頻信號(hào)。當(dāng)輸入ADC的電壓變化率較大時(shí)，必須采用措施，即在ADC之前加一個(gè)采樣保持環(huán)節(jié)。

采樣保持在某個(gè)規(guī)定的時(shí)刻接受輸入電壓，并在輸出端保持該電壓，直至下次采樣為止，在保持期間由ADC完成A/D轉(zhuǎn)換。這樣，上述的問題就可以得到解決。

1.2.2 A/D轉(zhuǎn)換器

A/D有多種工作原理不同的電路，并各有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。如果所選用的A/D不能滿足系統(tǒng)的要求，那么系統(tǒng)就得不到所要求的性能，嚴(yán)重時(shí)甚至所采集的是完全錯(cuò)誤的信息。

A/D轉(zhuǎn)換器的輸出方式有兩種：

1）數(shù)據(jù)輸出寄存器具備可控的三態(tài)門。此時(shí)芯片輸出線允許與CPU的數(shù)據(jù)總線直接相連，并在轉(zhuǎn)換結(jié)束后利用讀信制三態(tài)門，將數(shù)據(jù)傳輸至總線上。

2）不具備可控的三態(tài)門，或者根本沒有門電路，數(shù)據(jù)輸出寄存器直接與芯片引腳相連，此時(shí)，芯片輸出線必須通過輸入緩沖器連至CPU的數(shù)據(jù)總線。

A/D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)有電平和脈沖兩種形式。使用時(shí)應(yīng)特別注意：對(duì)要求用電位啟動(dòng)的芯片如果在轉(zhuǎn)換過程中將啟動(dòng)信號(hào)撤去，一般芯片將停止轉(zhuǎn)換而得到錯(cuò)誤的結(jié)果。

A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將發(fā)出結(jié)束信號(hào)，以示CPU可以從轉(zhuǎn)換器讀取數(shù)據(jù)。

1.3 電壓信號(hào)與微機(jī)的接口

圖3

各種型號(hào)的A/D芯片均設(shè)有數(shù)據(jù)輸出引腳、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換引腳、轉(zhuǎn)換結(jié)束引腳等。在使用時(shí)，要正確處理好上述引腳與CPU之間的硬件鏈接。

某些A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品注明直接與CPU配接，是指A/D的數(shù)據(jù)輸出線可直接掛到CPU的數(shù)據(jù)總線上，說明該轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出寄存器具有可控的三態(tài)輸出功能，轉(zhuǎn)換結(jié)束，CPU可用輸入指令讀取數(shù)據(jù)。

一般8位A/D轉(zhuǎn)換器均屬此類，而10位以上的A/D，為了可用8位的CPU直接配接，輸出數(shù)據(jù)寄存器增加了讀數(shù)控制邏輯電路，把10位以上的數(shù)據(jù)分時(shí)讀出。

對(duì)于內(nèi)部不包括讀數(shù)控制邏輯電路的，則在與8位CPU相連時(shí)，應(yīng)增加三態(tài)門，以控制10為以上數(shù)據(jù)分兩次讀取。A/D需外部控制啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)，方能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這一啟動(dòng)信號(hào)有CPU提供。

CPU從A/D讀取數(shù)據(jù)的聯(lián)絡(luò)方式有中斷和查詢兩種，這兩種方式的選擇往往取決于A/D的轉(zhuǎn)換速度和用戶程序的安排。

圖3給出了單片機(jī)8031與逐次逼近式AD0809轉(zhuǎn)換器的硬件連接圖。由于ADC0809轉(zhuǎn)換器內(nèi)部設(shè)有三態(tài)輸出鎖存器，因此可以直接與單片機(jī)相連接。

在圖3中，將ADC0809作為一個(gè)外部擴(kuò)展并行I/O口，采用中斷控制聯(lián)絡(luò)方式。線性選址，設(shè)ADC0809的口地址為01F8H。

由外部中斷1的服務(wù)程序讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，并啟動(dòng)下一次轉(zhuǎn)換。

其參考程序如下：

2 結(jié)論

經(jīng)過上述的分析，我們可以看到，傳感器的輸出有多種形式，其中以模擬電壓形式輸出是分析的重點(diǎn)。為了精確的測(cè)量輸出結(jié)果，需經(jīng)過特定的電路放大，模數(shù)轉(zhuǎn)換，再輸入單片機(jī)處理。

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