嘉兆新闻> 【白皮书】利用信号调理提高测量质量(上)

【白皮书】利用信号调理提高测量质量(上)

发 布:2019/6/25 10:46:53查 看:119

简介

测量现实世界中的物理现象时,信号调理是精确测量传感器输出信号、提高采集质量的先决条件。就好像生长在农场中的小麦,在包装成杂货店里的一袋袋面粉之前,需要经过大量的预处理,原始信号必须经过清理、转换和适当的调整,才能成为人类或机器可以识别的信号。

针对不同的待测信号和测量仪器,应选用不同的信号调理方式。为了让您更加熟悉信号调理的基础知识,本文将讨论数据采集领域最常见的信号调理技术:

1、模拟输入前端拓扑

2、仪表放大器

3、滤波

4、衰减

5、隔离

6、线性化

7、电路保护

每种技术都有相应的优势和不足。本文力图阐明其最佳使用方法和常见应用场合。电路图和公式用于说明如何选取正确的电子元器件。理解这些信号调理技术的特点,将有助于您在相关应用中提高数据采集系统的测量精度。

1. 模拟输入前端拓扑
数据采集系统架构

就某些方面而言,数据采集系统有别于单通道或多通道的测量仪器。它可以同步测量几百个通道的输入数据,并进行存储,多数系统都具有8到32个通道,通道数一般是8的倍数。相比而言,一个可选量程的电压表可以被认为是一个数据采集系统,但需要手动选择量程,而且数据存储能力的缺乏,限制了其应用范围。

图1:数据采集系统结构框图。一个简单的数据采集系统前置多路复用输入段,后面跟一个仪表放大器(IA),将信号送入唯一的高精度、高成本的模数转换器(ADC)。这种结构避免了使用多个ADC所需要的昂贵成本。

图1说明了一个简单的数据采集系统包括切换网络(多路复用器)和模数转换器(ADC),而我们要讨论的对象,仪表放大器(IA),位于二者之间。每个电路模块都有独特的功能和使用限制,共同决定了系统的性能。

ADC是电路中模拟部分到数字部分路径中的最后一级。在任何一个数据采样系统中,例如多路复用数据采集系统,信号流进ADC之前,一个采样-保持阶段是非常必要的。ADC可能在数字化不断变化的电压模拟量时,无法充分利用其分辨率,除非电压变化相对于ADC的采样率而言较为缓慢。一些ADC具有内部采样-保持电路,或在电路结构上模仿这一过程。本文中,我们假设电路中的ADC模块包含采样-保持电路(内置或外置),可使输入信号在转换周期中保持稳定。

数据采集系统中的ADC,两个主要指标分别是分辨率和采样率,通常情况是16位或24位的分辨率和20kS/s至1MS/s的采样率,信号输入类型有单极性和双极性两种模式。单极性输入一般是0至某个正电压值或0至某个负电压值,双极性输入一般是从某个负电压至同等大小的正电压。许多数据采集系统在读取单极性或双极型信号时,都能够充分利用分辨率,这需要进行电平转换,使得双极型信号适应单极性ADC,反之亦然。举例来说,一个标准的16位分辨率,100kS/s采样率,输入范围±5V的ADC,可将输入信号量化为65536个单位,0V将对应的是名义上的第32768个单位。用10V的输入范围除以65536,得到的商代表1个最低有效位(LSB),即153μV。

图2:寄生的RC时间常数。信号源输出电阻应该尽可能的小,以减小MUX的寄生电容C和串联电阻R导致的RC时间常数,时间常数过大,可能对测量精度造成不利的影响。

信号源输出电阻过高,可能导致多路复用系统出现问题。因此,在多路复用系统中,信号源输出电阻必须足够小,图2中的RC电路很好的解释了这一点。多路数据选择器的输入端和输出端,都与地之间存在一个很小的寄生电容,这将在信号源输出电阻过高或系统采样率过高时,影响测量精度。RC电路可等效为直流电压源、电阻、开关和电容的串联,T = 0时,开关闭合,电容充电,通过10kΩ的电阻给100pF的电容充电时,RC时间常数为1μs,如果系统建立时间仅为2μs,电容只充有86%的电,误差高达14%。将电阻降低为1kΩ,可使电容在20个时间常数内,完成充电,而且精度有所保证。

图3A:输入电阻和信号源输出电阻。相对于输入电阻Ri,传感器的输出电阻Rs应该尽量小,以最小化输入到ADC的电压误差,对于mV级的信号来说,这也可以提高信噪比。

图3B:MUX的电荷注入效应。模拟开关设备的输入信号发生电平变化时,输出端可能产生尖峰脉冲,即电荷注入效应。降低信号源输出电阻可以减弱影响。

图3A显示了系统的输入电阻和传感器的输出电阻是如何串联成分压电路,并将注入ADC的信号衰减掉一部分的。多数模拟输入通道的输入电阻大于等于1MΩ,在信号源输出电阻较低的情况下,这并不是什么问题。然而,有一些传感器(例如压电传感器)的输出电阻比较高,应对其进行特殊处理。最后,使用多路数据选择器可有效提高数据采集系统的输入阻抗。

图3B演示了电荷注入效应。

运算放大器

许多传感器输出信号特别小,以至于不能直接接到低增益的多路复用数据采集系统的输入端,因此,信号必须先进行放大处理。两个例子分别是热电偶和电桥式应变计,输出信号通常低于50mV。

大多数数据采集系统使用不同结构的电路,在预处理中放大输入信号。随着现代模拟电路设计技术的发展,数据采集系统已经自带了集成运放,可轻松配置用于放大信号或缓冲信号。集成运放内部包含许多电路模块,在电路图中通常表示为简单的功能框图,外围电阻和电容的搭配,决定了其具体用途。集成运放的多功能特性使其特别适用于各种各样的信号调理。

图4:运算放大器。运算放大器的两个基本组态被称为反相组态和同相组态。放大系数等于反馈电阻和输入电阻的比值。

运算放大器多被用于反相组态和同相组态(见图4)。各种组态下,其理想增益都都反馈电抗和输入电抗的函数。此外,在一些特殊的配置下,运放可以用于实现其他的基本功能,例如电压跟随器或差分放大器。

反相放大组态


图5:反相放大组态。反相放大器的输出信号极性与输入信号相反,闭关增益等于两个电阻的比值,即 -(Rf / Ri) = - 100kΩ / 10kΩ = -10。

反相组态是运放最基本的工作组态之一。它可以输入参考自同一点的电压信号,输出放大并反相后的信号。运放的开环增益是非常高的,甚至达几十万,但理想运放的传输函数通常被假定为增益无穷大来简化引入,使其在计算级联增益时不会引入有效误差。

尽管运放具有如此高的增益,但输入信号看到的仅仅是由Rf和Ri组成分压器。负号表示输出信号与输入信号极性相反。传输函数的具体推到不在此进行,我们只给出相关计算公式。

公式1:反相放大器
Vo = –Vin(Rf/Ri)

其中:

Vo = 输出信号,单位V

Vin = 输入信号,单位V

Rf = 反馈电阻,单位Ω

Ri = 输入电阻,单位Ω
 

例,输入信号500mV,需要放大为-5V

Vo = -Vin(Rf/Ri)

-(Vo/Vin)= Rf/Ri

-(-5/0.50) = Rf/Ri = 10

因此,反馈电阻应为输入电阻的10倍,比如Ri选10kΩ,则Rf应选100kΩ(见图5)。
 

运放可安全处理的最大输入电压大约比电源电压低2V左右。例如,±15VDC供电的运放,输出信号不应超过±13VDC。这是限制运放处理信号能力的最重要的因素之一。

同相放大组态

图6:同相放大组态。工作于同相组态的放大器,输入输出信号极性相同,增益Acl = (Rf + Ri)/Ri = 11。
 

同相放大器和前面的反相放大器类似,但是输出信号极性与输入信号相同。同样的,增益只与组成分压器的两个电阻Rf和Ri有关(见图6)。
 

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