传感器信号调理与接口设计

（一）传感器的信号调理

传感器产生的电信号一般很弱，要经过放大后才能传输到数据采集（data acquisition，DAQ）模块做进一步处理。有些传感器的输出信号虽强，但许多DAQ部件或标准设备的输入范围固定（如±5V，0～5V等），与传感器的输出范围往往不符，必须对输出信号进行再调整（实现输出信号的标准化）。此外，传感器信号中的噪声必须尽量滤除或减小到最小。调理传感器的输出信号是为了使其更好地满足后续信号传输和处理的要求。

信号调理单元在测量系统中的位置如图1-3所示。实际上，信号调理与转换电路或检测电路之间的界限并不十分明确，有时会合二为一。因此，有些文献中也将电阻抗-电压转换电路，如电阻、电感、电容等的检测电路归为信号调理电路。

图1-3　信号调理在测量系统中的位置

图1-4为一个典型的信号获取系统。信号调理大致可分为5种类型，即电平调整、线性化、信号形式变换、滤波、阻抗匹配。

1.电平调整。这是最简单的信号调理，常见的是如图1-4中对电压信号的放大（或衰减），此外还包括传感器零位电压的调整等。

图1-4　典型的信号获取系统

2.线性化。它是针对传感器的非线性特性进行的。虽然传感器种类繁多，但面对具体测量问题时，实际可供选用的传感器可能很少，且大部分的输入-输出特性呈非线性特性。这种非线性特性对动态测量尤其不利，可能会导致动态信号波形畸变。实际中，不可能通过信号调理将非线性特性调整为理想线性特性，线性化的作用在于尽量扩大传感器响应的线性范围。

3.信号形式变换。它是将传感器输出信号从一种形式变换为另一种形式，如电压—电流变换或电流—电压变换。此外，将敏感元件的电阻抗转换为电压或电流输出的电阻抗检测电路有时也被归为这一类。

4.滤波及阻抗匹配。这是几乎所有测量系统在设计实现过程中必须予以重点考虑的问题。滤波器可以是由电阻、电容、电感等元件组成的简单无源电路，也可以是以运算放大器为中心的复杂的多级有源滤波电路。阻抗匹配则是在传感器的内部阻抗或电缆的阻抗可能会给测量系统带来重大误差时必须认真考虑的问题。

（二）传感器接口与数域(www.xing528.com)

实际的测量系统是通过传感器、信号调理，以及对数据的采集、处理、显示、存储与传输等环节的有机组合实现的。由于传感器种类繁多、涉及知识面宽广，要求测量系统的相关技术人员了解和掌握全部有关知识不现实。若能将系统模块化、输出接口标准化，相关人员就不必深入了解各功能模块的内部原理及结构，就可对整个系统进行设计、实现及维护。

图1-5所示为模块化的测量系统。随着集成电路技术的快速发展，在实际应用中具体的功能模块可能并不总是被分成截然不同的部分，但在最终利用传感器的输出信号之前，一般都需要对其进行某种信号处理。

接口（interface）是指实现2功能模块之间电气参数连接的部分，接口电路可以工作在同一电气参数范围，如将传感器输出的模拟信号调理成标准输出信号，也可将信号从一个数域变换到另一个数域，如模/数转换电路。

数域是用来表示或传输信息的某种参量的名称，数域的概念和数域之间的变换有助于说明与它们相关的传感器和电路。图1-6给出了测量系统中可能涉及的数域，其中大部分属于电气参数数域。

图1-5　模块化的测量系统

图1-6　测量系统中可能涉及的数域

模拟数域的信息由信号幅度（电荷量、电压、电流或功率）携载。时间数域的信息不是由幅度而是由时间关系（周期或频率、脉宽或相位）携载的，数字数域中信号只有“0”和“1” 2种状态，而信息则由脉冲数或由编码的串行字或并行字携载。

模拟数域的信号也称为模拟信号，这类信号最易受电气干扰影响。时间数域中的信号有时称为准数字信号。编码变量由于需要变换成数值变量，故不能以连续方式进行测量，而必须考虑周期或脉冲持续时间。数字数域中的信号称为数字信号，不仅数值显示容易，而且传输过程中抗干扰能力强。

依据测量方法的直接属性或间接属性，测量系统的结构可借助数域变化或变换来表示。例如，在电容式传感器中，可将敏感电容作为振荡器的一个选频元件，构成输出为频率信号的谐振式电容传感器，其输出信号属于时间数域，为准数字信号。这类传感器由于后续系统的测量、显示功能仅需要数字电路即可实现，因此被称为准数字传感器。

与模拟器件相比，以开关信号为特征的数字器件更容易利用微电子技术实现。因此，以频率或脉宽信号携载被测信息的准数字信号，在检测系统中使用更方便和常见。