傳感器輸出信號的微機處理

劉成剛，張利紅

1.濟南職業學院電子工程系，山東濟南 250103

2.山東省特種設備協會，山東濟南 250103

0 引言

傳感器按照輸出信號的性質可分為開關型（二值型）、數字型和模擬型。開關型傳感器的輸出就是“1”和“0”；數字型傳感器有計數型（脈沖數字型）和代碼型（編碼型）兩大類，開關型和數字型的信號可直接送到微機進行處理，使用方便。

模擬型傳感器的輸出是與輸入物理量變換相對應的連續變化的電參量，其輸入輸出關系可能是線性的，也可能是非線性的。非線性信號需要進行適當修正將其擬合為線性信號，從而將這些線性信號進行模數變換，成為數字信號，再送到微機進行處理，本文主要談論模擬型輸出。

1 輸出模擬信號的處理

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。對這類信號的預處理和數字化接口電路的組成如圖1所示。

圖1

從圖1可以看出，對于電容與電感的信號往往是采用振蕩電路，將信號轉換成頻率的變化，然后可以用頻率計數器將頻率的變化信號變為數字信號，再送到微機進行處理；其它的都以電壓變化的形式出現和處理。下面著重討論電壓信號的預處理和數字化。

1.1 電壓信號的放大

圖2

多數傳感器輸出的模擬電壓在毫伏或微伏數量級，而且一般變化較為緩慢，但信號所處的環境有時往往比較惡劣，干擾和噪聲較大。

預處理電路既要將微弱的低電平信號放大到模數轉換器所要求的信號電平，如0～+5V或0～+10V的范圍，又要抑制干擾、降低噪聲，保證信號檢測的精度。

因此，在電壓信號的預處理電路中，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109?以上），有利于發揮傳感器的靈敏度，減小信號損失；

較低的失調電壓（一般小于等于25Vμ）與溫度漂移系數（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，容易與測量系統中的傳感器（特別是接成橋路結構的傳感器）配接；

采用不平衡輸出，易與后續其他電路配接；穩定的增益，增益僅由一個電阻RG調節，使用方便；

低的輸出阻抗。其放大倍數為：

1.2 電壓信號的模數轉換

1.2.1 采樣保持

在智能傳感器中，一般被測的連續模擬信號只能以一定的采樣頻率將采樣點的量值數字化后送入微機處理器，而A/D轉換器每完成一次轉換都需要一定的時間cT。

如果輸入A/D轉換器的模擬電壓Ux在cT期間變化大于1LSB（LSB為轉換成數字量后的數值的最小單位）的量化電壓時，一般就不能保證轉換的精度，因此在轉化時間內對采樣點的信號電壓要加以保持。

以8位分辨率的ADC0809芯片為例，設其輸入電壓幅度UFS為0～5V，轉換時間為100sμ，它允許的輸入電壓最大變化率為當Ux為正弦變化的信號

因此，Ux的最高頻率fmax受到限制。

顯然，直接用ADC對模擬電壓采用與量化的方法只適合于直流與低頻信號。當輸入ADC的電壓變化率較大時，必須采用措施，即在ADC之前加一個采樣保持環節。

采樣保持在某個規定的時刻接受輸入電壓，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轉換。這樣，上述的問題就可以得到解決。

1.2.2 A/D轉換器

A/D有多種工作原理不同的電路，并各有不同的優缺點。如果所選用的A/D不能滿足系統的要求，那么系統就得不到所要求的性能，嚴重時甚至所采集的是完全錯誤的信息。

A/D轉換器的輸出方式有兩種：

1）數據輸出寄存器具備可控的三態門。此時芯片輸出線允許與CPU的數據總線直接相連，并在轉換結束后利用讀信制三態門，將數據傳輸至總線上。

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

A/D轉換器的啟動轉換信號有電平和脈沖兩種形式。使用時應特別注意：對要求用電位啟動的芯片如果在轉換過程中將啟動信號撤去，一般芯片將停止轉換而得到錯誤的結果。

A/D轉換器轉換結束后，將發出結束信號，以示CPU可以從轉換器讀取數據。

1.3 電壓信號與微機的接口

圖3

各種型號的A/D芯片均設有數據輸出引腳、啟動轉換引腳、轉換結束引腳等。在使用時，要正確處理好上述引腳與CPU之間的硬件鏈接。

某些A/D轉換器產品注明直接與CPU配接，是指A/D的數據輸出線可直接掛到CPU的數據總線上，說明該轉換器的數據輸出寄存器具有可控的三態輸出功能，轉換結束，CPU可用輸入指令讀取數據。

一般8位A/D轉換器均屬此類，而10位以上的A/D，為了可用8位的CPU直接配接，輸出數據寄存器增加了讀數控制邏輯電路，把10位以上的數據分時讀出。

對于內部不包括讀數控制邏輯電路的，則在與8位CPU相連時，應增加三態門，以控制10為以上數據分兩次讀取。A/D需外部控制啟動轉換信號，方能進行轉換，這一啟動信號有CPU提供。

CPU從A/D讀取數據的聯絡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的轉換速度和用戶程序的安排。

圖3給出了單片機8031與逐次逼近式AD0809轉換器的硬件連接圖。由于ADC0809轉換器內部設有三態輸出鎖存器，因此可以直接與單片機相連接。

在圖3中，將ADC0809作為一個外部擴展并行I/O口，采用中斷控制聯絡方式。線性選址，設ADC0809的口地址為01F8H。

由外部中斷1的服務程序讀取轉換結果，并啟動下一次轉換。

其參考程序如下：

2 結論

經過上述的分析，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。為了精確的測量輸出結果，需經過特定的電路放大，模數轉換，再輸入單片機處理。

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