现代电子技术及应用现代电子技术及应用北京信息科技大学北京信息科技大学北京信息科技大学北京信息科技大学光电信息与通信工程学院光电信息与通信工程学院光电信息与通信工程学院光电信息与通信工程学院1传感器接口电路传感器接口电路微弱信号检测技术微弱信号检测技术模模/ /数转换技术数转换技术第三章第三章 信号预处理信号预处理23.1 3.1 传感器接口电路传感器接口电路传感器分为能量控制型和能量转化型两种：传感器分为能量控制型和能量转化型两种： 能量控制型传感器能量控制型传感器需要从外部供给能量并由被测量控制外部需要从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化。主要包括电阻传感器、电容传感器和电感供给能量的变化。主要包括电阻传感器、电容传感器和电感传感器等电路参量传感器。传感器等电路参量传感器。能量转换型传感器能量转换型传感器不需要外电源，直接由被测对象输入能量不需要外电源，直接由被测对象输入能量使其工作，输出都是电量，如电压、电流、电荷等。主要包使其工作，输出都是电量，如电压、电流、电荷等。主要包括基于压电效应、热电效应、光电动势效应等的传感器。括基于压电效应、热电效应、光电动势效应等的传感器。敏感元件转换元件转换电路被测量输出电量传感器组成框图传感器组成框图33.1 3.1 传感器接口电路传感器接口电路一、电桥接口电路一、电桥接口电路 1.1.直流电桥直流电桥直流电桥基本电路直流电桥基本电路电桥平衡，即电桥平衡，即R1R3=R2R4时，输出电压为零。时，输出电压为零。43.1 3.1 传感器接口电路传感器接口电路（1 1）单臂电桥）单臂电桥设R1=R2=R3=R4=R 输出电压与桥臂的阻值变化近似成正比输出电压与桥臂的阻值变化近似成正比53.1 3.1 传感器接口电路传感器接口电路电阻传感器电阻传感器电阻偏差电阻偏差相对偏差相对偏差温度系数温度系数例：铂金电阻的温度系数=0.00392/，在T=0时，电阻参考值为100。（a）写出电阻值关于（T）的表达式；（b）对T=25、100、-15，计算R（T）；（c）T=10时，计算R和。解：(a)R(T)=R(0)(1+T)=100(1+0.00392T)(b)R(25)=100(1+0.0039225)=109.8R(100)=139.2,R(-15)=94.12(c)R=R=RT=3.92,=T=0.039263.1 3.1 传感器接口电路传感器接口电路（2 2）双臂电桥）双臂电桥设R1=R2=R3=R4=R 双臂电桥的电压灵敏度比单臂电桥提高了双臂电桥的电压灵敏度比单臂电桥提高了2 2倍，且可以倍，且可以大大减小响应的非线性。大大减小响应的非线性。 R1增加R，R4减小R。 73.1 3.1 传感器接口电路传感器接口电路（3 3）四臂电桥）四臂电桥设R1=R2=R3=R4=R 四臂电桥的电压灵敏度比单臂电桥提高了四臂电桥的电压灵敏度比单臂电桥提高了4 4倍，且可以倍，且可以大大减小响应的非线性。大大减小响应的非线性。 R1、R3增加R，R2 、R4减小R。 83.1 3.1 传感器接口电路传感器接口电路2.2.直流电桥放大电路直流电桥放大电路浮地电源供电电桥放大电路浮地电源供电电桥放大电路 93.1 3.1 传感器接口电路传感器接口电路仪表放大器电桥放大电路仪表放大器电桥放大电路 103.1 3.1 传感器接口电路传感器接口电路线性电桥放大电路线性电桥放大电路 113.1 3.1 传感器接口电路传感器接口电路二、二、电流接口电路电流接口电路 光敏二极管接口电路光敏二极管接口电路 光敏二极管、光敏三极管是基于光电效应的光敏二极管、光敏三极管是基于光电效应的能量转换能量转换型传感器型传感器，其输出光电流大小与输入光强成近似线性关系。，其输出光电流大小与输入光强成近似线性关系。123.1 3.1 传感器接口电路传感器接口电路相位超前补偿光敏二相位超前补偿光敏二极管接口电路极管接口电路光敏三极管接口电路光敏三极管接口电路133.1 3.1 传感器接口电路传感器接口电路三、三、数字信号输出传感器接口电路数字信号输出传感器接口电路 数字信号输出传感器一般基于数字信号输出传感器一般基于I2C,SPI,单总线（单总线（1-WireBus）等总线技术实现控制处理器与传感器之间的等总线技术实现控制处理器与传感器之间的数据传输。数据传输。I2C总线总线以同步串行以同步串行2线方式进行通信（一条时钟线，一线方式进行通信（一条时钟线，一条数据线）条数据线）SPI总线总线则以同步串行则以同步串行3线方式进行通信（一条时钟线，线方式进行通信（一条时钟线，一条数据输入线，一条数据输出线）一条数据输入线，一条数据输出线） 单总线（单总线（1-WireBus）技术采用单根信号线传输数据，技术采用单根信号线传输数据，而且数据传输是双向的，因而具有线路简单，硬件开销少，而且数据传输是双向的，因而具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。143.1 3.1 传感器接口电路传感器接口电路1. 1. 数字温度传感器数字温度传感器 DS18B20DS18B20DS18B20DS18B20温度测量范围为温度测量范围为5555125,125,测温精度为测温精度为0.50.5C C； 微处理器只需一根端口线微处理器只需一根端口线( (1-1-wirewire总线总线) )就能与多个就能与多个DS18B20DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。引线和逻辑电路。 DS18B20DS18B20能够由数据线获取电源（寄生电源），无需外部能够由数据线获取电源（寄生电源），无需外部工作电源。工作电源。 DS18B20DS18B20具有具有6464位序列号，它可以看作是该位序列号，它可以看作是该DS18B20DS18B20的地址的地址序列码。作用是使每一个序列码。作用是使每一个 DS18B20DS18B20都各不相同，这样就可都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个以实现一根总线上挂接多个DS18B20DS18B20的目的。的目的。 153.1 3.1 传感器接口电路传感器接口电路管管脚脚图图163.1 3.1 传感器接口电路传感器接口电路内部结构图内部结构图DS18B20DS18B20内部结构主要由四部分组成：内部结构主要由四部分组成：6464位位ROMROM和和1-1-WireWire接口、暂存寄存器、温度传感器、接口、暂存寄存器、温度传感器、EEPROMEEPROM（温度报警触发器温度报警触发器THTH和和TLTL和配置寄存器）。和配置寄存器）。 173.1 3.1 传感器接口电路传感器接口电路DS18B20DS18B20的暂存寄存器和的暂存寄存器和EEPROMEEPROM。 183.1 3.1 传感器接口电路传感器接口电路2. 2. DS18B20DS18B20应用电路应用电路193.1 3.1 传感器接口电路传感器接口电路3. 3. DS18B20DS18B20操作命令操作命令指令指令代码代码说明说明ReadROM33H如果只有一片如果只有一片DS18B20，可读出序列号，若在可读出序列号，若在线线DS18B20多于一个，将发生冲突。多于一个，将发生冲突。MatchROM55H多个多个DS18B20在线时，匹配一个给定序列号的在线时，匹配一个给定序列号的DS18B20，此后的命令就针对该此后的命令就针对该DS18B20。SkipROMCCH此命令执行后的存储器操作将针对在线的所有此命令执行后的存储器操作将针对在线的所有DS18B20SearchROMF0H读出在线的读出在线的DS18B20的序列号。的序列号。ROMROM操作命令操作命令203.1 3.1 传感器接口电路传感器接口电路3. 3. DS18B20DS18B20操作命令操作命令指令指令代码代码说明说明ConvertT44H启动在线启动在线DS18B20做温度转换。做温度转换。ReadScratchpadBEH读取暂存寄存器的温度值读取暂存寄存器的温度值。WriteScratchpad4EH写数据到暂存寄存器写数据到暂存寄存器CopyScratchpad48H将暂存寄存器的数据拷贝到将暂存寄存器的数据拷贝到EEPROM中。中。存储器操作命令存储器操作命令213.1 3.1 传感器接口电路传感器接口电路4. 4. DS18B20DS18B20总线时序总线时序初始化时序初始化时序223.1 3.1 传感器接口电路传感器接口电路初始化时序初始化时序处理器与处理器与DS18B20的所有通信都以一个初始化过程开始，的所有通信都以一个初始化过程开始，包括处理器发出的包括处理器发出的复位脉冲复位脉冲和和DS18B20发出的发出的存在脉冲存在脉冲。DS18B20在复位后发出存在脉冲通知处理器它在线并且准在复位后发出存在脉冲通知处理器它在线并且准备好下一步操作。备好下一步操作。首先处理器把首先处理器把1-Wire总线拉低至少总线拉低至少480s发出复位脉冲，发出复位脉冲，然后释放然后释放1-Wire总线进入接收状态，上拉电阻将总线进入接收状态，上拉电阻将1-Wire总总线上拉至高电平。线上拉至高电平。当当DS18B20检测到检测到1-Wire总线的上升沿后，等待总线的上升沿后，等待16-60s后将后将1-Wire总线拉低总线拉低60-240s发出存在脉冲。发出存在脉冲。233.1 3.1 传感器接口电路传感器接口电路写时序写时序243.1 3.1 传感器接口电路传感器接口电路写时序写时序写时序均以处理器把写时序均以处理器把1-Wire总线拉低开始，整个过程持总线拉低开始，整个过程持续时间必须大于续时间必须大于60s。写写1时，处理器把时，处理器把1-Wire总线拉低后，必须在总线拉低后，必须在15s内内释释放放1-Wire总线，上拉电阻随之把总线拉至高电平。总线，上拉电阻随之把总线拉至高电平。写写0时，处理器把时，处理器把1-Wire总线拉低后，必须保持低电平至总线拉低后，必须保持低电平至该时序结束（至少该时序结束（至少60s）。）。DS18B20在处理器启动写时序在处理器启动写时序15s后后采样采样1-Wire。采采样期间样期间1-Wire为高电平则一个为高电平则一个1被写到被写到DS18B20中，中，1-Wire为地电平则一个为地电平则一个0被写到被写到DS18B20中中.253.1 3.1 传感器接口电路传感器接口电路读时序读时序263.1 3.1 传感器接口电路传感器接口电路读时序读时序只有处理器启动读时序后，只有处理器启动读时序后，DS18B20才能发送数据。因才能发送数据。因此，处理器发出读寄存器命令（此，处理器发出读寄存器命令（BEh）后要立即启动读时后要立即启动读时序。序。读时序均已处理器把读时序均已处理器把1-Wire总线拉低开始，整个过程持总线拉低开始，整个过程持续时间必须大于续时间必须大于60s。处理器把处理器把1-Wire总线拉低后，必须在总线拉低后，必须在1s内内释放释放1-Wire总线。总线。DS18B20在处理器启动写时序在处理器启动写时序1s后后开始发送开始发送1或或0。发发送送1时让时让1-Wire保持高电平，发送保持高电平，发送0时时把把1-Wire拉为低拉为低电平。电平。DS18B20数据有效时间为数据有效时间为15s，因此处理器必须在因此处理器必须在15s内内采样数据。采样数据。273.1 3.1 传感器接口电路传感器接口电路DS18B20DS18B20操作实例：操作实例：283.3 3.3 模数转换技术模数转换技术一、一、ADC性能指标性能指标293.3 3.3 模数转换技术模数转换技术1.量化噪声量化噪声 量化噪声量化噪声eq的的峰值峰值为为 量化噪声量化噪声eq的的有效值有效值为为 vI是一正弦信号，当是一正弦信号，当幅度幅度为为VFSR/2时，信噪比最大。时，信噪比最大。303.3 3.3 模数转换技术模数转换技术2.积分非线性和差分非线性积分非线性和差分非线性 积分非线性（积分非线性（INL）为码字为码字中心线与直线之间的最大偏差。中心线与直线之间的最大偏差。 理论上，码字变换间隔为理论上，码字变换间隔为1LSB。与这个理论值的最大与这个理论值的最大偏差称为差分非线性（偏差称为差分非线性（DNL）。）。 DNL1LSB发生漏码。发生漏码。3.转换时间转换时间 完成一次完成一次A-D转换需要一定的时间，称为转换时间。转换需要一定的时间，称为转换时间。313.3 3.3 模数转换技术模数转换技术1.并行比较型并行比较型ADC转换速度高分辨率不高功耗大 二、二、ADC电路原理电路原理323.3 3.3 模数转换技术模数转换技术2.逐次逼近比较型模数转换器逐次逼近比较型模数转换器速度较高功耗低 333.3 3.3 模数转换技术模数转换技术3.积分型模数转换器积分型模数转换器速度慢分辨率高功耗低 343.3 3.3 模数转换技术模数转换技术4.流水线型模数转换器流水线型模数转换器速度较高分辨率较高353.3 3.3 模数转换技术模数转换技术5.-型模数转换器型模数转换器363.3 3.3 模数转换技术模数转换技术6.各类各类ADC特点特点逐次逼近型模数转换器适用于中速率或较低速、分辨率要求较高的场合；积分型模数转换器的采样速率非常低，但它们的精度可以做得很高，适用于嘈杂的工业环境以及不要求高转换速率的场合；流水线型模数转换器主要应用于高速情况下信号采集和处理，如瞬态信号处理、快速波形存储与记录、高速数据采集、视频信号量化及高速数字通讯技术等领域；闪烁式和折叠/内插式等结构的高速ADC，可应用于广播卫星；-型ADC利用高采样率和数字信号处理技术，获得了高精度的ADC，目前可达24位，主要应用于高精度数据采集方面，如数字音响系统、多媒体、地震勘探仪器、声纳等电子测量领域。373.3 3.3 模数转换技术模数转换技术1.奈奎斯特采样速率奈奎斯特采样速率三、三、-ADC原理原理有有混叠的采样混叠的采样383.3 3.3 模数转换技术模数转换技术无混叠的采样无混叠的采样393.3 3.3 模数转换技术模数转换技术2.过采样过采样403.3 3.3 模数转换技术模数转换技术例：一个音频信号用一个例：一个音频信号用一个12比特比特ADC采样。为了得到采样。为了得到16比特分辨率，求过采样频率。对应的比特分辨率，求过采样频率。对应的SNRmax是多少？是多少？解：为得到解：为得到16-12=4比特的分辨率的提高，需要用比特的分辨率的提高，需要用m=4/(0.5)=8所以过采样频率为所以过采样频率为2844.1kHz=11.29MHzSNRmax=6.02(12+4)+1.76=98.09dB413.3 3.3 模数转换技术模数转换技术3.-转换器和噪声成形转换器和噪声成形一阶一阶-转换器转换器423.3 3.3 模数转换技术模数转换技术-转换器波形转换器波形433.3 3.3 模数转换技术模数转换技术-转换器的线性系统模型转换器的线性系统模型443.3 3.3 模数转换技术模数转换技术-转换器的噪声成形转换器的噪声成形453.3 3.3 模数转换技术模数转换技术二阶二阶-转换器转换器463.3 3.3 模数转换技术模数转换技术-转换器的噪声成形（续）转换器的噪声成形（续）473.3 3.3 模数转换技术模数转换技术-转换器的噪声成形（续）转换器的噪声成形（续）例：采用一个（例：采用一个（a）一阶和（一阶和（b）二阶二阶-ADC时时，要使，要使SNRmax96dB（或或16比特），求比特），求k？解：解：（a）6.02(1+1.5m)-3.4196dB得得m10.3，k210.3=1261.（b）同理同理m6.7，k26.7=105.483.3 3.3 模数转换技术模数转换技术四、典型四、典型A/D电路应用电路应用1.12位A/D芯片AD574493.3 3.3 模数转换技术模数转换技术2.2.环境温度模数转换器环境温度模数转换器AD7314AD7314AD7314是一片具有SPI接口的8引脚温度监视模块。其温度测量范围为35OC到+85OC，精度为2OC，10位数字量，分辨率0.25OC，电源电压2.65Vto5.5V，MSOP封装形式。每隔400s自动启动一次模数转换，每次转换时间为25s。50