传感器技术-传感器的信号处理（学习笔记12）

10.3 信号在传输过程中的转换技术

在工业生产、生活中，信号处理广泛使用的是计算机。由于计算机处理的对象都是数字信号，要使计算机能够识别和处理模拟信号，必须先把模拟信号转化为数字信号，然后计算机才能对其分析处理，再将其转化为模拟信号，便于执行机构执行命令。能够转换信号的A/D转换电路和D/A转换电路就成为计算机系统中不可缺少的组成部分。

随着大规模集成电路的发展，各种A/D转换电路和D/A转换电路的芯片被广泛使用。如图10-22所示为典型的数字控制系统框图。

10.3.1 A/D转换

1、 A/D转换

模拟信号到数字信号的转换称为A/D转换。能将模拟信号转换成数字信号的元件称为A/D转换器，简称为ADC。如图10-23所示为A/D转换的数据处理过程。

2.A/D转换的原理

**通常A/D转换过程是通过采样、保持、量化和编码这四个步骤完成的，**如图10-24所示。A/D转换的波形变化如图10-25所示。

3.A/D转换器的主要技术指标

目前使用的集成化的A/D转换器类型很多，性能指标也各有不同，通常由以下几个参数：

（1）**分辨率。**由输出的二进制数码的位数表示。位数越多，量化分层越细，量化误差越小，分辨率越高。

（2）精度：精度是模拟误差和数字误差的和，模拟误差是比较器的直流转化的变化造成的，数字误差是量化误差造成的。

（3）**转换速度。**由表示完成一次转换所需要的时间表示。转换时间越短，转换速度就越高。

（4）输入模拟电压范围。通常单级性工作时，范围是0～5V或0～10V，双极性输入时为-5～+5V。

10.3.2 D/A转换

1.D/A转换的概念

数字信号到模拟信号的转换称为D/A转换。能把数字信号转换成模拟信号的元件称为D/A转换器，简称DAC。

2.D/A转换的原理

数字量是用代码按数位组合起来表示的，对于有权码，每位代码都有一定的权。为了将数字量转换成模拟量，必须将每1位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了数字与模拟转换。

如图10-26所示是输入为3位二进制数时D/A转换器的转换特性，其具体而形象地反映了D/A转换器的基本功能。

3.D/A转换器的主要技术指标

（1）分辨率：是指D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级。输入数字量位数越多，输出电压可能被分离的等级就会越多，即分辨率越高。在实际中，通常用输入数字量的位数表示D/A转换器的分辨率。

（2）转换误差：转换误差来源很多，比如D/A转换器的原件参数值误差、基准电源不稳引起的误差、运算放大器零漂引起的误差等，都会造成转换误差。

（3）转换速度：是指D/A转换器转换的快慢，通常由建立时间和转换速率两个因素决定。建立时间是指输入数字量变化时，输出电压变化到稳定电压所需的时间，通常指输入的数字量由全0变为全1时，输出电压达到规定电压所需的时间。

（4）温度系数：在输入不变的情况下，输出模拟电压随着温度变化产生的变化量。温度系数通常用满刻度输出条件下温度每升高1℃输出电压变化的百分比表示。

10.4 信号的非线性校正

在实际应用的自动检测系统中，利用检测元件将被检测量转换成电量时，被检测量与大部分检测元件的输出电量不呈线性关系，导致非线性输出。导致非线性输出的原因很多，常见的有：
① 检测元件变换原理导致的非线性。
② 测量转换电路导致的非线性。

线性与非线性都是相对而言的，近似线性关系的测量转换电路具有一定的局限性，随着测量系统要求的提高，非线性问题就不能忽视。解决此类问题主要有以下三种方法：

① 缩小测量范围，取近似值。
② 采用非线性指示刻度。
③ 加非线性校正环节。

现在普遍使用数字显示装置，同时测量系统对测量精度及范围要求越来越高，非线性校正技术将会被广泛使用。

10.4.1 校正曲线的求取

传感器及测量系统的非线性误差，也称为线性度，是实际特性曲线与拟合直线偏离的程度。拟合直线是利用数学方法，依据实验数据得到的直线。校正曲线的求取方法是在已知转换器输出特性的情况下，求出相应的校正特性。简单的办法是先把校正环节的电压增益看作一个电压1，在已知的非线性特性的最大值和最小值之间连一条直线，然后以此直线为对称轴，作非线性特性的镜像，此镜像就是所需的校正特性。

10.4.2 模拟量的非线性校正

10.4.3 数字量的非线性校正

计算机技术的发展为处理数据提供了高速快捷的方法，利用软件进行传感器特性的非线性补偿具有如下优点：

① 省去了复杂的补偿硬件电路，简化了装置。
② 可以发挥计算机的智能作用，提高了检测的准确性和精度。
③ 适当改变软件内容就可对不同的传感器特性进行补偿，也可利用一台微机对多个通道、多个参数进行补偿。

利用软件对传感器的非线性进行线性校正需要做以下两方面工作：

① 大部分传感器输出模拟量或者频率，因此首先要将模拟信号数字化。
② 将数据表格存储在内存中，通过微机对数据进行处理，实现特性曲线线性化。采用软件实现数据线性化，一般可分为计算法、查表法和插值法。

（1）计算法
当传感器的输入量与输出量之间存在确定的数学表达式时，就可利用计算法进行非线性补偿。即在软件中编制一段完整数学表达式的计算程序，被测量经过采样、滤波和变换后，直接进入计算程序进行计算，计算后的数值再经过线性化处理后输出。

（2）查表法
查表法是把测量范围内被测量的变化分成若干等分点，然后由小到大顺序计算或测量出每一个等分点相对应的输出数值，这些等分点和其对应的输出数据就组成一张表格，将此数据表格存放在计算机的存储器中。软件处理方法就是编制一段查表程序，当被测量经采样、A/D转换以后，通过查表程序，就可直接从表中查出其对应的输出量的数值。

（3）插值法
插值法是利用一段简单的曲线，近似代替该区间里的实际曲线，然后通过近似曲线公式计算出需要的输出量。当使用不同的近似曲线时，就会形成不同的插值方法。在仪表及传感器线性化中常用的插值法有线性插值法（又称为折线法）和二次插值法（又称为抛物线法）。