測(cè)控電路第一章緒論

1、中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院測(cè)測(cè) 控控 電電 路路v朱維斌朱維斌 仰儀北仰儀北506Z中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院 第一章 緒論第五節(jié)第五節(jié) 測(cè)控電路的發(fā)展趨勢(shì)測(cè)控電路的發(fā)展趨勢(shì)第四節(jié)第四節(jié) 測(cè)控電路的類型與組成測(cè)控電路的類型與組成第三節(jié)第三節(jié) 測(cè)控電路的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)測(cè)控電路的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)第二節(jié)第二節(jié) 對(duì)測(cè)控電路的主要要求對(duì)測(cè)控電路的主要要求第一節(jié)第一節(jié) 測(cè)控電路的功用測(cè)控電路的功用第六節(jié)第六節(jié) 課程的性質(zhì)、內(nèi)容與學(xué)習(xí)方法課程的性質(zhì)、內(nèi)容與學(xué)習(xí)方法中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院 第一節(jié) 測(cè)控電路的功用明確以下問(wèn)題：v 1、為什么說(shuō)在現(xiàn)代生產(chǎn)中提高產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率都離不

2、開測(cè)量與控制技術(shù)？v 2、試舉例說(shuō)明測(cè)量與控制技術(shù)在生產(chǎn)、生活與各種工作中的廣泛應(yīng)用。v 3、測(cè)控系統(tǒng)由那幾部分組成？中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院 第一節(jié) 測(cè)控電路的功用v 測(cè)控電路在整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)中起著什么樣的作用？傳感器傳感器 測(cè)量控測(cè)量控 制電路制電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖1-1 測(cè)控系統(tǒng)的組成中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院 第二節(jié) 對(duì)測(cè)控電路的主要要求v 一、精度高一、精度高v 二、響應(yīng)快二、響應(yīng)快v 三、轉(zhuǎn)換靈活三、轉(zhuǎn)換靈活v 四、可靠性高四、可靠性高v 五、經(jīng)濟(jì)性好五、經(jīng)濟(jì)性好中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院 一、精度高一、精度高v 影響測(cè)控電路精度的主要因素有哪些？其中哪幾個(gè)因素是最基本的？v 1、噪聲

3、與干擾v 2、失調(diào)與漂移，主要是溫漂v 3、線性度與保真度v 4、輸入與輸出阻抗的影響中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院 1.信號(hào)的選取和抗干擾能力（噪聲與干擾）信號(hào)的選取和抗干擾能力（噪聲與干擾）傳感器輸出信號(hào)傳感器輸出信號(hào)反映被測(cè)參數(shù)情況的測(cè)量信號(hào)反映被測(cè)參數(shù)情況的測(cè)量信號(hào)器件內(nèi)部產(chǎn)生的器件內(nèi)部產(chǎn)生的外界干擾引起的外界干擾引起的其他伴隨信號(hào)（載波、諧波、非表征被測(cè)參數(shù)）其他伴隨信號(hào)（載波、諧波、非表征被測(cè)參數(shù)）噪聲信號(hào)噪聲信號(hào)為了保證精度：為了保證精度：儀器電路本身為低噪聲儀器電路本身為低噪聲選用低噪聲元件、合理選擇參數(shù)選用低噪聲元件、合理選擇參數(shù)采用恰當(dāng)?shù)目垢蓴_措施采用恰當(dāng)?shù)目垢蓴_措施屏蔽、隔離、

4、合理布線屏蔽、隔離、合理布線 合理接地和電路本身的合理設(shè)計(jì)合理接地和電路本身的合理設(shè)計(jì)尤其是前級(jí)電路尤其是前級(jí)電路被測(cè)信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)是電路信號(hào)選取、抗干擾的重要和常用措施之一被測(cè)信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)是電路信號(hào)選取、抗干擾的重要和常用措施之一對(duì)伴隨信號(hào)的分離與選擇對(duì)伴隨信號(hào)的分離與選擇采用高共模抑制比電路采用高共模抑制比電路中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院 2.低漂移、高穩(wěn)定性低漂移、高穩(wěn)定性溫漂：二極管與三極管由于溫度的變化，會(huì)引起電路的漂移。溫漂：二極管與三極管由于溫度的變化，會(huì)引起電路的漂移。表現(xiàn)為：儀器在一次運(yùn)行中示值發(fā)生漸變。（預(yù)熱）表現(xiàn)為：儀器在一次運(yùn)行中示值發(fā)生漸變。（預(yù)熱） 或者冬天和夏天

5、示值不一樣或者冬天和夏天示值不一樣措施措施采用漂移小、經(jīng)老化處理的元件采用漂移小、經(jīng)老化處理的元件采用溫度負(fù)反饋、補(bǔ)償措施采用溫度負(fù)反饋、補(bǔ)償措施采用自動(dòng)穩(wěn)零、自動(dòng)定標(biāo)、放大比校正電路采用自動(dòng)穩(wěn)零、自動(dòng)定標(biāo)、放大比校正電路規(guī)定環(huán)境溫度和預(yù)熱要求規(guī)定環(huán)境溫度和預(yù)熱要求注意：大功率器件遠(yuǎn)離前級(jí)電路、安排好散熱注意：大功率器件遠(yuǎn)離前級(jí)電路、安排好散熱中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院 3.線性與保真度好線性與保真度好線性度：輸入與輸出間具有線性關(guān)系。線性度：輸入與輸出間具有線性關(guān)系。問(wèn)題：為什么儀器電路中我們追求線性關(guān)系？非線性的時(shí)候問(wèn)題：為什么儀器電路中我們追求線性關(guān)系？非線性的時(shí)候怎么辦？非線性影響怎么辦

6、？非線性影響 精度么？精度么？保真度：從視聽設(shè)備借用過(guò)來(lái)的概念，它要求記錄下來(lái)的數(shù)保真度：從視聽設(shè)備借用過(guò)來(lái)的概念，它要求記錄下來(lái)的數(shù)據(jù)、圖形保持測(cè)量原貌據(jù)、圖形保持測(cè)量原貌 當(dāng)然不僅要求線性度好，當(dāng)然不僅要求線性度好，還要良好的幅頻特性和相頻特還要良好的幅頻特性和相頻特性。因?yàn)槲覀兊脑夹盘?hào)具有性。因?yàn)槲覀兊脑夹盘?hào)具有不同的頻譜成分。不同的頻譜成分。中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院 4.合適的輸入與輸出阻抗合適的輸入與輸出阻抗 輸出阻抗很高的傳感器要求電路有很高的輸入阻輸出阻抗很高的傳感器要求電路有很高的輸入阻抗抗場(chǎng)效應(yīng)管、自舉電路、電荷放大器場(chǎng)效應(yīng)管、自舉電路、電荷放大器前端電路前端電路后端電路

7、后端電路R0Ri中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院 v 在機(jī)械量測(cè)試中，例如測(cè)定一些高頻振動(dòng)和高速回轉(zhuǎn)軸系的高次諧波在機(jī)械量測(cè)試中，例如測(cè)定一些高頻振動(dòng)和高速回轉(zhuǎn)軸系的高次諧波（例如（例如15001500次諧波），被測(cè)信號(hào)的頻率可達(dá)次諧波），被測(cè)信號(hào)的頻率可達(dá)10107 7HzHz以上。以上。頻率特性的要求看：頻率特性的要求看：有些儀器寬頻帶不失真信號(hào)有些儀器寬頻帶不失真信號(hào)選頻特性選頻特性頻帶抑制型頻帶抑制型 （例如解調(diào)后抑制載波頻率（例如解調(diào)后抑制載波頻率或二倍載波頻率）或二倍載波頻率）電路要求電路要求在很大頻帶范圍內(nèi)選通某一頻帶的能力在很大頻帶范圍內(nèi)選通某一頻帶的能力在很大頻帶范圍內(nèi)抑制另一頻率范

8、圍的能力在很大頻帶范圍內(nèi)抑制另一頻率范圍的能力二、響應(yīng)快二、響應(yīng)快頻率特性和響應(yīng)速度快頻率特性和響應(yīng)速度快實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量已成為測(cè)量技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量已成為測(cè)量技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院 三、轉(zhuǎn)換靈活三、轉(zhuǎn)換靈活v為什么說(shuō)測(cè)控電路是測(cè)控系統(tǒng)中最靈活的環(huán)節(jié)，為什么說(shuō)測(cè)控電路是測(cè)控系統(tǒng)中最靈活的環(huán)節(jié)，它體現(xiàn)在哪些方面？它體現(xiàn)在哪些方面？1 1、模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)模轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)模轉(zhuǎn)換2 2、信號(hào)形式的轉(zhuǎn)換、信號(hào)形式的轉(zhuǎn)換直流直流交流交流電壓電壓電流電流信號(hào)大小信號(hào)大小頻率頻率幅值幅值相位相位脈寬脈寬中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院 3 3、量程與分辨率、量程與分辨率模擬式電測(cè)量?jī)x模擬

9、式電測(cè)量?jī)x數(shù)字式量?jī)x量程主要是由放大器動(dòng)態(tài)工作范圍決定數(shù)字式量?jī)x量程主要是由放大器動(dòng)態(tài)工作范圍決定量程受量程受傳感器線性范圍的限制傳感器線性范圍的限制放大器動(dòng)態(tài)工作范圍的限制放大器動(dòng)態(tài)工作范圍的限制問(wèn)題：要提高模擬式電測(cè)量?jī)x的分辨率要怎么辦？問(wèn)題：要提高模擬式電測(cè)量?jī)x的分辨率要怎么辦？分辨率：分辨率：提高儀器分辨率有利于減少讀數(shù)誤差提高儀器分辨率有利于減少讀數(shù)誤差中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院 4.4.信號(hào)選取信號(hào)選取信號(hào)信號(hào)有用信號(hào)有用信號(hào)噪聲噪聲5.5.信號(hào)的處理與運(yùn)算信號(hào)的處理與運(yùn)算非線性環(huán)節(jié)進(jìn)行線性化處理非線性環(huán)節(jié)進(jìn)行線性化處理和誤差補(bǔ)償?shù)鹊群驼`差補(bǔ)償?shù)鹊燃訙p乘除、求導(dǎo)、積分等電路加減乘除、

10、求導(dǎo)、積分等電路中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院 四四 可靠性與經(jīng)濟(jì)性可靠性與經(jīng)濟(jì)性FPGACPLD異軍突起異軍突起中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院 第三節(jié)第三節(jié) 測(cè)控電路的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)輸入信號(hào)輸入信號(hào)數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)模擬信號(hào)輸出信號(hào)輸出信號(hào)數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)模擬信號(hào)一、模擬信號(hào)一、模擬信號(hào)1 1、非調(diào)制信號(hào)、非調(diào)制信號(hào) 非調(diào)制模擬信號(hào)非調(diào)制模擬信號(hào)1 12 2 0 0 x x t t電路簡(jiǎn)單無(wú)需解調(diào)，抗干擾差電路簡(jiǎn)單無(wú)需解調(diào)，抗干擾差中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院 2. 2. 調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào) 輸入信號(hào)輸入信號(hào)調(diào)制器調(diào)制器輸出信號(hào)輸出信號(hào)m(t)調(diào)制波調(diào)制波c(t)載波載波s(t)已調(diào)波已調(diào)波

11、幾個(gè)重要概念：幾個(gè)重要概念：1、載波頻率、載波頻率（carrying frequency)2、載波信號(hào)（載波信號(hào)（carrying signal)3、調(diào)制信號(hào)（調(diào)制信號(hào)（modulating signal)4、已調(diào)信號(hào)（已調(diào)信號(hào)（modulated signal)5、調(diào)幅信號(hào)（調(diào)幅信號(hào)（amplitude modulated signal)收音機(jī)中調(diào)頻、調(diào)幅。長(zhǎng)波、中波、短波。收音機(jī)中調(diào)頻、調(diào)幅。長(zhǎng)波、中波、短波。中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院 1.調(diào)幅信號(hào)調(diào)幅信號(hào)調(diào)幅：調(diào)幅：用調(diào)制信號(hào)用調(diào)制信號(hào)x x（被測(cè)量）去控制載波的振幅，使高頻振幅按調(diào)制信號(hào)（被測(cè)量）去控制載波的振幅，使高頻振幅按調(diào)制信號(hào)

12、的規(guī)律變化的規(guī)律變化例：用電感傳感器測(cè)量工件輪廓形狀例：用電感傳感器測(cè)量工件輪廓形狀usucx214圖圖1-3 用電感傳感器測(cè)量用電感傳感器測(cè)量 工件輪廓形狀工件輪廓形狀3圖圖1-4 調(diào)幅信號(hào)調(diào)幅信號(hào)c)ustuctb)a)O xtxO xO中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院 2.調(diào)頻信號(hào)調(diào)頻信號(hào)v 用調(diào)制信號(hào)（被測(cè)量）用調(diào)制信號(hào)（被測(cè)量）高頻振蕩的頻率高頻振蕩的頻率控制控制xtOOtusa) 調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)b) 調(diào)頻信號(hào)調(diào)頻信號(hào)調(diào)頻信號(hào)的波形調(diào)頻信號(hào)的波形中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院 3.調(diào)相信號(hào)調(diào)相信號(hào)v 用調(diào)制信號(hào)（被測(cè)量）用調(diào)制信號(hào)（被測(cè)量）高頻振蕩的相位高頻振蕩的相位控制控制干涉儀中干涉儀中a)

13、b)c)txOttucus OO調(diào)相信號(hào)的波形調(diào)相信號(hào)的波形中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院 4.脈沖調(diào)制信號(hào)脈沖調(diào)制信號(hào)v 用調(diào)制信號(hào)（被測(cè)量）用調(diào)制信號(hào)（被測(cè)量）脈沖的寬度脈沖的寬度控制控制調(diào)寬調(diào)寬Ua) 調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)b) 脈沖調(diào)寬信號(hào)脈沖調(diào)寬信號(hào)txOxTBtO中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院 二、數(shù)字信號(hào)（一）增量碼信號(hào)（一）增量碼信號(hào)定義：被測(cè)量值定義：被測(cè)量值輸出信號(hào)的變化周期成正比輸出信號(hào)的變化周期成正比 被測(cè)量值與傳感器輸出信號(hào)的變化周期成正比，被測(cè)量值與傳感器輸出信號(hào)的變化周期成正比，量值大小由信號(hào)變化周期數(shù)增量決定。量值大小由信號(hào)變化周期數(shù)增量決定。中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院 （二）絕對(duì)

14、碼信號(hào)（二）絕對(duì)碼信號(hào)被測(cè)量被測(cè)量 一定的編碼一定的編碼對(duì)應(yīng)于對(duì)應(yīng)于1111000000010010001101000101011001111000111011001101101110101001（三）開關(guān)信號(hào)（三）開關(guān)信號(hào) 只有只有0 0、1 1兩個(gè)狀態(tài)兩個(gè)狀態(tài) 例如光電開關(guān)、繼電器例如光電開關(guān)、繼電器中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院 第四節(jié) 測(cè)控電路的類型與組成v一、測(cè)量電路的基本組成一、測(cè)量電路的基本組成(一)模擬式測(cè)量電路的基本組成(二)數(shù)字式測(cè)量電路的基本組成v二、控制電路的基本組成二、控制電路的基本組成(一)開環(huán)控制(二)閉環(huán)控制中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院 電路電路傳傳 感感 器器量程切換電

15、路量程切換電路放放 大大 器器 解解 調(diào)調(diào) 器器信號(hào)分離電路信號(hào)分離電路運(yùn)運(yùn) 算算 電電 路路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路計(jì)計(jì) 算算 機(jī)機(jī)顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)振振 蕩蕩 器器 電電 源源圖圖1-6 1-6 模擬式測(cè)量電路的基本組成模擬式測(cè)量電路的基本組成中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院 指令傳感器指令傳感器電路電路傳傳 感感 器器顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)計(jì)計(jì) 算算 機(jī)機(jī)鎖鎖 存存 器器計(jì)計(jì) 數(shù)數(shù) 器器轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量放放 大大 器器整形電路整形電路細(xì)分電路細(xì)分電路手動(dòng)采樣手動(dòng)采樣鎖存指令鎖存指令辨向電路辨向電路圖圖1-7 1-7 增量碼數(shù)字式測(cè)量電路的基本組成增量碼數(shù)字式測(cè)量電路的基本

16、組成中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院 圖圖1-8 1-8 開環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成開環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成測(cè)量電路測(cè)量電路 控制電路控制電路 擾動(dòng)量擾動(dòng)量傳感器傳感器放大放大電路電路輸出輸出轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換電路電路設(shè)定設(shè)定電路電路執(zhí)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)給定給定機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)被控被控對(duì)象對(duì)象中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院 設(shè)定設(shè)定電路電路比較比較電路電路校正校正電路電路轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換電路電路給定給定機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)執(zhí)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)被控被控對(duì)象對(duì)象輸出輸出傳感器傳感器擾動(dòng)擾動(dòng)放大放大電路電路控制電路控制電路圖圖1-9 1-9 閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成 中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院 第五節(jié) 測(cè)控電路的發(fā)展趨勢(shì)v優(yōu)質(zhì)化優(yōu)質(zhì)化v集成化集成化v系統(tǒng)設(shè)計(jì)觀系統(tǒng)設(shè)計(jì)觀v數(shù)字化數(shù)字化v通