儀器儀表電路第一章

儀器儀表電路課程介紹《儀器儀表電路》課程是測控技術(shù)及儀器專業(yè)的一門專業(yè)課。 通過本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生學(xué)會如何在實際的測量和控制任務(wù)中運用電子技術(shù)，如何與光、機、計算機緊密配合，實現(xiàn)測控任務(wù)的整體設(shè)計，并圍繞精、快、靈以及測控任務(wù)的其他要求來選用電路和設(shè)計電路。 本課程是一門實踐性很強的課程。在基本理論知識學(xué)習(xí)的同時，還介紹大量的實際應(yīng)用電路，并要求學(xué)生學(xué)會合理選用和設(shè)計常用電路、分析電路、測試電路性能和排除簡單故障。 本課程重點在于介紹各種電子器件和集成器件的外特性、應(yīng)用、以及如何構(gòu)成所需的功能電路。上一頁下一頁返回教材介紹《測控電路》教材是測控技術(shù)及儀器專業(yè)的一本專業(yè)教材。通過本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生熟悉怎樣運用電子技術(shù)來解決測量與控制中的任務(wù)。它介紹工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中常用的測量與控制電路。包括測控電路的功用和對它的主要要求、測控電路的類型與組成、信號放大電路、信號調(diào)制解調(diào)電路、信號分離電路、信號運算電路等，并通過若干典型測控電路對電路進行分析。各種電子器件和集成電路的工作原理、構(gòu)成在模擬和數(shù)字電子技術(shù)中講述，本課程只注意它們的外特性，講述其應(yīng)用，如何構(gòu)成所需的功能電路。上一頁下一頁返回目錄第一章緒論第二章信號放大電路第三章信號分離電路第四章信號調(diào)制解調(diào)電路第五章信號運算電路上一頁下一頁返回前言前言第一節(jié)與相關(guān)課程的聯(lián)系第二節(jié)應(yīng)用實例第三節(jié)分析電路的方法上一頁下一頁返回第一節(jié)與相關(guān)課程的聯(lián)系返回上一頁下一頁地基框架電路基礎(chǔ)模電、數(shù)電傳感器微機原理測控電路檢測技術(shù)測控儀器設(shè)計智能化測控系統(tǒng)……

……磚瓦完整的電控系統(tǒng)示意（硬件）前提課程：電路基礎(chǔ)模擬電子電路被測對象被控對象傳感器（放大、濾波、調(diào)制解調(diào)、信號轉(zhuǎn)換、運算、細(xì)分等）信號預(yù)處理（模/數(shù)控制電路、單片機、PLC、DSP、FPGA、計算機、工控機等）控制器

輸出電路（光隔、驅(qū)動、D/A等）返回上一頁下一頁其他相關(guān)課程的簡介測控儀器設(shè)計：介紹儀器系統(tǒng)中不同部分（機械部分、電部分、光部分、氣部分等）的總體設(shè)計原則。檢測技術(shù)：著重于測量方法和手段?？刂萍夹g(shù)與系統(tǒng)：著重于介紹一些經(jīng)典常用的控制理論，以及一些典型的控制系統(tǒng)。智能化測控系統(tǒng)：主要介紹基于單片機系統(tǒng)的各種接口電路和智能算法。返回上一頁下一頁第二節(jié)應(yīng)用實例現(xiàn)代生產(chǎn)科學(xué)研究高新科技生命科學(xué)返回上一頁下一頁生態(tài)環(huán)境核科技納米技術(shù)第二節(jié)應(yīng)用實例智能洗衣機液滴的辨別返回上一頁下一頁仿形機器人迷宮機器人跳躍機器人尋跡機器人……機器人23自由度仿人機器人返回上一頁下一頁18自由度蜘蛛機器人返回上一頁下一頁迷宮機器人上一頁下一頁返回跳躍機器人上一頁下一頁返回液體溶液的鑒別制藥工業(yè)：(藥品反應(yīng)過程監(jiān)測)飲料工業(yè)：(飲料質(zhì)量控制和假飲料鑒定)環(huán)境控制：(水污染監(jiān)測)半導(dǎo)體行業(yè)：(晶片清洗液體殘渣的檢測)醫(yī)院:(血液樣品測試)化學(xué)工業(yè):(流體分類)化學(xué)法：需化學(xué)試劑，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生二次污染。返回上一頁下一頁液滴分析技術(shù)在一定的測試系統(tǒng)條件下，在被測液體形成液滴的過程中，采用各種手段對被測液滴實施監(jiān)測，以獲得有關(guān)被測液體物理、化學(xué)參數(shù)，對液體進行定性和量化識別的技術(shù)。(*摘自天津大學(xué)精儀學(xué)院現(xiàn)代測試新技術(shù)講座)返回上一頁下一頁運用CCD獲得液滴的輪廓和瞬時體積返回上一頁下一頁不同時刻乙醇液滴的輪廓圖返回上一頁下一頁不同時刻純水液滴的輪廓圖返回上一頁下一頁兩種液滴生長過程的比較返回上一頁下一頁光纖液滴傳感器返回上一頁下一頁液滴不同生長時刻光纖的傳光情況返回上一頁下一頁電容液滴傳感器液滴體積和電容量關(guān)系返回上一頁下一頁基于體積液滴指紋圖之間的比較返回上一頁下一頁液滴分析原理圖返回上一頁下一頁實物返回上一頁下一頁第三節(jié)分析電路的方法①Ri很大，Ro很小，K很大②

虛短——在深度負(fù)反饋的條件下，運放的兩輸入端的電壓差為零

即ui＝ua－ub＝0ua＝ub③虛斷——運放的兩輸入端不取用電流。即Ii＝0返回上一頁下一頁1、運算放大器的理想特性＋－A∞2、節(jié)點電流法節(jié)點電流法——對電路中的任一節(jié)點，直接連接于該節(jié)點的所有支路的電流之代數(shù)和恒等于零。

*流入為正，流出為負(fù)。I1－I2＋I3＝0返回上一頁下一頁I1I2I3A3、疊加原理疊加原理——由兩個信號源所產(chǎn)生的響應(yīng)表示為每一個信號源單獨作用時所產(chǎn)生的響應(yīng)之和。

*每個信號源單獨作用時，其它信號源為零。

對于電壓源，相當(dāng)于接地；對于電流源，相當(dāng)于斷開。返回上一頁下一頁例題1、求出下圖電路中輸出與輸入的關(guān)系返回上一頁下一頁ui=ub=uau0=ui由虛短知：ua=ub－＋＋ARR2RuiuoIbIaI1I2uaub由節(jié)點電流法知：I1+I2+Ia=0由虛斷知：Ia＝0,Ib=0ua－＋＋AR1R2Rfu1u2uo返回上一頁下一頁1、直接用節(jié)點電流法求：又ua=0（虛短），2、用疊加原理求：u1作用時：u2=0，ua＝0，u2作用時：u1=0，ua＝0，uo＝uo1＋uo2＝……例題2、求出下圖電路中輸出與輸入的關(guān)系為什么要學(xué)？學(xué)些什么？怎么學(xué)？第1章緒論第1章緒論測控電路的功用對測控電路的主要要求

測控電路的類型與組成

課程的性質(zhì)、內(nèi)容與學(xué)習(xí)方法

測控電路的輸入輸出信號

測控電路的發(fā)展趨勢一.為什么要學(xué)？二.學(xué)些什么？三.怎么學(xué)？1.1測控電路的功用生產(chǎn)力是社會發(fā)展的決定因素。生產(chǎn)力決定國力。生產(chǎn)的兩大指標(biāo)：質(zhì)量和效率提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率都要依靠測控。沒有測量就無從了解產(chǎn)品的質(zhì)量。沒有測量就無從控制產(chǎn)品的質(zhì)量。1.1測控電路的功用機械、電子、冶金、化工、醫(yī)藥等生產(chǎn)都要靠檢測、反饋控制。

1.1測控電路的功用機器高速運轉(zhuǎn)靠精度，精度依賴于測控。自動化是提高生產(chǎn)效率的主要手段。現(xiàn)代的自動化是柔性自動化，越是柔性的系統(tǒng)越需要測量。寶鋼建設(shè)儀器測控裝備占總投資1/3。1.1測控電路的功用自動化的進一步發(fā)展就是智能化。智能化：對環(huán)境、原材料、機器工具狀態(tài)的自適應(yīng)，進行信息交換，優(yōu)化決策。智能化更離不開測控。智能機器、智能衣服、智能房屋、智能能源。一、測控電路的功用科技是第一生產(chǎn)力門德列耶夫：科學(xué)是從測量開始的，沒有測量就沒有科學(xué)。測試是“新技術(shù)革命”的先導(dǎo)和基礎(chǔ)實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。沒有儀器儀表難以進行科學(xué)研究。許多重大發(fā)現(xiàn)和發(fā)明從測試和儀器儀表進步開始。1.1測控電路的功用祖沖之圓周率是測出來的。測試變“假說”、“學(xué)說”為科學(xué)例：牛頓萬有引力學(xué)說只有在能測得地球與月亮的精確距離情況下萬有引力學(xué)說才成為科學(xué)。1.1測控電路的功用20世紀(jì)初到現(xiàn)在，諾貝爾獎金頒發(fā)給儀器與測控手段的項目達27項之多。哈勃望遠(yuǎn)鏡對天體科學(xué)的作用。掃描隧道顯微鏡對納米科技的作用。1.1測控電路的功用當(dāng)今時代是信息時代。信息技術(shù)包括：信息獲取、處理、傳輸、存儲、執(zhí)行（控制）。測量是信息的源頭，最后落實到控制。信息時代的標(biāo)志——高性能計算機的發(fā)展，速度和容量為其主要指標(biāo)。關(guān)鍵是重復(fù)定位和曝光技術(shù)精度，在于測控。1.1測控電路的功用計算機的發(fā)展建立在測控技術(shù)進步的基礎(chǔ)上1.1測控電路的功用國防事業(yè)離不開測試現(xiàn)代戰(zhàn)爭是信息戰(zhàn)儀器儀表的測量控制精度決定了武器系統(tǒng)的打擊精度（激光制導(dǎo)）定點殺傷，反導(dǎo)彈計劃-火箭攔截儀器儀表的測試速度、診斷能力與控制快速性決定了武器系統(tǒng)的反應(yīng)能力振興中國要發(fā)展測控1.1測控電路的功用航空、航天離不開測量。神洲號發(fā)射成功依靠測控。宇宙飛船的軌跡需要按測量數(shù)據(jù)不斷修正?？茖W(xué)實驗數(shù)據(jù)要靠測控船等收集。載人航天、登月等前期工作主要收集數(shù)據(jù)。運載火箭的試制費一半用于儀器與測控手段。 1.1測控電路的功用生命科學(xué)環(huán)境、生態(tài)核科技納米科技MEMS安全、社會爭端都離不開測控1.1測控電路的功用

為什么說在現(xiàn)代生產(chǎn)中提高產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率都離不開測量與控制技術(shù)？試舉例說明測量與控制技術(shù)在生產(chǎn)、生活與各種工作中的廣泛應(yīng)用。舉例說明測量與控制技術(shù)在推動科技發(fā)展中的作用？1.1測控電路的功用測控系統(tǒng)的組成測控電路在整個測控系統(tǒng)中起著什么樣的作用？電路是最靈活的，便于放大、傳輸、轉(zhuǎn)換、選取所需信號、適應(yīng)不同測控任務(wù)要求。

測量控制電路傳感器執(zhí)行機構(gòu)1.1測控電路的功用

測量控制電路傳感器執(zhí)行機構(gòu)原始信號微弱：高保真放大帶有噪聲、外界干擾：調(diào)制解調(diào)（給信號賦予一定特征）、共模抑制、濾波復(fù)雜參數(shù)、分析：計算變換電路。電路是“一傳”和“二傳”手，還有“攔網(wǎng)”作用，是測控系統(tǒng)中最靈活部分。1.2

對測控電路的主要要求一、精度高二、響應(yīng)快三、轉(zhuǎn)換靈活四、可靠性與經(jīng)濟性學(xué)些什么？要掌握設(shè)計、選用電路的要領(lǐng)，必須了解對測控電路的要求（一）精度高離開精度，測控就失去意義生產(chǎn)、科研、國防、高科技都離不開精度產(chǎn)品的質(zhì)量在很大程度上取決于測控精度儀器儀表的測控精度決定了武器系統(tǒng)的打擊精度1.2

對測控電路的主要要求精度----測控永恒主題長度：納米（單一尺寸到坐標(biāo)測量，分子測量機-亞原子測量機）時間：飛秒引力波對光速影響10-17光鐘10-19（3000億年差1秒）單個電子電量（1.59×10-19C）1.2

對測控電路的主要要求1.2

對測控電路的主要要求影響測控電路精度的主要因素有哪些？其中那幾個因素是最基本的？1、噪聲與干擾★2、失調(diào)與漂移，主要是溫漂★3、線性度與保真度4、輸入與輸出阻抗的影響第二節(jié)儀器儀表電路的要求

一.高精度儀器儀表或測試系統(tǒng)中,要求能準(zhǔn)確測量被測對象的參數(shù),對電路的要求:1.低噪聲,高抗干擾能力器件本身噪聲要小,電路安排要合理,布線與接地要恰當(dāng),尤其第一級電路要精心設(shè)計,一般要用較高共模抑制比的電路;對信號調(diào)制時,要合理安排通頻帶一.精度高2.低漂移,高穩(wěn)定性放大器失調(diào)電壓和失調(diào)電流,二、三極管的漏電流，都與溫度有關(guān)，電路本身發(fā)熱，外界溫度變化，都會引起誤差，要選溫漂小的元件，安排好散熱等；還要注意電路的長期穩(wěn)定性，進行元器件老化一.精度高3.線性與高保真度為使用方便,大多數(shù)情況下,要求輸入輸出為線性關(guān)系;電路的頻率特性要好。4.輸入輸出阻抗要合適為不影響前級工作狀態(tài),一般要求電路有高入抗,但入抗高,又引入高的噪聲,應(yīng)使入抗和前級出抗相匹配1.2對測控電路的主要要求課程內(nèi)容首先圍繞精度來講放大器：低漂、自動穩(wěn)零、高共模抑制比、高輸入阻抗、非線性補償信號的調(diào)制解調(diào)濾波運算處理，選取有效成分抗干擾技術(shù)1.2對測控電路的主要要求（二）動態(tài)性能好（響應(yīng)快）生產(chǎn)節(jié)奏加快科學(xué)研究要了解快速變化過程高技術(shù)與國防的要求儀器儀表的測試速度、診斷能力與控制快速性決定了武器系統(tǒng)的反應(yīng)能力落后就要挨打，慢了就要挨打硬件電路總的來說比軟件有更高的反應(yīng)速度。快速響應(yīng)是衡量電路性能的重要指標(biāo)（低輸出阻抗、轉(zhuǎn)換速度、同步采樣等）。PID控制、前饋與反饋。1.2對測控電路的主要要求1.2對測控電路的主要要求為什么說測控電路是測控系統(tǒng)中最靈活的環(huán)節(jié)，它體現(xiàn)在哪些方面？1、模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)模轉(zhuǎn)換2、電量參數(shù)的轉(zhuǎn)換3、量程的變換4、信號處理與運算（三）高的識別和分析能力（轉(zhuǎn)換靈活）1.2對測控電路的主要要求對于靈活性的需求參數(shù)類型更多參數(shù)定義更加復(fù)雜應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛，天上、地下、水中、人體內(nèi)1.2對測控電路的主要要求測量范圍更寬尺寸----原子核到宇宙空間電壓----納伏到百萬伏電阻----超導(dǎo)至1014歐加速度----10-4