测控电路作业ppt课件
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整套课件：测控电路
➢典型测量放大电路 同相放大电路
R2
Kf
uo ui
1 R2 R1
Zi
KZ
' i
1 R2 /
R1
R3
注意：R3 R1 // R2
R1
-∞ +
uo
+ N1
R3 ui
常用芯片：MAX4074,MAX4075,OPA2682,OPA3682
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44
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45
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18
1.5 测控电路的发展趋势
➢优质化 ➢集成化 ➢数字化 ➢通用化、模块化 ➢测控一体化 ➢自动化与智能化
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19
1.6 课程的性质、内容与学习方法
目的：应用电子技术来解决测量与控制中的问题 基础：《电路》、《模拟电子技术》、《数字电路》等等 方法： 多分析、多思考 理论推导 仿真验证(再分析、思考)
合适的输入与输出阻抗
动态性能好
响应快 (实时动态测量) 动态失真小
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6
转ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ灵活
模数与数模转换 电量参数转换 量程转换 信号选取 信号运算
可靠性
经济性
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7
影响因素：
噪声与干扰★ 失调与漂移，主要是温漂★ 线性度与保真度 输入与输出阻抗的影响
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ud
u1 u2 , uc
u1 u2 2
ud 100V ,uc 0V
uo Adud Acuc 100Ad
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56
ud 100V ,uc 10000V
测控电路(第7版)课件：传感器接口
测控电路
传感器接口电路
2.1传感器类型
2.2信号调理电路
2.3线性化
2.4传感器接口实例
本章知识点
无源传感器及有源传感器的基本原理及组成形式
电桥信号调理电路及调频信号调理电路
电压源信号调理电路及电流源信号调理电路
传感器接口电路的线性化技术
传感器接口电路
3
2.1传感器类型
2.1.1典型无源传感器
场阻力达到平衡时，接触热电势就会达到一个稳定值，电势由如下式子得出：
k—玻尔兹曼常数，k=1.381×10-23J/K；
kT nA T
e AB T
ln
e
nB T
e—电子电荷量，e=1.602×10-19C；
T—结点处的绝对温度（K）；
nA(T) ，nB(T) —材料A，B在温度T时的自由电子浓度。
传感器接口电路
13
1. 热电效应传感器
将A，B两种不同导体材料两端相互紧密连接在一起，组成一个闭合回路，
这样就构成了一个热电偶。当两节点温度不同时，回路中就会产生电势。热
电偶温度保持不变一端成为自由端或冷端，另一端成为测量端或热端。通过
测量接触电势的大小推算测量端的温度。
A
T0
T
e AB T
Ra Rb
1/ Rn jwCn
LX Ra Rb Rn
Rb
RX
Ra
Rn
传感器接口电路
27
2.2.2.2调频信号调理电路
调频信号调理电路可以将无源传感器的阻抗变化量转换为基于振荡电路的频
率变化量。
• 振荡器电路通常根据其电路设计的不同产生特定频率的信号。低频振荡
传感器接口电路
2.1传感器类型
2.2信号调理电路
2.3线性化
2.4传感器接口实例
本章知识点
无源传感器及有源传感器的基本原理及组成形式
电桥信号调理电路及调频信号调理电路
电压源信号调理电路及电流源信号调理电路
传感器接口电路的线性化技术
传感器接口电路
3
2.1传感器类型
2.1.1典型无源传感器
场阻力达到平衡时，接触热电势就会达到一个稳定值，电势由如下式子得出：
k—玻尔兹曼常数，k=1.381×10-23J/K；
kT nA T
e AB T
ln
e
nB T
e—电子电荷量，e=1.602×10-19C；
T—结点处的绝对温度（K）；
nA(T) ，nB(T) —材料A，B在温度T时的自由电子浓度。
传感器接口电路
13
1. 热电效应传感器
将A，B两种不同导体材料两端相互紧密连接在一起，组成一个闭合回路，
这样就构成了一个热电偶。当两节点温度不同时，回路中就会产生电势。热
电偶温度保持不变一端成为自由端或冷端，另一端成为测量端或热端。通过
测量接触电势的大小推算测量端的温度。
A
T0
T
e AB T
Ra Rb
1/ Rn jwCn
LX Ra Rb Rn
Rb
RX
Ra
Rn
传感器接口电路
27
2.2.2.2调频信号调理电路
调频信号调理电路可以将无源传感器的阻抗变化量转换为基于振荡电路的频
率变化量。
• 振荡器电路通常根据其电路设计的不同产生特定频率的信号。低频振荡
测控电路作业ppt课件
Kp
R5 R4
R3C1 0.7121 R1(C1C2)
f0
1 2π
R1R2 12.89Hz R1R2R3C1C2
.
4-8
R0接入， U11(s)H1(s)iU (s)
U12(s)H12(s)0U (s)
R0=R1
H 1(s)H 1(2s)
U 1 ( s ) U 1 ( s ) 1 U 1 ( s ) 2 H 1 ( U i ( s s ) U 0 ) ( s )
2-4 图2-14电路
题设可得 uo = (uo2–uo1) R5 / R3 =3(uo2–uo1 ), uo1 = ui1 (1 + R1 /Ro)–ui2 R1/Rp=11ui1, uo2= ui2(1+R2/Ro)–ui1 R2/Rp=–10ui1,
即uo=3（–10ui1–11ui1）=–63ui1， 因此，电路的差模增益为63。
1 R1
C 1s
C 2s
1 R2
1 )
R3
C 1 sC
2s
s
R 1C 2
s 2 1 ( 1 1 )s
R1 R2
R3 C1 C 2
R 1 R 2 R 3C 1C 2
.
4-8
H
1(
s
)
(Y 1
Y2
Y 1Y 2 Y3 Y4
)Y 5
Y 2Y 3
1 R1
C
1s
(
1 R1
C 1s
C 2s
1 R2
R0
C2 R3
R1 C1
ui(t) R2
∞ -
+
+ N1
R5
R4
∞
《测控电路》PPT课件
8 选 1 译 码 电 路
7
-E2
S1
S2
S3
S4
S5
输出/输入
S6
S7
S8
图 6-7 CD4051 原理图
CD4051多路模拟开关
元件性能的影响和要求
存储电容
选用介质吸附效应小和泄漏电阻大的电容器，如聚苯乙烯，钽电容和聚碳酸脂 电容器等。
原因：
当电路从采样转到保持，介质的吸附效应会使电容器上的电压下降，被保 持的电压低于采样转保持瞬间的输入电压，峰值检波器复位时，电容放电， 介质吸附效应会使放电后的电容电压回升，引起小信号峰值的检波误差。
➢ 为了使所采集的信号能够正确反映输入模拟信号，除保证采 样/保持器精度要求外，还必须符合采样定理。
➢ 采样过程：当模拟信号ui=f(t)通过一个受采样脉冲信号 fs(t)控制的开关电路时，开关输出端的信号是时间离散信 号。不难看出，采样脉冲的重复周期Ts愈小，采样时间间隔 愈短，获得的离散信号亦愈多。
（3）高速S/H电路
用开环式采样/保持电路方案，选用高速元件，并通过扩增驱动电流来减小存储 电容的充电时间。
Uc
VD1
VD2 V2
V1
∞
-
ui
+
+ N1
R1
R2
V
∞
-
uo
+
+ N2
C
（3）高速S/H电路
在采样期间，Uc为正，V与V2导通，V1截止。
V1的导通将使V和C置于N1的闭环回路中，C上的电压将等于 输入电压而不受V的导通电阻的影响，另外，由于N1反相端 的偏置电流和V1的漏电流都很小，
由此可见，这个电路的速度提高是靠牺牲精度换来的。
7
-E2
S1
S2
S3
S4
S5
输出/输入
S6
S7
S8
图 6-7 CD4051 原理图
CD4051多路模拟开关
元件性能的影响和要求
存储电容
选用介质吸附效应小和泄漏电阻大的电容器，如聚苯乙烯，钽电容和聚碳酸脂 电容器等。
原因：
当电路从采样转到保持，介质的吸附效应会使电容器上的电压下降，被保 持的电压低于采样转保持瞬间的输入电压，峰值检波器复位时，电容放电， 介质吸附效应会使放电后的电容电压回升，引起小信号峰值的检波误差。
➢ 为了使所采集的信号能够正确反映输入模拟信号，除保证采 样/保持器精度要求外，还必须符合采样定理。
➢ 采样过程：当模拟信号ui=f(t)通过一个受采样脉冲信号 fs(t)控制的开关电路时，开关输出端的信号是时间离散信 号。不难看出，采样脉冲的重复周期Ts愈小，采样时间间隔 愈短，获得的离散信号亦愈多。
（3）高速S/H电路
用开环式采样/保持电路方案，选用高速元件，并通过扩增驱动电流来减小存储 电容的充电时间。
Uc
VD1
VD2 V2
V1
∞
-
ui
+
+ N1
R1
R2
V
∞
-
uo
+
+ N2
C
（3）高速S/H电路
在采样期间，Uc为正，V与V2导通，V1截止。
V1的导通将使V和C置于N1的闭环回路中，C上的电压将等于 输入电压而不受V的导通电阻的影响，另外，由于N1反相端 的偏置电流和V1的漏电流都很小，
由此可见，这个电路的速度提高是靠牺牲精度换来的。
实验探究：测量电路与控制电路的选择与设计 ppt课件
a、b两个接线柱，电压表的量程为1 V；若使用a、c两个 接线柱，电压表的量程为3 V。则根据题给条件，定值电阻
的阻值应选R1＝_1__0_0__Ω，R2＝__9_1__0_Ω，R3＝_2__0_0__0Ω。
(2)用量程为3 V，内阻为2 500 Ω的标准电压表对改装表3 V挡的不同刻度进行校准。所 用电池的电动势E为5 V；滑动变阻器R有两种规格，最大阻值分别为50 Ω和5 kΩ。为方
便实验中调节电压，图中R应选用最大阻值为____5__0__Ω的滑动变阻器。 (3)校准时，在闭合开关S前，滑动变阻器的滑动端P应靠近_M_______(填“M”或“N”)
端。
(4)若由于表头G上标记的内阻大值于不准，造成改装后电压表的读数比标准电压表的读数
偏小，则表头G内阻的真实值________(填“大于”或“小于”)900 Ω。转到解析 目录
器材的字母代号)
转到解析 目录
3．[实验电路的设计]为了测量某待测电阻Rx的阻值(约为30 Ω)，有以下一些器材可 供选择。
电流表A1(量程0～50 mA，内阻约10 Ω)； 电流表A2(量程0～3 A，内阻约0.12 Ω)； 电压表V1(量程0～3 V，内阻很大)； 电压表V2(量程0～15 V，内阻很大)； 电源E(电动势约为3 V，内阻约为0.2 Ω)；
H.开关S一个
(1)要完成实验，除蓄电池、开关、滑动变阻器外，还需选择的器材有__A_B__D_____(填
写器材前的字母编号)。 (2)画出实验电路图。
I2（R2＋RA2） I1－I2
的(各3)物写理出量测的量意LE义D灯__I1正_、_常_I_2分工__别作__为时__电的__流电__表阻__A表__1达、__式A__2R_的_x＝_读___数__________________，__说__明__式__中__题__目__未__给量减小实验误差,电流表 应采用 外接 （选填“内接”或“外接”）法.滑动变阻
的阻值应选R1＝_1__0_0__Ω，R2＝__9_1__0_Ω，R3＝_2__0_0__0Ω。
(2)用量程为3 V，内阻为2 500 Ω的标准电压表对改装表3 V挡的不同刻度进行校准。所 用电池的电动势E为5 V；滑动变阻器R有两种规格，最大阻值分别为50 Ω和5 kΩ。为方
便实验中调节电压，图中R应选用最大阻值为____5__0__Ω的滑动变阻器。 (3)校准时，在闭合开关S前，滑动变阻器的滑动端P应靠近_M_______(填“M”或“N”)
端。
(4)若由于表头G上标记的内阻大值于不准，造成改装后电压表的读数比标准电压表的读数
偏小，则表头G内阻的真实值________(填“大于”或“小于”)900 Ω。转到解析 目录
器材的字母代号)
转到解析 目录
3．[实验电路的设计]为了测量某待测电阻Rx的阻值(约为30 Ω)，有以下一些器材可 供选择。
电流表A1(量程0～50 mA，内阻约10 Ω)； 电流表A2(量程0～3 A，内阻约0.12 Ω)； 电压表V1(量程0～3 V，内阻很大)； 电压表V2(量程0～15 V，内阻很大)； 电源E(电动势约为3 V，内阻约为0.2 Ω)；
H.开关S一个
(1)要完成实验，除蓄电池、开关、滑动变阻器外，还需选择的器材有__A_B__D_____(填
写器材前的字母编号)。 (2)画出实验电路图。
I2（R2＋RA2） I1－I2
的(各3)物写理出量测的量意LE义D灯__I1正_、_常_I_2分工__别作__为时__电的__流电__表阻__A表__1达、__式A__2R_的_x＝_读___数__________________，__说__明__式__中__题__目__未__给量减小实验误差,电流表 应采用 外接 （选填“内接”或“外接”）法.滑动变阻
测控电路(第7版)课件：信号转换电路
应用：在调频（电压调频），锁相和A/D变换等许多技术领域得到非常广泛 的应用。
指标：额定工作频率和动态范围，灵敏度或变换系数，非线性误差，灵敏度 误差和温度系数等
信号转换电路
32
7.4.1 V/f 转换电路
积分复原型
复原开关
V
R3
R1 ui
积分器
R2
C
∞ -
+ + N1
uC
R4
∞
-
uP
+ + N2
7.1 模拟开关
模拟开关是在电路中用于实现模拟信号通与断的电子开关器件，它的作用类 似于机械式转换开关，信号电流从输入端流到输出端，其信号传送方向可以 是双向的.
模拟开关通常有三个端子：控制端C、信号输入端I及输出端O。I/O可以互 换的为“双向开关”。
常用的模拟开关元件包括二极管开关、双极型晶体管开关、结型场效应晶体 管（JFET）开关、MOS型场效应晶体管（MOSFET）开关等
在导通状态下，该电路的传递函数为：
开关的极点影响电路的带宽，为了使带宽最大化，开关应具有低输入电容、
低输出电容和低导通电阻。在关断状态下CDS会把输入信号耦合至输出端， 导致开关隔离性能劣化，关断隔离度随输入频率增大而下降。就此误差源而
言，解决方法是选择CDS尽量小的开关。
CDS
S
D
uo
ui
Ron
CD
ui
+
uo
UR
-
阈值电压： UT =UR
即ui
UT
U
时，输出电压翻转
R
uo
ui U R ui U R
uP uN ui U R 0 uP uN ui U R 0
指标：额定工作频率和动态范围，灵敏度或变换系数，非线性误差，灵敏度 误差和温度系数等
信号转换电路
32
7.4.1 V/f 转换电路
积分复原型
复原开关
V
R3
R1 ui
积分器
R2
C
∞ -
+ + N1
uC
R4
∞
-
uP
+ + N2
7.1 模拟开关
模拟开关是在电路中用于实现模拟信号通与断的电子开关器件，它的作用类 似于机械式转换开关，信号电流从输入端流到输出端，其信号传送方向可以 是双向的.
模拟开关通常有三个端子：控制端C、信号输入端I及输出端O。I/O可以互 换的为“双向开关”。
常用的模拟开关元件包括二极管开关、双极型晶体管开关、结型场效应晶体 管（JFET）开关、MOS型场效应晶体管（MOSFET）开关等
在导通状态下，该电路的传递函数为：
开关的极点影响电路的带宽，为了使带宽最大化，开关应具有低输入电容、
低输出电容和低导通电阻。在关断状态下CDS会把输入信号耦合至输出端， 导致开关隔离性能劣化，关断隔离度随输入频率增大而下降。就此误差源而
言，解决方法是选择CDS尽量小的开关。
CDS
S
D
uo
ui
Ron
CD
ui
+
uo
UR
-
阈值电压： UT =UR
即ui
UT
U
时，输出电压翻转
R
uo
ui U R ui U R
uP uN ui U R 0 uP uN ui U R 0
测控电路课件第二章
∞
N R3
uo
为了抑制噪声和降低成 本，简化结构，通常把 放大器和滤波器(通常是 低通滤波器)设计成一体 低频截止频率由C1和 R1决定，高频截止频率 由C2和R2决定
交流反相放大电路
2.3.3 同相放大电路（一）
输入阻抗为： R3
ui
+
∞
+ uo
- N R1 R2
KZ i ' Zi R3 R2 1 R1
1、反相串联结构型
R2
R6
R4 R5
R1
ui1 ui2
∞
N1 R3=R1//R2
∞
N2
R7=R4//R5//R6
uo
R 2 R6 R6 uo ui1 ui 2 R1R 4 R5
R 2 R6 R6 uo ui1 ui 2 R1R 4 R5
当R2/R1=R4/R5 ，ui1=ui2时, 输出电压为0， 共模信号得到了抑制。 这种电路的共模抑制能力只与外接电阻对 称精度有关，但电路的输入阻抗低。 通常，为了使ui1、ui2负载相同，取R1=R5, 则R2=R4
max
最大不失真频率
f max
SR 2 U m
2.1.4 运算放大器的振荡与相位 补偿
在负反馈中，若输出与输入之间的相移 达到180°，便可产生自激振荡。 为避免自激振荡，最好办法在运算放大 器的适当位置加RC补偿网络。
2. 信号放大电路
2.2 噪声
噪声就是干扰有用信号的某种不希望的扰动。通常， 把外部来的称为干扰，把内部产生的称为噪声。 噪声又可分为白噪声和色噪声。 白噪声是指噪声的波形是随机的，其幅值、相位、 频率都是随机的，瞬时值不能预测。 色噪声指噪声频率固定，如接地噪声。
测控电路04信号运算电路1PPT课件
一定规律分布于频率域中某一特定的频带中。
3
因此可以用频率选择的方法，对噪声进 行抑制，并分离提取出有用的信号，信 号分离电路可以实现其功能。
一般利用滤波器从频率域中实现对噪声 的抑制，提取所需的测量信号，
4
信号分离电路
滤波器的基本知识 RC有源滤波电路 集成有源滤波电路 跟踪滤波电路
精、快、灵
Ui(s)
H1(s)
U1(s)
H2(s)
Uo(s)
H (s)U U o i((s s))U U 1 i( (s s) )U U 1 o( (s s) )H 1(s)H 2(s)
11
4.1 滤波器的基本知识
4.1.2 模拟滤波器的传递函数与频率特性
（二）模拟滤波器的频率特性 模拟滤波器的传递函数H(s)表达了滤波器的输入与输 出间的传递关系。若滤波器的输入信号Ui是角频率为 ω的单位信号，滤波器的输出Uo(jω )=H(jω )表达了在 单位信号输入情况下的输出信号随频率变化的关系， 称为滤波器的频率特性。
m
bk (j)k
H(j)
H(s)
sj
k0 n
al (j)l
l0
测控电路
12
4.1 滤波器的基本知识
4.1.2 模拟滤波器的传递函数与频率特性
（二）模拟滤波器的频率特性 频率特性H ( j ) 是一个复函数，其幅值 A ( ) 称为幅频 特性，其幅角 ( ) 表示输出信号的相位相对于输入 信号相位的变化，称为相频特性。
bksk
k0 n alsl
m l0
H(s)K((sspz11))((ss zp22))L L((sszpmn))Kkn1((ss zpkl))
l1
nm
3
因此可以用频率选择的方法，对噪声进 行抑制，并分离提取出有用的信号，信 号分离电路可以实现其功能。
一般利用滤波器从频率域中实现对噪声 的抑制，提取所需的测量信号，
4
信号分离电路
滤波器的基本知识 RC有源滤波电路 集成有源滤波电路 跟踪滤波电路
精、快、灵
Ui(s)
H1(s)
U1(s)
H2(s)
Uo(s)
H (s)U U o i((s s))U U 1 i( (s s) )U U 1 o( (s s) )H 1(s)H 2(s)
11
4.1 滤波器的基本知识
4.1.2 模拟滤波器的传递函数与频率特性
（二）模拟滤波器的频率特性 模拟滤波器的传递函数H(s)表达了滤波器的输入与输 出间的传递关系。若滤波器的输入信号Ui是角频率为 ω的单位信号，滤波器的输出Uo(jω )=H(jω )表达了在 单位信号输入情况下的输出信号随频率变化的关系， 称为滤波器的频率特性。
m
bk (j)k
H(j)
H(s)
sj
k0 n
al (j)l
l0
测控电路
12
4.1 滤波器的基本知识
4.1.2 模拟滤波器的传递函数与频率特性
（二）模拟滤波器的频率特性 频率特性H ( j ) 是一个复函数，其幅值 A ( ) 称为幅频 特性，其幅角 ( ) 表示输出信号的相位相对于输入 信号相位的变化，称为相频特性。
bksk
k0 n alsl
m l0
H(s)K((sspz11))((ss zp22))L L((sszpmn))Kkn1((ss zpkl))
l1
nm
测控电路(第7版)课件：信号运算电路
实现输入信号相加，且输入输 出同相，系数调整不易
信号运算电路
Rf
N
uo
叠加定理
9
6.2.2 反相加法电路
uo1 uo2
Rf R1 Rf R2
ui1 ui 2
uo
Rf R1
ui1
Rf R2
ui 2
实现输入信号相加，且输入输出反相， 系数单独可调，输入阻抗低
信号运算电路
Rf
ui1
R1
ui2
信号运算电路
41
6.6.2 常用微分电路
iC
C
duc dt
=C
dui dt
uo R
uo
RC
dui dt
iC
iR R
C ui
∞
－
+
+N
uo
微分常数：TD RC，TD越大微分速度越快，微分作用越弱
a)基本微分电路
信号运算电路
42
微分电路应用
• 若输入为正弦： ui sin t
uo RC cost RC sin(t 90 )
6.3.1 对数运算电路 6.3.2 指数运算电路 6.3.3 基于对数/指数运算的乘法/除法运算电路 6.3.4 变跨导乘法运算电路 6.3.5 乘方和开方运算电路 6.3.6.集成乘法运算电路
6.3.1 对数运算电路
在自然界，人们的听觉和视觉都是对数特性的，光经过介质的衰减也是对数 特性的，阻容电路的充、放电的过程是指数特性的。
u1 u2
R3
V2
∞ -
+
+ N2
uo2 R2
∞ -
+
+ N3
uo3 V3
测控电路课件(完整)
（三）、开关信号
开关信号可视为绝对码信号的特例，当绝 对码信号只有一位编码时，就成了开关信号。 只有0和1两个状态。
与行程开关、光电开关、触发式测头相连 接的测控电路，其输入信号为开关信号。
当执行机构只有两种状态时，如电磁铁、 开关等，要求测控电路输出开关信号。
第四节 测控电路的类型与组成
一、测量电路的基本组成 (一)模拟式测量电路的基本组成 (二)数字式测量电路的基本组成
二、控制电路的基本组成 (一)开环控制 (二)闭环控制
传 感 器
量 程 切 换
放 大 器
解 调 器
电
路
振荡器
信 号 分 离
运 算 电
模 数 转 换
计 算 机
电路 电
路
路
电源
显 示 执 行 机 构 电路
图1-6 模拟式测量电路的基本组成
传 感 器
细 脉转 分 冲换 电 当电 路 量路 辨向电路
（二）、绝对码信号
1111 0000
1110
0001
1101
0010
1100
0011
1011
0100
1010
0101
1001
0110
1000 0111
绝对码信号是一种与状态相对应的信号。
绝对码信号在显示与打印机机构中有广泛的 应用。显示与打印机构根据测控电路的译码器输 出的编码，显示或打印相应的数字或符号。在一 些随动系统中，执行机构根据测控电路输出的编 码，使受控对象进入相应状态。
以磁电式电表、示波器、笔式记录器作为显示 机构，以直流电动机为执行机构时，要求测控电路 的输出信号为非调制模拟信号。
第三节 测控电路的输入信号与输出信号