《测控电路及应用》第1章 绪论
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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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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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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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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ud 100V ,uc 10000V
测控电路课后习题答案(全)
一部现代的汽车往往装有几十个不同传感器�对点火时间、燃油喷射、空
积分等、非线性环节的线性化处理、逻辑判断等。
1-6 测量电路的输入信号类型对其电路组成有何影响�试述模拟式测量电路与 增量码数字式测量电路的基本组成及各组成部分的作用。 随着传感器类型的不同�输入信号的类型也随之而异。主要可分为模拟式
信号与数字式信号。随着输入信号的不同�测量电路的组成也不同。 图 X1-1 是模拟式测量电路的基本组成。传感器包括它的基本转换电路�如
应用于要求共模抑制比大于 100dB 的场合�例如人体心电测量。
2-8 图 2-8b 所示电路�N1、N2 为理想运算放大器�R4=R2=R1=R3=R�试求其闭环电压放大倍 数。 由图 2-8b 和题设可得 u01 =ui1 (1+R2 /R1) = 2ui1 , u0=ui2 (1+R4 /R3 )–2ui1 R4/R3 =2ui2–2
电桥�传感器的输出已是电量�电压或电流�。根据被测量的不同�可进行相应
的量程切换。传感器的输出一般较小�常需要放大。图中所示各个组成部分不 一定都需要。例如�对于输出非调制信号的传感器�就无需用振荡器向它供电� 也不用解调器。在采用信号调制的场合�信号调制与解调用同一振荡器输出的 信号作载波信号或参考信号。利用信号分离电路�常为滤波器��将信号与噪声 分离�将不同成分的信号分离�取出所需信号。有的被测参数比较复杂�或者 为了控制目的�还需要进行运算。对于典型的模拟式电路�无需模数转换电路 和计算机�而直接通过显示执行机构输出�因此图中将模数转换电路和计算机 画在虚线框内。越来越多的模拟信号测量电路输出数字信号�这时需要模数转 换电路。在需要较复杂的数字和逻辑运算、或较大量的信息存储情况下�采用 计算机。
测控电路总复习2009-12.(DOC)
测控电路总复习提纲第1章绪论1．测控电路的功用测控系统由那几部分组成？测控电路在整个测控系统中的作用？2．测控电路的要求：精、快、灵、可靠●精度高●动态性能好（响应快、动态失真小,良好频率特性）●识别和分辨能力高(转换灵活)●可靠性●经济性好如何保证测量电路精度高?●低噪声与高抗干扰 (短时稳定性)方法：（1）低噪声器件、合理安排电路合理布线与接地适当隔离与屏蔽等。
特别传感器与第一级电路连线要短。
（2）对信号进行调制，合理安排通频带（3）采用高共模抑制比电路●低漂移、高稳定性 (长期稳定性)（1）放大器失调电压与失调电流（2）晶体管、二极管漏电流等（3）元器件老化、插接件氧化等方法：选温漂小的元器件、减少关键部分的温度变化。
●线性与保真度好衡量仪器或控制系统精度的重要指标。
信号频带内有良好频率特性●合适的输入输出阻抗影响精度最基本的因素？◆噪声与干扰◆失调与漂移(主要是温漂)3．测控电路类型与组成一、测量电路的基本组成1.模拟式测量电路2.数字式测量电路二、控制电路的基本组成1.开环控制2.闭环控制第2章信号放大电路2.1 测量放大电路基本概念用来将传感器输出的微弱电压、电流或电荷信号放大的电路，亦称仪用放大电路。
测量放大电路结构形式：由传感器的类型决定。
电阻应变式-----电桥放大电路；光电池、光敏电阻—---微电流放大电路测量放大电路频带宽度：由被测参数的频率范围和载波频率决定（直流 1011Hz）1. 基本要求①测量放大电路输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；②稳定放大倍数；③低噪声；④低输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移；⑤足够的带宽和转换速率；⑥高共模输入范围和高共模抑制比；⑦可调的闭环增益；⑧线性好、精度高；⑨成本低。
结论：测量放大电路是一种综合指标很好的高性能放大电路。
2.基本类型1）按结构原理●差动直接耦合式（单端输入运放 \电桥放大电路\电荷放大电路）●调制式●自动稳定式2）按元件制造方式●分立结构●通用集成运放●单片集成测量放大器1. 输入失调电压：实际放前置级的差动放大器不一定完全对称，必须在输入端加上某一直流电压后才能使输出为零---u0s随时间和温度变化----零点漂移结论：失调电压的调整很重要2. 输入失调电流：输入端直流偏置电流引起的I0s。
第1章 绪论-《测控电路(第4版)》张国雄
1.2 对测控电路的主要要求
要掌握设计、选用电路的要领，必须了解对测控电路的要求
一、精度高
二、响应快
三、转换灵活
四、可靠性与经济性
测控电路
2013-8-19
6
1.2 对测控电路的主要要求
（一）精度高 离开精度，测控就失去意义 生产、科研、国防、高科技都离不开精度 产品的质量在很大程度上取决于测控精度 仪器仪表的测控精度决定了武器系统的打 击精度
1.6 课程的性质、内容与学习方法
宽基础 重点放在基本功能块 创造性 怎样运用电路解决工程技术问题
1.6 课程的性质、内容与学习方法
主要介绍工业生产和科学研究中常用的测量与 控制电路的各种功能块和总体连接，使学生熟 悉怎样运用电子技术来解决测量与控制中的任 务。它不是一般意义上电子技术课的深化与提 高，而要着重讲清，如何在电子技术与测量、 控制间架起一座桥梁，实现二者之间的沟通， 学会如何在测量和控制中运用电子技术，并与 光、机、计算机紧密配合，实现测控的总体思 想，围绕精、快、灵、可靠和测控任务的其它 要求来选用电路、设计电路。
1.2 对测控电路的主要要求
精度----测控永恒主题 长度：纳米（单一尺寸到坐标测量，分 子测量机-亚原子测量机） 时间：飞秒 引力波对光速影响10-17 光钟10-19（3000亿年差1秒） 单个电子电量（1.59×10-19C）
1.2 对测控电路的主要要求
影响测控电路精度的主要因素有哪些？其 中那几个因素是最基本的？
测控电路
2013-8-19
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1.4 测控电路的类型与组成
扰动
给定 机构
设定 电路
比较 电路
第1章_绪论-《测控电路(第4版)》
一、桥梁（工程与电路之间）
工程问题如何用电路解决？
高共模抑制比
1. 多数干扰是共模干扰；
2. 许多测控任务需要的就是差值、变化量 如形状误差 温度变化、梯度 跟踪误差（实际值与理想值之差）
滤波 测量信号 表面轮廓 形状误差（准直流） 波度（低频） 表面粗糙度（中频） 噪声（高频）
测控电路
第1章 绪论
测控电路的功用 对测控电路的主要要求 测控电路的输入输出信号 测控电路的类型与组成
测控电路的发展趋势 课程的性质、内容与学习方法
1.1 测控电路的功用
当今时代是信息时代。 信息技术包括：信息获取、处理、传输、存储、 执行（控制）。 测量是信息的源头，最后落实到控制。 信息时代的标志——高性能计算机的发展，速 度和容量为其主要指标。 关键是重复定位和曝光技术精度，在于测控。
输出与状态一一对应
1010 1001 1000 0111 0110
0101
4
（3）开关信号
3
A-A
5
输出只有开关、通
断、亮暗, 01两种 状态
A
2
6
指示灯
7
A
8
B-B
9
B
1
B
10
r
11 l
12
F
1.4 测控电路的类型与组成
一、测量电路的基本组成
模拟式测量电路的基本组成
数字式测量电路的基本组成
二、控制电路的基本组成
（四）可靠性与经济性
测控电路越来越多地实时地用在各种系统
中；
测控电路越来越多地国防和高科技中； 测控电路越来越多地用在医疗和其它与生
测控电路内容：第一章绪论
测控电路内容：第⼀章绪论第⼀章测控电路设计实⽤技术基础测量与控制是认识客观世界和顺应客观规律的必不可少的重要⼿段。
现代⽣产为了保证产品质量和提⾼⽣产效益，必须对⽣产过程进⾏严格控制，⽽要实现这种控制，就必须对⽣产过程的各种参数和状态进⾏实时有效的测量。
因此，测量是控制的基础，控制离不开测量。
实际上，在科学技术⾼度发达的今天，测量与控制已经渗透到⼯业、农业、国防、科学研究和现代社会⽣活等各个领域。
由于⽬前电参量在信息转换、处理、传输、存储等⽅⾯具有较成熟的技术和⼿段，多数物理量的测量和控制以电参量的形式进⾏，故测量和控制电路在测控系统中具有不可替代的作⽤1.1测控电路的作⽤与基本组成现代测控系统常见的基本构成如图1-1所⽰。
测控系统的最前级为传感器，其作⽤是将各类被测量转换成与之具有⼀定函数关系的电量（通常为电压）；但是，传感器的输出信号⼀般都很微弱，还可能伴随着各种噪声，需要⽤测量电路即信号调理及数字化等电路将它放⼤，剔除噪声，选取有⽤信号，按照测量与控制功能的要求，进⾏所需演算、处理与变换，形成为计算机能够识别及处理的信号；计算机系统的作⽤是对数字化了的被测信号进⾏计算、定标、误差校正或⾃校准等处理，⼀⽅⾯，经处理的测量结果由显⽰输出系统显⽰，由记录系统打印、绘图或由报警系统给出报警信息；另⼀⽅⾯，经算法运算过的控制信号经控制电路驱动执⾏机构，对测控对象进⾏控制。
通常我们将测量电路和控制电路统称为测控电路，它已融⼊测控系统的各个环节，并在其中发挥重要的作⽤，可以说离开测控电路，测控系统是⽆法实现的。
测量电路担负着信号⼆次变换的重任，其实质是电位或波形变换，其主要功能是放⼤有⽤信号，抑制传感器输出信号中的噪声，并将放⼤后的信号进⾏数字化；控制电路担负着实现控制功能的输出驱动信号的重任。
由于被测和被控物理量及其相应传感器和驱动器的多样性，与此相应的测量与控制电路必然具有多样性，因此测控电路在设计上灵活性很强。
测控电路设计与应用 (11)
第一章 绪论
课程的性质、内容及意义 测控电路概述
1.1 测控系统组成 1.2 测控系统设计要求 1.3 测控电路的功用及要求 1.4 测控电路设计及优化 1.5 部件之间的连接与匹配
课程的性质、内容及意义
性质：不是电子技术课的深化和提高， 而是要大家学会在测量和控制中运用电 子技术实现测控的总体思想，解决实际 工程问题
三、可靠性
✓ 可靠性要求，就是要求设备在一定时间、一定 条件下不出故障地发挥其功能的概率要高。
× ✓ 一个测量系统：原理先进、功能全面、精度高， 可靠性差，故障频繁。
✓ 可靠性要求可由可靠性设计来保证。在军工 系统中测试系统的可靠性是首位的。
三、可靠性
可靠性是所有系统必须保证的
单片原件 的可靠性
测试系统不仅仅是用于工业领域，也广 泛地应用于科学实验、农业、交通、医 疗、地质勘探、国防等国民经济各个领 域以及人们的日常生活中。
例：设计一个10倍的同相放大器。
G=1+Rf/R1=10
问题：1、R2如何确定？ 2、三组电阻你选择哪一组？
一组 R1=2kΩ， Rf=18kΩ， R2=1.8 kΩ 二组 R1=2Ω， Rf=18Ω， R2=1.8Ω 三组 R1=3MΩ， Rf=27MΩ， R2=2.7MΩ 3、以下运算放大器你选择哪一种？ LM318（GBW=15MHz），LF353 （GBW=4MHz）， LF741（GBW=1MHz）， OP37（GBW=40MHz）以及美信公司的 MAX475、476和AD公司的AD603等。
1.4 测控电路设计及优化
总线化准则 模块化准则 可靠性准则
电路设计及优化步骤
例1：“数显式交流有功电子电 能表”的设计
《测控电路》课后答案+复习重点归纳+3套考题
第一章绪论1、测控系统主要由传感器（测量装置）、测量控制电路（测控电路）、执行机构组成2、测控电路的主要要求：精、快、灵、可靠3、测控电路的特点：精度高、动态性能好、高的识别和分析能力、可靠性高、经济性好4、为了提高信号的抗干扰能力，往往需要对信号进行调制。
在紧密测量中希望从信号一形成就成为已调制信号，因此常在传感器中进行调制。
5用电感传感器测量工件轮廓形状时—这是一个幅值按被测轮廓调制的已调制信号---称为调幅信号6、用应变片测量梁的变形，并将应变片接入交流电桥。
这时电桥的输出也是调幅信号，载波信号的频率为电桥供电频率，电桥输出信号的幅值为应变片的变形所调制。
7、采用光栅、激光干涉法等测量位移时时传感器的输出为增量码信号。
8、增量码信号是一种反映过程的信号，或者说是一种反映变化增量的信号。
它与被测对象的状态并无一一对应的关系。
9、绝对码信号是一种与状态相对应的信号。
10、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。
开关信号只有0和1两个状态。
11、控制方式可分为开环控制与闭环控制。
12、闭环控制的特点：它的主要特点是用传感器直接测量输出量，将它反馈到输入端与设定电路的输出相比较，当发现他们之间有差异时，进行调节补充:1、信息时代的标志——高性能计算机的发展，速度和容量为其主要标志2、影响测控电路精度的主要因素有哪些？其中那几个因素是最基本的？（1）、噪声与干扰★（2）、失调与漂移，主要是温漂★（3）、线性度与保真度（4）、输入与输出阻抗的影响第二章信号放大电路1、输入失调电压u0s：对于理想运算放大器，输入电压为零，输出电压也必然为零。
然而，实际运算放大器中，前置级的差动放大器并不一定完全对称，必须在输入端加上某一直流电压后才能使输出为零，这一直流电压称之。
2、零点漂移：失调电压随时间和温度而变化，即零点在变动，称之3、输出失调电压u0=(1+R2/R1)u0s4、输出端产生的失调电压u02=-R2I b1+(1+R2/R1)R3I b2若取R3=R1//R2,则u02=R2(I b2-I b1)=R2I0s I0s称为输入失调电流5、绝大部分的运算放大器都是用于反馈状态6、由于运算放大器通常使用在负反馈状态，本来就有1800的相位差，再加上外接和内部电路的RC网络，有可能出现3600的相位差，使电路振荡。
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• 生产力是社会发展的决定因素。 • 生产力决定国力。 • 生产的两大指标：质量和效率 • 提高产品质量和生产效率都要依靠测控。 • 没有测量就无从了解产品的质量。 • 没有测量就无从控制产品的质量。
机械、电子、冶金、化工、医药等生 产都要靠检测、反馈控制。
• 机器高速运转靠精度，精度依赖于测控。
扰动
给定 机构
设定 电路
比较 电路
放大 校正 转换 电路 电路 电路
执行 机构
被控 对象
输出
控制电路
传感器
闭环控制系统的基本组成
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学习不仅要把握现状，而且要了解发展趋势
1.5 测控电路的发展趋势
优质化(精、快、可靠） 微型化与集成化 系统设计观 数字化 通用化、模块化 自动化与智能化
现代生活离不开测量与控制
• 汽车装有几十个传感器对点火时间、燃油喷射、 防碰撞等进行控制
• 微波炉、照相机、复印机等中也都装有不同数 量的传感器，通过测量与控制使其能圆满完成 预定的功能
• 环境监测 • 生命科学和医学研究 • 食品、水等都离不开测控
• 无人驾驶汽车
• 生命科学 • 环境、生态 • 核科技 • 纳米科技 • MEMS • 安全、社会争端 都离不开测控
•
祖冲之圆周率 π 355 3.1415929是测出
来的。
113
• 测试变“假说”、“学说”为科学
例：牛顿万有引力学说
只有在能测得地球与月亮的精确距离 情况下万有引力学说才成为科学。
• 20世纪初到现在，诺贝尔奖金颁发给仪 器与测控手段的项目达27项之多。
• 哈勃望远镜对天体科学的作用。
• 扫描隧道显微镜对纳米科技的作用。
• 智能机器、智能衣服、智能房屋、智能 能源。
科学研究离不开测量与控制
• 科技是第一生产力 • 门德列耶夫：科学是从测量开始的，
没有测量就没有科学。 • 测试是“新技术革命”的先导和基础 • 实践是检验真理的唯一标准。 • 没有仪器仪表难以进行科学研究。 • 许多重大发现和发明从测试和仪器仪表
进步开始。
传感器
测量控 制电路
测控系统的组成
执行机构
测控电路在整个测控系统中起着什么样的作用？
电路是最灵活的，便于放大、传输、转换、 选取所需信号、适应不同测控任务要求。
2020/11/25 19
传感器
测量控 制电路
执行机构
原始信号微弱：高保真放大 带有噪声、外界干扰：调制解调（给信号赋予一定特 征）、共模抑制、滤波 复杂参数、分析：计算变换电路 电路是“一传”和“二传”手，还有“拦网”作用， 是测控系统中最灵活部分。
测控电路
2020/11/25
第1章 绪论
• 为什么要学？ • 学些什么？ • 怎么学？
第1章 绪论
一. 为什么要学？
测控电路的功用
二. 学些什么？
对测控电路的主要要求 测控电路的输入输出信号 测控电路的类型与组成
测控电路的发展趋势
三. 怎么学？
课程的性质、内容与学习方法
2020/11/25 3
1.1 测控电路的功用
放 大 器
解 调 器
号运
分 离 电
算 电
数 转 换
计 算
电机
路
路路 路
振荡器
电源
显 示 执 行 机 构 电路
模拟式测量电路的基本组成
2020/11/25 42
1.4 测控电路的类型与组成
显
传 感 器
放 大 器
整 形 电 路
细 脉转 计
分 电 路
冲换 当电 量路
数 器
锁 存 器
计 算 机
示 执 行 机
学些什么？
1.2 对测控电路的主要要求
要掌握设计、选用电路的要领，必须了解对测控电路的要求
一、精度高 二、响应快 三、转换灵活 四、可靠性与经济性
2020/11/25 22
1.2 对测控电路的主要要求
（一）精度高 • 离开精度，测控就失去意义 • 生产、科研、国防、高科技都离不开精度 • 产品的质量在很大程度上取决于测控精度
• 自动化是提高生产效率的主要手段。
• 现代的自动化是柔性自动化，越是柔性的 系统越需要测量。
• 宝钢建设仪器测控装备占总投资1/3。
• 为了炼出所需规格的钢材，必须严格控制炉温、 送风、冶炼时间等程序。
• 必须对机器的运行状态精确检测和控制
电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统。 要求过热蒸汽温度约460度。
– 尺寸----原子核到宇宙空间 – 电压----纳伏到百万伏 – 电阻----超导至1014欧 – 加速度----10-4~104g – 温度----接近绝对零度到1018度
1.2 对测控电路的主要要求
（四）可靠性与经济性 • 测控电路越来越多地实时地用在各种系统中； • 环境要求越来越高：高温、高速、高湿、高尘、
1.2 对测控电路的主要要求
• 精度----测控永恒主题 • 长度：纳米 • 时间：飞秒 • 引力波对光速影响10-17 • 光钟10-19（3000亿年差1秒） • 单个电子电量（1.59×10-19C）
1.2 对测控电路的主要要求
影响测控电路精度的主要因素：
1、 噪声与干扰★ 2、失调与漂移，主要是温漂★ 3、线性度与保真度 4、输入与输出阻抗的影响
1.6 课程的性质、内容与学习方法
• 宽基础 重点放在基本功能块
• 创造性 怎样运用电路解决工程技术问题
1.6 课程的性质、内容与学习方法
• 各种电子器件的工作原理和构成，在模 拟和数字电子技术中讲述，本课程注重 它们的外特性，讲述其应用，构成所需 的功能电路。
1.6 课程的性质、内容与学习方法
构
电路
辨向电路
锁 存 指令传感器 指 令手动采样
增量码数字式测量电路的基本组成
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1.4 测控电路的类型与组成
测量电路
传感器 扰动量
给定 机构
设定 放大 转换 执行 被控 输 电路 电路 电路 机构 对象 出
控制电路
开环控制系统的基本组成
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1.4 测控电路的类型与组成
1111
0000
每个角度对应一组编码，
1110 1101
0001 0010
这种编码称为绝对码。
1100
0011
与绝对码传感器相连的
1011
0100
测量电路输入信号为绝
对码信号。
1010 1001
0101 0110
绝对码信号有很强的抗干扰能力。 1000 0111
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1.3 测控电路的输入信号与输出信号
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1.2 对测控电路的主要要求
• 放大器：低漂、自动稳零、高共模抑制 比、高输入阻抗、非线性补偿
• 信号的调制解调 • 滤波 • 运算处理，选取有效成分 • 抗干扰技术
1.2 对测控电路的主要要求
（二）动态性能好 • 响应快、动态失真小
• 生产节奏加快 • 科学研究要了解快速变化过程 • 高技术与国防的要求 • 仪器仪表的测试速度、诊断能力与控制快
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1.6 课程的性质、内容与学习方法
• 在现代生产中，物质流和能量流在信息流指挥 和控制下运动。测控技术已经成为现代生产和 高科技中的一项必不可少的基础技术。为适应 这一发展需要，培养宽基础、具有创造性的人 才，将整个仪器仪表类专业集中为“测控技术 及仪器”一个专业，《测控电路》是其中一门 重要课程。
35
1.3 测控电路的输入信号与输出信号
2、数字式信号 （1）增量码信号 （2）绝对码信号 （3）开关信号
1.3 测控电路的输入信号与输出信号
2、数字式信号 （1）增量码信号
N 2L
输出反映变化量
工件台5每移动半个波长， 干涉条纹变化一个周期
特点：被测量值的增量与传感器输出信号的变化周期数 成正比。 应用：测速，测转动方向，测移动角度、距离（相对）。
O
t
c)
用电感传感器测 量工件轮廓形状
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几个重要概念： 1、载波频率（carrying frequency) 2、载波信号（carrying signal) 3、调制信号（modulating signal) 4、已调信号（modulated signal) 5、调幅信号（amplitude modulated signal)
测量信号
输入信号大小、波形
被测量
直接与被测量的大小、
波形相对应
0
非调制模拟信号
t
送到电路的信号与被测量具有近似线性关系
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1.3 测控电路的输入信号与输出信号
（2） 已调制信号：抗干扰、便于远传
衔铁
x
线圈
uc
测杆
x
us
工件
用电感传感器测量工件轮廓形状
O
t
x
a)
uc
O
t
x
us
b)
统的打击精度（激光制导） • 定点杀伤，反导弹计划-火箭拦截 • 仪器仪表的测试速度、诊断能力与控制
快速性决定了武器系统的反应能力 • 振兴中国要发展测控
航空航天离不开测量与控制
• 火箭发射成功依靠测控。 • 宇宙飞船的轨迹需要按测量数据不断修正。 • 科学实验数据要靠测控船等收集。 • 载人航天、登月等前期工作主要收集数据。 • 运载火箭的试制费一半用于仪器与测控手段。
• 主要学习工业生产和科学研究中常用的测量与 控制电路的各种功能块和总体连接，熟悉怎样 运用电子技术来解决测量与控制中的任务。