精密仪器电路第1章.ppt

精密仪器电路精密仪器电路 Circuits for Precision InstrumentCircuits for Precision Instrument 教 材： 传感器接口与检测仪器电路 吕俊芳编著 北航出版社 1994 参考书目： 检测仪器电子电路 李永敏 主编 西北工大出版社 1994 精密仪器电路 张国雄 沈生培 主编 机械工业出版社 1988 传感器应用及其电路精选 张福学 编著 电子工业出版社 1992 第一章第一章 绪绪 论论 一、电子电路在检测仪器或检测系统中的地位 当代的检测仪器或检测系统几乎都由传感器件或传感器、 信号或数据处理器、显示器或记录器等几大部分组成。 传感元件 (一次转换) 放大器或 信号调理电路 信号转 换电路 激励电路 数字 显示器 笔录仪 模拟电表 模拟指示 波形记录 数字指示被测 非电量 传感器 信号处理器 显示、记录器 单参数检测仪器结构示意图（不带微机） 单参数检测仪器结构示意图（带微机）单参数检测仪器结构示意图（带微机） 传感元件 (一次转换) 放大器 信号调 理电路 数 模 转 换 器 激励电路 CRT 显示器 磁盘机 数字 显示器 数字显示 数据存储 文字、表格、 图形显示 被测 非电量 微 机 系 统 打印机 绘图仪 数据或图 形记录 传感器 信号或数据处理器 多参数综合检测系统结构示意图多参数综合检测系统结构示意图 传感器 2 可 编 程 数 据 放 大 器 数 模 转 换 器 CRT 显示器 磁盘机 模出接口 输入2 微 机 系 统 打印机 绘图仪 多 路 选 通 器 传感器 1 输入1 传感器 N 输入N 上述的结构组成反映出上述的结构组成反映出电子电路电子电路可分布在检测仪器或系统的各部分中：可分布在检测仪器或系统的各部分中： 传感器 直读式数字仪表 带微机的检测仪器（系统） 可以说，现代检测仪器已是电子化的仪器。不仅信号转换与 数据处理属于电子技术领域，而且有许多非电量敏感元件本身也 属于电子元器件。 研究检测仪器电子电路已成为检测技术领域仪器仪表工业的 一个重要分支。 为何电子电路在检测仪器中会有如此广泛的应用，占有如此重要的地位？ 主要原因：提高测量仪器的精度和灵敏度 扩充量程和多功能实现自动化测量 排除机构活动件，提高工作可靠性及寿命 尤其是配置微机系统的检测仪器，具有更强的数据处理能力 ，使功能和自动化程度达到更高的水平。 二、检测仪器电路的内容与功用二、检测仪器电路的内容与功用 （一）内容 检测仪器电路对传感器输出的测量信号进行放大 、处理、转换和线性化处理后，驱动显示或控制执行 机构动作。 换句话说，检测仪器电路担负着选择、放大、运 算、信号转换、逻辑处理等任务，是检测仪器不可缺 少的组成部分。 （二）主要功用（二）主要功用 检 测 仪 器 的 主 要 优 点 精 度 高 使 用 方 便 易 于 自 动 化 易于实现高倍率放大分辩率读数误差 易于实现量程切换解决了量程与分辩率的矛盾 通过信号的调制解调、选频与滤波、共模抑制电路 方便地选取有用信号抑制无用信号，减少噪声、干 扰与非被测参数的影响 利用电路可对仪器 误差进行自动校正 零点的自动校正 放大倍数的自动校正 非线性误差的修正 利用差动电路补偿电路、平衡电路 使许多干扰因素的影响互相抵消、显著减小 电路可方便信号传输，使它便于读出或实现控制、执行 电路放大倍数可很高，数字式电路读取更方便 电路的反应速度高，信息传输快，利用信号锁存，便于实 现动态采样 利用电路可进行巡回采样或同时读取多路信号 利用信号分离电路，可读取各成分参数 通过计算机与逻辑处理电路，便于实现信号的运算处理， 直接读取所需的复杂参数值 便于利用电路存储测量结果 通过电路实现逻辑判断、处理，功率放大、反馈控制等 计算机的广泛应用是仪器电路功能的延伸和新发展计算机的广泛应用是仪器电路功能的延伸和新发展 检检 测测 主主 要要 功功 用用 大量数据的动态和自动采样 大量数据的存储 完成较为复杂多样的运算 较为复杂多样的误差自动修正 较高水平的智能化 计算机完成这些任务都需要仪器电路对信号进行预处理，并 通过接口将计算机与仪器沟通。 特点：特点：运算速度快、储存量大、智能化、图形化 发展：发展：PC仪器、智能仪器、虚拟仪器 三、检测仪器电路的特点与主要要求三、检测仪器电路的特点与主要要求 （一）检测仪器 电子电路的特点 高精度与高稳定性； 高灵敏度、高分辩率，可检测微弱信号； 检测信号的多样性； 信号的处理要求； 仪器化的电路设计，要满足操作方便、自动测试、 工作可靠等要求。 构成一台完整的检测仪器，可包括多种功能；只有组合起来，才 能有效地完成检测任务。 分析与综合各种功能电路的能力是检测仪器设计工作者的基本功。 （二）对检测仪器电路的要求 首先是围绕“检测”提出来，当然还有其他一些要求。 1. 信号的拾取与抗干扰能力 首先，要求电路是低噪声的（低噪声器件、合理选择参数） 其次，采取恰当的屏蔽、隔离，合理的布线与接地，电路本身 的合理设计 （二）对检测仪器电路的要求（二）对检测仪器电路的要求 2. 稳定性 是对仪器电路乃至整个测量仪器的最基本的要求。 温 漂导致仪器的示值在一次运行中发生渐变。 长期稳定性由于元器件老化、接插件疲劳氧化原因，使仪器 性能在长期运行中发生变化。 短期稳定性表示为示值重复性。 主要由输入信号的信噪比、电路本身的噪声和抗干扰能力决定 电路的稳定性不仅包括零点和放大倍数（灵敏度）的稳定性；还应 包括线性度、频率特性、输入输出阻抗的稳定性等。 提高稳定性的措施 减小温漂选温漂小经老化处理的元件，合理安排热源，采取 深度负反馈和补偿措施。 提高短期稳定性选低噪声、工作性能稳定可靠的元器件、适 当布线与接地及采取合适的抗干扰措施，还 常采取深度负反馈、 差动或平衡电路。 静态下：多次重复取样取平均、 滤波器的时间常数示值分散性 （二）对检测仪器电路的要求（二）对检测仪器电路的要求 3. 频率特性与响应速度 是衡量仪器动态性能的指标。 被测对象频率范围，从直流开始，高端可至1011Hz，以致更高。频率特性 同时巡回采样，巡回点越多，要求采样速度越高。 响应速度 4. 线性度 是仪器精度的又一重要指标。 x y 0 实际曲线 规定曲线 通常要求仪器的输入输出间具有线性关系 线性标尺便于读出； 换档时只须改变分度值，不必另行定标； 记录波形曲线不失真； 进行A/D转换、细分、伺服系统控制跟踪时均不考虑非引发因素， 比较方便。 电测仪器的非线性度由传感器、电路、显示执行机构这三部分的 非线性度产生。 （二）对检测仪器电路的要求（二）对检测仪器电路的要求 5. 分辩率 提高分辩率有利于减小读数误差，方便读数。 模拟仪表：最小刻度值的一半。 放大器的放大倍数。 数字仪表：数字显示最低位1个字对应的被测量。 量化误差最低位1个字对应的被测量细化电路 A/D位数 6. 输入与输出阻抗 要与相应的传感器和所驱动的显示执行机构阻抗匹配。 一般要求电路输入阻抗很高。（有的传感器输出阻抗大108以上 ） 但不是所有情况（输入阻抗 输入端噪声 ） 合理的要求是输入级的输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配，使 放大器的输出信噪比达最大值。 7. 计算与逻辑控制功能 通常检测仪器需要完成一定的计算，以获得所需的被测参数值； 仪器电路还要完成一系列逻辑判断处理，以保证仪器正常工作。 四、检测仪器电路的发展趋势四、检测仪器电路的发展趋势 电子管时期电子管放大器放大应变电桥的输出信号， 组成电阻应变仪。 50年代中后期晶体管发展到了实用阶段。 各种电子管电路随之改为晶体管电路。 60年代数字频率计、数字电压表等数字仪表发展到了实用阶段。 各种各样的数字仪表相继投放市场。 70年代各种模拟、数字集成电路大批量投入生产，价格大大降 低，为数字仪表的发展和推广开辟了广阔前景。 70年代中期微机系统开始在检测仪器中得到实际应用。 显著提高了检测仪器的性能和自动化程度。 80年代大规模集成电路制造技术不断完善发展。 以单片集成模数转换器为核心的各种数字面板表取代传统电表。 四、检测仪器电路的发展趋势四、检测仪器电路的发展趋势 （一）优质化 优质化的一个重要方面就是提高电路的工作可靠性。 例：一个含有104个晶体管的电路 若单个晶体管可靠性为0.9999 整个电路可靠性为0.9999100000.37 若单个晶体管可靠性为0.99999 整个电路可靠性为0.99999100000.905 若单个晶体管可靠性为0.999999 整个电路可靠性为0.999999100000.99 为使整个电路的工作可靠性达到99%，则单个器件可靠性必须达 到0.999999 （二）集成化 趋势（1）集成块的密集度越来越高； （2）采用集成块的范围越来越广。 四、检测仪