传感器与信号调理电路-运放.ppt

工业系统测量,传感器与信号调理电路,2019/12/1,力的测量与差动放大,2,如何测量你的体温？包括：获取温度信号以及处理温度信号本讲我们将了解测量系统的组成，包括信号的获取以及信号的预处理。另外，着重介绍在信号处理中使用最多的器件：运算放大器。,引言,2019/12/1,西安交通大学工程训练中心,3,传感器,传感器定义：能感受某种信息（被测量），并按一定规律将其转换成可用信号的器件或装置；可用信号：某一定场合中便于传输和处理且可以使用的信号，常是电量。传感器的本质：将被测量从一种能量形式转换成另一种能量形式，并作为可用信号输出；狭义的传感器：被测量电信号；传感器是工业系统的感官，获取工业系统中的位置、转速、温度、液位、压力等信息；对传感器的要求：线性度好、无滞环误差、特性稳定、测量范围宽、响应迅速。,2019/12/1,西安交通大学工程训练中心,4,信号调理电路,问题：传感器的输出信号往往很微弱，或波形不适当，或信号形式不适合，不能直接用于工业系统的状态显示和控制。解决：电压放大、整形、电流电压转换、频率电压转换等；信号调理电路：对传感器的输出信号施行一定预处理的装置，使信号适于显示或控制。主要技术：电子技术运算放大器测量同一被测量：不同的测量方法不同的传感器及相应的信号调理电路。同一传感器可以用于不同的工业系统。,2019/12/1,西安交通大学工程训练中心,5,信号调理电路,典型测量系统的组成,传感器,显示装置,控制装置,2019/12/1,西安交通大学工程训练中心,6,常用仪器在测量系统中的应用,信号发生器：产生标准信号（不同波形种类、不同频率和幅值的信号）；调试和维修时，模拟传感器的输出信号示波器：测量并显示电路中不同点的信号；直流电源：为系统各部分供电；万用表：最方便的检测仪器可测量电压、电流、电阻、电容、电感、温度,2019/12/1,西安交通大学工程训练中心,7,集成运算放大器,集成运算放大器是一种高放大倍数的直接耦合放大器件；完成信号放大、信号运算（加、减、乘、除、对数、反对数、平方、开方等）、信号处理（滤波、调制等）以及波形的产生和变换等功能；由于集成运放具有性能稳定、可靠性高、寿命长、体积小、重量轻、耗电量少等优点，得到了广泛的应用；注意：集成运算放大器是一个有源器件。,2019/12/1,西安交通大学工程训练中心,8,运算放大器,运算放大器的符号以及常见的运算放大器：,管脚起始,朝左,管脚序号逆时针方向增长！,2019/12/1,西安交通大学工程训练中心,9,运算放大器,运算放大器简称为运放；运放有两个输入端：同相输入端反相输入端有单端和差动两种输入方式一个输出端；,2019/12/1,西安交通大学工程训练中心,10,运算放大器,“放大”的含义及工作特性曲线,正向饱和,反向截止,线性放大区,“放大”的含义,运放的工作特性曲线,Vo(E-,E+),2019/12/1,西安交通大学工程训练中心,11,理想运算放大器,A很大，1000以上ri很大，兆欧以上ro很小，可以忽略Vo有限，电源电压范围内,Ariro0Vo(E-,E+),虚通虚短,虚断,考虑电压,考虑电流,理想运放是一个高增益、高输入电阻、低输出电阻的器件。,2019/12/1,西安交通大学工程训练中心,12,理想运算放大器,在输入一侧考虑电压关系时：反相输入端与同相输入端的电压相等，称为“虚通”或“虚短”；若同相端（反相端）接地，即同相端（反相端）电位为零，则反相端（同相端）电位也为零，称为“虚地”；在输入一侧考虑电流关系时：反相输入端与同相输入端之间的电流为零，称为“虚断”。,2019/12/1,西安交通大学工程训练中心,13,单端输入与差动输入,单端输入方式一端接输入信号，另一端接地（或通过电阻接地）同相输入反相输入,差动输入方式（双端输入）输入信号V1和V2同时加在同相端1和反相端2上ViV1V2,2019/12/1,西安交通大学工程训练中心,14,开环方式与反馈方式,开环方式输出端与输入端之间除地线外没有连接；如：比较器。,反馈方式有信号从输出端经过某种电路回到输入端，构成反馈回路。,2019/12/1,西安交通大学工程训练中心,15,正确理解运放的“工作方式”,运放内部并没有所谓的“工作方式”，它只会按照运放的工作特性曲线工作（即对所有的“工作方式”都一样）；所谓的“工作方式”是依运放的外部连接而引入的说明。,2019/12/1,西安交通大学工程训练中心,16,运放的分析方法三步走,虚断：把电路分为两个电阻串并联的支路；虚短：V+=V-，即两个支路之间的关系；使用电阻串并联的方法求解（设电流i）。,2019/12/1,西安交通大学工程训练中心,17,运放应用：反相比例放大器,Va=0a点常称“虚地”点,虚断,虚短,2019/12/1,西安交通大学工程训练中心,18,运放应用：反相比例放大器,虚短,虚断,反向输入支路,同向输入支路,2019/12/1,西安交通大学工程训练中心,19,运放应用：同相比例放大器,虚断,虚短,原理图中常用的简化画法,2019/12/1,西安交通大学工程训练中心,20,运放应用：电压跟随器,虚断,虚短,输出跟随输入变化。作用：前后极之间的隔离、缓冲，提高带负载能力等。,2019/12/1,西安交通大学工程训练中心,21,运放的补充说明,前面讲的均是运放的理想模型，集成运放内部并非真如模型的结构，但是它有与模型相同的特性（工作特性曲线），所以可以使用理想模型来分析运放；集成运放内部结构复杂，在模拟电子技术课程中有深入的讲解，可以参考：模拟电子技术基础（第三版）清华大学电子学教研组编童诗白华成英主编,2019/12/1,西安交通大学工程训练中心,22,训练内容1：反相放大器的测试,输入信号ui：正弦波，f=2kHz，直流电平为0V，uip-p=0.4V、0.8V、1.2V、1.8V、2.5V；双踪观察输入输出波形，记录输出uop-p；连续增大ui的幅值，记录出现饱和现象时输入、输出信号的峰峰值。,临界饱和时：;。,2019/12/1,西安交通大学工程训练中心,23,反相放大器的训练：接线示意图,电路的检测方法：检查电源供电是否正常？有问题，检查连接点导线,直流电源的使用：开启之前逆时针旋到底“跟踪”按下电路中所有的地要“共地”,2019/12/1,西安交通大学工程训练中心,24,训练电路板简介,2019/12/1,西安交通大学工程训练中心,25,训练内容2：同相放大器的测试,输入信号ui：正弦波，f=2kHz，直流电平为0V，uip-p=0.4V、0.8V、1.2V、1.8V、2.5V；双踪观察输入输出波形，记录输出uop-p；连续增大ui的幅值，记录出现饱和现象时输入、输出信号的峰峰值。,临界饱和时：;。,2019/12/1,西安交通大学工程训练中心,26,训练内容3：电压跟随器的测试,输入信号ui：正弦波，f=2kHz，直流电平为0V，uip-p=0.5V；双踪观察输入输出波形；连续改变uip-p，双踪观察输入输出波形。,2019/12/1,西安交通大学工程训练中心,27,IC间距与DIP封装,IC间距：1IC=0.1inch=100mil=2.54mm面包板的插孔间距、集成电路封装软尺寸与硬尺寸软引线尺寸：元器件安装到面包板或印制电路板上时，元器件对焊盘间距要求不是很严格，如：普通电阻、电容、小功率三极管、二极管等；硬引线尺寸：元器件对安装尺寸有严格要求，如：大功率三极管、继电器、电位器、集成电路。DIP封装：双列直插封装，一般管脚数小于100如：DIP-8、DIP-14、DIP-40其他封装：PLCC、QFP,2019/12/1,西安交通大学工程训练中心,28,元器件在面包板上的安装示例,集成电路：管脚序号按逆时针方向增长,极性：长正短负色环为负,2019/12/1,西安交通大学工程训练中心,29,小结,传感器：被测量可用信号（一定规律）；信号调理电路：对可用信号做预处理；运放：“虚短”“虚断”电阻串并联反相/同相比例器：实现电压的单端放大；差动放大器：实现两路电压的差动放大；电压跟随器：实现前后极的隔离。,信号调理电路,传感器,显示装置,控制装置,2019/12/1,西安交通大学工程训练中心,30,训练中常见的问题,输出波形产生畸变主要原因：未接电源地；可能原因：OP07损坏。在输入uip-p2V就饱和10k电阻被短接；输入直流电平不为0，即OFFSET旋钮开且不为0。输出波形先截止，后饱和运放：截止-9.3V，饱和+9.7V；OFFSET旋钮调节：有一个很小的直流电平。,2019/12/1,西安交通大学工程训练中心,31,运算放大器,“放大”的含义及工作特性曲线,正向饱和,反向截止,线性放大区,“放大”的含义,运放的工作特性曲线,饱和压降约0.3V，截止导通电压约0.7V,VoE-+0.7,E+-0.3,2019/12/1,西安交通大学工程训练中心,32,运放应用：差动放大器（减法器）,虚断,虚短,2019/12/1,西安交通大学工程训练中心,33,运放应用：积分器,虚断,虚短,真正的积分器！而RC不完全积分电路只是对于方波输入时，有类似于对输入ui积分的效果，并非真正的积分！,2019/12/1,西