测控电路复习重点课件.ppt

完整的测控系统示意（硬件）,前提课程：传感器，单片微机原理,测控电路复习重点,第一章绪论,第一节测控电路的功用第二节对测控电路的主要要求第三节测控电路的输入信号与输出信号第四节测控电路的类型与组成第五节测控电路的发展趋势,2,第一章绪论,对测控电路的主要要求（精度高；响应速度快和动态失真小；转换灵活；可靠性与经济性）；影响测控电路精度的主要因素（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）；为什么说测控电路是测控系统中最灵活的环节，它体现在哪些方面？（模数转换与数模转换；信号形式的转换；量程的变换；信号的选取；信号处理与运算等）；,本章基本概念,3,4.测控电路的输入信号与输出信号类型模拟信号(非调制信号,已调制信号）；数字信号(增量码信号；绝对码信号；开关信号）,5.测控电路中的信号制,电模拟信号种类：直流电压(电流)，交流电压(电流)；国际统一信号：过程控制系统的模拟直流电流信号为420mA，模拟直流电压信号为15V；国内统一信号：420mA，15V；010mA，010V。,信号制是在成套系列仪器仪表测控电路中，各个单元的输入、输出信号采用何种统一的联络信号问题。,信号的传输方式有三种：两线制、三线制和四线制,6.模拟式测量电路和数字式测量电路的基本组成,7.控制电路的基本组成（开环控制；闭环控制）,第一章绪论,4,第2章信号放大电路,2.1运算放大器的误差及其补偿2.2典型测量放大电路2.3隔离放大电路,作用：放大传感器输出的电压、电流或电荷信号。类型：由传感器决定。如：应变式传感器采用电桥放大电路，压电式传感器采用电荷放大电路。,5,要掌握的主要内容：典型测量放大电路:隔离放大电路.,反相放大电路同相放大电路差动放大电路高共模抑制比放大电路自动调零放大电路高输入阻抗放大电路电桥放大电路线性化电路,第2章信号放大电路,6,2.2典型测量放大电路,一、高共模抑制比放大电路,作用：用来抑制传感器输出的共模电压(包括干扰电压)，提高共模抑制比。,应用场合：要求共模抑制比大于100dB的场合，例如人体心电测量，信号很微弱，而干扰很大。,方法：（1）采用多个集成运放串联组成的测量放大电路；（2）采用差动放大电路，使ui1和ui2的共模电压抵消，但要求外接电阻完全平衡对称。,7,2.2.5高共模抑制比放大电路,*2.2.5.2三运放高共模抑制比放大电路,N1N2：性能一致，平衡对称，构成差动放大输入级。,N3：双端输入单端输出的输出级，进一步抑制N1N2共模信号。,8,取R3=R4，R5=R6，,差模增益：,通常取：R1=R2，R3=R4，R5=R6外接电阻平衡对称。,2.2.5.2三运放高共模抑制比放大电路,电路特点：输入阻抗高；增益调整方便；对于理想运放，共模抑制比趋向无限大。,9,10,2.2.6电桥放大电路,2.2.6.1单端输入电桥放大电路,1反相输入型,(虚地),(虚断),特点：增益与桥臂电阻无关，增益稳定，单臂电桥非线性。,电桥电源浮置，电源在R1和R2不产生电流，a点为虚地：,11,2同相输入型,特点：输出与反相输入型符号相反，特点相同，输入阻抗高。,2.2.6.1单端输入电桥放大电路,12,2.2.6.2差动输入电桥放大电路,2.2.6电桥放大电路,特点：增益与桥臂电阻有关，增益不稳定，且非线性。,(ua=ub),13,2.2.6电桥放大电路,*2.2.6.3线性电桥放大电路,特点：传感器接在反馈回路，线性好，量程大，但灵敏度低。,14,2.2.7低漂移放大电路,*2.2.7.1自动调零放大电路,N1：主运放,N2：误差保持电路,N3：驱动开关Sa1、Sa2,N4：驱动开关Sb1、Sb2,15,1误差保持,当N3输出高电平，N4输出低电平时，Sa1Sa2闭合，Sb1Sb2断开，电路处于自动调零状态，其误差保持电路如下：,U0s1寄存在C1上，误差保持。,2.2.7.1自动调零放大电路,16,2调零放大,当N3输出低电平，N4输出高电平时，Sa1Sa2断开，Sb1Sb2闭合，电路进入放大状态，其调零放大电路如下：,实现了对失调电压的校正，达到了自动调零的目的，也起到了放大作用。输出稳定，U0s和Uc降低，电路成本低。,2.2.7.1自动调零放大电路,17,2.2典型测量放大电路,2.2.8高输入阻抗放大电路作用：提高反相(或差动)运算放大器的输入阻抗，与电容式、压电式传感器的高输出阻抗相匹配。,方法：（1）在放大电路输入端加接电压跟随器，但会引入共模误差；（2）采用高输入阻抗的集成运算放大器；（3）采用通用集成运算放大器组成的自举电路。,18,2.2.8.2自举式高输入阻抗放大电路,2.2.8高输入阻抗放大电路,何谓自举电路?自举电路是利用反馈使输入电阻的两端近似为等电位，减小向输入回路索取电流，从而提高输入阻抗的电路。是不是所有情况下都要求放大电路具有高的输入阻抗？高输入阻抗电路常应用于传感器的输出阻抗很高的测量放大电路中。如电容式、压电式传感器的测量放大电路。,19,2.2.8.2自举式高输入阻抗放大电路,b)交流电压跟随电路,a)同相交流放大电路,利用C2将运放两输入端之间的交流电压作用在R1两端。理想情况下两输入端电位近似相等(虚短)，无电流流过R1，故对交流而言。,要求：R3=R1+R2减小输入失调电压和输入偏置电流。,20,2.2.8.2自举式高输入阻抗放大电路,输入电阻为：,当R2=R1时，Ri，i1=i2，即N1的输入电流全部由N2提供，输入回路无电流。,21,自举组合电路,22,2.3隔离放大电路,作用：将输入、输出和电源电路进行隔离，使他们之间没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。,方法：采用电磁耦合(变压器)和光电耦合。,应用场合：主要用于便携式测量仪器和某些测控系统(如生物医学人体测量、自动化试验设备、工业过程控制系统等)中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。,第2章信号放大电路,23,1.组成及符号,2.3隔离放大电路,2.3.1基本原理,Ciso隔离电容(典型值20pF),Riso隔离电阻(很大),uiso隔离模电压，指隔离器两端或输入端与输出端两公共地之间能承受的共模电压。,24,2.3隔离放大电路,2.原理框图,变压器耦合不仅隔离了输入与输出电路，而且也隔离了浮置电源，但体积大。,光电耦合先将被测信号放大后由发光二极管转换成光信号，再由光敏三极管转换成电信号放大输出，但非线性。,25,作用：传感器输出的信号一般很微弱，而且含有各种噪声。为了将测量信号从含有噪声的信号中分离出来，便于放大与远距离传输。,3.1调幅式测量电路3.2调频式测量电路3.3调相式电路3.4脉冲调宽制式测量电路,26,第3章信号调制解调电路,1、调制解调的概念、功用，采用调制解调的目的。2、调频，调幅，调相，脉冲调制的数学表达式，并画出它们的波形。3、什么是双边带调幅？请写出其数学表达式，画出它的波形4、什么是包络检波？什么是相敏检波包络检波和相敏检波的电路原理及分析、区别；5、相敏检波电路的主要作用：鉴相和选频6、鉴相电路的原理。7、脉冲调宽信号的解调方式。,第3章信号调制解调电路,27,调制,传感器调制,电路调制,开关电路调制,乘法器调制,信号相加调制,调相,调频,调幅,脉冲调宽,28,解调,包络检波,相敏检波,二极管与晶体管包络检波,精密检波,半波,全波,29,什么是信号调制？调制就是用一个信号(称为调制信号)去控制另一个做为载体的信号(称为载波信号)，让后者的某一特征参数(幅值、频率、相位、脉冲宽度)按前者变化。什么是信号解调？在将测量信号调制，并将它和噪声分离、放大等处理后，还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，这一过程称为解调。,30,第3章信号调制解调电路,调制是给测量信号赋予一定特征，这个特征由作为载体的信号提供。常以一个高频正弦信号或脉冲信号作为载体，这个载体称为载波信号。用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位的信号称为调制信号。在测控系统中，通常就用测量信号作调制信号。经过调制的载波信号叫已调信号。,31,在信号调制中常以一个高频正弦信号作为载波信号。一个正弦信号有幅值、频率、相位三个参数，可以对这三个参数进行调制，分别称为调幅(Amplitudemodulation)、调频(Frequencymodulation)和调相(Phasemodulation)。也可以用脉冲信号作载波信号。可以对脉冲信号的不同特征参数作调制，最常用的是对脉冲的宽度进行调制，称为脉冲调宽(Pulsewidthmodulation)。,32,3.1调幅式测量电路,3.1.1调幅原理与方法3.1.1.1调幅信号的表达式,调幅信号的一般表达式可写为：,什么是调幅？写出调幅信号的数学表达式，画出波形。调幅就是用调制信号x去控制高频载波信号的幅值。常用的是线性调幅，即让调幅信号的幅值按调制信号x的线性函数变化。,c载波信号角频率；Um调幅波中载波信号的幅值；m调制的灵敏度；x调制信号。,33,设调制信号，且（一般）,载波信号,上边频信号,下边频信号,载波信号中不含调制信号x的信息，因此可取Um=0、m=1，只保留两个边频信号。这种调制称为双边带调幅，可采用乘法器实现。其数学表达式为：,3.1.1.1调幅信号的表达式,何谓双边带调幅？写出其数学表达式，并画出波形。,34,当x0时，us与uc同频同相；,双边带调幅信号,当xUxm，,37,3.信号相加实现调制,电路形式为相加，而实质还是用uc控制二极管开关实现相乘。,38,什么是包络检波？检出调幅信号的包络线。,3.1调幅式测量电路,3.1.2包络检波电路,如何实现包络检波？采用单向导电器件截去调幅信号中下半部(或上半部)的波形，即可获得半波检波信号，再经低通滤波器滤除高频信号，即可获得所需调制信号，实现解调。包络检波实际上就是建立在整流原理的基础上。,39,3.1.2.2精密检波电路,1.半波精密检波电路,与VD1防止us为正半周时，因VD2断开而使运放处于开环状态，由此可造成运放饱和。,40,当us0时，；,当us0时，VD1VD4通，VD2VD3断，N2跟随器工作，；,当us0时，VD1通，VD2断，；,us0时，us与Uc同频同相；,当uxUsm，低频时C1C2开路，则,调RP使,1.相加式半波相敏检波电路之一,49,3.1.3.4精密整流型相敏检波电路,当Uc=“1”时，V1截止，V2导通，；,当Uc=“0”时，V1导通，V2截止，。,50,3.1.3.6相敏检波电路的选频和鉴相特性,1.相敏检波电路的选频特性,什么是相敏检波电路的选频特性？相敏检波电路的选频特性是指它对不同频率的输入信号有不同的传递特性。,若us中含有高次谐波，由此产生的附加输出为：,相敏检波电路由乘法器和低通滤波器组成，即,51,1.相敏检波电路的选频特性(波形),52,2.相敏检波电路的鉴相特性,3.1.3.6相敏检波电路的选频和鉴相特性,什么是相敏检波电路的鉴相特性？如果输入信号us与参考信号uc(或Uc)是同频信号，但有一定相位差，这时输出电压为：,输出信号随相位差的余弦而变化。由于在输入信号与参考信号同频但有一定相位差时，输出信号的大小与相位差有确定的函数关系，可以根据输出信号的大小确定相位差的值，相敏检波电路的这一特性称为鉴相特性。,53,2.相敏检波电路的鉴相特性(波形),us与Uc同相,Uc,t,o,+,us,t,o,+,uo,t,o,+,+,Uc,t,o,+,Uc,t,o,+,Uc,t,o,+,us,t,o,+,us,t,o,+,us,t,+,+,o,t,+,+,o,uo,uo,t,o,+,+,uo,t,o,us与Uc反相,us与Uc相位差90o,us与Uc相位差30o,54,3.2调频式测量电路,3.2.1调频原理与方法3.2.1.1调频信号的表达式,调频信号的一般表达式可写为：,什么是调频？写出调频信号的数学表达式，画出波形。调频就是用调制信号x去控制高频载波信号的频率。常用的是线性调频，即让调频信号的频率按调制信号x的线性函数变化。,55,调频信号的波形：,56,3.3调相式测量电路,3.3.1调相原理与方法3.3.1.1调相信号的表达式,什么是调相？写出调相信号的数学表达式，画出波形。调相就是用调制信号x去控制高频载波信号的相位。常用的是线性调相，即让调相信号的相位按调制信号x的线性函数变化。,调相信号的一般表达式可写为：,57,调相信号的波形：,58,脉冲调宽的数学表达式为：B=b+mx,3.4脉冲调制式测量电路,3.4.1脉冲调制原理与方法3.4.1.1脉冲调制信号的表达式,什么是脉冲调宽制？写出脉冲调制信号的数学表达式，并画出其波形。脉冲调制是指用脉冲作为载波信号的调制方法。在脉冲调制中具有广泛应用的一种方式是脉冲调宽。,59,脉冲调宽信号的波形：,60,1.参量调宽,3.4.1脉冲调制原理及方法,3.4.1.3电路调宽,=常数差动传感器,周期不变,充电时间,放电时间,输出脉冲信号的频率不变，占空比随传感器电阻R2R3变化。,61,2.电压调宽,3.4.1.3电路调宽,（1）若ux0，则u+大：uo=Ur，C充电时间长；uo=-Ur，C放电时间短。即输出脉冲占空比大。,（2）若ux，通常至少要求c10。这样，解调时滤波器能较好地将调制信号与载波信号分开，检出调制信号。若被测信号的变化频率为0-100Hz，则载波信号的频率c1000Hz。调幅信号放大器的通频带应为900-1100Hz。信号解调后，滤波器的通频带应100Hz，即让0-100Hz的信号顺利通过，而将900Hz以上的信号抑制，可选通频带为200Hz。,63,相敏检波电路与包络检波电路在功能、性能与在电路构成上最主要的区别是什么？,相敏检波电路与包络检波电路在功能上的主要的区别是相敏检波电路能够鉴别调制信号相位，从而判别被测量变化的方向。在性能上最主要的区别是相敏检波电路具有判别信号相位和频率的能力，从而提高测控系统的抗干扰能力。从电路结构上看，相敏检波电路的主要特点是，除了所需解调的调幅信号外，还要输入一个参考信号。有了参考信号就可以用它来鉴别输入信号的相位和频率。参考信号应与所需解调的调幅信号具有同样的频率，采用载波信号作参考信号就能满足这一条件。,64,从相敏检波器的工作机理说明为什么相敏检波器与调幅电路在结构上有许多相似之处？它们又有哪些区别？只要将输入的调制信号乘以幅值为1的载波信号就可以得到双边频调幅信号。若将再乘以，就得到,利用低通滤波器滤除频率为和的高频信号后就得到调制信号，只是乘上了系数1/2。这就是说，将调制信号ux乘以幅值为1的载波信号就可以得到双边频调幅信号us，将双边频调幅信号us再乘以载波信号，经低通滤波后就可以得到调制信号ux。这就是相敏检波电路在结构上与调制电路相似的原因。相敏检波器与调幅电路在结构上的主要区别是调幅电路实现低频调制信号与高频载波信号相乘，输出为高频调幅信号；而相敏检波器实现高频调幅信号与高频载波信号相乘，经滤波后输出低频解调信号。这使它们的输入、输出耦合回路与滤波器的结构和参数不同。,65,开关式全波相敏检波电路,66,2019/12/13,67,可编辑,68,全波精密检波电路,精密整流型全波相敏检波电路,69,P93,脉宽调制电路,电容C在两个半周期通过不同的电阻进行充电，充电时间常数不同，从而输出信号的占空比随着两支充电回路的阻值而变化，即输出信号的脉宽受被测信号调制。Rp2和Rp3为差动电阻传感器的两臂，其和为一常量。,70,第4章信号分离电路,4.1滤波器基本知识4.2RC滤波电路4.3集成有源滤波器4.4跟随滤波器,作用：选择频率的作用。提取有用的测量信号，滤除噪声和无用信号。,71,1、4种常见的滤波器及示意图、性能。2、传递函数的定义，由传递函数我们可以得到滤波器的幅频和相频特性。3、滤波器特性的逼近：有哪几种逼近方法，什么时候采用什么样的逼近方法？4、二阶有源滤波器的分类，结构，会推导其传递函数，并根据其获得特征参数kp，w0，等。5、会设计有源滤波器。,重点：模拟滤波器的传递函数与频率特性；压控电压源型滤波电路；无限增益多路反馈型滤波电路；有源滤波器设计。,第4章信号分离电路,72,4.1.1滤波器的类型1.按处理信号形式分：模拟滤波器和数字滤波器。2.按功能(频率)分：低通、高通、带通、带阻滤波器。3.按电路元件分：LC无源滤波器、RC无源滤波器、由特殊元件构成的无源滤波器、RC有源滤波器。4.按微分方程(传递函数)的阶数分：一阶滤波器、二阶滤波器、高阶滤波器。,4.1滤波器基本知识,第4章信号分离电路,73,低通：,高通：,带通：,带阻：,二阶有源滤波器,74,4.1.4.1巴特沃斯逼近：这种逼近的基本原则是使幅频特性在通带内最为平坦，并且单调变化。其幅频特性为,4.1.4滤波器特性的逼近,75,4.1.4滤波器特性的逼近,a)幅频特性,b)相频特性,图4-7三种巴特沃斯低通滤波器频率特性,76,4.1.4.2切比雪夫逼近：这种逼近方法的基本原则是允许通带内有一定的波动量Kp。其幅频特性为,4.1.4滤波器特性的逼近,4.1.4.3贝赛尔逼近：这种逼近与前两种不同，它主要侧重于相频特性，其基本原则是使通带内相频特性线性度最高，群时延函数最接近于常量，从而使相频特性引起的相位失真最小。,77,4.1.4滤波器特性的逼近,78,4.2.2压控电压源型滤波电路(同相放大器),4.2RC滤波电路,79,压控电压源型滤波器的特点,元件数目少对运放理想程度要求不高结构简单增益和截止频率独立，调整方便（）正反馈，稳定性差（）,80,4.2.3无限增益多路反馈型滤波电路(反相放大器),4.2RC滤波电路,81,82,4.2.5RC有源滤波器设计,有源滤波器的设计主要包括以下四个过程：确定传递函数（应用特点确定、阶数）低通、高通、带通、带阻特征频率：固有频率、转折频率、截止频率巴特沃斯、切比雪夫、贝赛尔逼近选择电路结构（特性要求、低灵敏度）压控电压源、无限增益多路反馈、双二阶环选择有源器件（器件特性、噪声、Ri、Ro）计算无源元件参数（预设、先C后R）,*4.2.5.4无源元件参数计算1在给定转折频率fc下，参考表4-2选择电容C1；2计算电阻换标系数：K=100/fcC1(C1单位为F)；3由KP查表(由类型决定)确定C2及归一化电阻值ri；4计算电阻实际值：Ri=Kri；5确定电阻标称值。,4.2.5RC有源滤波器设计,83,84,85,第5章信号运算电路,作用：实现各种数学运算，如表面粗糙度测量。,5.1比例运算放大电路5.2加法、减法运算电路5.3对数、指数和乘、除运算电路5.4微分、积分运算电路5.5常用特征值运算电路5.6函数性运算电路,86,1.利用反相加法运算电路实现减法运算,5.2加法、减法运算电路5.2.3减法运算电路,87,四、乘方和立方运算电路,图平方运算电路,将相乘运算电路的两个输入端并联在一起就是乘方运算电路，电路如左图所示。立方运算电路如右图所示。,图立方运算电路,88,五、除法运算电路,除法运算电路如图所示，它是由一个运算放大器和一个模拟乘法器组合而成。根据运放虚断的特性，有,图除法运算电路,如果令K=R2/R1则,89,七、开立方运算电路,图为开立方运算电路，根据电路有,当uI为正值时，uO为负值，当uI为负值时，uO为正值。,图开立方电路,90,91,折线法电路原理,92,第6章信号转换电路,6.1模拟开关6.2采样保持电路6.3电压比较电路6.4电压频率转换电路6.5电压电流转换电路6.6模拟数字转换电路,93,（三）多路模拟开关,逻辑电平转换电路,图CD4051原理图,组成：译码器+多路双向模拟开关,94,例：用CD4051设计一程控放大电路,95,基本组成：1.模拟开关2.存储电容3.缓冲放大器,6.2采样保持电路,6.2.1基本原理,当Uc=“1”时，S接通，ui向C充电，输出跟踪模拟输入信号变化采样阶段(uo=uc=ui)。,当Uc=“0”时，S断开，uo保持S断开瞬间的输入信号值保持状态(uo保持uc值)。,97,6.3.1电平比较电路(单门限电平)6.3.1.1差动型电平比较电路,当uiUR时，Uo为低电平“0”；当ui=UR时，比较器翻转。Uo=UR-ui,当UR=0时为过零比较器，又称鉴零器。如正弦波经过鉴零器后变为方波。,98,6.3.2滞回比较电路(正反馈，两个门限电平),设输出高低电平分别为UoH、UoL，则两个门限电平分别为：,滞后电平：,Uo,调节R1或R2可调节滞后电平，使稍大于预计的干扰信号un，可消除“振铃”现象。uiU2时Uo=UoL，U1Ib运放的输入偏置电流。,101,6.5.1I/V转换电路,2.同相输入型,要求：R4=R2/R3（R2和R3由i与uo的范围确定）,例：420mA010V,取R1=250，i=420mAui=15Vuo=010V,，,102,6.5.1I/V转换电路,例：420mA05V,uN=uP=iSR,取，,调RP使Uf=7.53V，则uo=312.5426iS-1.25005V,103,6.5.1I/V转换电路,例：420mA05V,uN=uP=iSR,取，,调RP使Uf=7.53V，则uo=312.5426iS-1.25005V,104,6.5.2V/I转换电路1.运放构成的V/I转换电路,要求：R3RLR4R7+RL,取R1=R2，R3=R4，uNuP，则,105,6.5.2V/I转换电路,106,*A/D转换的三个阶段：采样、量化和编码,6.6.1A/D转换器,6.6.1.1基本原理,采样：在时间上离散，用模拟信号与脉冲序列相乘实现。,量化：在幅值上离散，利用四舍五入规则，用有限个量化值来代替采样值，量化值与采样值之差称为量化误差，最大量化误差=LSB/2。,编码：编码与量化同时完成，通常用二进制码表示，即,107,1.D/A转换器的基本原理,将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。,基本原理,6.6.2D/A转换器,6.6.2.1D/A转换器的基本原理与转换特性,108,2.T形R-2R电阻网络电路,A1An各点向右看等效电阻均为R，IR=UR/R。,109,电阻种类少，只有R和2R，提高了制造精度；而且支路电流流入求和点不存在时间差，提高了转换速度。,试述在S/H电路中对模拟开关、存储电容及运算放大器这三种主要元器件的选择有什么要求。选择要求如下：模拟开关：要求模拟开关的导通电阻小，漏电流小，极间电容小和切换速度快。存储电容：要选用介质吸附效应小的和泄漏电阻大的电容。运算放大器：选用输入偏置电流小、带宽宽及转换速率（上升速率）大的运算放大器；输入运放还应具有大的输出电流。,110,如果要将420mA的输入直流电流转换为010V的输出直流电压，试设计其转换电路。该转换电路如图X6-3所示。根据图X6-3电路，有,取R1=250，当i=4mA时，ui=1V，当i=20mA时，ui=5V。因此要求,111,试分析图6-36中各电路的工作原理，并画出电压传输特性曲线。,此电路为一施密特电路。比较器输出的高、低电压分别为稳压管稳压值UZ、-UZ，因此运算放大器同相端两个门限电压为：,当uiUR时，VD1导通，运算放大器输出负向饱和电压-E，VD2截止，uo=0，此时运算放大器同相端门限电压为：当ui由大变小并小于UT时，uo=UZ。,112,其电压