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工业系统测量 传感器与信号调理电路 2020 1 16 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 2020 1 16 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 2020 1 16 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 2020 1 16 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 2020 1 16 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 2020 1 16 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 2020 1 16 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 2020 1 16 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 2020 1 16 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 2020 1 16 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 A ri ro 0Vo 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 2020 1 16 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 2020 1 16 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Vi V1 V2 2020 1 16 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 2020 1 16 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 2020 1 16 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 2020 1 16 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 2020 1 16 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 2020 1 16 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 2020 1 16 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 2020 1 16 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 2020 1 16 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 2020 1 16 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 2020 1 16 西安交通大学工程训练中心 24 训练电路板简介 2020 1 16 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 2020 1 16 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 2020 1 16 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 2020 1 16 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 2020 1 16 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 2020 1 16 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 p 2V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 2020 1 16 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 Vo E 0 7 E 0 3 2020 1 16 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 2020 1 16 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 2020 1 16