测控电路01绪论

1、测控电路2021-11-11 测控电路张国雄天津大学精密仪器与光电子工程学院精密测试技术及仪器国家重点实验室电子邮件：n为什么要学？为什么要学？n学些什么？学些什么？n怎么学？怎么学？第第1章章 绪论绪论 测控电路32021-11-11第第1章章 绪论绪论测控电路的功用对测控电路的主要要求 测控电路的类型与组成 课程的性质、内容与学习方法 测控电路的输入输出信号 测控电路的发展趋势一一. 为什么要学？为什么要学？二二. 学些什么？学些什么？三三. 怎么学？怎么学？1.1 测控电路的功用测控电路的功用n生产力是社会发展的决定因素。生产力是社会发展的决定因素。n生产力决定国力。生产力决定国力。n生

2、产的两大指标：质量和效率生产的两大指标：质量和效率n提高产品质量和生产效率都要依靠测控。提高产品质量和生产效率都要依靠测控。n没有测量就无从了解产品的质量。没有测量就无从了解产品的质量。n没有测量就无从控制产品的质量。没有测量就无从控制产品的质量。1.1 测控电路的功用测控电路的功用机械、电子、冶金、化工、医药等生机械、电子、冶金、化工、医药等生产都要靠检测、反馈控制。产都要靠检测、反馈控制。 1.1 测控电路的功用测控电路的功用n机器高速运转靠精度，精度依赖于测控。机器高速运转靠精度，精度依赖于测控。n自动化是提高生产效率的主要手段。自动化是提高生产效率的主要手段。n现代的自动化是柔性自动化

3、，越是柔性的现代的自动化是柔性自动化，越是柔性的系统越需要测量。系统越需要测量。n宝钢建设仪器测控装备占总投资宝钢建设仪器测控装备占总投资1/3。1.1 测控电路的功用测控电路的功用n自动化的进一步发展就是智能化。自动化的进一步发展就是智能化。n智能化：对环境、原材料、机器工具状智能化：对环境、原材料、机器工具状态的自适应，进行信息交换，优化决策。态的自适应，进行信息交换，优化决策。n智能化更离不开测控。智能化更离不开测控。n智能机器、智能衣服、智能房屋、智能智能机器、智能衣服、智能房屋、智能能源。能源。一、测控电路的功用一、测控电路的功用n科技是第一生产力科技是第一生产力n门德列耶夫：科学是

4、从测量开始的，门德列耶夫：科学是从测量开始的， 没有测量就没有科学。没有测量就没有科学。n测试是测试是“新技术革命新技术革命”的先导和基础的先导和基础n实践是检验真理的唯一标准。实践是检验真理的唯一标准。n没有仪器仪表难以进行科学研究。没有仪器仪表难以进行科学研究。n许多重大发现和发明从测试和仪器仪表许多重大发现和发明从测试和仪器仪表进步开始。进步开始。1.1 测控电路的功用测控电路的功用n祖冲之圆周率祖冲之圆周率 是测是测出来的。出来的。n测试变测试变“假说假说”、“学说学说”为科学为科学 例：牛顿万有引力学说例：牛顿万有引力学说 只有在能测得地球与月亮的精确距只有在能测得地球与月亮的精确距

5、离情况下万有引力学说才成为科学。离情况下万有引力学说才成为科学。3.14159291133551.1 测控电路的功用测控电路的功用n20世纪初到现在，诺贝尔奖金颁发给仪世纪初到现在，诺贝尔奖金颁发给仪器与测控手段的项目达器与测控手段的项目达27项之多项之多。n哈勃望远镜对天体科学的作用。哈勃望远镜对天体科学的作用。n扫描隧道显微镜对纳米科技的作用。扫描隧道显微镜对纳米科技的作用。1.1 测控电路的功用测控电路的功用n当今时代是信息时代。当今时代是信息时代。 n信息技术包括：信息获取、处理、传输、存储、信息技术包括：信息获取、处理、传输、存储、执行（控制）。执行（控制）。n测量是信息的源头，最后

6、落实到控制。测量是信息的源头，最后落实到控制。n信息时代的标志信息时代的标志高性能计算机的发展，速高性能计算机的发展，速度和容量为其主要指标。度和容量为其主要指标。n 关键是重复定位和曝光技术精度，在于测控。关键是重复定位和曝光技术精度，在于测控。1.1 测控电路的功用测控电路的功用计算机的计算机的发展建立发展建立在测控技在测控技术进步的术进步的基础上基础上1.1 测控电路的功用测控电路的功用n国防事业离不开测试国防事业离不开测试n现代战争是信息战现代战争是信息战n仪器仪表的测量控制精度决定了武器系仪器仪表的测量控制精度决定了武器系统的打击精度（激光制导）统的打击精度（激光制导）n定点杀伤，反

7、导弹计划定点杀伤，反导弹计划-火箭拦截火箭拦截n仪器仪表的测试速度、诊断能力与控制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快速性决定了武器系统的反应能力n振兴中国要发展测控振兴中国要发展测控1.1 测控电路的功用测控电路的功用n航空、航天离不开测量。航空、航天离不开测量。n神洲号发射成功依靠测控。神洲号发射成功依靠测控。n宇宙飞船的轨迹需要按测量数据不断修正。宇宙飞船的轨迹需要按测量数据不断修正。n科学实验数据要靠测控船等收集。科学实验数据要靠测控船等收集。n载人航天、登月等前期工作主要收集数据。载人航天、登月等前期工作主要收集数据。n运载火箭的试制费一半用于仪器与测控

8、手段。运载火箭的试制费一半用于仪器与测控手段。1.1 测控电路的功用测控电路的功用n生命科学生命科学n环境、生态环境、生态n核科技核科技n纳米科技纳米科技nMEMSn安全、社会争端安全、社会争端都离不开测控都离不开测控 测控电路162021-11-111.1 测控电路的功用测控电路的功用 为什么说在现代生产中提高产品质量与生产效率都离不开测量与控制技术？ 试举例说明测量与控制技术在生产、生活与各种工作中的广泛应用。 举例说明测量与控制技术在推动科技发展中的作用？ 测控电路172021-11-111.1 测控电路的功用测控电路的功用测控系统的组成测控电路在整个测控系统中起着什么样的作用？测控电路

9、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、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。选取所需信号、适应不同测控任务要求。 测量控测量控 制电路制电路传感器传感器执行机构执行机构1.1 测控电路的功用测控电路的功用 测量控测量控 制电路制电路传感器传感器执行机构执行机构原始信号微弱：高保真放大原始信号微弱：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、滤波征）、共模抑制、滤波复杂参数、分析：计算变换电路。复杂参数、分析：计算变换电路。电路是电路是“一传一传”和和“

10、二传二传”手，还有手，还有“拦网拦网”作用，作用，是测控是测控系统中最灵活部分。系统中最灵活部分。 测控电路192021-11-111.21.2 对测控电路的主要要求对测控电路的主要要求一、精度高一、精度高二、响应快二、响应快三、转换灵活三、转换灵活四、可靠性与经济性四、可靠性与经济性学些什么？学些什么？要掌握设计、选用电路的要领，必须了解对测控电路的要求要掌握设计、选用电路的要领，必须了解对测控电路的要求（一）精度高一）精度高n离开精度，测控就失去意义离开精度，测控就失去意义n生产、科研、国防、高科技都离不开精度生产、科研、国防、高科技都离不开精度n产品的质量在很大程度上取决于测控精度产品的

11、质量在很大程度上取决于测控精度n仪器仪表的测控精度决定了武器系统的打仪器仪表的测控精度决定了武器系统的打击精度击精度1.21.2 对测控电路的主要要求对测控电路的主要要求n精度精度-测控永恒主题测控永恒主题n长度：纳米（单一尺寸到坐标测量，分长度：纳米（单一尺寸到坐标测量，分子测量机子测量机-亚原子测量机）亚原子测量机）n时间：飞秒时间：飞秒n引力波对光速影响引力波对光速影响10-17n光钟光钟10-19（3000亿年差亿年差1秒）秒）n单个电子电量（单个电子电量（1.5910-19C）1.2 1.2 对测控电路的主要要求对测控电路的主要要求 测控电路222021-11-111.2 1.2 对

12、测控电路的主要要求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？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1.2 1.2 对测控电路的主要要求对测控电路的主要要求n课程内容首先围绕课程内容首先围绕精度精度来讲来讲n放大器：低漂、自动稳零、高共模抑制放大器：低漂、自动稳零、高共模抑制比、高输入阻抗、非线性补偿比、高输入阻抗、非线性补偿n信号的调制解调信号的调制解调n滤波滤波n运算处理，选取有效成分运算处理，选取有效成分n抗干扰技术抗干扰技术1.2 1.2 对测控电路的主要要求对测控电路的主要要求（二）响应快（二）响应快n

13、生产节奏加快生产节奏加快n科学研究要了解快速变化过程科学研究要了解快速变化过程n高技术与国防的要求高技术与国防的要求n仪器仪表的测试速度、诊断能力与控制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快速性决定了武器系统的反应能力n落后就要挨打，慢了就要挨打落后就要挨打，慢了就要挨打n硬件电路总的来说比软件有更高的反应速度。硬件电路总的来说比软件有更高的反应速度。n快速响应是衡量电路性能的重要指标（低输出快速响应是衡量电路性能的重要指标（低输出阻抗、转换速度、同步采样等）。阻抗、转换速度、同步采样等）。nPID控制、前馈与反馈。控制、前馈与反馈。1.2 1.2 对测控电路的主要

14、要求对测控电路的主要要求 测控电路262021-11-111.2 1.2 对测控电路的主要要求对测控电路的主要要求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？1、 模数转换与数模转换2、信号形式的转换3、量程的变换4、信号的选取5、信号处理与运算（三）转换灵活三）转换灵活1.2 1.2 对测控电路的主要要求对测控电路的主要要求对于灵活性的需求对于灵活性的需求n参数类型更多参数类型更多 n参数定义更加复杂参数定义更加复杂n应用领域更广泛，天上、地下、水中、应用领域更广泛，天上、地下、水中、人体内人体内1.2 1.2 对测控电路的主要要求对测控电路的主要要求n测量范围更宽测量范围更

15、宽 n尺寸尺寸-原子核到宇宙空间原子核到宇宙空间n电压电压-纳伏到百万伏纳伏到百万伏n电阻电阻-超导至超导至1014（四）可靠性与经济性（四）可靠性与经济性n测控电路越来越多地实时地用在各种系测控电路越来越多地实时地用在各种系统中；统中；n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国防和高科技中；n测控电路越来越多地用在医疗和其它与测控电路越来越多地用在医疗和其它与生命有关的系统中；生命有关的系统中；n电路的集成度越来越大。电路的集成度越来越大。1.2 1.2 对测控电路的主要要求对测控电路的主要要求n应用领域更广泛，天上、地下、水中、应用领域更广泛，天上、地下、水中、人体内人体内n

16、条件更加恶劣条件更加恶劣 高温、高速、高湿、高尘、振动、密闭、高温、高速、高湿、高尘、振动、密闭、遥测、高压、高电压、遥测、高压、高电压、 深水、强场、易深水、强场、易爆爆1.2 1.2 对测控电路的主要要求对测控电路的主要要求 测控电路312021-11-111.31.3 测控电路的输入信号与输出信号测控电路的输入信号与输出信号1、模拟式信号、模拟式信号 (1) 非调制信号 非调制模拟信号被测量测量信号 0 x t电路的形式、结构首先与信号形式与使用要求有关电路的形式、结构首先与信号形式与使用要求有关送到电路的信号与被测量具有近似线性关系送到电路的信号与被测量具有近似线性关系 测控电路322

17、021-11-111.3 1.3 测控电路的输入信号与输出信号测控电路的输入信号与输出信号用电感传感器测量工件轮廓形状usucx线圈线圈测杆测杆工件工件衔铁衔铁 调幅信号c)ustuctb)a)O xtxO xO（2） 经调制信号1.3 1.3 测控电路的输入信号与输出信号测控电路的输入信号与输出信号2、数字式信号、数字式信号（1）增量码信号（2）绝对码信号（3）开关信号1.3 1.3 测控电路的输入信号与输出信号测控电路的输入信号与输出信号2、数字式信号、数字式信号（1）增量码信号2 LN123546L输出反映变化量输出反映变化量1.31.3 测控电路的输入信号与输出信号测控电路的输入信号与

18、输出信号2、数字式信号、数字式信号（1）增量码信号LNW亮亮亮亮暗暗LW输出反映变化量输出反映变化量 测控电路362021-11-11简述1.31.3 测控电路的输入信号与输出信号测控电路的输入信号与输出信号2、数字式信号、数字式信号 （2）绝对码信号 1111000000010010001101000101011001111000111011001101101110101001输出与状态一一对应输出与状态一一对应1.31.3 测控电路的输入信号与输出信号测控电路的输入信号与输出信号2、数字式信号、数字式信号（3）开关信号输出只有开关、通断、亮暗、01两种状态321AABB456指示灯7891

19、01112lFB-BA-Ar 测控电路382021-11-111.4 1.4 测控电路的类型与组成测控电路的类型与组成一、测量电路的基本组成一、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二、控制电路的基本组成 开环控制 闭环控制 测控电路392021-11-111.41.4 测控电路的类型与组成测控电路的类型与组成 模拟式测量电路的基本组成电路电路传传 感感 器器量程切换电路量程切换电路放放 大大 器器 解解 调调 器器信号分离电路信号分离电路运运 算算 电电 路路模数转换电路模数转换电路计计 算算 机机显示执行机构显示执行机构振振 荡荡 器器

20、 电电 源源 测控电路402021-11-111.41.4 测控电路的类型与组成测控电路的类型与组成指令传感器指令传感器电路电路传传 感感 器器显示执行机构显示执行机构计计 算算 机机锁锁 存存 器器计计 数数 器器转换电路转换电路脉冲当量脉冲当量放放 大大 器器整形电路整形电路细分电路细分电路手动采样手动采样锁存指令锁存指令辨向电路辨向电路 增量码数字式测量电路的基本组成增量码数字式测量电路的基本组成 测控电路412021-11-111.41.4 测控电路的类型与组成测控电路的类型与组成 开环控制系统的基本组成开环控制系统的基本组成测量电路测量电路 控制电路控制电路 扰动量扰动量传感器传感器

21、放大放大电路电路输输出出转换转换电路电路设定设定电路电路执行执行机构机构给定给定机构机构被控被控对象对象 测控电路422021-11-111.41.4 测控电路的类型与组成测控电路的类型与组成 设定设定电路电路比较比较电路电路校正校正电路电路转换转换电路电路给定给定机构机构执行执行机构机构被控被控对象对象输出输出传感器传感器扰动扰动放大放大电路电路控制电路控制电路 闭环控制系统的基本组成闭环控制系统的基本组成 测控电路432021-11-111.4 1.4 测控电路的类型与组成测控电路的类型与组成n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

22、各组成部分的作用。n为什么要采用闭环控制系统？试述闭环控制系统的基本组成及各组成部分的作用。 测控电路442021-11-111.5 1.5 测控电路的发展趋势测控电路的发展趋势n 优质化(精、快、可靠）n 集成化n 数字化n 通用化、模块化n 测控一体化n 自动化与智能化学习不仅要把握现状，而且要了解发展趋势学习不仅要把握现状，而且要了解发展趋势 测控电路452021-11-111.61.6 课程的性质、内容与学习方法课程的性质、内容与学习方法掌握基础, 注重实践n在现代生产中，物质流和能量流在信息流指挥在现代生产中，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和控制下

23、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，培养这一发展需要，培养宽基础宽基础、具有、具有创造性创造性的人的人才，将整个仪器仪表类专业集中为才，将整个仪器仪表类专业集中为“测控技术测控技术及仪器及仪器”一个专业，一个专业，测控电路测控电路是它的一门是它的一门重要课程重要课程。1.61.6 课程的性质、内容与学习方法课程的性质、内容与学习方法1.61.6 课程的性质、内容与学习方法课程的性质、内容与学习方法n宽基础宽基础 重点放在基本功能块重点放在基本功能块n创造性创造性 怎样运用电路解决工程技术问题怎样运用电路解

24、决工程技术问题1.61.6 课程的性质、内容与学习方法课程的性质、内容与学习方法n主要介绍工业生产和科学研究中常用的测量与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控制电路的各种功能块和总体连接各种功能块和总体连接，使学生熟，使学生熟悉怎样悉怎样运用电子技术来解决测量与控制中的任运用电子技术来解决测量与控制中的任务务。它不是一般意义上电子技术课的深化与提。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、高，而要着重讲清，如何在电子技术与测量、控制间架起一座控制间架起一座桥梁桥梁，实现二者之间的，实现二者之间的沟通沟通，学会如何在测量和控制中运用电子技术，并与

25、学会如何在测量和控制中运用电子技术，并与光、机、计算机紧密光、机、计算机紧密配合配合，实现测控的总体思，实现测控的总体思想，围绕想，围绕精、快、灵、可靠精、快、灵、可靠和测控任务的其它和测控任务的其它要求来要求来选用选用电路、电路、设计设计电路。电路。1.61.6 课程的性质、内容与学习方法课程的性质、内容与学习方法一、一、桥梁桥梁（工程与电路之间）（工程与电路之间） 工程问题如何用电路解决？工程问题如何用电路解决？高共模抑制比高共模抑制比1. 多数干扰是共模干扰；多数干扰是共模干扰；2. 许多测控任务需要的就是差值、变化量许多测控任务需要的就是差值、变化量 如形状误差如形状误差 温度变化、梯

26、度温度变化、梯度 跟踪误差（实际值与理想值之差）跟踪误差（实际值与理想值之差）1.61.6 课程的性质、内容与学习方法课程的性质、内容与学习方法滤波滤波n测量信号测量信号n表面轮廓表面轮廓n形状误差（准直流）形状误差（准直流）n波度（低频）波度（低频）n表面粗糙度（中频）表面粗糙度（中频）n噪声（高频）噪声（高频）n不同类型的误差对功能有不同影响不同类型的误差对功能有不同影响n不同类型的误差有不同形成根源不同类型的误差有不同形成根源n滤波技术还常用于机器故障诊断滤波技术还常用于机器故障诊断1.61.6 课程的性质、内容与学习方法课程的性质、内容与学习方法1.61.6 课程的性质、内容与学习方法课程的性质、内容与学习方法二、二、从信息流总体来分析电路从信息流总体来分