电子测量线路

1、课程名称：电子测量线路 授课专业：测控技术与仪器 课程性质：专业技术基础主干课程（必修课， 3 学分） 教学进程：总计 56学时（讲课 48 学时， 8学时实验） 14周、尸、 亠前言当今的时代是信息时代，在工业和科技领域信息主要是通过测量获取。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。 测控技术已成为现代生产和高科技中的一项必 不可少的基础技术。 为了适应这一发展需要， 设立此课程， 主要介绍工业生产和科学研究中 常用的测量与控制电路。 着重讲清如何在电子技术与测量控制之间架起一座桥梁， 使同学们 理解怎样运用电子技术来解决测量与控制中的任务，实现测控的总体思想， 围绕精、快、

2、灵 和测控任务的其他要求来选用和设计电路。第一章 绪 论第一节 测控电路的功用产品的质量和效率是衡量一切生产过程优劣的两项主要指标。 为了获得高质量和高效 率，测量和控制必不可少。为了获得高质量的产品，必须要求机器按照给定的规程运行。例如，为了加工出所需 尺寸、 形状的高精度零件， 机床的刀架和主轴必须精确地按所要求的轨迹作相对运动。 为了 炼做到这些， 必需对机器的运行状态进行精确检测， 当发现它偏离规定要求， 或有偏离规定 要求的倾向时，控制它，使它按规定的要求运行。为了保证产品质量，除对生产过程的检测和控制外，还必须对产品进行检测。这一方 面是为了把好产品质量关， 另一方面也是为了检测机

3、器与生产过程的模型是否准确， 是否在 按正确的模型对机器与生产过程进行控制，进一步完善对生产过程的控制。生产效率一方面与机器的运行速度有关， 另一方面取决于机器或生产系统的自动化程 度。为了使机器能在高速下可靠运行，必需要求机器本身的质量高，其控制系统性能优异。 要做到这两点，还是离不开测量与控制。产品的质量离不开测量与控制， 生产自动化同样离不开测量与控制。 特别是当今时代 的自动化是以电子、 计算机为核心的柔性自动化、 自适应控制与智能化。 越是柔性的系统就 越需要检测。 自适应控制就是要使机器和系统自动地适应变化了的内外部环境与条件， 按最 佳的方案运行， 这里首先需要的是对外部环境条件

4、的检测， 检测是控制的基础。 智能化是能 在复杂的、 变化的环境条件下自行决策的自动化， 决策的基础是对内部因素和外部环境条件 的掌握，它同样离不开检测。现代的生产与生活离不开测量与控制，高新技术、尖端技术更离不开测控。当今的时 代是信息时代， 它以计算机广泛应用为主要标志。 而计算机的发展首先取决于大规模集成电 路制作的进步。 在一块芯片上能集成多少个元件取决于光刻工艺能制作出多精细的图案， 而 这依赖于光刻的精确重复定位， 依赖于定位系统的精密测量与控制。 航天发射与飞行， 都需 要靠精密测量与控制保证它们轨道的准确性。测控系统主要由传感器、测量控制电路（简称测控电路）和执行机构三部分组成

5、，如 图 1-1 。传感器是敏感元件，它的功用是探测被测参数的变化。但是，传感器的输出信号一 般很微弱，还可能伴随着各种噪声，需要用测控电路将它放大，剔除噪声、选取有用信号，按照测量与控制功能的要求，进行所需演算、处理与转换，输出能控制执行机构动作的信号。 在整个测控系统中，电路是最灵活的部分，它具有便于放大、便于转换、便于传输、便于适 应各种使用要求的特点。测控电路在整个测控系统中起着十分关键的作用，测控系统、乃至整个机器和生产系统的性能在很大程度取决于测控电路。传感器测量控制电路二执行机构图1-1测控系统的组成第二节对测控电路的主要要求对测控电路的主要要求可概括为精、快、灵，当然也还有一些

6、其他要求，例如可靠性 与经济性。一、精度高对于测控电路首先要求它具有高精度，要求测量装置能准确地测量被测对象的状态与参数，这是获得高质量产品的基础， 也是精确控制的基础，使被控对象能精确地按要求运行。 为了实现高精度，测控电路应具备下列性能：（一）低噪声与高抗干扰能力在精密测量中，要精确测得被测参数的微小变化。由于传感器输出信号的变化往往是很微小的。为了保证高的测量精度，必须要求电路具有低噪声与高抗干扰能力，这里包括选用低噪声器件，合理安排电路，合理布线与接线，采取适当的隔离与屏蔽等。对信号进行调制，合理安排电路的通频带，对抑制干扰有重要作用。对信号进行调制就是给信号赋予一定特征，使它与非所需

7、的信号（可将它们视为干扰）相区别，再经过合理合理安排电路的通频带等，只让所需信号通过，从而抑制干扰。采用具有高共模抑制比的电路，对抑制干扰也有重要作用。因为大多数干扰表现为共模干扰，它同时作用于差动电路的两个输入端，采用高共模抑制比差动电路能有效地抑制干扰。（二）低漂移、高稳定性大多数电子元器件的特性，如放大器的失调电压与失调电流、晶体管与二极管的漏电流，都会受温度影响而在一定程度上发生变化。由于电路在工作中总有电流流过，不可避免地会产生热量，从而使电路发生漂移。为了减少漂移，首先应选择温漂小，即对温度不敏感的元器件，其次应尽量减少电路的、特别是关键部分的温度变化。包括减少电路中的电流， 让大

8、功率电路远离前级电路，安排好散热等。电路工作稳定是保证电路精度的首要条件。噪声和干扰引起电路在短的时段内工作不稳定。漂移使电路在1天或若干小时的中等时段内输出发生变化。除此以外，还有电路长期工作稳定性，元器件老化、开关与接插件的弹性疲劳和氧化引起接触电阻变化等都是影响电 路长期稳定性的主要原因。（三）线性与保真度好线性度是衡量一个仪器或系统精度的又一个重要指标。从理论上讲，一个系统输入与输出间具有非线性关系并不一定影响精度。但因为线性关系使用方便，如线性标尺便于读出，在换挡时不必重新定标， 进行模数转换、细分、侍服跟踪时不必考虑非线性因素，波形不失真等。保真度是视听设备中借用的概念。为使波形不

9、失真除要求电路有良好的线性外，还要求在信号所占有的频带内，有良好的频率特性。（四）有合适的输入与输出阻抗从不影响前级的工作状态出发，要求电路有高输入阻抗。但输入阻抗越高，输入端噪声也越大，因此合理的要求是使电路的输入阻抗与前级的输出阻抗相匹配。同样若电路的输出阻抗太大，在接入输入阻抗较低的负载后，会使电路输出下降。要求电路的输出阻抗与后级的输入阻抗相匹配。二、响应快生产的节奏在不断地加快，机器的运转速度在不断地加快，响应速度快就成为对测控电路性能的另一项重要要求。实时动态测量已成为测量技术发展的主要方向。测量电路没有良好的频率特性、高的响应速度，就不能准确地测出被测对象的运动状况，无法对被测系

10、统进行准确控制。对一个存在高速变化因素的运动系统，控制的滞后可能引起系统产生振荡， 振荡的幅度还可能越来越大，导致系统失去稳定。 为了能够测出快速变化参数，为了使一个高速运动系统稳定，要求测控电路有高的响应速度和良好的频率特性。三、转换灵活为了适应在各种情况下测量与控制的需要，要求测控电路有灵活地进行各种转换的能力。它包括：（一）模数与数模转换自然界客观存在的物理量多为模拟量，传感器的输出信号也是模拟量居多。为了读数方便和提高在信号传输中的抗干扰能力， 为了便于与计算机连接和便于长期保存等， 常常需要数字信号，这就需要模数转换。而为了控制执行机构动作，又常需要模拟信号，这时又需数模转换。（二）

11、信号形式的转换模数与数模转换是信号形式的转换的一种。为了信号处理与传输上的需要，还常需要 进行直流与交流、电压与电流信号之间的转换。一个信号的大小，可以用它的幅值、相位、 频率、脉宽等表示，为了信号处理、传输与控制上的需要，也常需要进行幅值、相位、频率 与脉宽信号等之间的转换。（三）量程的变换一个测控系统需要测量和控制的量可以差百万倍以上，为了适应测量、控制不同大小量值的需要，而不一起饱和与显著的失真，电路应能根据信号的大小进行量程的变换。（四）信号的选取一个实际的信号中不仅包括信号与噪声，而且在信号中也包含具有不同特征的信号，例如不同频率的信号。 这些不同特征的信号可能由不同的源泉产生， 也

12、可以有不同的物理含 义。在测量与控制中常要选取某一频率或某一频带， 或某一瞬时的信号， 电路应具有选取所 需信号的能力。（五）信号的处理与运算在测量与控制中常需要对信号进行处理与运算，如求平均值、差值、峰值、绝对值、求导数、积分等。也包括对非线性环节进行线性处理与误差补偿，进行复杂函数运算、逻辑判断等。四、可靠性与经济性随着科技与生产的发展，测控系统应用越来越广、规模越来越大，这对可靠性提出了 越来越高的要求。对测控电路的另一个要求是它的经济性。一个成本高昂的电路难以获得广泛的应用。要在满足性能要求的基础上， 尽可能地简化电路。要合理设计电路，能在不对器件提出过分 要求的情况下获得较好的性能。

13、第三节测控电路的输入信号与输出信号一、模拟式信号1非调制信号2、经调制信号：调幅、调频、调相二、数字式信号1增量码信号2、绝对码信号3、开关信号第四节测控电路的类型与组成测控电路的组成随被测参数、信号类型与控制系统的功能要求的不同而异。按其基本 组成可分为下列类型：一、测量电路的基本组成（一）模拟式测量电路的基本组成图1-2 模拟式测量电路的基本组成、数字式测量电路的基本组成图1-3增量码数字式测量电路的基本组成:、控制电路的基本组成(一) 开环控制图1-4开环控制系统的基本组成(二) 闭环控制第五节测控电路的发展趋势(1) 优质化(2) 集成化(3) 数字化(4) 通用化、模块化(5) 测控

14、一体化(6 )自动化与智能化第二章信号放大电路信号放大电路是为了将微弱的传感器信号，放大到足以进行各种转换处理，或推动指 示器、记录器以及各种控制机构。 由于传感器输出的信号形式和信号大小各不相同，传感器所处的环境条件、噪声对传感器的影响也不一样，因此所采用的放大电路的形式和性能指标也不同。随着集成技术的发展，集成运算放大器的性能不断完善，价格不断降低，完全采用分 立元件的信号放大电路已基本被淘汰，主要是用集成运算放大器组成的各种形式的放大电 路，或专门设计制成具有某些性能的单片集成放大器。但在功率放大电路中，晶体管仍有相当应用。第一节测量放大电路测量放大电路：在测量控制系统中，用来放大传感器

15、输出的微弱电压、电流或电荷信号的放大电路称为测量放大电路，也称仪用放大电路。测量放大电路的频带宽度是由被测参数的频率范围及其载波信号频率决定的。被测信 号的频率范围越宽，测量放大电路的频带也应越宽，才能使不同的频率信号具有同样的灵敏度，使输出不失真。一、基本要求与类型对测量放大电路的基本要求是：测量放大电路的输入阻抗应与传感器的输出阻抗相匹配； 稳定的放大倍数； 低噪声； 低的输入失调电压和输入失调电流，以及低的 漂移； 足够的带宽和转换速率（无畸变的放大瞬态信号）： 高共模输入范围和高共模抑制比； 可调的闭环增益； 线性好、精度高； 成本低。按测量放大电路的结构原理可分为差动直接耦合式、调制

16、式和自动稳定式三种。按元件的制造方式可分为分立元件结构形式、通用集成运算放大器组成形式和单片集成测量放大器。二、稳零放大电路通常，传感器输出的信号电压是在零至数毫伏范围内变化。因此，减少测量放大电路 的电压漂移，实现低漂移信号放大是至关重要的。为了减少集成运算放大器的失调和低频干扰引起的零点漂移，可采用由通用集成运算 放大器组成的斩波稳零放大电路或自动调零放大电路，也可采用低漂移单片集成运算放大 器。（一）斩波稳零放大电路斩波稳零放大电路又称为调制式放大电路。它是利用同步调制一解调，并用隔直电容隔离失调和干扰电压来实现自动稳零的。其原理框图如图2-1所示。UiUo图2-1斩波稳零放大电路原理框

17、图输入直流或缓慢变化的信号Ui经调制器（斩波器）调制成较高的交流调幅信号，调制频率由方波发生器决定。调幅信号经交流放大器放大，最后由解调器解调输出放大了的输入 信号。由于信号在调制后与解调前均有隔直电容，因此隔离了失调和低频干扰电压。为了使斩波稳零放大电路既能对微弱的直流或缓慢变换的信号进行低漂移和高精度的放大，又能在较高的频率范围内工作，可采用图2-2所示的典型斩波稳零放大电路。（二）自动调零放大电路自动调零放大电路又称为动态校零放大电路，其原理如图2-3a所示。自动调零放大电路的性能优于斩波稳零放大电路，输出电压较稳定，波动也小。与普通放大电路相比，其失调和低频干扰降低了三个数量级。这种电

18、路实际上用一块四运放 （如LF347，LM324 ， 5G14573 等）和一块 4 位模拟开关（如 CD4066，5G811 等）即可组成， 电路成本低。（三）低漂移集成运算放大器1、轮换自动校零集成运算放大器 轮换自动校零集成运算放大器简称 CAZ 运算放大器，它是一种新颖的运算放大器组合 器件，如图 2-4 所示。它通过模拟开关的切换，使内部两个性能一致的运算放大器N1、 N2交替地工作在信号放大和自动校零两种不同的状态。由于集成电路中两个放大器轮换工作， 因此始终保持有一个运算放大器对输入信号进 行放大并输出，输出稳定，性能优于由通用集成运算放大器组成的低漂移放大电路。2、斩波稳零集成

19、运算放大器斩波稳零集成运算放大器 （国产 CF7650、5G7650、美国Intersil公司ICL7650、ICL7600 等）是一种 CMOS 差动式低漂移集成运算放大器。三、高输入阻抗放大电路有些传感器（如电容式、压电式）的输出阻抗很高，可达108 Q以上，这就要求其测量放大电路具有很高的输入阻抗。 开环集成运算放大器的输入阻抗通常都很高， 但对反相运 算放大器等，其输入阻抗远低于同相运算放大器。 为了提高反相（或差动） 运算放大器的输 入阻抗， 可在输入端加接电压跟随器， 但这样会引入跟随器的共模误差。 在要求较高的场合 下，可采用高输入阻抗集成运算放大器或采用由通用集成运算放大器组成

20、的自举电路。（一）高输入阻抗的集成运算放大器（二）自举式高输入阻抗放大电路应当指出的是，测量放大电路的输入阻抗月高，输入端的噪声也越大。因此，不是所 有情况下都要求放大电路具有高的输入阻抗， 而是与传感器的输出阻抗相匹配， 使测量放大 电路的输出信噪比达到最大值。四、高共模抑制比放大电路来自传感器的信号通常都伴随着很大的共模电压（包括干扰电压）。一般采用差动输入集成运算放大器来抑制它， 但是必须要求外接电阻完全平衡对称、 运算放大器具有理想特 性。否则， 运算放大器将有共模误差输出，其大小既与外接电阻对称精度有关，又与运算放 大器本身的共模抑制能力有关。一般运算放大器共模抑制比可达80dB,而

21、采用由几个运算放大器组成的测量放大电路，共模抑制比可达100120 dB。（一）双运放高共模抑制比放大电路1 、 反相串联结构型2、 同相串联结构型（二）三运放高共模抑制比放大电路（三）有源屏蔽驱动电路（四）浮动电源共模自举式放大电路五、电桥放大电路电参量式传感器，如电感式、电阻应变式、电容式传感器等，经常通过电桥转换电路输出电压或电流信号， 并用运算放大器作进一步放大。因此，由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路或由传感器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。电桥放大电路有单端输入和差动输入两类。（一）单端输入电桥放大电路（二）差动输入电桥放大电路（三）线性电桥放大电路六、电荷放大电路电

22、荷放大电路是一种输出电压与输入电荷成比例关系的测量放大电路。例如，压电式传感器或电容式传感器可将某些被测量（如力、压力等）转换成电荷信号输出，再通过电荷放大电路输出放大了的电压信号。因此，电荷放大电路亦称为电荷一电压转换电路。（一）基本原理（二）电荷放大电路的特性1、开环电压增益的影响2、频率特性3、噪声及漂移（三）电荷放大电路实例七、单片集成测量放大器近年来，利用线性集成电路先进工艺而设计制成的单片集成测量放大器，如AD521、AD522、LH0038、LM363和INA101等获得了很大的进展。它们使用方便，体积小，无需 为组装而精确挑选性能匹配良好的几个集成运算放大器，综合性能指标好。第

23、三章信号调制解调电路第一节 调制解调电路的功用和类型调制：用一个信号（调制信号）去控制另一个作为载体的信号（载波信号），让后者的某一参数（幅值、频率、相位、脉冲宽度等）按前者的值变化。调制的功用：为了抑制干扰，区别信号和噪声，往往给测量信号赋予一定特征。解调的功用：从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号。正弦信号作为载波的调制类型：调幅、调频、调相脉冲信号作为载波的调制类型：脉幅调制、脉时调制（脉宽调制、脉位调制）第二节调幅式测量电路一、调幅原理与方法（一）调幅信号的一般表达式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

24、。调幅信号 us的一般表达式可写为：us = (U m mx)cos ct(3-1)式中-'c载波信号的角频率;Um调幅信号中载波信号的幅值；m调制度。调制信号x可以按任意规律变化，设 x=Xmcost，则调幅信号可写为：us =Umcos ct mXm cos4cos ctmXmmXm=U m cos ct_COS（ c n）t_COS（ c_H）t2 2它包含三个不同频率的信号：角频率为.c的载波信号 Umcos ct和角频率分别为-1的上下边频信号。载波信号不含调制信号，即不含被测量x的信息，因此可以取Um=0,即只保留两个边频信号。这种调制称为双边带调制，对于双边带调制UsmX

25、m2mXm2cos(，c -1)t = mXm cos1tcos ct = U Xm cos】tcos ct双边带调制的调幅信号波形见图3-1。双边带调制可以用调制信号与载波信号相乘来实现。为了正确进行信号调制必须要求 1>>门，通常至少要求 c> 10门。在这种情况下,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。（二）传感器调制为了提高测量信号抗干扰能力，常要求从信号一形成就已经是已调信号，因此常常在 传感器中进行调制。1、通过交流供电实现调制2、用机械或光学的方法实现调制（三）电路调制1、乘法器调制如果传感器输出为非调制信号，也可以用电路对信号进行调制。用

26、乘法器将与测量信号x成正比的调制信号 Ux与载波信号 Uc =u m cos ct相乘，就可以实现双边带调幅。MC1496乘法 器。2、开关电路调制3、信号相加调制信号相加调制是就其电路形式而言，在这种电路中调制信号 ux = U Xm cos11与载波信号Uc二U cm cos ct相加减后去控制开关器件，选取Uc >>UX，实际起控制作用的是载波信 号Uc。二、包络检波电路从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波。幅值调制就是让已调信号的幅值 随调制信号的值变化，因此调幅信号的包络线形状与调制信号一致。只要能检出调幅信号的包络线即能实现解调。这种方法称为包络检波。（一）二极

27、管与三极管包络检波1、基本电路2、峰值检波与平均值检波（二）精密检波电路1、半波精密检波电路2、全波精密检波电路三、相敏检波电路（一）相敏检波的功用和原理（二）常用相敏检波电路1、乘法器式相敏检波电路2、开关式相敏检波电路3、相加式相敏检波电路4、精密整流型相敏检波电路5、脉冲箝位式相敏检波电路（四）相敏检波电路的选频与鉴相特性第三节调频式测量电路一、调频原理与方法（一）调频信号的一般表达形式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。调频信号 us的一般表达式可写为us =Um cos（ c mx）t式中'c 载波

28、信号的角频率；Um调幅信号中载波信号的幅值；m 调制度。（二）传感器调制与调幅的情况一样，为了提高测量信号抗干扰能力，常要求从信号一形成就已经是已 调信号，因此常常在传感器中进行调制（三）电路调制信号的调频也可以用电路来实现。只要能用调制信号去控制产生载波信号的振荡器频 率，就可以实现调频。载波信号可以用LC、RC或多谐振荡器产生，只要让决定其频率的某个参数，如电感 L、电阻R或电容C随调制信号变化，就可以实现调频。二、鉴频电路对调频信号实现解调，从调频信号中检出反映被测量变化的调制信号称为频率解调或 鉴频。（一）微分鉴频1、工作原理调频信号us的数学表达式us二Umcos（，c mx）t，将

29、此式对t求导数得到dUs - -Um（ c mx）sin（ c mx）tdt这是一个调频调幅信号。利用包络检波检出它的幅值变化，就可以得到含有调制信号的信息UmC c mx）。通过定零，即测定 x=0时的输出，可以求出 Um 'c。通过灵敏度标 定，即测定x改变时输出的变化，可以求出U mm，从而获得调制信号 x。2、微分鉴频电路微分鉴频电路的原理见图。电容G与晶体管V的发射结正向电阻r组成微分电路。二极管VD 方面为晶体管 V提供直流偏压，另一方面为电容G提供放电回路。电容 C2为滤除高频载波信号用。3、窄脉冲鉴频（二）斜率鉴频将一个调频信号送到一个具有变化的幅频特性的网络，就可以得到调频调幅信号输出， 然后