张国雄版测控电路PPTChapter1-1

1、n第一节第一节 测控电路的功用测控电路的功用n第二节第二节 对测控电路的主要要求对测控电路的主要要求n第三节第三节 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n第四节第四节 测控电路的类型与组成测控电路的类型与组成n第五节第五节 测控电路的发展趋势测控电路的发展趋势n本节内容：n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？n测量与控制技术在生产、生活与各种工作中的广泛应用。n测控系统由那几部分组成？n加工零件加工零件n为了加工出所需尺寸、形状的高精度零件，机床的刀架与主轴必须精确地按所要求的轨迹作相对运动n配料控制配料控制(如炼钢)n严格按配方配料n严格控制炉温、送风、冶

2、炼时间等运行规程n为此，必须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n生产自动化也离不开测量与控制生产自动化也离不开测量与控制n产品的质量离不开测量与控制产品的质量离不开测量与控制n现代的生活、办公器械现代的生活、办公器械n微波炉、照相机、复印机等也都装有不同数量的传感器n现代的汽车现代的汽车往往装有几十个不同传感器，对点火时间、燃油喷射、空气燃料比、防滑、防碰撞等进行控制n航天发射与飞行航天发射与飞行，都需要靠精密测量与控制保证它们轨道准确性n集成电路制作集成电路制作，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

3、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n科学研究科学研究n没有测量就没有科学，至少是没有真正的科学、精没有测量就没有科学，至少是没有真正的科学、精确的科学确的科学n扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜n促成了纳米科技的形成促成了纳米科技的形成n哈勃望远镜哈勃望远镜n对天体科学的发展起了大的促进作用对天体科学的发展起了大的促进作用扫描隧道显微镜仪器名称仪器名称:分子束外延-低温自旋极化扫描隧道显微系统型号型号： 自行设计生产厂家生产厂家：德国Omicron公司技术指标技术指标：本底真空2x10-11mBar; 分子束外延; LEED， Auger，低温扫描隧道显微镜；低温原子

4、力显微镜；低温原位单原子生长；低温磁光克尔信号测量系统（20K-800K； 1.8 Tesla）主要功能与特色主要功能与特色：分子束磁性纳米结构制备与表征；自旋极化扫描隧道显微镜发现号航天飞机在STS-82维修任务中拍摄的哈勃空间望远镜n“测控系统测控系统”组成组成n主要由传感器、测量控制电路(简称测控电路)和执行机构三部组成第一节第一节 测控电路的功用测控电路的功用n测控电路在整个测控系统中起着什么样的作用？传感器传感器 测量控测量控 制电路制电路执行机构执行机构第二节第二节 对测控电路的主要要求对测控电路的主要要求n一、精度高一、精度高n二、响应快二、响应快n三、转换灵活三、转换灵活n四、

5、可靠与经济四、可靠与经济第二节第二节 对测控电路的主要要求对测控电路的主要要求n一、精度高一、精度高n要求测量装置能准确地测量要求测量装置能准确地测量/反映被测对象的反映被测对象的状态与参数状态与参数n这是获得高质量产品的基础，也是精确控制这是获得高质量产品的基础，也是精确控制的基础的基础第二节第二节 对测控电路的主要要求对测控电路的主要要求n影响测控电路精度的主要因素影响测控电路精度的主要因素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第二节第二节 对测控电路的主要要求对测控电路的主要要求线性度线性度n理论上讲，一个系统也可按非线性定标，这时输入与输出间

6、具有非线性关系并不一定影响精度n但大多数情况下，要求系统的输入与输出间具有线性关系第二节第二节 对测控电路的主要要求对测控电路的主要要求保真度保真度n保真度是由视、听设备中借用的概念n为使波形不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，有良好的频频率特性率特性第二节第二节 对测控电路的主要要求对测控电路的主要要求输入与输出阻抗输入与输出阻抗n若测量电路的输入阻抗太低，在接入电路后，就会使传感器的状态发生变化n从不影响前级的工作状态出发，要求电路有高输入阻抗n但输入阻抗越高，输入端噪声也越大n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第二节第二节 对测控电路的主要要求

7、对测控电路的主要要求输入与输出阻抗输入与输出阻抗n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n要求电路的输出阻抗与后级的输入阻抗相匹配第二节第二节 对测控电路的主要要求对测控电路的主要要求n二、响应快二、响应快n响应速度快是对测控电路性能的重要要求响应速度快是对测控电路性能的重要要求n实时动态测量已成为测量技术发展的主要方向。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，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，无法对就不能准确地测出被测对象的运动状况，无法对被测系统进行准确控制被测系统进行准确控

8、制第二节第二节 对测控电路的主要要求对测控电路的主要要求n二、响应快二、响应快n对一个存在高速变化因素的运动系统，控制的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，导致系统失去稳定能越来越大，导致系统失去稳定n为了能够测出快速变化参数、为了使一个高速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和良好的频率特性第二节第二节 对测控电路的主要要求对测控电路的主要要求n三、转换灵活三、转换灵活n为了适应在各种情况下测量与控

9、制的需要，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。要求测控电路有灵活地进行各种转换的能力。它包括它包括n1 1、模数转换与数模转换、模数转换与数模转换n2 2、信号形式的转换、信号形式的转换n3 3、量程的变换、量程的变换n4 4、信号的选取、信号的选取n5 5、信号处理与运算、信号处理与运算第二节第二节 对测控电路的主要要求对测控电路的主要要求1 1、模数转换与数模转换、模数转换与数模转换l自然界客观存在的物理量多为模拟量l计算机:数字信号l控制执行机构动作:多模拟信号第二节第二节 对测控电路的主要要求对测控电路的主要要求2 2、信号形式的转换、信号形

10、式的转换l模数、数模转换l直流与交流转换l电压与电流转换l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第二节第二节 对测控电路的主要要求对测控电路的主要要求3 3、量程的变换、量程的变换l一个测控系统需要测量和控制的量可以差百万倍以上l为了适应测量、控制不同大小量值的需要，而不引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第二节第二节 对测控电路的主要要求对测控电路的主要要求4 4、信号的选取、信号的选取l一个实际的信号中不仅包括信号与噪声不仅包括信号与噪声而且在信号中也包含具有不同特

11、征的信号，而且在信号中也包含具有不同特征的信号，如不同频率的信号。如不同频率的信号。 这些不同特征的信号可这些不同特征的信号可能由不同的源产生也可能有不同的物理含义能由不同的源产生也可能有不同的物理含义l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第二节第二节 对测控电路的主要要求对测控电路的主要要求5 5、信号处理与运算、信号处理与运算l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l非线性处理与误差补偿，复杂函数运算，逻辑判断等第二节第二节 对测控电路的主要要求对测控电路的主要要求n四、可靠与经济四、可靠

12、与经济n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n经济性对测控电路也是很重要的n一个成本高昂的电路难以获得广泛应用n要在满足性能要求的基础上，尽可能地简化电路n要合理设计电路，获得较好的性能第二节第二节 对测控电路的主要要求对测控电路的主要要求p如果单个晶体管如果单个晶体管(或或PN结结)的可靠性为的可靠性为0.9999，当一个集成块上集成了当一个集成块上集成了10000个晶体管，并假个晶体管，并假定它们的工作可靠性是相互独立的，那么整个集定它们的工作可靠性是相互独立的，那么整个集成块可靠性仅为成块可靠性仅为0.999910000=0.368p

13、假如在整个系统中有假如在整个系统中有100个这样的集成电路块，个这样的集成电路块，其可靠性仅为其可靠性仅为0.368100=3.710-44p为使系统的可靠性达到通常的要求，需要单个集为使系统的可靠性达到通常的要求，需要单个集成电路块的可靠性达成电路块的可靠性达0.99999999p从这个例子可以看到，一个现代系统对器件的可从这个例子可以看到，一个现代系统对器件的可靠性提出了多高的要求靠性提出了多高的要求第三节第三节 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n测控电路的测控电路的输入输入信号是由传感器送来的。信号是由传感器送来的。 传感器类型的不同，输入信号的类型也不同传感器类

14、型的不同，输入信号的类型也不同n输入主要可分为输入主要可分为n模拟信号，数字信号模拟信号，数字信号n测控电路的测控电路的输出输出通常送到显示机构、执行机通常送到显示机构、执行机构或计算机构或计算机n输出也可以分为输出也可以分为n模拟信号，数字信号模拟信号，数字信号第三节第三节 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一、模拟式信号一、模拟式信号n可分为非调制信号与经调制信号可分为非调制信号与经调制信号 第三节第三节 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 1、非调制信号、非调制信号指测控电路的输入信号2的大小、波形直接与被测量1的大小、波形相对应或者测控电路

15、的输出信号2的大小、波形直接与执行、显示机构最终输出1相对应如图所示，一般要求2与1之间具有线性关系图 非调制模拟信号12 0 x t第三节第三节 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 2、已调制信号、已调制信号l为了提高信号的抗干扰能力，往往对信号进行调制l在精密测量中，也常在传感器中进行信号调制l因此，传感器的输出信号就是已调制了的信号usucx214图 用电感传感器测量工件轮廓形状1-测杆，2-线圈，3-磁芯，4-被测件3图 调幅信号c)调幅信号ustuctb)载波信号a)调制信号O xtxO xO例：用电感传感器测量工件轮廓形状例：用电感传感器测量工件轮廓形状第三

16、节第三节 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第三节第三节 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例：用电感传感器测量工件轮廓形状例：用电感传感器测量工件轮廓形状几个重要概念：几个重要概念：1 1、载波频率、载波频率（Carrying Frequency)Carrying Frequency)2 2、载波信号（载波信号（Carrying Signal)Carrying Signal)3 3、调制信号（调制信号（Modulating Signal)Modulating Signal)4 4、已调信号（已调信号（Modulated Signal)Modulat

17、ed Signal)5 5、调幅信号（调幅信号（Amplitude Modulated Signal)Amplitude Modulated Signal)第三节第三节 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 1、载波频率、载波频率（Carrying Frequency)Carrying Frequency)p信号的频率由传感器供电频率确定，这一频率称为载波频率 2 2、载波信号（载波信号（Carrying Signal)Carrying Signal)p具有载波频率的高频信号(见图1-3-03b)称为载波信号 第三节第三节 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3 3、调制信号（调制信号（Modulating Signal)Modulating Signal)p用以对载波信号进行调制的信号称为调制信号 4 4、已调信号（已调信号（Modulated Signal)Modulated Signal)5 5、调幅信号（调幅信号（Amplitude Modulated Signal)Amplitude Modulated Signal) p调制后的信号称为已调制信号 p这里是幅值受到调制，故称为调幅信号 第三节第三节 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二、数字式信号二、数字式信号n1、增量码信号n2、绝对码信号n3、开关信号

19、第三节第三节 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 1、增量码信号、增量码信号l采用光栅、激光干涉法等测量位移时传感器的输出为增量码信号l与这一类传感器连接的测量电路输入信号为增量码信号第三节第三节 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增量码信号的特点是：被测量值与传感器输出信号的变化周期数成正比，即量值的大小由信号变化周期数的增量决定第三节第三节 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 2、绝对码信号、绝对码信号l增量码信号是一种反映过程的信号，它与被测对象的状态并无一一对应的关系。信号一旦中断，就无法判断物体的状态l绝对码信号是一种与状态相对应的信号。图所示为一码盘，它的每一个角度方位对应于一组编码，这种编码称为绝对码8421码盘第三节第三节 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3 3、开关信号、开关信号n开关信号可视为绝对码信号的特例开关信号可视为绝对码信号的特例n当绝对码信号只有一位编码时，就成了开关信号当绝对码信号只有一位编码时，就成了开关信号n开关信号只有开关信号只有0 0和和1 1两个状态两个状态n与行程开关、光电开关、触发式测头相连接的与行程开关、光电开关、触发式测头相连接的测控电路，其输入信号为开关信号测控电路，其输入信号为开关信号第四节第四节