测控电路课件第一章

1、 测控电路 刘淑聪刘淑聪为什么要学？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2022-7-5第第1章章 绪论绪论1.1测控电路的功用1.2对测控电路的主要要求 1.4测控电路的类型与组成 1.6课程的性质、内容与学习方法 1.3测控电路的输入输出信号 1.5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？n 生产自动化离不开测量与控制生产自动化离不开测量与控制n 科学研究离不开测量与控制科学研究离不开测量与控制n 高新科技离不开测量与控制高新科技离不开测量与控制n 现代生活离不开测量

2、与控制现代生活离不开测量与控制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。生生产力是社会发展的决定因素。生产力产力决定国力。决定国力。n生产的两大指标：生产的两大指标：质量质量和和效率效率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。生产离不开测量与控制生产离不开测量与控制为了加工出所需尺寸、形状的高精度零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件，机床的刀架与主轴必须精确地按所要求的轨迹作运动

3、。要求的轨迹作运动。n为了炼出所需规格的刚材，必须严格控制为了炼出所需规格的刚材，必须严格控制炉温、炉温、送风、冶炼时间送风、冶炼时间等程序等程序n 必须对机器的运行状态精确必须对机器的运行状态精确检测和控制检测和控制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（以电子、计现代的自动化是柔性自动化（以电子、计算机为核心）算机为核心），越是柔性的系统越需要测越是柔性的系统越需要测量量。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。n智能化：对环境、原材料、

4、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。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没没有有仪器仪表仪器仪表难以进行科学研究。难以进行科学研究。n许多重大发现和发明从许多重大发

5、现和发明从测试和仪器仪表测试和仪器仪表进步进步开始。开始。科学研究离不开测量与控制科学研究离不开测量与控制n祖冲之圆周率祖冲之圆周率 是是测测出来的。出来的。n测试测试变变“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。3.1415929113355n20世纪初到现在，诺贝尔奖金颁发给世纪初到现在，诺贝尔奖金颁发给仪仪器与测控器与测控手段的项目达手段的项目达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

6、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。n当今时代是信息时代。以当今时代是信息时代。以计算机计算机和网络的广泛和网络的广泛应用为标志。应用为标志。n计算机的发展主要取决于大规模计算机的发展主要取决于大规模集成电路集成电路与存与存储器件制作的进步。集成电路一块芯片能集成储器件制作的进步。集成电路一块芯片能集成的元件的个数取决于光刻工艺能制作多少精细的元件的个数取决于光刻工艺能制作多少精细图案，依赖于图案，依赖于光刻的精准定位光刻的精准定位，依赖于定位系，依赖于定位系统的精密测量与控制。统的精密测量与控制。 高新科技离不开测量与控制高新科技离不开测量与控制n航空、航天离不开测量

7、。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运载火箭的试制费一半用于仪器与测控手段。运载火箭的试制费一半用于仪器与测控手段。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统的打击精度打击精度（激光制导）（激光制导） 定定点杀伤，反导弹计划点杀伤，反导弹计划-火箭拦截火箭拦截n仪器仪表的仪器仪表的测试速度、诊断能力与控制测试速度

8、、诊断能力与控制快速性快速性决定了武器系统的决定了武器系统的反应能力反应能力n振兴中国要发展测控振兴中国要发展测控n汽车装有几十个传感器对点火时间、燃汽车装有几十个传感器对点火时间、燃油喷射、防碰撞等进行控制油喷射、防碰撞等进行控制n微波炉、照相机、复印机等中也都装有微波炉、照相机、复印机等中也都装有不同数量的传感器，通过测量与控制使不同数量的传感器，通过测量与控制使其能圆满完成预定的功能。其能圆满完成预定的功能。n环境监测环境监测n生命科学和医学研究生命科学和医学研究n食品食品、水样、样品等都离不开测控、水样、样品等都离不开测控现代生活办公机械离不开测量与控制现代生活办公机械离不开测量与控制

9、应用领域应用领域n军事、航天航空：雷达、飞机、军事情报处理军事、航天航空：雷达、飞机、军事情报处理n （加密、解密、窃取）（加密、解密、窃取）n企业、公司：电子电器、通讯、计算机、家用电器企业、公司：电子电器、通讯、计算机、家用电器n 汽车行业汽车行业n医学：各种医用仪器医学：各种医用仪器n工厂、厂矿：各种加工机器工厂、厂矿：各种加工机器应用实例应用实例n火灾探测n机器人n机械手n洗衣机n汽车倒车测距仪2022-7-5测控系统的组成：测控系统的组成： 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：原始信号微弱：高保真放大高保真放大带有噪声、外界干扰：带有噪声、外界干扰：调

10、制解调调制解调（给信号赋予一定特（给信号赋予一定特征）、征）、共模抑制、滤波共模抑制、滤波复杂参数、分析：复杂参数、分析：演算、处理与变换电路。演算、处理与变换电路。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。测控电路在整个测控系统中起着什么样的作用？测控电路在整个测控系统中起着什么样的作用？完整的测控系统示意（硬件）完整的测控系统示意（硬件）n前提课程： 传感器n 单片微机原理被测对象被控对象传感器（放大、滤波、调制解调、信号转换、运算、细分等）信号预处理（模/数控制电路、单片机、PLC、

11、DSP、FPGA、计算机、工控机等） 控制器 输出电路（光隔、驱动、D/A等）2022-7-51.21.2 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1.21.2.1 .1精度高精度高高精度是要求测量装置能够准确地测量被测对高精度是要求测量装置能够准确地测量被测对象的状态与参数，这是获得高质量产品、推进象的状态与参数，这是获得高质量产品、推进科技发展的基础。科技发展的基础。离

12、开精度，测控就失去意义离开精度，测控就失去意义生产、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产品的质量在很大程度上取决于测控精度产品的质量在很大程度上取决于测控精度仪器仪表的测控精度决定了武器系统的打击精度仪器仪表的测控精度决定了武器系统的打击精度n长度：纳米（单一尺寸到坐标测量，分子长度：纳米（单一尺寸到坐标测量，分子测量机测量机-亚原子测量机）亚原子测量机）n时间：飞秒时间：飞秒（1飞秒只有飞秒只有1秒的一千万亿分秒的一千万亿分之一，即之一，即1e15秒秒 ）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

13、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精度精度-测控测控永恒主题永恒主题2022-7-5影响测控电路影响测控电路精度精度的主要因素有哪些？其的主要因素有哪些？其中那几个因素是最基本的？中那几个因素是最基本的？1 1、 噪声与噪声与干扰干扰-低噪声与高抗干扰能低噪声与高抗干扰能力力2 2、失调与漂移，主要是温漂、失调与漂移，主要是温漂-低温漂、低温漂、高稳定性高稳定性3 3、线性度与保真度、线性度与保真度4 4、输入与输出阻抗的影响、输入与输出阻抗的影响（一）低噪声与高抗干扰能力（一）低噪声与高抗干扰能力n1 1、 选用低噪声器件、合理

14、安排电路、合理布选用低噪声器件、合理安排电路、合理布线与接地、采取适当的隔离与屏蔽。线与接地、采取适当的隔离与屏蔽。n2. 2. 对信号进行调制，合理安排电路通频带，对信号进行调制，合理安排电路通频带，抑制干扰抑制干扰n3 3、 采用高共模抑制比的电路，抑制干扰采用高共模抑制比的电路，抑制干扰n4.4. 滤波运算处理，选取有效成分滤波运算处理，选取有效成分（二）低温漂、高稳定性（二）低温漂、高稳定性n大多数电子元器件都会受到温度影响而大多数电子元器件都会受到温度影响而在一定程度上发生变化，使电路发生漂在一定程度上发生变化，使电路发生漂移。移。n选择温漂小即对温度不敏感的元器件选择温漂小即对温度

15、不敏感的元器件n采用能对温漂进行自补偿的电路采用能对温漂进行自补偿的电路n尽量减少电路的温度变化尽量减少电路的温度变化(三).线性与保真度好n线性是衡量仪器或控制系统的精度一个重要指标。n 绝大多数情况下，要求系统的输入与输出间具有线性关系。n一个系统也可按非线性标定，输入与输出间的非线性不一定影响精度。（四）.合适的输入与输出阻抗n 要求电路具有较大输入阻抗，较小输出阻抗n合理选择，使输入阻抗与前级的输出阻抗匹配，输出阻抗与后级的输入阻抗匹配1.21.2.2 .2 动态性能好动态性能好（二）响应快和动态失真小（二）响应快和动态失真小n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

16、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响应速度已经成为对测控电路性能的另响应速度已经成为对测控电路性能的另一项重要要求。一项重要要求。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。2022-7-51.21.2.3 .3 高的识

17、别和分析能力高的识别和分析能力（转换灵活转换灵活）为了适应在各种情况下测量与控制的需要，为了对信号进行识别、分辨和分析，要求测控电路具有灵活地进行各种转换与计算的能力。1、模数转换与数模转换：、模数转换与数模转换：A/D D/A2、电量参数的转换：直流与交流，电压、电量参数的转换：直流与交流，电压与电流、幅值、相位、频率、脉宽之间的与电流、幅值、相位、频率、脉宽之间的转换转换3、量程的变换：、量程的变换：4、信号的处理与运算：求均值、峰值等、信号的处理与运算：求均值、峰值等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

18、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1014n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，对单个器件的

19、电路的集成度越来越大，对单个器件的可靠性要求越高。可靠性要求越高。1.21.2.4 .4 可靠性高可靠性高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工作条工作条件更加恶劣件更加恶劣 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、高压力、遥测、高压力、高电压、高电压、 深水、强场、深水、强场、易爆易爆1.2.5 经济性好经济性好n在满足性能要求的基础上，尽可能地简化电路，降低成本2022-7-51.31.3 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

20、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2022-7-51.3 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c)调幅调幅信号信号ustuctb)载载波 信波 信号号a)调制信号调制信号O xtxO xO（2） 经调制信号为了提高信号的抗干扰为了提高信号的抗干扰能力，往往需要对信号能力，往往需要对信号进行调制。在精密测量进行调制。在精密测量中，很多信号一形成就中，很多信号一形成就是调制信号。是调制信

21、号。还可以对信号的相位、频率调制还可以对信号的相位、频率调制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特点：被测量值的增量与传感器输出信号的变化周特点：被测量值的增量与传感器输出信号的变化周期数成正比。期数成正比。应用应用：测速，测转动方向，测移动角：测速，测转动方向，测移动角度、距离度、距离(相对相对)。工件台工件台5每移动每移动

22、半个波长，干涉半个波长，干涉条纹变化一个周条纹变化一个周期期2022-7-5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每个角度对应一组编码，这种每个角度对应一组编码，这种编码称为编码称为绝对码绝对码。与绝对码传感器相连的测量电与绝对码传感器相连的测量电路输入信号为绝对码信号。路输入信号为绝对码信号。绝对码信号有很强的抗干扰能绝对码信号有很强的抗干扰能力，干扰去掉，一种状态总是力，干扰去掉，一

23、种状态总是对应一组确定的编码。对应一组确定的编码。输出与状态一一对输出与状态一一对应应n增量型编码器比较通用，大多场合都用这种。从价格看，一般来说绝对型编码器要贵得多，而且绝对型编码器有量程范围，所以一般在特殊需要的机床上应用较多而已。 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789101112lFB-BA-Ar2022-7-51.4 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

24、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2022-7-5 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 电电 源源传感器传感器输出电量（电压，电流，频率，相位信号等）。根据被测值的大小进行相应的量程切换量程切换。传感器输出较小，需要进行放大放大。2022-7-5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

25、 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CPU数显键盘 电 源通讯接口 辨向电路数数字传感器电路放大整形电路细分电路振 荡 器A/D模模拟传感器电路滤波电路放大电路解调电路转换电路智能测控系统的基本构成智能测控系统的基本构成驱动电路执行部件数D/A模拟量 输出模2022-7-5 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

26、设置设置给定给定信号信号（如（如炉温）炉温）将炉将炉温转温转换为换为电压电压信号信号开环控制系统的基本组成开环控制系统的基本组成开环控制方式不能达到很高的精度。2022-7-5 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扰动扰动 闭环控制系统的基本组成闭环控制系统的基本组成 校正电路包括：比例放大、积分和微分环节，PID控制2022-7-51.5 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 微型化与集成化 微型化可以将前级电路直接做到传

27、感器中，具有较强的抗干扰能力。集成化是电路发展的一个趋势。集成范围越来越宽、集成电路的品种越来越多、专用集成块出现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n 系统设计观：设计制造测控电路时从整体考虑。 测控电路的各个模块越来越模糊，多个集成在一起。且与机械光学、机械或计算机软件等互相配合n数字化： 易于集成化、抗干扰能力强、便于保存记忆n 通用化、模块化： 为了使仪器按照系统扩展功能，降低成本，要求电路通用化、模块化n智能化： 现代测控系统步进要求能自动控制，而且要求它在复杂条件下进行自学习、自动诊断故障、自动排除故障、进行自适应控制n在现代生产中，物质流和

28、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

29、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

30、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 课程的性质课程的性质n各种电子器件的工作原理和构成，在模各种电子器件的工作原理和构成，在模拟和数字电子技术中讲述，本课程注重拟和数字电子技术中讲述，本课程注重它们的它们的外特性外特性，讲述其应用，构成所需，讲述其应用，构成所需的的功能功能电路。为了加深对课程内容的理电路。为了加深对课程内容的理解，本书有适量的习题和思考题。在编解，本书有适量的习题和思考题。在编写中注意了与写中注意了与传感器传感器、微机原理微机原理及应用及应用、计算机软件基础计算机软件基础和和控控制技术与系统制技术与系统等课程的等课程的衔接与分工衔接与分工。1.61.6 课程的内容课程的内容与相关课程的联系与相关课程的联系返 回上一页下一页电路基础电路基础地基地基模电、数电模电、数电框架框架传感器传感器微机原理微机原理测控电路测控电路检测技术检测技术测控仪器设计测控仪器设计智