测控电路重点内容复习课件

测控系统组成示意前提课程：传感器，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、DSP、FPGA、计算机、工控机等）控制器

输出电路（光隔、驱动、D/A等）测控电路复习重点测控系统组成示意前提课程：传感器，单片微机原理被测对象被第一章绪论第一节测控电路的功用第二节对测控电路的主要要求第三节测控电路的输入信号与输出信号第四节测控电路的类型与组成第五节测控电路的发展趋势2第一章绪论第一节测控电路的功用2第一章绪论（1）什么是测控系统？测量与控制系统的简称。广义上：测量系统、控制系统和测控系统。笼统地讲传感器测控电路执行机构（2）测控系统的构成第一章绪论（1）什么是测控系统？测量与控制系统的简称。笼第一章绪论对测控电路的主要要求（精度高；响应速度快和动态失真小；转换灵活；可靠性与经济性）；影响测控电路精度的主要因素（噪声与干扰★；失调与漂移，主要是温漂★；线性度与保真度；输入与输出阻抗的影响）；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？（模数转换与数模转换；信号形式的转换；量程的变换；信号的选取；信号处理与运算等）；本章基本概念4第一章绪论对测控电路的主要要求（精度高；响应速度快和动态4.测控电路的输入信号与输出信号类型模拟信号(非调制信号,已调制信号）；

数字信号(增量码信号；绝对码信号；开关信号）5.测控电路中的信号制电模拟信号种类：直流电压(电流)，交流电压(电流)；国际统一信号：过程控制系统的模拟直流电流信号为4～20mA，模拟直流电压信号为1～5V；国内统一信号：4～20mA，1～5V；0～10mA，0～10V。信号制是在成套系列仪器仪表测控电路中，各个单元的输入、输出信号采用何种统一的联络信号问题。信号的传输方式有三种：两线制、三线制和四线制6.模拟式测量电路和数字式测量电路的基本组成7.控制电路的基本组成（开环控制；闭环控制）第一章绪论54.测控电路的输入信号与输出信号类型5.测控电路中的信号制第2章信号放大电路■2.1运算放大器的误差及其补偿■2.2典型测量放大电路★■

2.3隔离放大电路★作用：放大传感器输出的电压、电流或电荷信号。类型：由传感器决定。如：应变式传感器采用电桥放大电路，压电式传感器采用电荷放大电路。6第2章信号放大电路■2.1运算放大器的误差及其要掌握的主要内容：典型测量放大电路:隔离放大电路.反相放大电路同相放大电路差动放大电路高共模抑制比放大电路自动调零放大电路高输入阻抗放大电路电桥放大电路线性化电路第2章信号放大电路7要掌握的主要内容：反相放大电路第2章信号放大电路7

2.2典型测量放大电路一、

高共模抑制比放大电路■作用：用来抑制传感器输出的共模电压

(包括干扰电压)，提高共模抑制比

。■应用场合：要求共模抑制比大于100dB的场合，例如人体心电测量，信号很微弱，而干扰很大。■方法：（1）采用多个集成运放串联组成的测量放大电路；

（2）采用差动放大电路，使ui1和ui2的共模电压抵消，但要求外接电阻完全平衡对称。82.2典型测量放大电路一、高共模抑制比放大电路■

2.2.5高共模抑制比放大电路*2.2.5.2三运放高共模抑制比放大电路N1N2：性能一致，平衡对称，构成差动放大输入级。N3：双端输入单端输出的输出级，进一步抑制N1N2

共模信号。R4uo1ui1ui2uo2R1R0R2R7RPR8R3R6uoR5∞+-+N1IR∞-++N2∞-++N3ui1ui2u'o292.2.5高共模抑制比放大电路*2.2.5.2取R3=R4，R5=R6，差模增益：通常取：R1=R2，R3=R4，R5=R6——外接电阻平衡对称。

2.2.5.2三运放高共模抑制比放大电路电路特点：输入阻抗高；增益调整方便；对于理想运放，共模抑制比趋向无限大。10取R3=R4，R5=R6，差模增益：通常取：R1=R2，R1111

2.2.6电桥放大电路2.2.6.1单端输入电桥放大电路1．反相输入型(虚地)(虚断)特点：增益与桥臂电阻无关，增益稳定，单臂电桥非线性。Z1Z2Z4Z3R2R1bauou+-∞+-+N电桥电源浮置，电源在R1和R2不产生电流，a点为虚地：122.2.6电桥放大电路2.2.6.1单端输入电桥2．同相输入型特点：输出与反相输入型符号相反，特点相同，输入阻抗高。

2.2.6.1单端输入电桥放大电路R+ΔRR2R1uo+-aRRRu∞+-+N132．同相输入型特点：输出与反相输入型符号相反，特点相同，输入2.2.6.2差动输入电桥放大电路

2.2.6电桥放大电路特点：增益与桥臂电阻有关，增益不稳定，且非线性。R2=R1R1uR(1+δ)uaubRRRuo∞+-+N(ua=ub)142.2.6.2差动输入电桥放大电路2.2.6电桥

2.2.6电桥放大电路*2.2.6.3线性电桥放大电路特点：传感器接在反馈回路，线性好，量程大，但灵敏度低。uoR3R2

=R(1+δ)R1uuaR1ub∞+-+Ni1i2i4i3152.2.6电桥放大电路*2.2.6.3线性电桥

2.2典型测量放大电路2.2.8高输入阻抗放大电路■作用：提高反相(或差动)运算放大器的输入阻抗，与电容式、压电式传感器的高输出阻抗相匹配。

■方法：（1）在放大电路输入端加接电压跟随器，但会引入共模误差；

（2）采用高输入阻抗的集成运算放大器；

（3）采用通用集成运算放大器组成的自举电路。162.2典型测量放大电路2.2.8高输入阻抗放大电2.2.8.2自举式高输入阻抗放大电路

2.2.8高输入阻抗放大电路■何谓自举电路?

自举电路是利用反馈使输入电阻的两端近似为等电位，减小向输入回路索取电流，从而提高输入阻抗的电路。■是不是所有情况下都要求放大电路具有高的输入阻抗？

高输入阻抗电路常应用于传感器的输出阻抗很高的测量放大电路中。如电容式、压电式传感器的测量放大电路。172.2.8.2自举式高输入阻抗放大电路2.2.82.2.8.2自举式高输入阻抗放大电路b)交流电压跟随电路∞+-+NuiR1R2C1R3C2uoa)同相交流放大电路uiuo∞+-+NR1R2R3C1C2利用C2将运放两输入端之间的交流电压作用在R1两端。理想情况下两输入端电位近似相等(虚短)，无电流流过R1，故对交流而言。要求：R3=R1+R2——减小输入失调电压和输入偏置电流。182.2.8.2自举式高输入阻抗放大电路b)交流电压跟随电2.2.8.2自举式高输入阻抗放大电路输入电阻为：当R2=R1时，Ri→∞，i1=i2

，即N1的输入电流全部由N2提供，输入回路无电流。uo1uii1i2R1iuo22R1R3R2∞-++N1∞-++R3N2c)自举组合电路192.2.8.2自举式高输入阻抗放大电路输入电阻为：当R2自举组合电路20自举组合电路202.3隔离放大电路■作用：将输入、输出和电源电路进行隔离，使他们之间没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。■方法：采用电磁耦合(变压器)和光电耦合。■应用场合：主要用于便携式测量仪器和某些测控系统(如生物医学人体测量、自动化试验设备、工业过程控制系统等)中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。第2章信号放大电路212.3隔离放大电路■作用：将输入、输出和电源电路进1.组成及符号－＋2.3隔离放大电路2.3.1基本原理Ciso——隔离电容(典型值20pF)Riso——隔离电阻(很大)uiso——隔离模电压，指隔离器两端或输入端与输出端两公共地之间能承受的共模电压。输入放大器R1R1R2RisoCisoR2uo隔离器输出放大器－＋uducuiso221.组成及符号－＋2.3隔离放大电路2.3.1基浮置电源输入调制放大器耦合变压器输出解调放大器输出输入－＋2.3隔离放大电路2.原理框图浮置电源光耦合器输入放大器－＋输出放大器输出输入VLC变压器耦合不仅隔离了输入与输出电路，而且也隔离了浮置电源，但体积大。光电耦合先将被测信号放大后由发光二极管转换成光信号，再由光敏三极管转换成电信号放大输出，但非线性。23浮置电源输入调制耦合变压器输出解调放大器输出输入－＋

作用：传感器输出的信号一般很微弱，而且含有各种噪声。为了将测量信号从含有噪声的信号中分离出来，便于放大与远距离传输。■3.1调幅式测量电路★■3.2调频式测量电路■3.3调相式电路■3.4脉冲调宽制式测量电路24第3章信号调制解调电路作用：传感器输出的信号一般很微弱，而且含有■3.11、调制解调的概念、功用，采用调制解调的目的。2、调频，调幅，调相，脉冲调制的数学表达式，并画出它们的波形。3、什么是双边带调幅？请写出其数学表达式，画出它的波形4、什么是包络检波？什么是相敏检波包络检波和相敏检波的电路原理及分析、

区别；5、相敏检波电路的主要作用：鉴相和选频6、鉴相电路的原理。7、脉冲调宽信号的解调方式。第3章信号调制解调电路251、调制解调的概念、功用，采用调制解调的目的。第3章信号调制传感器调制电路调制开关电路调制乘法器调制信号相加调制调相调频调幅脉冲调宽26调制传感器调制电路调制开关电路调制乘法器调制信号相加调制调相解调包络检波相敏检波二极管与晶体管包络检波精密检波半波全波27解调包络检波相敏检波二极管与晶体管包络检波精密检波半波全波2■什么是信号调制？

调制就是用一个信号(称为调制信号)去控制另一个做为载体的信号(称为载波信号)，让后者的某一特征参数(幅值、频率、相位、脉冲宽度)按前者变化。

■什么是信号解调？在将测量信号调制，并将它和噪声分离、放大等处理后，还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，这一过程称为解调。

28第3章信号调制解调电路■什么是信号调制？28第3章信号调制解调电路调制是给测量信号赋予一定特征，这个特征由作为载体的信号提供。常以一个高频正弦信号或脉冲信号作为载体，这个载体称为载波信号。用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位的信号称为调制信号。在测控系统中，通常就用测量信号作调制信号。经过调制的载波信号叫已调信号。29调制是给测量信号赋予一定特征，这个特征由作为载在信号调制中常以一个高频正弦信号作为载波信号。一个正弦信号有幅值、频率、相位三个参数，可以对这三个参数进行调制，分别称为调幅(Amplitudemodulation)、调频(Frequencymodulation)和调相(Phasemodulation)

。也可以用脉冲信号作载波信号。可以对脉冲信号的不同特征参数作调制，最常用的是对脉冲的宽度进行调制，称为脉冲调宽(Pulsewidthmodulation)。30在信号调制中常以一个高频正弦信号作为载波信号。一个正弦信号有3.1调幅式测量电路3.1.1调幅原理与方法3.1.1.1调幅信号的表达式

调幅信号的一般表达式可写为：■什么是调幅？写出调幅信号的数学表达式，画出波形。

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。ωc——载波信号角频率；Um——调幅波中载波信号的幅值；

m——调制的灵敏度；x——调制信号。313.1调幅式测量电路3.1.1调幅原理与方法调幅信设调制信号

，且（一般）载波信号上边频信号下边频信号

载波信号中不含调制信号x的信息，因此可取Um=0、

m=1，只保留两个边频信号。这种调制称为双边带调幅，可采用乘法器实现。其数学表达式为：

3.1.1.1调幅信号的表达式■何谓双边带调幅？写出其数学表达式，并画出波形。32设调制信号，当x>0时，us与

uc同频同相；双边带调幅信号txotucusoto当x<0时，us与

uc同频反相。

双边带调幅信号的波形：33当x>0时，us与双边带调幅信号txotucusoto当x<

uoto

Ucotto

ux3.1.1.3电路调制

2.用开关电路实现调制V1V2——N沟道增强型绝缘栅场效应管，低电平为0夹断。当Uc为高电平“1”时，V1导通，V2夹断，uo=ux；当Uc为低电平“0”时，V1夹断，V2导通，uo=0。V1uxuoUcV2Uc34uotoUcottoux3.1.1.3电路调制2■什么是包络检波？检出调幅信号的包络线。3.1调幅式测量电路3.1.2包络检波电路usotuoot■如何实现包络检波？采用单向导电器件截去调幅信号中下半部(或上半部)的波形，即可获得半波检波信号，再经低通滤波器滤除高频信号，即可获得所需调制信号，实现解调。包络检波实际上就是建立在整流原理的基础上。35■什么是包络检波？检出调幅信号的包络线。3.1调幅式3.1.2.2精密检波电路1.半波精密检波电路与VD1——防止us为正半周时，因VD2断开而使运放处于开环状态，由此可造成运放饱和。+

us–

半波整流器低通滤波器i1CR4uoR1R2R3VD1VD2i+–uAA–+∞-+N2+∞-+N1+363.1.2.2精密检波电路1.半波精密检波电路与VD当us>0时，，

；当us<0时，，。2.全波精密检波电路一+

us–

半波整流器低通滤波器i1CR4uoR1R2R3VD1VD2i+–uAA–+∞-+N2+∞-+N1+tuAtuootusoo37当us>0时，，当us>0时，VD1VD4通，VD2VD3断，N2跟随器工作，

；当us<0时，VD1VD4断，VD2VD3通，N1工作，

。tuootuso3.全波精密检波电路二uoR4VD1VD2R2R5VD3VD4R3usR1∞-++N1∞-++N238当us>0时，VD1VD4通，VD2VD3断，N2跟随4.高输入阻抗全波精密检波电路R2usuAVD2VD1uoR1R3R4∞-++N1∞-++N2a)电路图uo=-usus<0uAR2R1R3R4usc)负输入等效电路∞-++N1∞-++N2R2uo=usus>0usR1R3R4us∞-++N1b)正输入等效电路∞-++N2us>0时，VD1通，VD2断，

；us<0时，VD1断，VD2

通，

，

。394.高输入阻抗全波精密检波电路R2usuAVD2VD1u3.1调幅式测量电路3.1.3相敏检波电路3.1.3.1相敏检波的功用和原理■什么是相敏检波电路？具有鉴别调制信号相位(极性)和选频能力的检波电路。■为什么要采用相敏检波？包络检波有两个问题：一是解调过程主要是对调幅信号进行半波或全波整流，无法从检波器的输出鉴别调制信号的相位。二是包络检波电路本身不具有区分不同载波频率信号的能力。为了使检波电路具有判别调制信号相位和频率的能力，提高抗干扰能力，需要采用相敏检波电路。403.1调幅式测量电路3.1.3相敏检波电路3.1.3相敏检波乘法器相敏检波开关式相敏检波相加式相敏检波41相敏检波乘法器相敏检波开关式相敏检波相加式相敏检波41

2.开关式相敏检波电路(全波检波)V——N沟道结型场效应管，低电平为负夹断。当Uc=“1”时，V导通，N同相输入端接地，uo=-us

；uousUcRVRR∞-++N

当Uc=“0”时，V截止，us同时从N的同相输入端和反相输入端输入，uo=us

。423.1.3相敏检波电路2.开关式相敏检波电路(全波检波)V——N沟道结型2.开关式相敏检波电路(全波检波)R6uousR2R3R1R4R5V1UcV2Uc∞-++N

当Uc=“1”时，V1导通，V2截止，N同相输入端通过R4接地，us从反相端输入，

；

当Uc=“0”时，V1截止，V2导通，N反相输入端通过R3接地，us从同相端输入，

。432.开关式相敏检波电路(全波检波)R6uousR2R3R2.开关式相敏检波电路(波形图)Ucotusotuootus与Uc同相(ux>0)当ux>0时，us与

Uc同频同相；当ux<0时，us与Uc同频反相。us与Uc反相(ux<0)Ucotusotuoot442.开关式相敏检波电路(波形图)Ucotusotuoot

3.1.3.4精密整流型相敏检波电路当Uc=“1”时，V1截止，V2导通，，

；当Uc=“0”时，V1导通，V2截止，，。UcUcus

CR4uoR1R2R3V1V2uA+

_∞-+N2+∞-+N1+453.1.3.4精密整流型相敏检波电路当Uc=“1”时3.1.3.6相敏检波电路的选频和鉴相特性1.相敏检波电路的选频特性■什么是相敏检波电路的选频特性？相敏检波电路的选频特性是指它对不同频率的输入信号有不同的传递特性。若us中含有高次谐波，由此产生的附加输出为：相敏检波电路由乘法器和低通滤波器组成，即463.1.3.6相敏检波电路的选频和鉴相特性1.相敏检1.相敏检波电路的选频特性(波形)n=1usustouoto++––++––Uctouoto–+++to+–tUco+–ustouoto+++–––++++––to+–Ucn=2n=3471.相敏检波电路的选频特性(波形)n=1usustouo2.相敏检波电路的鉴相特性3.1.3.6相敏检波电路的选频和鉴相特性■什么是相敏检波电路的鉴相特性？如果输入信号us与参考信号uc(或Uc)是同频信号，但有一定相位差，这时输出电压为：

输出信号随相位差的余弦而变化。由于在输入信号与参考信号同频但有一定相位差时，输出信号的大小与相位差有确定的函数关系，可以根据输出信号的大小确定相位差的值，相敏检波电路的这一特性称为鉴相特性。482.相敏检波电路的鉴相特性3.1.3.6相敏检波电路2.相敏检波电路的鉴相特性(波形)us与Uc同相Ucto+–usto–+uoto++Ucto+–Ucto+–Ucto+–usto–+usto–+ust–++ot–++o–uouoto–++–uoto––us与Uc反相us与Uc相位差90ous与Uc相位差30o492.相敏检波电路的鉴相特性(波形)us与Uc同相Ucto3.2调频式测量电路3.2.1调频原理与方法3.2.1.1调频信号的表达式

调频信号的一般表达式可写为：■什么是调频？写出调频信号的数学表达式，画出波形。

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。503.2调频式测量电路3.2.1调频原理与方法调频信调频信号的波形：xtootus调制信号调频信号tuco载波信号51调频信号的波形：xtootus调制信号调频信号tuco载波信3.3调相式测量电路3.3.1调相原理与方法3.3.1.1调相信号的表达式■什么是调相？写出调相信号的数学表达式，画出波形。调相就是用调制信号x去控制高频载波信号的相位。常用的是线性调相，即让调相信号的相位按调制信号x

的线性函数变化。

调相信号的一般表达式可写为：523.3调相式测量电路3.3.1调相原理与方法■什脉冲调宽的数学表达式为：B=b+mx3.4脉冲调制式测量电路3.4.1脉冲调制原理与方法3.4.1.1脉冲调制信号的表达式■什么是脉冲调宽制？写出脉冲调制信号的数学表达式，并画出其波形。脉冲调制是指用脉冲作为载波信号的调制方法。在脉冲调制中具有广泛应用的一种方式是脉冲调宽。53脉冲调宽的数学表达式为：3.4脉冲调制式测量电路3.4.1.参量调宽3.4.1脉冲调制原理及方法3.4.1.3电路调宽R4R3VD1R2R6VD2RPCuc

uoVSR5∞-++NR1=常数——差动传感器——周期不变——充电时间——放电时间输出脉冲信号的频率不变，占空比随传感器电阻R2R3变化。541.参量调宽3.4.1脉冲调制原理及方法3.4.1.2.电压调宽3.4.1.3电路调宽ucu–R3R4CR2RR1uxVSuou+∞-++N（1）若ux>0，则u+大：uo=Ur，C充电时间长；uo=-Ur，C放电时间短。即输出脉冲占空比大。（2）若ux<0，则u+小：uo=Ur，C充电时间短；uo=-Ur，C放电时间长。即输出脉冲占空比小。552.电压调宽3.4.1.3电路调宽ucu–R3R4C

例、在测控系统中被测信号的变化频率为0-100Hz，应怎样选取载波信号的频率？应怎样选取调幅信号放大器的通频带？信号解调后，怎样选取滤波器的通频带？

为了正确进行信号调制必须要求ωc>>Ω，通常至少要求ωc>10Ω。这样，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。若被测信号的变化频率为0-100Hz，则载波信号的频率ωc>1000Hz。调幅信号放大器的通频带应为900-1100Hz。信号解调后，滤波器的通频带应>100Hz，即让0-100Hz的信号顺利通过，而将900Hz以上的信号抑制，可选通频带为200Hz。56例、在测控系统中被测信号的变化频率为0-100Hz，应怎

相敏检波电路与包络检波电路在功能、性能与在电路构成上最主要的区别是什么？

相敏检波电路与包络检波电路在功能上的主要的区别是相敏检波电路能够鉴别调制信号相位，从而判别被测量变化的方向。

在性能上最主要的区别是相敏检波电路具有判别信号相位和频率的能力，从而提高测控系统的抗干扰能力。从电路结构上看，相敏检波电路的主要特点是，除了所需解调的调幅信号外，还要输入一个参考信号。有了参考信号就可以用它来鉴别输入信号的相位和频率。参考信号应与所需解调的调幅信号具有同样的频率，采用载波信号作参考信号就能满足这一条件。57相敏检波电路与包络检波电路在功能、性能与在电

从相敏检波器的工作机理说明为什么相敏检波器与调幅电路在结构上有许多相似之处？它们又有哪些区别？只要将输入的调制信号乘以幅值为1的载波信号就可以得到双边频调幅信号。若将再乘以，就得到

利用低通滤波器滤除频率为和的高频信号后就得到调制信号，只是乘上了系数1/2。这就是说，将调制信号ux乘以幅值为1的载波信号就可以得到双边频调幅信号us，将双边频调幅信号us再乘以载波信号，经低通滤波后就可以得到调制信号ux。这就是相敏检波电路在结构上与调制电路相似的原因。相敏检波器与调幅电路在结构上的主要区别是调幅电路实现低频调制信号与高频载波信号相乘，输出为高频调幅信号；而相敏检波器实现高频调幅信号与高频载波信号相乘，经滤波后输出低频解调信号。这使它们的输入、输出耦合回路与滤波器的结构和参数不同。58从相敏检波器的工作机理说明为什么相敏检波器与调幅开关式全波相敏检波电路59开关式全波相敏检波电路5960全波精密检波电路60全波精密检波电路

精密整流型全波相敏检波电路61精密整流型全波相敏检波电路61P93脉宽调制电路

电容C在两个半周期通过不同的电阻进行充电，充电时间常数不同，从而输出信号的占空比随着两支充电回路的阻值而变化，即输出信号的脉宽受被测信号调制。Rp2和Rp3为差动电阻传感器的两臂，其和为一常量。62P93脉宽调制电路电容C在两个半周期通过不同的电阻进行第4章信号分离电路■

4.1滤波器基本知识★■

4.2RC滤波电路★■

4.3集成有源滤波器■

4.4跟随滤波器

作用：选择频率的作用。提取有用的测量信号，滤除噪声和无用信号。63第4章信号分离电路■4.1滤波器基本知识★作用1、4种常见的滤波器及示意图、性能。2、传递函数的定义，由传递函数我们可以得到滤波器的幅频和相频特性。3、滤波器特性的逼近：有哪几种逼近方法，什么时候采用什么样的逼近方法？4、二阶有源滤波器的分类，结构，会推导其传递函数，并根据其获得特征参数kp，w0，α等。5、会设计有源滤波器。重点：模拟滤波器的传递函数与频率特性；压控电压源型滤波电路；无限增益多路反馈型滤波电路；有源滤波器设计。第4章信号分离电路641、4种常见的滤波器及示意图、性能。重点：模拟滤波器的传递函4.1.1滤波器的类型

1.按处理信号形式分：模拟滤波器和数字滤波器。

2.按功能(频率)分：低通、高通、带通、带阻滤波器。

3.按电路元件分：LC无源滤波器、RC无源滤波器、由特殊元件构成的无源滤波器、RC有源滤波器。

4.按微分方程(传递函数)的阶数分：一阶滤波器、二阶滤波器、高阶滤波器。

4.1滤波器基本知识第4章信号分离电路654.1.1滤波器的类型4.1滤波器基本知识第4章低通：高通：带通：带阻：二阶有源滤波器66低通：高通：带通：带阻：二阶有源滤波器664.1.4.1巴特沃斯逼近：这种逼近的基本原则是使幅频特性在通带内最为平坦，并且单调变化。其幅频特性为4.1.4滤波器特性的逼近674.1.4.1巴特沃斯逼近：4.1.4滤波器特性的4.1.4.2切比雪夫逼近：这种逼近方法的基本原则是允许通带内有一定的波动量△Kp。其幅频特性为4.1.4滤波器特性的逼近4.1.4.3贝赛尔逼近：这种逼近与前两种不同，它主要侧重于相频特性，其基本原则是使通带内相频特性线性度最高，群时延函数最接近于常量，从而使相频特性引起的相位失真最小。

684.1.4.2切比雪夫逼近：4.1.4滤波器特性的4.1.4滤波器特性的逼近ω/ω000.512巴贝切切1.0-180°-360°12贝巴切切ω/ω00°图4-8四种五阶低通滤波器频率特性246800.20.40.60.81.0t/t0巴贝切uo(t)/ui图4-9三种二阶低通滤波器阶跃响应694.1.4滤波器特性的逼近ω/ω000.512巴贝切切

4.2.2压控电压源型滤波电路(同相放大器)4.2RC滤波电路uo(t)Y2Y1Y4Y3Y5R0Rui(t)∞+-+N704.2.2压控电压源型滤波电路(同相放大器)4.压控电压源型滤波器的特点元件数目少对运放理想程度要求不高结构简单增益和截止频率独立，调整方便（★）正反馈，稳定性差（★）uo(t)Y2Y1Y4Y3Y5R0Rui(t)∞+-+N71压控电压源型滤波器的特点元件数目少uo(t)Y2Y1Y4Y34.2.3无限增益多路反馈型滤波电路(反相放大器)4.2RC滤波电路∞-++NY4Y1Y3Y2Y5Rui(t)uo(t)724.2.3无限增益多路反馈型滤波电路(反相放大器)473

4.2.5RC有源滤波器设计有源滤波器的设计主要包括以下四个过程：●确定传递函数（应用特点确定、阶数）

低通、高通、带通、带阻特征频率：固有频率、转折频率、截止频率巴特沃斯、切比雪夫、贝赛尔逼近●选择电路结构（特性要求、低灵敏度）压控电压源、无限增益多路反馈、双二阶环●选择有源器件（器件特性、噪声、Ri、Ro）●计算无源元件参数（预设、先C后R）734.2.5RC有源滤波器设计有源滤波器的设计主要包*

4.2.5.4无源元件参数计算

1．在给定转折频率fc下，参考表4-2选择电容C1；

2．计算电阻换标系数：K=100/fc

C1(C1单位为μF)；

3．由KP查表(由类型决定)确定C2及归一化电阻值ri；

4．计算电阻实际值：Ri=Kri

；

5．确定电阻标称值。4.2.5RC有源滤波器设计fc/Hz<100100~1000(1~10)k(10~100)k>100kC1/µF10~0.1

0.1~0.010.01~0.001(1000~100)×10-6(100~10)×10-6表4-2二阶有源滤波器设计电容选择用表74*4.2.5.4无源元件参数计算4.2.5RC有第5章信号运算电路

作用：实现各种数学运算，如表面粗糙度测量。■

5.1比例运算放大电路■

5.2加法、减法运算电路★■

5.3对数、指数和乘、除运算电路★■

5.4微分、积分运算电路★■

5.5常用特征值运算电路■

5.6函数性运算电路★75第5章信号运算电路作用：实现各种数学运算，如表面粗糙度1.利用反相加法运算电路实现减法运算5.2加法、减法运算电路5.2.3减法运算电路∞-+N2+R1uoR2ui1Rfui2∞-+N1+uo1R1R3R=R1/2ˊR=R2//R3//Rfˊˊ2.利用单一运放差分输入实现减法运算761.利用反相加法运算电路实现减法运算5.2加法、减法四、乘方和立方运算电路图

平方运算电路

将相乘运算电路的两个输入端并联在一起就是乘方运算电路，电路如左图所示。立方运算电路如右图所示。图

立方运算电路

77四、乘方和立方运算电路图平方运算电路第6章信号转换电路■6.1模拟开关■6.2采样保持电路★■6.3电压比较电路★■6.4电压频率转换电路★■6.5电压电流转换电路★■6.6模拟数字转换电路★78第6章信号转换电路■6.1模拟开关78基本组成：

1.模拟开关

2.存储电容

3.缓冲放大器6.2采样保持电路6.2.1基本原理

当Uc=“1”时，S接通，ui向C充电，输出跟踪模拟输入信号变化——采样阶段(uo=uc=ui)。∞-+N1+∞-+N2+uiuoUcCSuc

当Uc=“0”时，S断开，uo保持S断开瞬间的输入信号值——保持状态(uo保持uc值)。79基本组成：6.2采样保持电路6.2.1基本原理6.3.1电平比较电路(单门限电平)

6.3.1.1差动型电平比较电路Uouiui<URui>URoUR

当ui<UR时，Uo为高电平“1”；当ui>UR时，Uo为低电平“0”；当ui=UR时，比较器翻转。

Uo=UR-ui

当UR=0时为过零比较器，又称鉴零器。如正弦波经过鉴零器后变为方波。-1+1uiUR#Uo806.3.1电平比较电路(单门限电平)

6.3.1.1

6.3.2滞回比较电路(正反馈，两个门限电平)UouioU1

U2

设输出高低电平分别为UoH、UoL，则两个门限电平分别为：滞后电平：Uo-1+1uiUR#R1R2R

调节R1或R2可调节滞后电平，使

稍大于预计的干扰信号un，可消除“振铃”现象。ui<U1时Uo=UoH，ui>U2时Uo=UoL，U1<ui<U2时不翻转。常作为整形电路。816.3.2滞回比较电路(正反馈，两个门限电平)Uoui[例]在图（a）所示的电路中，已知R1=50k，R2=100k，稳压管的稳定电压±UZ=±9V，输入电压uI的波形如图（b）所示，试画出uO的波形。

A－＋uOuIDZ±UZR1R2R图（a）3-3uI/V0t图（b）9-9uO/V0t解：uO9-90uI+3-382UT[例]在图（a）所示的电路中，已知R1=50k，R2=1电压传输特性：-1+1uiE#R1R2RP-1+1#VSUo1Uo2U

R1U

R2N1N2UZRUo+UD*

6.3.3窗口比较电路(两个门限电平)判断ui是否在两个电平之间。两个门限电平分别为：当ui<UR2时，Uo1=“1”，Uo2=“0”，则Uo=“0”；当UR2<ui<UR1时，Uo1=“1”，Uo2=“1”，则Uo=“1”；当ui>UR1时，Uo1=“0”，Uo2=“1”，则Uo=“0”。窗口宽度：UouioUR2

UR1

“1”

“0”

电压传输特性：-1+1uiE#R1R2RP-1+1#VSU6.5电压电流转换电路■

作用：减小传输导线阻抗对信号的影响。6.5.1I/V转换电路1.

反相输入型uo∞-+N+iS

RSR2R1i

■要求:

（1）电流源内阻RS很大，减小输入失调电压影响；（2）iS>>Ib——运放的输入偏置电流。846.5电压电流转换电路■作用：减小传输导线阻抗对信号实用测微弱电流的I/V转换电路uoR4R1R2R3∞N-++isRs实用测微弱电流的I/V转换电路uoR4R1R2R3∞N-++6.5.1I/V转换电路

2.同相输入型■要求：

R4=R2//R3（R2和R3由i与uo的范围确定）uo∞-+N+UbR3R1i

R4R2ui■例：

4~20mA→0~10V

取R1=250Ω，i

=

4~20mA→ui=1~5V→uo=0~10V

，，，，866.5.1I/V转换电路2.同相输入型■要求：6.5.2V/I转换电路

1.运放构成的V/I转换电路■要求：R3>>RL

R4>>R7+RL取R1=R2，R3=R4，uN≈uP，则V1∞-+N+uiR3R1R4R2R5uNuPUbV2+ER6R7RLio876.5.2V/I转换电路

1.运放构成的V/I转换电6.5.2V/I转换电路

RLuo2∞-+N1+iL

∞-+N2+RRRRRPuiuo1uP1uP+-负载接地型V/I转换电路N1，N2为理想运放。N1输出电压RP上的电压所以6.5.2V/I转换电路

RLuo2∞-+N1+iL∞6.5.2V/I转换电路■例：0~10V→0~10mA取R1=R2=100kΩ，

R3=R4=20kΩ，

R7=200Ω，

Ub=0，则■例：0~10V→4~20mA取R1=R2=100kΩ，R3=R4=20kΩ，

R7=125Ω，Ub=-2.5V，则V1∞-+N+uiR3R1R4R2R5uNuPUbV2+ER6R7RLio896.5.2V/I转换电路■例：0~10V→0~16.5.2V/I转换电路负载浮地型V/I转换电路uo∞-+N+UiR1iI

RLiL

uo∞-+N+UiR1iI

RLiL

(a)反相式（b)同相式6.5.2V/I转换电路负载浮地型V/I转换电路uo∞*

A/D转换的三个阶段：采样、量化和编码6.6.1A/D转换器6.6.1.1基本原理■采样：在时间上离散，用模拟信号与脉冲序列相乘实现。■量化：在幅值上离散，利用四舍五入规则，用有限个量化值来代替采样值，量化值与采样值之差称为量化误差，最大量化误差=±LSB/2。■编码：编码与量化同时完成，通常用二进制码表示，即91*A/D转换的三个阶段：采样、量化和编码6.6.1A/

试述在S/H电路中对模拟开关、存储电容及运算放大器这三种主要元器件的选择有什么要求。

选择要求如下：

模拟开关：要求模拟开关的导通电阻小，漏电流小，极间电容小和切换速度快。

存储电容：要选用介质吸附效应小的和泄漏电阻大的电容。

运算放大器：选用输入偏置电流小、带宽宽及转换速率（上升速率）大的运算放大器；输入运放还应具有大的输出电流。92试述在S/H电路中对模拟开关、存储电容及运算如果要将4～20mA的输入直流电流转换为0～10V的输出直流电压，试设计其转换电路。该转换电路如图X6-3所示。根据图X6-3电路，有R3∞-++NuoR1R2R4iuiUb图X6-3取R1=250Ω，当i=4mA时，ui=1V，当i=20mA时，ui=5V。

因此要求93如果要将4～20mA的输入直流电流转换为0～10V的输出直流试分析图6-36中各电路的工作原理，并画出电压传输特性曲线。

图6-36题6-5图a)b)∞-++NR1R2R3uouiURVS1VS2∞-++NR1R2R3uouiURVSVD1VD2R

此电路为一施密特电路。比较器输出的高、低电压分别为稳压管稳压值UZ、-UZ，因此运算放大器同相端两个门限电压为：

当ui<UR时，VD1截止，uo输出为稳压管稳压值UZ

；当ui>UR时，VD1导通，运算放大器输出负向饱和电压-E，VD2截止，uo=0，此时运算放大器同相端门限电压为：当

ui由大变小并小于UT时，uo=UZ。94试分析图6-36中各电路的工作原理，并画出电压传输特性曲线。uouoUZU1U2uiO-UZUZOURUTuia)b)图X6-2

其电压传输特性如图X6-2所示：95uouoUZU1U2uiO-UZUZOURUTuia)b)图第7章信号细分与辨向电路作用：细分电路实现对周期性的测量信号进行插值，提高仪器的分辨力；辨向电路实现对周期性信号极性的判断。■7.1直传式细分电路★■7.2平衡补偿式细分电路96第7章信号细分与辨向电路作用：细分电路实现对周期性的测7.1.1四细分辨向电路■输入信号：相位差90的两路方波信号。■细分原理：基于两路方波在一个周期内具有两个上升沿和两个下降沿，通过对边沿的处理实现四细分。■辨向原理：根据两路方波相位的相对导前和滞后的关系作为判别依据。7.1直传式细分电路★

7.1.1.1单稳四细分辨向电路由四个单稳触发器和二个“与或非门”组成，利用单稳提取两路方波信号的边沿实现四细分。AB977.1.1四细分辨向电路■输入信号：相位差90的两DG7&&&&&&&&Uo1DG5Uo2DG10R1&&1&&11A1DG1C1DG3R2DG2C2DG4DG8R3C3C4DG9R4DG6ABBBBBAAAA≥1BBBAAAB≥1BBAA98DG7&&&&&&&&Uo1DG5Uo2DG10R1&&1&脉宽调制控制电路变频控制电路第8章

连续信号控制电路99导电角控制逆变器脉宽调制控制电路变频控制电路第8章连续信号控制电路9

N的反相端输入三个信号：

1)锯齿波或三角波调制信号up;2)控制电压uc;3)负偏置电压u0，其作用是在uc=0时通过RP的调节使比较器的输出电压ub为宽度相等的正负方波。8.1脉宽调制(PWM)控制电路8.1.1脉宽调制控制电路的工作原理电压-脉宽功率放大∞++N-R2R3RPR1RLuPu0ucubECuLV100N的反相端输入三个信号：8.1脉宽调制(PW（一）锯齿波脉宽调制器8.1脉宽调制(PWM)控制电路8.1.2典型脉宽调制电路锯齿波发生器51V26TRTHNE5554R7CT8V+N-+∞R1EcR2R3R4R5R10R7R6R8R9C1C2C3u0ucub+电压比较器改善线性一定电压放电，形成锯齿波101（一）锯齿波脉宽调制器8.1脉宽调制(PWM)控制电8.1脉宽调制(PWM)控制电路8.1.2典型脉宽调制电路三角波发生器+-N1+∞∞N2-++R3R1R2CRPR5R6R7R9R8R10R13R11R14R12R15R16R17R18VS1VS2VD1VD2baV1V2V3V4V5uc+Ecuo1-Ecuo2uPR4（二）三角波脉宽调制器迟滞比较器积分器形成一定死区1028.1脉宽调制(PWM)控制电路8.1.2典型第9章逻辑控制电路

二值可控元件驱动电可编程逻辑器件

103第9章逻辑控制电路

二值可控元件驱动电103第一节二值可控元件驱动电路一、功率开关驱动电路二、继电器与电磁阀驱动电路三、步进电动机驱动电路104第一节二值可控元件驱动电路一、功率开关驱动电路104（一）晶体管直流负载功率驱动电路

图8-1晶体管功率驱动电路负载所需的电流不太大

105（一）晶体管直流负载功率驱动电路图8-1晶体管功率驱动电+VC

UiVD

K1

RV

RL负载电源K1-1直流继电器电路三、继电器驱动电路主要参数：1、线包工作电压2、线包额定电流3、触电工作电压4、触电额定电流106+VCUiVDK1RVRL负载电源K1-1直流图交流继电器的控制107图交流继电器的控制107测控系统组成示意前提课程：传感器，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、DSP、FPGA、计算机、工控机等）控制器

输出电路（光隔、驱动、D/A等）测控电路复习重点测控系统组成示意前提课程：传感器，单片微机原理被测对象被第一章绪论第一节测控电路的功用第二节对测控电路的主要要求第三节测控电路的输入信号与输出信号第四节测控电路的类型与组成第五节测控电路的发展趋势109第一章绪论第一节测控电路的功用2第一章绪论（1）什么是测控系统？测量与控制系统的简称。广义上：测量系统、控制系统和测控系统。笼统地讲传感器测控电路执行机构（2）测控系统的构成第一章绪论（1）什么是测控系统？测量与控制系统的简称。笼第一章绪论对测控电路的主要要求（精度高；响应速度快和动态失真小；转换灵活；可靠性与经济性）；影响测控电路精度的主要因素（噪声与干扰★；失调与漂移，主要是温漂★；线性度与保真度；输入与输出阻抗的影响）；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？（模数转换与数模转换；信号形式的转换；量程的变换；信号的选取；信号处理与运算等）；本章基本概念111第一章绪论对测控电路的主要要求（精度高；响应速度快和动态4.测控电路的输入信号与输出信号类型模拟信号(非调制信号,已调制信号）；

数字信号(增量码信号；绝对码信号；开关信号）5.测控电路中的信号制电模拟信号种类：直流电压(电流)，交流电压(电流)；国际统一信号：过程控制系统的模拟直流电流信号为4～20mA，模拟直流电压信号为1～5V；国内统一信号：4～20mA，1～5V；0～10mA，0～10V。信号制是在成套系列仪器仪表测控电路中，各个单元的输入、输出信号采用何种统一的联络信号问题。信号的传输方式有三种：两线制、三线制和四线制6.模拟式测量电路和数字式测量电路的基本组成7.控制电路的基本组成（开环控制；闭环控制）第一章绪论1124.测控电路的输入信号与输出信号类型5.测控电路中的信号制第2章信号放大电路■2.1运算放大器的误差及其补偿■2.2典型测量放大电路★■

2.3隔离放大电路★作用：放大传感器输出的电压、电流或电荷信号。类型：由传感器决定。如：应变式传感器采用电桥放大电路，压电式传感器采用电荷放大电路。113第2章信号放大电路■2.1运算放大器的误差及其要掌握的主要内容：典型测量放大电路:隔离放大电路.反相放大电路同相放大电路差动放大电路高共模抑制比放大电路自动调零放大电路高输入阻抗放大电路电桥放大电路线性化电路第2章信号放大电路114要掌握的主要内容：反相放大电路第2章信号放大电路7

2.2典型测量放大电路一、

高共模抑制比放大电路■作用：用来抑制传感器输出的共模电压

(包括干扰电压)，提高共模抑制比

。■应用场合：要求共模抑制比大于100dB的场合，例如人体心电测量，信号很微弱，而干扰很大。■方法：（1）采用多个集成运放串联组成的测量放大电路；

（2）采用差动放大电路，使ui1和ui2的共模电压抵消，但要求外接电阻完全平衡对称。1152.2典型测量放大电路一、高共模抑制比放大电路■

2.2.5高共模抑制比放大电路*2.2.5.2三运放高共模抑制比放大电路N1N2：性能一致，平衡对称，构成差动放大输入级。N3：双端输入单端输出的输出级，进一步抑制N1N2

共模信号。R4uo1ui1ui2uo2R1R0R2R7RPR8R3R6uoR5∞+-+N1IR∞-++N2∞-++N3ui1ui2u'o21162.2.5高共模抑制比放大电路*2.2.5.2取R3=R4，R5=R6，差模增益：通常取：R1=R2，R3=R4，R5=R6——外接电阻平衡对称。

2.2.5.2三运放高共模抑制比放大电路电路特点：输入阻抗高；增益调整方便；对于理想运放，共模抑制比趋向无限大。117取R3=R4，R5=R6，差模增益：通常取：R1=R2，R11811

2.2.6电桥放大电路2.2.6.1单端输入电桥放大电路1．反相输入型(虚地)(虚断)特点：增益与桥臂电阻无关，增益稳定，单臂电桥非线性。Z1Z2Z4Z3R2R1bauou+-∞+-+N电桥电源浮置，电源在R1和R2不产生电流，a点为虚地：1192.2.6电桥放大电路2.2.6.1单端输入电桥2．同相输入型特点：输出与反相输入型符号相反，特点相同，输入阻抗高。

2.2.6.1单端输入电桥放大电路R+ΔRR2R1uo+-aRRRu∞+-+N1202．同相输入型特点：输出与反相输入型符号相反，特点相同，输入2.2.6.2差动输入电桥放大电路

2.2.6电桥放大电路特点：增益与桥臂电阻有关，增益不稳定，且非线性。R2=R1R1uR(1+δ)uaubRRRuo∞+-+N(ua=ub)1212.2.6.2差动输入电桥放大电路2.2.6电桥

2.2.6电桥放大电路*2.2.6.3线性电桥放大电路特点：传感器接在反馈回路，线性好，量程大，但灵敏度低。uoR3R2

=R(1+δ)R1uuaR1ub∞+-+Ni1i2i4i31222.2.6电桥放大电路*2.2.6.3线性电桥

2.2典型测量放大电路2.2.8高输入阻抗放大电路■作用：提高反相(或差动)运算放大器的输入阻抗，与电容式、压电式传感器的高输出阻抗相匹配。

■方法：（1）在放大电路输入端加接电压跟随器，但会引入共模误差；

（2）采用高输入阻抗的集成运算放大器；

（3）采用通用集成运算放大器组成的自举电路。1232.2典型测量放大电路2.2.8高输入阻抗放大电2.2.8.2自举式高输入阻抗放大电路

2.2.8高输入阻抗放大电路■何谓自举电路?

自举电路是利用反馈使输入电阻的两端近似为等电位，减小向输入回路索取电流，从而提高输入阻抗的电路。■是不是所有情况下都要求放大电路具有高的输入阻抗？

高输入阻抗电路常应用于传感器的输出阻抗很高的测量放大电路中。如电容式、压电式传感器的测量放大电路。1242.2.8.2自举式高输入阻抗放大电路2.2.82.2.8.2自举式高输入阻抗放大电路b)交流电压跟随电路∞+-+NuiR1R2C1R3C2uoa)同相交流放大电路uiuo∞+-+NR1R2R3C1C2利用C2将运放两输入端之间的交流电压作用在R1两端。理想情况下两输入端电位近似相等(虚短)，无电流流过R1，故对交流而言。要求：R3=R1+R2——减小输入失调电压和输入偏置电流。1252.2.8.2自举式高输入阻抗放大电路b)交流电压跟随电2.2.8.2自举式高输入阻抗放大电路输入电阻为：当R2=R1时，Ri→∞，i1=i2

，即N1的输入电流全部由N2提供，输入回路无电流。uo1uii1i2R1iuo22R1R3R2∞-++N1∞-++R3N2c)自举组合电路1262.2.8.2自举式高输入阻抗放大电路输入电阻为：当R2自举组合电路127自