测控电路绪论

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：gxzhang@2023/2/3为什么要学？学些什么？怎么学？第1章绪论第1章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.为什么要学？二.学些什么？三.怎么学？2023/2/31.1测控电路的功用生产力是社会发展的决定因素。生产力决定国力。生产的两大指标：质量和效率提高产品质量和生产效率都要依靠测控。没有测量就无从了解产品的质量。没有测量就无从控制产品的质量。1.1测控电路的功用机械、电子、冶金、化工、医药等生产都要靠检测、反馈控制。

1.1测控电路的功用机器高速运转靠精度，精度依赖于测控。自动化是提高生产效率的主要手段。现代的自动化是柔性自动化，越是柔性的系统越需要测量。宝钢建设仪器测控装备占总投资1/3。1.1测控电路的功用自动化的进一步发展就是智能化。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。智能化更离不开测控。智能机器、智能衣服、智能房屋、智能能源。一、测控电路的功用科技是第一生产力门德列耶夫：科学是从测量开始的，没有测量就没有科学。测试是“新技术革命”的先导和基础实践是检验真理的唯一标准。没有仪器仪表难以进行科学研究。许多重大发现和发明从测试和仪器仪表进步开始。1.1测控电路的功用祖冲之圆周率是测出来的。测试变“假说”、“学说”为科学例：牛顿万有引力学说 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。1.1测控电路的功用20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27项之多。哈勃望远镜对天体科学的作用。扫描隧道显微镜对纳米科技的作用。1.1测控电路的功用当今时代是信息时代。信息技术包括：信息获取、处理、传输、存储、执行（控制）。测量是信息的源头，最后落实到控制。信息时代的标志——高性能计算机的发展，速度和容量为其主要指标。关键是重复定位和曝光技术精度，在于测控。1.1测控电路的功用计算机的发展建立在测控技术进步的基础上1.1测控电路的功用国防事业离不开测试现代战争是信息战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）定点杀伤，反导弹计划-火箭拦截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振兴中国要发展测控1.1测控电路的功用航空、航天离不开测量。神洲号发射成功依靠测控。宇宙飞船的轨迹需要按测量数据不断修正。科学实验数据要靠测控船等收集。载人航天、登月等前期工作主要收集数据。运载火箭的试制费一半用于仪器与测控手段。 1.1测控电路的功用生命科学环境、生态核科技纳米科技MEMS安全、社会争端都离不开测控1.1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？2023/2/31.1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？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。

测量控制电路传感器执行机构2023/2/31.1测控电路的功用

测量控制电路传感器执行机构原始信号微弱：高保真放大带有噪声、外界干扰：调制解调（给信号赋予一定特征）、共模抑制、滤波复杂参数、分析：计算变换电路。电路是“一传”和“二传”手，还有“拦网”作用，是测控系统中最灵活部分。1.2

对测控电路的主要要求一、精度高二、响应快三、转换灵活四、可靠性与经济性学些什么？要掌握设计、选用电路的要领，必须了解对测控电路的要求2023/2/3（一）精度高离开精度，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1.2

对测控电路的主要要求精度----测控永恒主题长度：纳米（单一尺寸到坐标测量，分子测量机-亚原子测量机）时间：飞秒引力波对光速影响10-17光钟10-19（3000亿年差1秒）单个电子电量（1.59×10-19C）1.2对测控电路的主要要求1.2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2023/2/31.2对测控电路的主要要求课程内容首先围绕精度来讲放大器：低漂、自动稳零、高共模抑制比、高输入阻抗、非线性补偿信号的调制解调滤波运算处理，选取有效成分抗干扰技术1.2对测控电路的主要要求（二）响应快生产节奏加快科学研究要了解快速变化过程高技术与国防的要求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落后就要挨打，慢了就要挨打硬件电路总的来说比软件有更高的反应速度。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）。PID控制、前馈与反馈。1.2对测控电路的主要要求1.2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2023/2/31.2对测控电路的主要要求对于灵活性的需求参数类型更多参数定义更加复杂应用领域更广泛，天上、地下、水中、人体内1.2对测控电路的主要要求测量范围更宽尺寸----原子核到宇宙空间电压----纳伏到百万伏电阻----超导至1014欧加速度----10-4~104g温度----接近绝对零度到1018度（四）可靠性与经济性测控电路越来越多地实时地用在各种系统中；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用在医疗和其它与生命有关的系统中；电路的集成度越来越大。1.2对测控电路的主要要求应用领域更广泛，天上、地下、水中、人体内条件更加恶劣高温、高速、高湿、高尘、振动、密闭、遥测、高压、高电压、深水、强场、易爆1.2对测控电路的主要要求1.3

测控电路的输入信号与输出信号1、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0x

t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2023/2/31.3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线圈测杆工件衔铁

调幅信号c)ustuctb)a)OxtxOxO（2）

经调制信号2023/2/31.3测控电路的输入信号与输出信号2、数字式信号（1）增量码信号（2）绝对码信号（3）开关信号1.3测控电路的输入信号与输出信号2、数字式信号（1）增量码信号123546输出反映变化量1.3测控电路的输入信号与输出信号2、数字式信号（1）增量码信号亮亮暗W输出反映变化量简述1.3测控电路的输入信号与输出信号2、数字式信号

（2）绝对码信号

1111000000010010001101000101011001111000111011001101101110101001输出与状态一一对应2023/2/31.3测控电路的输入信号与输出信号2、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1.4测控电路的类型与组成一、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

开环控制

闭环控制2023/2/31.4

测控电路的类型与组成

模拟式测量电路的基本组成电路传感器量程切换电路放大器解调器信号分离电路运算电路模数转换电路计算机显示执行机构振荡器电源2023/2/31.4

测控电路的类型与组成指令传感器电路传感器显示执行机构计算机锁存器计数器转换电路脉冲当量放大器整形电路细分电路手动采样锁存指令辨向电路增量码数字式测量电路的基本组成2023/2/31.4

测控电路的类型与组成

开环控制系统的基本组成测量电路

控制电路

扰动量传感器放大电路输出转换电路设定电路执行机构给定机构被控对象2023/2/31.4

测控电路的类型与组成

设定电路比较电路校正电路转换电路给定机构执行机构被控对象输出传感器扰动放大电路控制电路

闭环控制系统的基本组成

2023/2/31.4

测控电路的类型与组成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各组成部分的作用。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。2023/2/31.5

测控电路的发展趋势

优质化(精、快、可靠）集成化数字化通用化、模块化测控一体化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2023/2/31.6

课程的性质、内容与学习方法掌握基础,注重实践2023/2/3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，培养宽基础、具有创造性的人才，将整个仪器仪表类专业集中为“测控技术及仪器”一个专业，《测控电路》是它的一门重要课程。1.6

课程的性质、内容与学习方法1.6

课程的性质、内容与学习方法宽基础重点放在基本功能块创造性怎样运用电路解决工程技术问题1.6

课程的性质、内容与学习方法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各种功能块和总体连接，使学生熟悉怎样运用电子技术来解决测量与控制中的任务。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、控制间架起一座桥梁，实现二者之间的沟通，学会如何在测量和控制中运用电子技术，并与光、机、计算机紧密配合，实现测控的总体思想，围绕精、快、灵、可靠和测控任务的其它要求来选用电路、设计电路。1.6

课程的性质、内容与学习方法一、桥梁（工程与电路之间）工程问题如何用电路解决？高共模抑制比1.多数干扰是共模干扰；2.许多测控任务需要的就是差值、变化量如形状误差温度变化、梯度跟踪误差（实际值与理想值之差）1.6

课程的性质、内容与学习方法滤波测量信号表面轮廓形状误差（准直流）波度（低频）表面粗糙度（中频）噪声（高频）不同类型的误差对功能有不同影响不同类型的误差有不同形成根源滤波技术还常用于机器故障诊断1.6

课程的性质、内容与学习方法1.6

课程的性质、内容与学习方法二、从信息流总体来分析电路光、机、电、计算机怎样配合、合理分配任务要求。调制、放大放在哪里？计算、分析、数据处理由什么来完成？我们的任务是培养有创造性的测控系统总体设计师，而不是电路工程师。三、精、快、灵、可靠精、快、灵、可靠是设计与选用电路的基础，是指导思想。在选用基础上设计电路。将基础科学上的发现与其它领域中的技术成果用来解决我们的问题，这就是工程师的创新。当然不排除原始创新。1.6

课程的性质