测控仪器的电路系统设计

测控仪器的电路系统设计第一页，共四十四页，2022年，8月28日第一节电路系统的组成、要求和设计准则第二页，共四十四页，2022年，8月28日一、电路系统的作用1、作用：信息流的传递与控制，是感知信息、处理信息、输出指令、操纵机构和元器件的工具和载体。二、电路系统的组成第三页，共四十四页，2022年，8月28日（1）测量电路：输入通道（处理电路、电源）：将传感器输出的测量信号进行放大、滤波、细分、选通、变换和阻抗匹配等。（2）控制电路：输出通道（控制电路、驱动电路、电源）根据中央处理系统的控制指令，并对控制信号进行放大、转换、隔离、驱动，作用于控制电路上。第四页，共四十四页，2022年，8月28日（3）中央处理系统（中央处理单元、主控单元）：信息处理单元，连接输入、输出通道，电路中心。作用：对测量电路送来的信号进行运算、处理、显示、存储、打印等，对被控电路发出指令，被控参数实行控制。（4）电源：为各单元提供能量、电平基准等（5）软件系统：先进性、可扩充性、灵活性、规范性、系统性设计过程：结构化分析、结构化设计、结构化编程第五页，共四十四页，2022年，8月28日三、对测控电路的一般要求1、精度要求：（1）信噪比

抗干扰能力：抵抗各种噪声和其他无用信号的干扰的能力。

模拟式：抗干扰能力差导致控制准确性低；

数字式：抗干扰能力差导致产生误动作、破坏性后果。（2）分辨力传感器、测控电路与软件系统第六页，共四十四页，2022年，8月28日（3）非线性误差：线性度指标所带来的误差。对测控仪器产生的影响：（1）非线性标尺和度盘难于控制和读数；（2）系统换档时需要重新标定；（3）测试数据记录易失真；（4）A/D，D/A不易保证精度；（5）进行反馈控制时，控制方法和算法不易实现。产生原因：传感器、测量电路或控制电路的非线性引起。第七页，共四十四页，2022年，8月28日（4）灵敏度：稳态下，输入变化量与输出变化量的比值。（5）量化误差：模/数，数/模转化中，小于一个脉冲当量的输入量所引起的输出变化量。第八页，共四十四页，2022年，8月28日（6）稳定性1）电路系统稳定性包括：零点稳定性、放大倍数稳定性、线性度稳定性、输入输出阻抗稳定性2）分类：短期稳定性、长期稳定性3）采取的措施：短期稳定性：信噪比、低噪声元器件、误差平均法

长期稳定性：低漂移元器件、老化处理、采用对温度变化不敏感的元器件系统提前预热第九页，共四十四页，2022年，8月28日（7）频率特性1）频率特性：动态测试情况下，输出信号幅度随输入信号的频率变化而变化的特性。2）响应速度：增加巡回点数，提高采样频率，动态测量。（8）输入输出阻抗传感器与测量电路阻抗要匹配第十页，共四十四页，2022年，8月28日2.响应速度要求测控电路中计算机及其接口系统软件3.可靠性要求4.经济性要求第十一页，共四十四页，2022年，8月28日四、电路系统的设计准则（一）总线化准则：

芯片之间、模板之间、系统之间、系统与对象之间的信息传递通道——易于扩充升级、简化系统设计。1、内部总线（局部总线、本地总线）：用于系统内部联结芯片与芯片、芯片与处理器的元件级总线。从功能上分类：数据总线、地址总线、控制总线第十二页，共四十四页，2022年，8月28日2、系统总线：用于联结模板与模板之间的极级总线。ISA：工业标准总线，8、16位，并行数据，支持24位地址通道；PCI：高性能，支持多个外围设备，总线频率33MHz，3、外部总线（通信总线）：（1）用于联结系统与系统之间的交换信息与数据的通信总线，根据数据传输形式：并行、串行总线第十三页，共四十四页，2022年，8月28日（2）并行总线代表产品：美国HP，GB－IB通用接口总线，“可程控测量仪器的接口系统”。（3）串行总线代表产品：RS－232C，ASCII码数据串行通信标准，结构简单，只需一对信号线、少量控制线即可实现串行通信。（4）虚拟技术：VXI总线第十四页，共四十四页，2022年，8月28日（二）模块化准则：将整个电路系统分割为几个功能相对独立，而又相互联系的模块。优点：（1）任务分解，分别独立设计，独立调试，加快速度，缩短周期；（2）易于维修，扩充，可移植性强。（三）可靠性准则：1、工艺上提高电路系统元器件本身的可靠性2、系统结构上提高系统的可靠性和合理性第十五页，共四十四页，2022年，8月28日出租车计价器电路原理图第十六页，共四十四页，2022年，8月28日集成化两线制涡轮流量计第十七页，共四十四页，2022年，8月28日第十八页，共四十四页，2022年，8月28日第二节电路系统的精度第十九页，共四十四页，2022年，8月28日影响电路系统精度的因素1、信噪比：干扰无用噪声影响测量控制的稳定性和可靠性。从选用传感器、电子元器件入手来提高信噪比。2、量化误差：当被测量量的变化小于数字电路的一个最小数字所对应的值时，数字系统将没有变化，产生误差。提高性能、减小量化误差方法：提高放大倍数、提高数字电路位数。第二十页，共四十四页，2022年，8月28日3、非线性误差：线性度指标所带来的误差。对测控仪器产生的影响：（1）非线性标尺和度盘难于控制和读书；（2）系统换档时需要重新标定；（3）测试数据记录易失真；（4）A/D，D/A不易保证精度；（5）进行反馈控制时，控制方法和算法不易实现。产生原因：传感器、测量电路或控制电路的非线性引起。第二十一页，共四十四页，2022年，8月28日4、温度飘移：导致被测量和被控量渐变，同时使电路元器件的特性参数发生变化，使静态工作点偏离原始位置，从而使测量值、控制值产生偏差。减小温度漂移采取的措施：（1）采用低温漂，经过老化处理的元器件；（2）合理安排仪器内部、周围热源，采用隔热、散热措施恒温；（3）采用深度负反馈和补偿措施，对温漂影响进行补偿修正；（4）在仪器内部增加自动稳零、调零、零标和校正电路；（5）对仪器提出环境要求。第二十二页，共四十四页，2022年，8月28日第四节电路系统的抗干扰技术第二十三页，共四十四页，2022年，8月28日1、形成干扰的三要素：干扰源、对干扰敏感的接收电路、干扰源到接收电路的耦合通道。2、抑制干扰耦合的方法：抑制干扰源、使接收电路不敏感和抑制耦合或切断耦合通道。一、干扰源：1、来自信号通道的干扰：主要是由传感器、开关量输入输出、模拟量输入输出、电路本身固有的噪声等产生。第二十四页，共四十四页，2022年，8月28日2、来自电源的干扰：（1）电源本身交流电源成分形成的噪声信号；（2）周期性电火花干扰。3、来自空间的辐射干扰：来自空间的各种电磁波和强电场干扰。二、干扰的偶合方式：1、静电耦合：电容性耦合（1）寄生电容；（2）输入阻抗；（3）干扰源的角频率。第二十五页，共四十四页，2022年，8月28日2、电磁耦合：（1）噪声电流；（2）互感系数；（3）噪声源的角频率。3、共阻抗耦合：第二十六页，共四十四页，2022年，8月28日4、漏电流耦合：三、干扰的形态：根据噪声进入系统的方式，与被测信号的关系分：1、差模干扰：能够使接收电路的一个输入端相对于另一个输入端产生电位差的干扰，干扰信号与被测信号串连在一起。第二十七页，共四十四页，2022年，8月28日第二十八页，共四十四页，2022年，8月28日第二十九页，共四十四页，2022年，8月28日四、不同干扰的抑制措施：（一）信号通道干扰的抑制措施：1、开关量信号通道中干扰的抑制措施：光电耦合器件：（1）原理：（2）光电耦合电路特点：①调节R1即可实现二极管通断②没有电气联系，没有共地③输入阻抗小、送到输入端噪声电压小；④抑制高峰尖端脉冲；⑤完全隔离、不会击穿；⑥响应速度快、延迟时间10毫秒。第三十页，共四十四页，2022年，8月28日第三十一页，共四十四页，2022年，8月28日2、模拟量信号通道中干扰的抑制措施：使用器件：变压器、光电耦合器件。（二）电源系统的抗干扰措施：第三十二页，共四十四页，2022年，8月28日（三）空间干扰的抑制措施作用在信号线及系统上1、实现方法：采用屏蔽方法实现，屏蔽对干扰的吸收和发射作用，可有效防止空间磁力线和电力线干扰。2、屏蔽方法：利用导电的低电阻材料制成容器或采用高倒磁材料制成的容器，以隔绝容器内外的电磁或静电的相互干扰。3、屏蔽的分类：静电屏蔽电磁屏蔽：利用导电性能良好的金属内涡流效应，防止高频磁通干扰；磁屏蔽：利用高磁导材料，防止低频磁通干扰4、屏蔽结构：屏蔽罩、屏蔽栅网、隔舱、导电材料、屏蔽铜箔第三十三页，共四十四页，2022年，8月28日五、接地技术1、接地：将某点与一个等电位点或等电位面之间用低电阻导体连接起来，以构成仪器或设备的基准电位。大地接地浮地：仪器或设备基准电位2、基地设计基本要求：（1）消除各电路电流流经一个公共地线阻抗时所产生的噪声电压；（2）避免形成地环路。第三十四页，共四十四页，2022年，8月28日（一）测控仪器的接地系统一点接地方式不会形成地环路和接地电位差第三十五页，共四十四页，2022年，8月28日（二）测控仪器的浮地系统仪器地整个地线系统和大地之间没有欧姆连接，仅以浮地作为它的电平基准，即参考电平。第三十六页，共四十四页，2022年，8月28日（三）测控仪器的接地方式注意两点：（1）所有导线都有一定阻抗；（2）两个分开的接地点难于做到等电位。一点接地多点接地1、一点接地：第三十七页，共四十四页，2022年，8月28日第三十八页，共四十四页，2022年，8月28日第三十九页，共四十四页，2022年，8月28日第四十页，共四十四页，2022年，8月28日第五节电路系统的可靠性第四十一页，共四十四页，2022年，8月28日一、电路系统的可靠性电路系统各个元件：电阻、电容、电感等单元电路影响硬件可靠性因素：（一）元件失效：1、元件失效原因：（1）元件本身失效，漏气、焊接不良；（2）环境变化加速失效，温度；（3）工艺问题，虚焊、筛选不严。第四十二页，共四十四页，2022年，8月28日2、元件失效规律：三阶段