数字化测量仪 预备知识

数字化测量仪预备知识第1页，课件共68页，创作于2023年2月什么是数字化测量？将连续的被测物理量转化成相应的量子化断续量。然后予以数字化编码，传输、存储，并进行数据处理，显示打印等测量量包括（电压V，电流I，频率f，压力P，流量q，电阻R，电感L，电容C,…）第2页，课件共68页，创作于2023年2月为什么要数字化测量？传统的方法是模拟测量（缺点是：灵敏度低，读数不直观，误差大，不便于保存）数字化测量优点

精确度高，灵敏度高，测量速度快，读数客观，测量自动化，便于存储，处理，打印等一系列操作第3页，课件共68页，创作于2023年2月数字化测量主要内容基本理论，特点，性能D/A转换A/D转换干扰以及防护技术数据采集技术第4页，课件共68页，创作于2023年2月课程安排：总学时：24(7-12周/周学时4)内容划分：

1.电路与电子学基础（4）

2.数字化测量的一般概念（2）

3.D/A转换的原理与应用（6）

4.A/D转换的原理与应用（8）

5.干扰以及防护技术（2）

6.数据采集技术（2）第5页，课件共68页，创作于2023年2月预备知识：电路与电子学基础电路基本元件电路基本定律半导体的基础知识理想运算放大器及应用门电路，触发器和时序逻辑电路第6页，课件共68页，创作于2023年2月电路模型一、电路基本元件RLRSK+_图1（a）无分支电路RLRS+_图1（b）分支电路+_cdab节点支路分析基本量（电流，电压，功率，电量等）第7页，课件共68页，创作于2023年2月1。电阻普通电阻可变电阻满足定律：第8页，课件共68页，创作于2023年2月2.电感元件满足定律：第9页，课件共68页，创作于2023年2月3.电容元件普通电容电解电容可调电容极性电容满足定律：第10页，课件共68页，创作于2023年2月4.电源（理想电源和实际电源）

4.1电压源理想电压源实际电压源第11页，课件共68页，创作于2023年2月电流源理想电流源实际电流源第12页，课件共68页，创作于2023年2月KL（基尔霍夫定律）电流定律（KCL）在任一参数电路中，在任意时刻，通过任一节点的电流的代数和恒等于零。

二、电路基本定律第13页，课件共68页，创作于2023年2月电压定律（KVL）对于任一集中参数电路中的任一回路，在任一时刻，沿着回路的所有支路电压的代数和为零。电位升之和等于电位降之和。acbd-+-+R1R2R4R3U1U2U4U3-u1+u2-u3+u4=0第14页，课件共68页，创作于2023年2月等效电压源定理（戴维南定理）任何一个线性有源二端网络N，对外电路来说，可以用一个理想的电压源和一个电阻的串联组合来等效代替。其中电压源的电压等于线性有源二端网络N的开路电压Uoc，电阻等于该网络除源(独立源置零)后所得无源二端网络N0的等效电阻。第15页，课件共68页，创作于2023年2月戴维南定理（图示）计算Uoc和Ro的办法：开路短路法：将N的引出端分别开路和短路，计算或测量出开路电压Uoc和短路电流Isc，则Ro＝Uoc/Isc第16页，课件共68页，创作于2023年2月等效电流定理（诺顿定理）任何一个线性有源二端网络N，对外电路来说，可以用一个理想的电流源和一个电阻的并联组合来等效代替。其中电流源的电流等于网络N的短路电流Isc，电阻等于该网络所有独立源置零后后所得无源二端网络N0的等效电阻。第17页，课件共68页，创作于2023年2月举例Edacb+-R1R2R3R4在桥式电路中，E＝12v，R1=R2=5欧，R3=10欧，R4＝5欧，RG=10欧,求检流计的电流IG＝？图1第18页，课件共68页，创作于2023年2月Edacb+-R1R2R3R4解：按戴维南定理，图1可以等效为图2.

由图3，得

I’=E/(R1+R2)=12/(5+5)=1.2AI”=E/(R3+R4)=12/(10+5)=0.8A则E’=R2I’-R4I”＝5x1.2-5x0.8=2Vab+-R0RG图1图2E=12Vdacb+-R1R2R3R4I’I’’ab图3第19页，课件共68页，创作于2023年2月dacR1R2R3R4abR0图4等效电源的内阻R0，可由图4求得

R0=R1R2/(R1+R2)+R3R4/(R3+R4)=2.5+3.3=5.8所以IG=E’/(R0+RG)=2/(5.8+10)=0.126A第20页，课件共68页，创作于2023年2月三、半导体器件基础半导体二极管半导体三极管第21页，课件共68页，创作于2023年2月二极管1。正向特性：当UD>=Uth二极管导通导通电压降UD＝0.7VUth为二极管的门限电压2。反向特性：反向电流很小，认为不通电阻很大3.反向击穿当反向电压UD>=UBR时，反向电流急剧增加，UBR为击穿电压

二极管符号UDPN第22页，课件共68页，创作于2023年2月伏安特性UI死区电压硅管0.5V,锗管0.1V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBR第23页，课件共68页，创作于2023年2月发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。第24页，课件共68页，创作于2023年2月三极管（晶体管）BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管符号第25页，课件共68页，创作于2023年2月输出特性三个区域的特点:放大区：发射结正偏UBE>0，集电结反偏UBC<0。即：IC=IB,且IC

=

IB(2)饱和区：发射结正偏UBE>0

，集电结正偏UBC>0

。即：UCEUBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止区：

UBE<死区电压，IB=0，IC=ICEO

0

第26页，课件共68页，创作于2023年2月例1：在电路中测得三极管对地电位如下图，判断其状态0V－0.2V9V图12V2.6V7V图20V0.7V0.3V图3第27页，课件共68页，创作于2023年2月例2：RC＋UCCU1+_第28页，课件共68页，创作于2023年2月四、理想运算放大器理想运放的符号_++u+u-u0第29页，课件共68页，创作于2023年2月

ri

大:几十k

几百k运放的特点KCMRR很大(共模抑制比)ro

小：几十几百Auo很大:104107（开环放大倍数）理想运放：ri

KCMRR

ro

0Auo

运放符号：＋－u－u+uo－＋＋u－u+uoAuo

理想运算放大器及其分析依据第30页，课件共68页，创作于2023年2月uiuo+UOM-UOMAuo越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。uiuo_++Auo例：若UOM=12V，Auo=106，则|ui|<12V时，运放处于线性区。线性放大区第31页，课件共68页，创作于2023年2月由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想运放。理想运放的条件虚短路放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。虚开路运放工作在线性区的特点第32页，课件共68页，创作于2023年2月

运算放大器在信号运算方面的应用虚拟短路虚拟断路放大倍数与负载无关，可以分开分析。u+uo_++u–Ii信号的放大、运算有源滤波电路运放线性应用第33页，课件共68页，创作于2023年2月（一）比例运算电路作用：将信号按比例放大。类型：同相比例放大和反相比例放大。方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。第34页，课件共68页，创作于2023年2月i1=i2uo_++R2R1RPuii1i2虚短路虚开路1、反相输入结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。第35页，课件共68页，创作于2023年2月2、同相输入_++R2R1RPuiuou-=u+=ui虚短路虚开路结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。第36页，课件共68页，创作于2023年2月_++uiuo3、电压跟随器结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。第37页，课件共68页，创作于2023年2月（二）加法运算作用：将若干个输入信号之和按比例放大。类型：同相求和和反相求和。方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。第38页，课件共68页，创作于2023年2月1、反相求和运算R12_++R2R11ui2uoRPui1第39页，课件共68页，创作于2023年2月i12iFi11R12_++R2R11ui2uoRPui1第40页，课件共68页，创作于2023年2月2、同相求和运算-R1RF++ui1uoR21R22ui2第41页，课件共68页，创作于2023年2月此电路如果以u+为输入，则输出为：-R1RF++ui1uoR21R22ui2u+与

ui1

和ui2的关系如何？注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。流入运放输入端的电流为0（虚开路）第42页，课件共68页，创作于2023年2月-R1RF++ui1uoR21R22ui2R´左图也是同相求和运算电路，如何求同相输入端的电位？第43页，课件共68页，创作于2023年2月_++RFR1R2ui2uoR3ui1解出：（三）减法运算第44页，课件共68页，创作于2023年2月i1iFtui0tuo0输入方波，输出是三角波。ui-++RR2Cuo（四）积分运算应用举例1：第45页，课件共68页，创作于2023年2月tui0tuo0U-UomTM积分时限应用举例：如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。第46页，课件共68页，创作于2023年2月积分电路的主要用途：1.在电子开关中用于延迟。2.波形变换。例：将方波变为三角波。3.A/D转换中，将电压量变为时间量。4.移相。第47页，课件共68页，创作于2023年2月u–=u+=0uit0t0uoui–++uoRR2i1iFC若输入：则：（五）微分运算第48页，课件共68页，创作于2023年2月电路中的运放处于非线性状态。++Auouo运放电路中没有负反馈，运放处于非线性状态。（六）电压比较器第49页，课件共68页，创作于2023年2月uoui0+Uom-UomUR传输特性UR：参考电压ui：被比较信号

++uouiUR–特点：运放处于开环状态。当ui>UR时,uo=+Uom当ui<UR时,uo=-Uom

1、ui从同相端输入第50页，课件共68页，创作于2023年2月++uouiURuoui0+Uom-UomUR当ui<UR时,uo=+Uom当ui>UR时,uo=-Uom

2、ui从反相端输入第51页，课件共68页，创作于2023年2月uoui0+UOM-UOM++uoui3、过零比较器:(UR=0时)++uouiuoui0+UOM-UOM第52页，课件共68页，创作于2023年2月++uouitui例：利用电压比较器将正弦波变为方波。uot+Uom-Uom第53页，课件共68页，创作于2023年2月++uiuoui0+UZ-UZ电路改进：用稳压管稳定输出电压。++uiuoUZRR´uoUZ电压比较器的另一种形式

——将双向稳压管接在负反馈回路上第54页，课件共68页，创作于2023年2月举例求下图中电压Uo，电阻的单位为欧姆-10k++uo1.1K-+ui1+10k10k2k5k解：u’i1=－10ui1

u0=－u’i1－2ui2－5ui3=10ui1－2ui2－5ui31k910ui2ui3第55页，课件共68页，创作于2023年2月五、门电路，触发器和时序逻辑电路(一)门电路1.“与”门ABC&ABCF00000010011010001000101011001111图形符号“与”逻辑状态表Y第56页，课件共68页，创作于2023年2月2.“或”门ABC≥1ABCY00000011011110011001101111011111图形符号“或”逻辑状态表Y第57页，课件共68页，创作于2023年2月3.“非”门AAY0001图形符号“非”逻辑状态表Y第58页，课件共68页，创作于2023年2月4.复合门电路“与非”门A&YCA≥1YC“或非”门AC＝Y“同或”门AC＝1Y“异或”门第59页，课件共68页，创作于2023年2月(二)触发器1.基本RS触发器10001111不变00不定第60页，课件共68页，创作于2023年2月2.JK触发器JK0001010111JK触发器具有在时钟脉冲下降沿触发的特点J=k=0保持原态J=k=1翻转J！＝k输出J态第61页，课件共68页，创作于2023年2月2.D触发器00