《测控仪器设计》第六章 测量仪器电路设计

第六章

测控电路系统设计1第一节测控电路概述一、测控电路的作用二、测控电路的组成2三、测控电路的设计准则设计准则总线化准则模块化准则电磁兼容性准则内部总线系统总线外部总线3第二节、测控电路的设计要求4设计要求精度要求响应速度要求可靠性要求经济性要求信噪比分辨力输入与输出阻抗频率特性稳定性（漂移）量化误差灵敏度线性度小型化要求第三节测控电路设计方法一、测量电路的设计1、测量电路的作用及组成5输出模拟信号的传感器测量电路组成框图

6输出数字信号的传感器测量电路组成框图

72、信号调理电路

(1)放大电路8

放大电路的设计方法主要取决于传感器输出信号的形式和后续电路（中央处理系统和控制电路）的输入要求。

放大器设计时须注意的问题阻抗匹配问题漂移问题增益问题9（2）滤波电路(信号分离电路)按处理信号的形式不同模拟滤波器数字滤波器10按滤波器设计方法巴特沃斯滤波器切比雪夫滤波器椭圆函数滤波器（2）滤波电路(信号分离电路)按滤波器传递函数的微分方程阶数一阶滤波器二阶滤波器高阶滤波器11（3）调制解调电路12uctx0(a)调制信号t0(b)载波信号us0t(c)调幅信号

幅值调制调制就是用一个测量信号（称为调制信号）去控制另一个作为载体的信号（称为载波信号），让后者的某一特征参数按前者变化。13解调就是从已经调制的信号中去除载波信号，提取反映被测量值的测量信号。只要能检出调幅信号的包络线，就能够实现解调。这种解调方法称为包络检波14VDRLC2Ti+us_+uo_非线性器件低通滤波器C1(a)二极管检波电路VRLC2Tic+us_+_非线性器件低通滤波器uoEc(b)晶体管检波电路

基本的包络检波电路精密检波电路15(4)细分与辨向电路细分的基本原理是：根据周期性测量信号的波形、振幅或者相位的变化规律，在一个周期内进行插值，从而获得优于一个信号周期的更高的分辨力16173、信号转换电路18哈工大仪器学院光电测控与智能化研究所转换电路的主要作用:将传感器的输出信号的形式进行适当转换，以期达到后续环节的要求。二、中央处理系统设计1、中央处理系统的作用与组成中央处理电路的作用是对测量电路系统送来的信号进行运算和处理，然后按照仪器的功能要求，向控制电路系统发出控制命令，并通过控制电路和执行器对被控参数实行控制。它同时连结着测量电路和控制电路，即连接着信息流的输入通道和输出通道，因此它是整个电路系统的中心，同时也是整个测控仪器的神经中枢。2、传统的中央处理电路组成：（1）运算电路（2）特征值检测电路（3）补偿电路19三、控制电路设计1、控制电路的作用202、信号转换电路21脉宽调制技术是基于“冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同”的原理工作的。223、驱动电路234、信号隔离电路24开关量的光电耦合隔离R1VccuiuoR2四、电源设计电源是整个测控系统的能量来源，更是测控仪器电路系统的电气基准，它对仪器系统的性能和可靠性具有直接的影响。25常用电源26五、电路系统的抗干扰技术将系统的外部干扰称为干扰来自内部的干扰称为噪声

在实际的测控系统中，不可避免地存在各种各样的干扰信号。这些干扰有些来自电路系统外部，有些来自系统内部。各种干扰对系统影响程度也各有不同，对于测量电路，干扰将会降低测量精度；对于控制电路，干扰将也可能产生误动作，造成损失。因此，能否采取行之有效的抗干扰措施，是现代测控系统能否安全工作的关键。27噪声源表征系统干扰主要指标:信噪比

S/N=10lg（PS/PN）=20lg(US/UN)28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、电路本身的固有噪声产生。）(2)来自电源的干扰(3)来自空间的辐射干扰

（来自空间的各种电磁波和强电场的各种干扰）

(4)来自元器件和电路板的噪声干扰的形式差模干扰：差模干扰是指能够使接收电路的一个输入端相对于另一输入端产生电位差的干扰。29干扰的形式共模干扰：共模干扰是相对于公共的电位基准点，在系统的接收电路的两个输入端上同时出现的干扰。30抗干扰的措施31抗干扰设计的基本原则是：抑制干扰源、切断干扰传播路径和提高敏感器件的抗干扰性能。抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的产生和大小，这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。(1)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

滤除开关通道干扰的方法很多，但最为常用的是采用隔离措施，采用的器件主要是光电耦合器件322、模拟量信号通道中干扰的抑制措施

用于模拟量通道抗干扰的器件很多，主要有耦合变压器、扼流圈和光电耦合器等。(1)信号通道干扰的抑制措施：哈工大仪器学院光电测控与智能化研究所332、模拟量信号通道中干扰的抑制措施

用于模拟量通道抗干扰的方式：采用同轴电缆，双绞线，抗干扰磁环等(2)电源系统的抗干扰措施

34供电系统是强电干扰最为严重的地方，抑制电源干扰应该从配电系统的设计上考虑，要截住从配电系统窜入的干扰。(3)空间干扰的抑制措施-屏蔽定义：屏蔽是用导电或导磁材料（铜或铝）等制成的壳、板、套、筒等各种形状的屏蔽体将防护部分隔离起来，将电磁能限制在一定的空间。35静电屏蔽：金属容器与大地连接。电磁屏蔽：导电材料做成屏蔽层低频屏蔽：坡莫合金在屏蔽体内构成回路驱动屏蔽：屏蔽体与被频体内导体电位相等屏蔽的结构形式主要有以下几种：屏蔽罩：这是一种常用的封闭式金属盒，可根据干扰场的类型和屏蔽有效性指标对材料、板厚、形状等进行设计，从元件、器件到整机均可应用；屏蔽栅网：这是一种既有屏蔽作用，又有通风作用的屏蔽结构形式，应用也很广泛；隔舱：在多级电路系统中，常常在两个单元电路之间用金属板隔离开，将一个金属电箱隔成许多舱，用以隔离相互之间的干扰；导电涂料：在盒式电路外置一个泡沫盒，在泡沫盒表面喷涂一层金属涂料，涂层的材料与厚度与有效性指标有关；屏蔽铜箔：为了对印制电路板屏蔽，可采用双面印制电路板的一个铜箔面作为屏蔽板，也具有一定的屏蔽作用；36(4)电路板设计中的抗干扰技术①电路板布局要合理

②元器件选用要正确

③布线要科学电源线的布线原则：电源线和地线要尽量粗

信号线的布线原则：信号线在布线时，尽量避免90度折线，使用45度折线或圆弧布线，以减小高频信号对外的发射与耦合。

地线的布线原则：数字地与模拟地要分离，最后在一点接于电源地，A/D、D/A芯片布线也以此为原则。

37接地技术38接地系统功能：1、安全保护2、对信号电压有一个基准电位3、静电屏蔽接地设计的两个基本要求是：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。39测控仪器的接地系统浮地浮地系统，是指仪器的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，如舰船，飞行体等。优点：不受大地电流干扰缺点：附近有高压设备时，其机壳易感应较高电压，形成噪声干扰，因此安全性较差40仪器的接地方式主要有两种接地方式：一点接地和多点接地411）一点接地2）多点接地仪器的接地方式3）电路的单地原则：424）电缆屏蔽层的接地：当信号电路确定为一点接地之后，低频信号线的屏蔽层也应一点接地。如果电缆的屏蔽层的接地点不只一个，则在屏蔽层将产生噪声电流。1.开环式测量系统开环系统的光源、测量元件、放大器都会带来测量误差，如使用脉冲数字电路误差会很小。432.比较式测量系统光源、探测器、放大器误差会抵消，主要误差取决于参考件标定精度，精度高，但结构复杂。补充内容：测控电路误差分析方法测量元件（传感器）的精度影响仪器的电子系统中应用的各种传感器自身精度是影响仪器精度的关键。根据特性选择，如PIN二极管响应时间短，光电接收面积大，适用于光度计及光电检测系统中；光电倍增管线性好，灵敏度高，常用于弱光信号测量，如天文仪器、测距仪等。光电探测器其误差因素很多，分析时注意光通量、光波长、灵敏度、暗电流、噪声电流、光谱响应及响应时间等参数的误差影响。44仪器的信号处理电路的误差和应对措施1.模拟信号处理电路的误差：常用传感器如光电二极管、光电倍增管、PSD等都输出的是连输直流或交流电压（或电流）之后放大或模拟计算，影响信号大小变化的因素均会造成误差。如放大器的不灵敏区、放大器的线性度及增益的稳定性、放大器的漂移、干扰及噪声、基准元件或基准电压的稳定度等。运算放大器和运算装置做模拟运算，可能产生运算误差，记录环节也可能产生误差。动态测量时还要考虑放大器频带的影响（超过信号频谱10倍可以忽略）。模拟信号电路误差较大，对于开环系统，一般在1%以下，比较测量系统则可达到0.1%。45放大器模拟传感器运算显示记录模拟信号的处理流程：仪器的信号处理电路的误差和应对措施2.数字信号处理电路的误差：数字电路精度高，不仅数字传感器本身精度较高，而且脉冲数字电路引进误差小，甚至不引入误差。干扰和噪声可以改变信号幅度但不影响信息内容，且数字电路一般有门限电平，信号间有严格的时间同步关系，所以低于门限电平的干扰或不满足同步关系的干扰，对系统毫无影响。脉冲数字信号电路中，主要误差是量化误差、运算误差和信号延时误差。46脉冲数字电路脉冲数字传感器运算显示记录数字信号的处理流程：量化误差：最大值为1个量化单位q，其均方差表示为

运算误差：数字电路或计算机运算造成的，与运算方法、字长及速度有关信号延迟误差：动态测量时，指令发出后各级电路延迟造成的，造成输出信号落后于指令信号。仪器的信号处理电路的误差和应对措施3.模拟数字信号处理电路的误差：测量元件是模拟的，为提高模拟系统精度，将其转换转化为数字量，后续用数字电路或计算机计算，增加一级A/D转换。模拟数字信号电路中主要误差是量化误差、运算误差和信号延时误差。47模拟数字信号的处理流程：量化误差：主要由A/D转化造成的，取决于转换器的位数。脉冲数字电路A/D运算显示记录模拟传感器仪器的电路系统误差的计算合成方法1.分析电子测量工作原理，判断是开环测量系统还是比较测量系统。2.开环测量系统分析各个环节误差因素，如元件误差、放大器误差及漂移、基准元件误差、干扰和噪声误差等，比较测量系统主要分析比较参考元件误差和内部伺服系统误差。3.对各源误差进行准确计算和估算，或通过实验测量进行。4.将各误差统一折算到元件的输入端，进行误差综合，按误差性质进行合成。48提高仪器的电路系统精度的主要措施3.减少干扰和噪声：电子器件的热噪声和电流噪声，热噪声频谱无线宽和均匀，热噪声主要分布在1000Hz以下，越低越严重。干扰主要隔离外部电磁场、电火花干扰和内部各级电路间干扰。491.正确选择测量原理方案：模拟开环1%，模拟比较式0.1%~0.5%2.减小漂移的措施：模拟电路中，直流信号放大要减小放大器漂移及前级噪声的隔离，更常用方法是将直流信号调制成交流信号进行交流放大，再解调为直流信号。交流放大调制器同步解调测量元件综合举例：航天飞行器的温控阀测试系统温控阀是航天飞行器中极为重要组成部件。温控阀实际上是一个开度可调的流体分配器，在电机的控制下改变开度的大小，来调节主路流量与旁路流量的比例。50总体方案

51传感器选型

温度传感器：根据被测温度的范围和精度要求，选用Pt100热电阻比较适合，可以贴附于管路外壁测量流体温度。压力传感器：根据压力范围和精度要求，选用数字压力表，测量量程0~1MPa，精度1%，供电电源9~30V，输出1~5V。转速传感器：直接利用泵内部的测速发电机，