传感器和信号调理电路运放课件

如何测量你的体温？ 包括：获取温度信号以及处理温度信号本讲我们将了解测量系统的组成，包括信号的获取以及信号的预处理。另外，着重介绍在信号处理中使用最多的器件：运算放大器。引言温度测量系统信号预处理温度温度传感器电信号符合要求的信号8/20/20241力的测量与差动放大传感器传感器定义：能感受某种信息（被测量），并按一定规律将其转换成可用信号的器件或装置；可用信号：某一定场合中便于传输和处理且可以使用的信号，常是电量。传感器的本质：将被测量从一种能量形式转换成另一种能量形式，并作为可用信号输出；狭义的传感器：被测量

电信号；传感器是工业系统的感官，获取工业系统中的位置、转速、温度、液位、压力等信息；对传感器的要求：线性度好、无滞环误差、特性稳定、测量范围宽、响应迅速。被测量传感器可用信号物理量化学量生物学量8/20/20242西安交通大学工程训练中心信号调理电路问题： 传感器的输出信号往往很微弱，或波形不适当，或信号形式不适合，不能直接用于工业系统的状态显示和控制。解决：电压放大、整形、电流－电压转换、频率－电压转换等；信号调理电路：对传感器的输出信号施行一定预处理的装置，使信号适于显示或控制。 主要技术：电子技术——运算放大器测量同一被测量：不同的测量方法不同的传感器及相应的信号调理电路。同一传感器可以用于不同的工业系统。8/20/20243西安交通大学工程训练中心直流电源测量系统信号调理电路典型测量系统的组成现场物理量传感器可用信号显示装置信号发生器示波器控制装置万用表8/20/20244西安交通大学工程训练中心常用仪器在测量系统中的应用信号发生器：产生标准信号（不同波形种类、不同频率和幅值的信号）；调试和维修时，模拟传感器的输出信号示波器：测量并显示电路中不同点的信号；直流电源：为系统各部分供电；万用表：最方便的检测仪器可测量电压、电流、电阻、电容、电感、温度……8/20/20245西安交通大学工程训练中心集成运算放大器集成运算放大器是一种高放大倍数的直接耦合放大器件；完成信号放大、信号运算（加、减、乘、除、对数、反对数、平方、开方等）、信号处理（滤波、调制等）以及波形的产生和变换等功能；由于集成运放具有性能稳定、可靠性高、寿命长、体积小、重量轻、耗电量少等优点，得到了广泛的应用；注意：集成运算放大器是一个有源器件。8/20/20246西安交通大学工程训练中心运算放大器运算放大器的符号以及常见的运算放大器：管脚起始朝左管脚序号逆时针方向增长！！OP07LM324_+8/20/20247西安交通大学工程训练中心运算放大器运算放大器简称为运放；运放有两个输入端：同相输入端反相输入端有单端和差动两种输入方式一个输出端；8/20/20248西安交通大学工程训练中心运算放大器“放大”的含义及工作特性曲线0ViVoE+E-正向饱和反向截止线性放大区“放大”的含义运放的工作特性曲线Vo∈(E-,E+)8/20/20249西安交通大学工程训练中心理想运算放大器A很大，1000以上ri很大，兆欧以上ro很小，可以忽略Vo有限，电源电压范围内A→∞ri→∞ro→0Vo∈(E-,E+)V+=V-Ii=0虚通虚短虚断考虑电压考虑电流理想运放是一个高增益、高输入电阻、低输出电阻的器件。1反相输入端ri_+ro_AVi+122同相输入端38/20/202410西安交通大学工程训练中心理想运算放大器在输入一侧考虑电压关系时：反相输入端与同相输入端的电压相等，称为“虚通”或“虚短”；若同相端（反相端）接地，即同相端（反相端）电位为零，则反相端（同相端）电位也为零，称为“虚地”；在输入一侧考虑电流关系时：反相输入端与同相输入端之间的电流为零，称为“虚断”。_+1238/20/202411西安交通大学工程训练中心单端输入与差动输入单端输入方式一端接输入信号，另一端接地（或通过电阻接地）同相输入反相输入差动输入方式（双端输入）输入信号V1和V2同时加在同相端1和反相端2上Vi＝V1－V28/20/202412西安交通大学工程训练中心开环方式与反馈方式开环方式输出端与输入端之间除地线外没有连接；如：比较器。反馈方式有信号从输出端经过某种电路回到输入端，构成反馈回路。8/20/202413西安交通大学工程训练中心正确理解运放的“工作方式”运放内部并没有所谓的“工作方式”，它只会按照运放的工作特性曲线工作（即对所有的“工作方式”都一样）；所谓的“工作方式”是依运放的外部连接而引入的说明。8/20/202414西安交通大学工程训练中心运放的分析方法——三步走虚断：把电路分为两个电阻串并联的支路；虚短：V+=V-，即两个支路之间的关系；使用电阻串并联的方法求解（设电流i）。8/20/202415西安交通大学工程训练中心运放应用：反相比例放大器Va=0a点常称“虚地”点虚断虚短R2R1_++10V-10VR3a8/20/202416西安交通大学工程训练中心运放应用：反相比例放大器R2R1_++10V-10VR3a虚短虚断反向输入支路同向输入支路8/20/202417西安交通大学工程训练中心运放应用：同相比例放大器虚断虚短原理图中常用的简化画法8/20/202418西安交通大学工程训练中心运放应用：电压跟随器虚断虚短输出跟随输入变化。作用：前后极之间的隔离、缓冲，提高带负载能力等。8/20/202419西安交通大学工程训练中心运放的补充说明前面讲的均是运放的理想模型，集成运放内部并非真如模型的结构，但是它有与模型相同的特性（工作特性曲线），所以可以使用理想模型来分析运放；集成运放内部结构复杂，在《模拟电子技术》课程中有深入的讲解，可以参考：《模拟电子技术基础（第三版）》清华大学电子学教研组 编童诗白华成英主编8/20/202420西安交通大学工程训练中心训练内容1：反相放大器的测试输入信号ui：正弦波，f=2kHz，直流电平为0V，uip-p=0.4V、0.8V、1.2V、1.8V、2.5V；双踪观察输入输出波形，记录输出uop-p；连续增大ui的幅值，记录出现饱和现象时输入、输出信号的峰峰值。uip-p(V)uop-p(V)0.40.81.21.82.5临界饱和时：

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8/20/202421西安交通大学工程训练中心信号发生器ⅠⅡ直流电源反相放大器的训练：接线示意图示波器电路的检测方法：检查电源供电是否正常？有问题，检查①连接点②导线直流电源的使用：开启之前逆时针旋到底“跟踪”按下电路中所有的地要“共地”8/20/202422西安交通大学工程训练中心训练电路板简介8/20/202423西安交通大学工程训练中心训练内容2：同相放大器的测试输入信号ui：正弦波，f=2kHz，直流电平为0V，uip-p=0.4V、0.8V、1.2V、1.8V、2.5V；双踪观察输入输出波形，记录输出uop-p；连续增大ui的幅值，记录出现饱和现象时输入、输出信号的峰峰值。uip-p(V)uop-p(V)0.40.81.21.82.5临界饱和时：

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8/20/202424西安交通大学工程训练中心训练内容3：电压跟随器的测试输入信号ui：正弦波，f=2kHz，直流电平为0V，uip-p=0.5V；双踪观察输入输出波形；连续改变uip-p

，双踪观察输入输出波形。8/20/202425西安交通大学工程训练中心IC间距与DIP封装IC间距：1IC=0.1inch=100mil=2.54mm面包板的插孔间距、集成电路封装软尺寸与硬尺寸软引线尺寸：元器件安装到面包板或印制电路板上时，元器件对焊盘间距要求不是很严格，如：普通电阻、电容、小功率三极管、二极管等；硬引线尺寸：元器件对安装尺寸有严格要求，如：大功率三极管、继电器、电位器、集成电路。DIP封装：双列直插封装，一般管脚数小于100如：DIP-8、DIP-14、DIP-40其他封装：PLCC、QFP……8/20/202426西安交通大学工程训练中心元器件在面包板上的安装示例OP07LM3241.5kΩ1.5kΩ71072907ICIC4IC集成电路：管脚序号按逆时针方向增长极性：长正短负色环为负8/20/202427西安交通大学工程训练中心小结传感器：被测量可用信号（一定规律）；信号调理电路：对可用信号做预处理；运放：“虚短”＋“虚断”电阻串并联反相/同相比例器：实现电压的单端放大；差动放大器：实现两路电压的差动放大；电压跟随器：实现前后极的隔离。测量系统信号调理电路现场物理量传感器可用信号显示装置控制装置8/20/202428西安交通大学工程训练中心训练中常见的问题输出波形产生畸变主要原因：未接电源地；可能原因：OP07损坏。在输入uip-p＜2V就饱和①10kΩ电阻被短接；②输入直流电平不为0，即OFFSET旋钮开且不为0。输出波形先截止，后饱和①运放：截止-9.3V，饱和+9.7V；②OFFSET旋钮调节：有一个很小的直流电平。8/20/202429西安交通大学工程训练中心运算放大器“放大”的含义及工作特性曲线ViVo0E+-0.3E-+0.7正向饱和反向截止线性放大区“放大”的含义运放的工作特性曲线饱和压降约0.3V，截止导通电压约0.7VVo∈[E-+0.7,E+-0.3]8/20/202430西安交通大学工程训练中心运放应用：差动放大器（减法器）虚断虚短8/20/202431西安交通大学工程训练中心运放应用：积分器虚断虚短真正的积分器！！而RC不完全积分电路只是对于方波输入时，有类似于对输入ui积分的效果，并非真正的积分！！8/20/202432西安交通大学工程训练