测控电路复习重点

1完整的测控系统示意（硬件）前提课程：传感器，单片微机原理被测对象被控对象传感器（放大、滤波、调制解调、信号转换、运算、细分等）信号预处理（模/数控制电路、单片机、PLC、DSP、FPGA、计算机、工控机等）控制器输出电路（光隔、驱动、D/A等）测控电路复习重点第一章绪论第一节测控电路的功用第二节对测控电路的主要要求第三节测控电路的输入信号与输出信号第四节测控电路的类型与组成第五节测控电路的发展趋势2第一章绪论1.对测控电路的主要要求（精度高；响应速度快和动态失真小；转换灵活；可靠性与经济性）；2.影响测控电路精度的主要因素（噪声与干扰★；失调与漂移，主要是温漂★；线性度与保真度；输入与输出阻抗的影响）；3.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？（模数转换与数模转换；信号形式的转换；量程的变换；信号的选取；信号处理与运算等）；本章基本概念34.测控电路的输入信号与输出信号类型模拟信号(非调制信号,已调制信号）；数字信号(增量码信号；绝对码信号；开关信号）5.测控电路中的信号制电模拟信号种类：直流电压(电流)，交流电压(电流)；国际统一信号：过程控制系统的模拟直流电流信号为4～20mA，模拟直流电压信号为1～5V；国内统一信号：4～20mA，1～5V；0～10mA，0～10V。信号制是在成套系列仪器仪表测控电路中，各个单元的输入、输出信号采用何种统一的联络信号问题。信号的传输方式有三种：两线制、三线制和四线制6.模拟式测量电路和数字式测量电路的基本组成7.控制电路的基本组成（开环控制；闭环控制）第一章绪论4第2章信号放大电路■2.1运算放大器的误差及其补偿■2.2典型测量放大电路★■2.3隔离放大电路★作用：放大传感器输出的电压、电流或电荷信号。类型：由传感器决定。如：应变式传感器采用电桥放大电路，压电式传感器采用电荷放大电路。5要掌握的主要内容：典型测量放大电路:隔离放大电路.反相放大电路同相放大电路差动放大电路高共模抑制比放大电路自动调零放大电路高输入阻抗放大电路电桥放大电路线性化电路第2章信号放大电路62.2典型测量放大电路一、高共模抑制比放大电路■作用：用来抑制传感器输出的共模电压(包括干扰电压)，提高共模抑制比。■应用场合：要求共模抑制比大于100dB的场合，例如人体心电测量，信号很微弱，而干扰很大。■方法：（1）采用多个集成运放串联组成的测量放大电路；（2）采用差动放大电路，使ui1和ui2的共模电压抵消，但要求外接电阻完全平衡对称。72.2.5高共模抑制比放大电路*2.2.5.2三运放高共模抑制比放大电路N1N2：性能一致，平衡对称，构成差动放大输入级。N3：双端输入单端输出的输出级，进一步抑制N1N2共模信号。R4uo1ui1ui2uo2R1R0R2R7RPR8R3R6uoR5∞+-+N1IR∞-++N2∞-++N3ui1ui2u'o2811o1i1i200(1)RRuuuRR22o2i2i100(1)RRuuuRR12o2o1i2i1d1i2i10(1)()()RRuuuuKuuR55565oo2o1o2o1333463(1)(1)RRRRRuuuuuRRRRRR取R3=R4，R5=R6，RuuuKuuR5oo2o1d2o2o13()()差模增益：512dd1d203(1)RRRKKKRR通常取：R1=R2，R3=R4，R5=R6——外接电阻平衡对称。2.2.5.2三运放高共模抑制比放大电路电路特点：输入阻抗高；增益调整方便；对于理想运放，共模抑制比趋向无限大。9102.2.6电桥放大电路2.2.6.1单端输入电桥放大电路1．反相输入型34ab2413()ZZuuZZZZa0u(虚地)1boab12RuuuRR(虚断)231422o113241(1)(1)()()41/2ZZZZRRuuuRZZZZR特点：增益与桥臂电阻无关，增益稳定，单臂电桥非线性。Z1Z2Z4Z3R2R1bauou+-∞+-+N电桥电源浮置，电源在R1和R2不产生电流，a点为虚地：112．同相输入型a1()22RuuRRRuuRR2(2)41/222oa11(1)(1)41/2RRuuuRR特点：输出与反相输入型符号相反，特点相同，输入阻抗高。2.2.6.1单端输入电桥放大电路R+ΔRR2R1uo+-aRRRu∞+-+N122.2.6.2差动输入电桥放大电路2.2.6电桥放大电路12RRRao1122RuuuRRb(1)/(2)uu特点：增益与桥臂电阻有关，增益不稳定，且非线性。R2=R1R1uR(1+δ)uaubRRRuo∞+-+NRuuR1o2(1)41/2(ua=ub)132.2.6电桥放大电路*2.2.6.3线性电桥放大电路12ao1212RRuuuRRRRb313/()uuRRR32o131RRRuuuRRRR32,(1)RRRR特点：传感器接在反馈回路，线性好，量程大，但灵敏度低。uoR3R2=R(1+δ)R1uuaR1ub∞+-+Ni1i2i4i3142.2.7低漂移放大电路*2.2.7.1自动调零放大电路由一块四运放和一块四位模拟开关组成。N1：主运放N2：误差保持电路N3：驱动开关Sa1、Sa2N4：驱动开关Sb1、Sb2∞-++N3UoK1C1Sa2R2Sb2Sa1-++N1K2-++N2UiSb1R1∞-++N4151．误差保持当N3输出高电平，N4输出低电平时，Sa1Sa2闭合，Sb1Sb2断开，电路处于自动调零状态，其误差保持电路如下：UKUUo110s1c1()UKUUc12o10s2()UUUKUc10s10s210s1/121KK11K，——U0s1寄存在C1上，误差保持。2.2.7.1自动调零放大电路K2C1UC1Uo1R1R2K1-++N1-++N2U0s1U0s2UKKKKUKUc112120s120s2(1)162．调零放大当N3输出低电平，N4输出高电平时，Sa1Sa2断开，Sb1Sb2闭合，电路进入放大状态，其调零放大电路如下：RUUKUKUR2oi10s11c11实现了对失调电压的校正，达到了自动调零的目的，也起到了放大作用。输出稳定，U0s和Uc降低，电路成本低。2oi1RUUR2.2.7.1自动调零放大电路UoC1UiR1R2K1-++N1U0s1172.2典型测量放大电路2.2.8高输入阻抗放大电路■作用：提高反相(或差动)运算放大器的输入阻抗，与电容式、压电式传感器的高输出阻抗相匹配。■方法：（1）在放大电路输入端加接电压跟随器，但会引入共模误差；（2）采用高输入阻抗的集成运算放大器；（3）采用通用集成运算放大器组成的自举电路。182.2.8.2自举式高输入阻抗放大电路2.2.8高输入阻抗放大电路■何谓自举电路?自举电路是利用反馈使输入电阻的两端近似为等电位，减小向输入回路索取电流，从而提高输入阻抗的电路。■是不是所有情况下都要求放大电路具有高的输入阻抗？高输入阻抗电路常应用于传感器的输出阻抗很高的测量放大电路中。如电容式、压电式传感器的测量放大电路。192.2.8.2自举式高输入阻抗放大电路b)交流电压跟随电路∞+-+NuiR1R2C1R3C2uoa)同相交流放大电路uiuo∞+-+NR1R2R3C1C2利用C2将运放两输入端之间的交流电压作用在R1两端。理想情况下两输入端电位近似相等(虚短)，无电流流过R1，故对交流而言。R1要求：R3=R1+R2——减小输入失调电压和输入偏置电流。202.2.8.2自举式高输入阻抗放大电路RuuR3o1i1RuuuR1o2o1i322uuuRRiuRRRRo2i21i1212i输入电阻为：uRRRiRRi12i21当R2=R1时，Ri→∞，i1=i2，即N1的输入电流全部由N2提供，输入回路无电流。uo1uii1i2R1iuo22R1R3R2∞-++N1∞-++R3N2c)自举组合电路21自举组合电路222.3隔离放大电路■作用：将输入、输出和电源电路进行隔离，使他们之间没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。■方法：采用电磁耦合(变压器)和光电耦合。■应用场合：主要用于便携式测量仪器和某些测控系统(如生物医学人体测量、自动化试验设备、工业过程控制系统等)中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。第2章信号放大电路231.组成及符号－＋2.3隔离放大电路2.3.1基本原理Ciso——隔离电容(典型值20pF)Riso——隔离电阻(很大)1210uiso——隔离模电压，指隔离器两端或输入端与输出端两公共地之间能承受的共模电压。输入放大器R1R1R2RisoCisoR2uo隔离器输出放大器－＋uducuiso24浮置电源输入调制放大器耦合变压器输出解调放大器输出输入－＋2.3隔离放大电路2.原理框图浮置电源光耦合器输入放大器－＋输出放大器输出输入VLC变压器耦合不仅隔离了输入与输出电路，而且也隔离了浮置电源，但体积大。光电耦合先将被测信号放大后由发光二极管转换成光信号，再由光敏三极管转换成电信号放大输出，但非线性。25作用：传感器输出的信号一般很微弱，而且含有各种噪声。为了将测量信号从含有噪声的信号中分离出来，便于放大与远距离传输。■3.1调幅式测量电路★■3.2调频式测量电路■3.3调相式电路■3.4脉冲调宽制式测量电路26第3章信号调制解调电路1、调制解调的概念、功用，采用调制解调的目的。2、调频，调幅，调相，脉冲调制的数学表达式，并画出它们的波形。3、什么是双边带调幅？请写出其数学表达式，画出它的波形4、什么是包络检波？什么是相敏检波包络检波和相敏检波的电路原理及分析、区别；5、相敏检波电路的主要作用：鉴相和选频6、鉴相电路的原理。7、脉冲调宽信号的解调方式。第3章信号调制解调电路27调制传感器调制电路调制开关电路调制乘法器调制信号相加调制调相调频调幅脉冲调宽28解调包络检波相敏检波二极管与晶体管包络检波精密检波半波全波29■什么是信号调制？调制就是用一个信号(称为调制信号)去控制另一个做为载体的信号(称为载波信号)，让后者的某一特征参数(幅值、频率、相位、脉冲宽度)按前者变化。■什么是信号解调？在将测量信号调制，并将它和噪声分离、放大等处理后，还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，这一过程称为解调。30第3章信号调制解调电路调制是给测量信号赋予一定特征，这个特征由作为载体的信号提供。常以一个高频正弦信号或脉冲信号作为载体，这个载体称为载波信号。用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位的信号称为调制信号。在测控系统中，通常就用测量信号作调制信号。经过调制的载波信号叫已调信号。31在信号调制中常以一个高频正弦信号作为载波信号。一个正弦信号有幅值、频率、相位三个参数，可以对这三个参数进行调制，分别称为调幅(Amplitudemodulation)、调频(Frequencymodulation)和调相(Phasemodulation)。也可以用脉冲信号作载波信号。可以对脉冲信号的不同特征参数作调制，最常用的是对脉冲的宽度进行调制，称为脉冲调宽(Pulsewidthmodulation)。323.1调幅式测量电路3.1.1调幅原理与方法3.1.1.1调幅信号的表达式uUmxtsmc()cos调幅信号的一般表达式可写为：■什么是调幅？写出调幅信号的数学表达式，画出波形。调幅就是用调制信号x去控制高频载波信号的幅值。常用的是线性调幅，即让调幅信号的幅值按调制信号x的线性函数变化。ωc——载波信号角频率；Um——调幅波中载波信号的幅值；m——调制的灵敏度；x——调制信号。33设调制信号，且（一般）xXΩtmcosΩcΩc10uUtmXΩttsmcmccoscoscos