测控电路总复习Word格式文档下载.docx

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方法：

选温漂小的元器件、减少关键部分的温度变化。

●线性与保真度好

衡量仪器或控制系统精度的重要指标。

信号频带内有良好频率特性

●合适的输入输出阻抗

影响精度最基本的因素？

◆噪声与干扰

◆失调与漂移（主要是温漂）

3．测控电路类型与组成

一、测量电路的基本组成

1.模拟式测量电路

2.数字式测量电路

二、控制电路的基本组成

1.开环控制

2.闭环控制

第2章信号放大电路

2.1测量放大电路基本概念

用来将传感器输出的微弱电压、电流或电荷信号放大的电路，亦称仪用放大电路。

测量放大电路结构形式：

由传感器的类型决定。

电阻应变式-----电桥放大电路；

光电池、光敏电阻—---微电流放大电路

测量放大电路频带宽度：

由被测参数的频率范围和载波频率决定（直流~1011Hz）

1.基本要求

①测量放大电路输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；

②稳定放大倍数；

③低噪声；

④低输入失调电压和输入失调电流以，及低的漂移；

⑤足够的带宽和转换速率；

⑥高共模输入范围和高共模抑制比；

⑦可调的闭环增益；

⑧线性好、精度高；

⑨成本低。

结论：

测量放大电路是一种综合指标很好的高性能放大电路。

2.基本类型

1）按结构原理

●差动直接耦合式（单端输入运放\电桥放大电路\电荷放大电路）

●调制式

●自动稳定式

2）按元件制造方式

●分立结构

●通用集成运放

●单片集成测量放大器

1.输入失调电压：

实际放前置级的差动放大器不一定完全对称，必须在输入端加上某一直流电压后才能使输出为零---u0s随时间和温度变化----零点漂移

结论：

失调电压的调整很重要

2.输入失调电流：

输入端直流偏置电流引起的I0s。

测量达电路主要误差来源：

噪声、干扰和漂移。

2.2典型测量放大器的设计

一、反相放大器

二、同相放大器

三、交流放大器

四、差动放大器

什么是差动放大器？

差动放大器是把二个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反相二个输入端，然后在输出端取出二个信号的差模成分，而尽量抑制二个信号的共模成分。

有利于抑制共模干扰和减少温度漂移。

五、高共模抑制比放大电路

什么是高共模抑制比放大电路？

应用于何种场合？

用来抑制传感器输出共模电压（包括干扰电压）的放大电路称为高共模抑制比放大电路。

应用于要求共模抑制比大于100dB的场合，例如人体心电测量。

（一）双运放高共模抑制比放大电路

1、反相串联结构型

2、同相串联结构型

（二）三运放高共模抑制比放大电路

（三）有源屏蔽驱动电路

什么是有源屏蔽驱动电路？

将差动式传感器的两个输出经两个运算放大器构成的同相比例差动放大后，使其输入端的共模电压1∶1地输出，并通过输出端各自电阻（阻值相等）加到传感器的两个电缆屏蔽层上，即两个输入电缆的屏蔽层由共模输入电压驱动，而不是接地，电缆输入芯线和屏蔽层之间的共模电压为零，这种电路就是有源屏蔽驱动电路。

应用于何种场合?

经常使用于差动式传感器，如电容传感器、压阻传感器和电感传感器等组成的高精度测控系统。

（三运放结构集成：

AD612\AD614\LH0036、AD521、AD522等）

六、低漂移放大电路

1.斩波稳零放大电路（又叫调制式放大电路）

2.自动调零放大电路

3.低漂移单片集成放大电路

解决的失调（电压漂移）和低频干扰引起的零点漂移。

对微弱的直流或缓慢变化的信号进行低漂移和高精度的放大

1）轮换自动校零集成运算放大器（CAZ运算放大器）

什么是CAZ运算放大器？

CAZ运算放大器是轮换自动校零集成运算放大器的简称，它通过模拟开关的切换，使内部两个性能一致的运算放大器交替地工作在信号放大和自动校零两种不同的状态。

2）斩波稳零集成运算放大器（ICL7650）

ICL7650优点：

高增益、高输入电阻（1011Ω）、高共模抑制比

失调小、漂移低等

应用：

常常用在热电偶、电阻应变电桥、电荷传感器等测量微弱信号的前置放大器中。

一种近似理想的直流集成运算放大器。

七、电桥放大电路

何谓电桥放大电路？

由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路或由传感器和运算放大器构成的电桥。

应用于何种场合？

应用于电参量式传感器：

如电感式、电阻应变式、电容式传感器等，经常通过电桥转换电路输出电压或电流信号，并用运算放大器作进一步放大，或由传感器和运算放大器直接构成电桥放大电路，输出放大了的电压信号

（一）单端输入电桥放大电路

（二）差动输入电桥放大电路

（三）线性电桥放大电路

八、高输入阻抗放大电路

1问题的提出：

电容式传感器、压电式传感器等具有很高输出阻抗（可达108以上），要求测量放大电路须有很高的输入阻抗匹配。

2解决方法：

通用集成运算放大器组成自举电路

高输入阻抗集成运算放大器

3应用场合:

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、压电式传感器等电荷式传感器的测量放大电路。

4何谓自举电路?

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。

5自举式高输入阻抗放大电路：

1）同相交流放大电路

2）交流电压跟随电路

3）自举组合电路

九、电荷放大电路

一种输出电压与输入电荷成比例关系的测量放大电路。

用于放大来自压电器件的电荷信号的放大电路。

比如：

压电传感器或电容式传感器等。

十、增益调整放大电路

既能方便调整放大电路的增益，又不降低放大电路共模抑制比的专门电路。

10.1手动增益调整放大电路

10.2自动增益调整放大电路

10.3可编程增益调整放大电路

2.3隔离放大电路

1什么是隔离放大电路？

放大电路的输入、输出和电源电路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，一种特殊的测量电路。

隔离包括：

（1）.电源隔离 

（2）.地网络隔离 

（3）信号线隔离

主要的隔离方式？

▪电磁耦合（变压器）：

用以实现载波调制。

线性度好，隔离性能好，共模抑制比高，技术成熟。

缺点：

带宽较窄（1kHz）,体积大，工艺复杂，应用不便。

▪光电耦合：

结构简单，成本低，重量轻，线性度好，有一定转换速率，带宽较宽，与TTL电路兼容。

2、组成及符号

3、原理框图

4光电耦合隔离放大电路

（1）AD277变压器耦合隔离放大器

（2）互补式光电耦合放大电路

2.3噪声基本知识

1什么是噪声？

噪声（音）是指从设备内和设备外发出的一种不和谐的声音，它与该设备必须的操作信号混合在一起，是一种有害的成分，所以称之为噪声（音）。

⏹干扰有用信号的某种不希望的扰动。

⏹在运放的输出端包含有与输入信号无关的随机信号，而且它不能从已知的闭环传输函数中精确预测，这些不需要的信号即是噪声。

⏹干扰和噪声无本质区别。

外部来的扰动称为干扰；

内部产生的称为噪声。

2.分类：

白噪声/色噪声

⏹白噪声（whitenoise）:

是指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声。

所有频率具有相同能量的随机噪声称为白噪声.是一种功率频谱密度为常数的随机信号或随机过程。

噪声的波形是随机的（幅值、相位、频率），瞬时值无法预测，但每赫带宽内包含的噪声功率从统计观点来看是一个常量。

⏹色噪声----噪声的频率固定，可以预测，而幅值、相位可能是随机的。

通常接地噪声是一种色噪声。

粉红色噪音又被称做频率反比（1/f）噪音，因为它的能量分布与频率成反比，或者说是每一个八度音程（Octave）能量就衰退3dB。

第3章信号调制解调电路

3.1调制解调的功用与类型

❑调制的主要功用:

为了便于区别信号与噪声，往往给测量信号赋予一定特征

解调的主要功用:

从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号

❑什么是信号调制？

调制就是用一个信号（称为调制信号）去控制另一个作为载体的信号（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的过程称为解调

❑什么是调制信号、载波信号、已调信号？

（1）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。

（2）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。

（3）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。

3.2调幅式测量电路

一、调幅原理与方法

1一般表达式

v什么是调幅？

----用调制信号（代表测量值的信号）x去控制高频载波信号的幅值，使载波信号的幅值随x变化。

线性调幅---让调幅信号的幅值按调制信号x的线性函数变化。

us=（Um0+mx）cosωct

m---调制度

Um0---调幅信号中，载波信号的幅值

ωc----载波信号频率

特点：

调制方法和电路简单。

v何谓双边带调幅？

假设调制信号x是角频率为Ω的余弦信号x=XmcosΩt则有:

us=Um0cosωct+

[mXmcos（ωc+Ω）t+

mXmcos（ωc-Ω）t]/2

它包含三个不同频率的信号:

角频率为ωc的载波信号和角频率分别为ωc±

Ω的上、下边频信号。

载波信号中不含调制信号x的信息，因此可以取Um0=0，只保留两个边频信号。

这种调制称为双边带调制。

双边带调制可用调制信号与载波信号相乘实现.

v思考题：

在测控系统中被测信号的变化频率为0~100Hz，应怎样选取载波信号的频率？

应怎样选取调幅信号放大器的通频带？

信号解调后，怎样选取滤波器的通频带？

为了正确进行信号调制必须要求ωc>

>

Ω，通常至少要求ωc>

10Ω。

这样，根据香农定理，防止产生混叠现象，解调时滤波器能较好地将调制信号与载波信号分开，检出调制信号。

若被测信号的变化频率为0~100Hz，则载波信号的频率ωc>

1000Hz。

调幅信号放大器的通频带应为900~1100Hz。

信号解调后，滤波器的通频带应>

100Hz，即让0~100Hz的信号顺利通过，而将900Hz以上的信号抑制，可选通频带为200Hz。

2为什么在测控系统中常常在传感器中进行信号调制？

为了提高测量信号抗干扰能力，常要求从信号形成开始就已经是已调信号，因此常常在传感器中进行调制。

1）通过交流供电实现调制

电阻式传感器、电感式传感器和电容式传感器。

2）用机械或光学的方法实现调制

为了减少杂散光的影响，采用多孔盘或多槽（或频闪灯）调制盘2使光信号得到调指，以提高信噪比。

3.电路调制

❑乘法器调制

❑开关电路调制

❑信号相加调制

调制信号ux=UxmcosΩ与uc=Ucmcosωc