测控电路课件第一章

测控电路刘淑聪15132696506为什么要学？学些什么？怎么学？第1章绪论2020/2/11第1章绪论1.1测控电路的功用1.2对测控电路的主要要求1.4测控电路的类型与组成1.6课程的性质、内容与学习方法1.3测控电路的输入输出信号1.5测控电路的发展趋势一.为什么要学？二.学些什么？三.怎么学？生产自动化离不开测量与控制科学研究离不开测量与控制高新科技离不开测量与控制现代生活离不开测量与控制1.1测控电路的功用生产力是社会发展的决定因素。生产力决定国力。生产的两大指标：质量和效率提高产品质量和生产效率都要依靠测控。没有测量就无从了解产品的质量。没有测量就无从控制产品的质量。生产离不开测量与控制为了加工出所需尺寸、形状的高精度零件，机床的刀架与主轴必须精确地按所要求的轨迹作运动。为了炼出所需规格的刚材，必须严格控制炉温、送风、冶炼时间等程序必须对机器的运行状态精确检测和控制机器高速运转靠精度，精度依赖于测控。自动化是提高生产效率的主要手段。现代的自动化是柔性自动化（以电子、计算机为核心），越是柔性的系统越需要测量。宝钢建设仪器测控装备占总投资1/3。智能化：对环境、原材料、机器工具状态的自适应，进行信息交换，优化决策。智能化更离不开测控。智能机器、智能衣服、智能房屋、智能能源。自动化的进一步发展就是智能化。科技是第一生产力门德列耶夫：科学是从测量开始的，没有测量就没有科学。测试是“新技术革命”的先导和基础没有仪器仪表难以进行科学研究。许多重大发现和发明从测试和仪器仪表进步开始。科学研究离不开测量与控制祖冲之圆周率是测出来的。测试变“假说”、“学说”为科学例：牛顿万有引力学说只有在能测得地球与月亮的精确距离情况下万有引力学说才成为科学。3.1415929113355π20世纪初到现在，诺贝尔奖金颁发给仪器与测控手段的项目达27项之多。哈勃望远镜对天体科学的作用。扫描隧道显微镜对纳米科技的作用。当今时代是信息时代。以计算机和网络的广泛应用为标志。计算机的发展主要取决于大规模集成电路与存储器件制作的进步。集成电路一块芯片能集成的元件的个数取决于光刻工艺能制作多少精细图案，依赖于光刻的精准定位，依赖于定位系统的精密测量与控制。高新科技离不开测量与控制航空、航天离不开测量。神洲号发射成功依靠测控。宇宙飞船的轨迹需要按测量数据不断修正。科学实验数据要靠测控船等收集。运载火箭的试制费一半用于仪器与测控手段。国防事业离不开测试现代战争是信息战仪器仪表的测量控制精度决定了武器系统的打击精度（激光制导）定点杀伤，反导弹计划-火箭拦截仪器仪表的测试速度、诊断能力与控制快速性决定了武器系统的反应能力振兴中国要发展测控汽车装有几十个传感器对点火时间、燃油喷射、防碰撞等进行控制微波炉、照相机、复印机等中也都装有不同数量的传感器，通过测量与控制使其能圆满完成预定的功能。环境监测生命科学和医学研究食品、水样、样品等都离不开测控现代生活办公机械离不开测量与控制应用领域军事、航天航空：雷达、飞机、军事情报处理（加密、解密、窃取）企业、公司：电子电器、通讯、计算机、家用电器汽车行业……医学：各种医用仪器工厂、厂矿：各种加工机器应用实例火灾探测机器人机械手洗衣机汽车倒车测距仪2020/2/11测控系统的组成：测量控制电路传感器执行机构原始信号微弱：高保真放大带有噪声、外界干扰：调制解调（给信号赋予一定特征）、共模抑制、滤波复杂参数、分析：演算、处理与变换电路。电路是最灵活的，便于放大、传输、转换、选取所需信号、适应不同测控任务要求。测控电路在整个测控系统中起着什么样的作用？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）2020/2/111.2对测控电路的主要要求一、精度高二、响应快三、转换灵活四、可靠性与经济性学些什么？要掌握设计、选用电路的要领，必须了解对测控电路的要求1.2.1精度高高精度是要求测量装置能够准确地测量被测对象的状态与参数，这是获得高质量产品、推进科技发展的基础。离开精度，测控就失去意义生产、科研、国防、高科技都离不开精度产品的质量在很大程度上取决于测控精度仪器仪表的测控精度决定了武器系统的打击精度长度：纳米（单一尺寸到坐标测量，分子测量机-亚原子测量机）时间：飞秒（1飞秒只有1秒的一千万亿分之一，即1e−15秒）引力波对光速影响10-17光钟10-19（3000亿年差1秒）单个电子电量（1.59×10-19C）1.2对测控电路的主要要求精度----测控永恒主题2020/2/11影响测控电路精度的主要因素有哪些？其中那几个因素是最基本的？1、噪声与干扰★---低噪声与高抗干扰能力2、失调与漂移，主要是温漂★--低温漂、高稳定性3、线性度与保真度4、输入与输出阻抗的影响（一）低噪声与高抗干扰能力1、选用低噪声器件、合理安排电路、合理布线与接地、采取适当的隔离与屏蔽。2.对信号进行调制，合理安排电路通频带，抑制干扰3、采用高共模抑制比的电路，抑制干扰4.滤波运算处理，选取有效成分（二）低温漂、高稳定性★大多数电子元器件都会受到温度影响而在一定程度上发生变化，使电路发生漂移。选择温漂小即对温度不敏感的元器件采用能对温漂进行自补偿的电路尽量减少电路的温度变化(三).线性与保真度好线性是衡量仪器或控制系统的精度一个重要指标。绝大多数情况下，要求系统的输入与输出间具有线性关系。一个系统也可按非线性标定，输入与输出间的非线性不一定影响精度。（四）.合适的输入与输出阻抗要求电路具有较大输入阻抗，较小输出阻抗合理选择，使输入阻抗与前级的输出阻抗匹配，输出阻抗与后级的输入阻抗匹配1.2.2动态性能好（二）响应快和动态失真小生产节奏加快科学研究要了解快速变化过程高技术与国防的要求仪器仪表的测试速度、诊断能力与控制快速性决定了武器系统的反应能力响应速度已经成为对测控电路性能的另一项重要要求。硬件电路总的来说比软件有更高的反应速度。快速响应是衡量电路性能的重要指标（低输出阻抗、转换速度、同步采样等）。PID控制、前馈与反馈。2020/2/111.2.3高的识别和分析能力（转换灵活）为了适应在各种情况下测量与控制的需要，为了对信号进行识别、分辨和分析，要求测控电路具有灵活地进行各种转换与计算的能力。1、模数转换与数模转换：A/DD/A2、电量参数的转换：直流与交流，电压与电流、幅值、相位、频率、脉宽之间的转换3、量程的变换：4、信号的处理与运算：求均值、峰值等1.2对测控电路的主要要求对于灵活性的需求参数类型更多参数定义更加复杂应用领域更广泛，天上、地下、水中、人体内1.2对测控电路的主要要求测量范围更宽尺寸----原子核到宇宙空间电压----纳伏到百万伏电阻----超导至1014欧加速度----10-4~104g温度----接近绝对零度到1018度测控电路越来越多地实时地用在各种系统中；测控电路越来越多地国防和高科技中；测控电路越来越多地用在医疗和其它与生命有关的系统中；电路的集成度越来越大，对单个器件的可靠性要求越高。1.2.4可靠性高应用领域更广泛，天上、地下、水中、人体内工作条件更加恶劣高温、高速、高湿、高尘、振动、密闭、遥测、高压力、高电压、深水、强场、易爆1.2.5经济性好在满足性能要求的基础上，尽可能地简化电路，降低成本2020/2/111.3测控电路的输入信号与输出信号1、模拟式信号(1)非调制信号非调制模拟信号被测量测量信号0xt电路的形式、结构首先与信号形式与使用要求有关送到电路的信号与被测量具有近似线性关系2020/2/111.3测控电路的输入信号与输出信号用电感传感器测量工件轮廓形状c)调幅信号ustuctb)载波信号a)调制信号OxtxOxO（2）经调制信号为了提高信号的抗干扰能力，往往需要对信号进行调制。在精密测量中，很多信号一形成就是调制信号。还可以对信号的相位、频率调制1.3测控电路的输入信号与输出信号2、数字式信号（1）增量码信号（2）绝对码信号（3）开关信号1.3测控电路的输入信号与输出信号2、数字式信号（1）增量码信号2LN123546L输出反映变化量特点：被测量值的增量与传感器输出信号的变化周期数成正比。应用：测速，测转动方向，测移动角度、距离(相对)。工件台5每移动半个波长，干涉条纹变化一个周期2020/2/11简述1.3测控电路的输入信号与输出信号2、数字式信号（2）绝对码信号1111000000010010001101000101011001111000111011001101101110101001每个角度对应一组编码，这种编码称为绝对码。与绝对码传感器相连的测量电路输入信号为绝对码信号。绝对码信号有很强的抗干扰能力，干扰去掉，一种状态总是对应一组确定的编码。输出与状态一一对应增量型编码器比较通用，大多场合都用这种。从价格看，一般来说绝对型编码器要贵得多，而且绝对型编码器有量程范围，所以一般在特殊需要的机床上应用较多而已。1.3测控电路的输入信号与输出信号2、数字式信号（3）开关信号输出只有开关、通断、亮暗、01两种状态321AABB456指示灯789101112lFB-BA-Ar2020/2/111.4测控电路的类型与组成一、测量电路的基本组成模拟式测量电路的基本组成数字式测量电路的基本组成二、控制电路的基本组成开环控制闭环控制2020/2/11模拟式测量电路的基本组成电路传感器量程切换电路放大器解调器信号分离电路运算电路模数转换电路计算机显示执行机构振荡器电源传感器输出电量（电压，电流，频率，相位信号等）。根据被测值的大小进行相应的量程切换。传感器输出较小，需要进行放大。2020/2/11指令传感器电路传感器显示执行机构计算机锁存器计数器转换电路脉冲当量放大器整形电路细分电路手动采样锁存指令辨向电路增量码数字式测量电路的基本组成CPU数显键盘电源通讯接口辨向电路数数字传感器电路放大整形电路细分电路振荡器A/D模模拟传感器电路滤波电路放大电路解调电路转换电路智能测控系统的基本构成驱动电路执行部件数D/A模拟量输出模2020/2/11测量电路控制电路扰动量传感器放大电路输出转换电路设定电路执行机构给定机构被控对象设置给定信号（如炉温）将炉温转换为电压信号开环控制系统的基本组成开环控制方式不能达到很高的精度。2020/2/11设定电路比较电路校正电路转换电路给定机构执行机构被控对象输出传感器扰动放大电路控制电路扰动闭环控制系统的基本组成校正电路包括：比例放大、积分和微分环节，PID控制2020/2/111.5测控电路的发展趋势优质化(精、快、可靠）微型化与集成化微型化可以将前级电路直接做到传感器中，具有较强的抗干扰能力。集成化是电路发展的一个趋势。集成范围越来越宽、集成电路的品种越来越多、专用集成块出现学习不仅要把握现状，而且要了解发展趋势系统设计观：设计制造测控电路时从整体考虑。测控电路的各个模块越来越模糊，多个集成在一起。且与机械光学、机械或计算机软件等互相配合数字化：易于集成化、抗干扰能力强、便于保存记忆通用化、模块化：为了使仪器按照系统扩展功能，降低成本，要求电路通用化、模块化智能化：现代测控系统步进要求能自动控制，而且要求它在复杂条件下进行自学习、自动诊断故障、自动排除故障、进行自适应控制在现代生产中，物质流和能量流在信息流指挥和控制下运动。测控技术已经成为现代生产和高科技中的一项必不可少的基础技术。为适应这一发展需要，培养宽基础、具有创造性的人才，将整个仪器仪表类专业集中为“测控技术及仪器”一个专业，《测控电路》是它的一门重要课程。1.6课程的性质、内容与学习方法主要介绍