1、测控电路测控电路 第1章 绪论 1 1.1 1 测控电路的作用测控电路的作用 1 1.2 2 对测控电路的主要要求对测控电路的主要要求 1 1.3 3 测控电路的输入信号与输出信号测控电路的输入信号与输出信号x x 1 1.4 4 测控电路的类型与组成测控电路的类型与组成x x 1 1.5 5 测控电路的开展趋势测控电路的开展趋势 1 1.6 6 课程的性质课程的性质、内容与学习方法内容与学习方法 2023/1/6-2-1.1 1.1 测控电路的作用测控电路的作用 1 1.1 1.1 1 测控电路的作用测控电路的作用 衡量生产过程优劣的两项主要指标衡量生产过程优劣的两项主要指标产品质量产品质量
2、和生产的效率和生产的效率，都需要由测量和控制来保证都需要由测量和控制来保证。(狭狭义义)生产过程和生产的自动化生产过程和生产的自动化。数控机床加工过程数控机床加工过程 产品的质量由控制来保证产品的质量由控制来保证，由测量来检测由测量来检测人工人工加工也是如此加工也是如此 在科学研究中的作用在科学研究中的作用。实验实验/实践是检验真理的唯实践是检验真理的唯一标准一标准 没有测量就没有科学没有测量就没有科学，至少是没有真正的科学至少是没有真正的科学、精确的科学精确的科学。-门得列捷夫门得列捷夫 测控在高新科技的应用测控在高新科技的应用 神舟飞船神舟飞船/探月工程探月工程 现代生活现代生活 食品食品
3、、药品药品/智能楼宇智能楼宇/汽车汽车/医疗医疗/环境环境/2023/1/6-3-1.1.2 1.1.2 测控系统的组成测控系统的组成 对测控电路来讲对测控电路来讲 输入：传感器是敏感元件输入：传感器是敏感元件，检测被测参数的变化检测被测参数的变化。一般将一般将非电量转换为电量非电量转换为电量。-传感器技术传感器技术 输出：执行机构将测控电路输出的功率电量信号转换为非输出：执行机构将测控电路输出的功率电量信号转换为非电量电量，如如伺服阀伺服阀将控制信号转换为阀的位移信号将控制信号转换为阀的位移信号，伺服电伺服电机机将控制信号转换为角位移等将控制信号转换为角位移等 传感器传感器 测量控制测量控制
4、电路电路 执行机构执行机构 2023/1/6-4-测控电路在测控系统中的作用测控电路在测控系统中的作用 传感器的输出信号一般都很微弱传感器的输出信号一般都很微弱，还可能伴随着还可能伴随着各种噪声各种噪声 测控电路将其放大测控电路将其放大，滤波滤波信号别离信号别离 将信号进行运算将信号进行运算、转换转换，功率放大功率放大,输出能控制机输出能控制机构动作的信号构动作的信号 测控电路是测控系统中最灵活的局部测控电路是测控系统中最灵活的局部，起着十分起着十分关键的作用关键的作用。现代测控技术：硬件现代测控技术：硬件+软件软件，硬件硬件是根底是根底，软件是灵魂软件是灵魂 2023/1/6-5-1.2 1
5、.2 对测控电路的主要要求对测控电路的主要要求 对测控电路的要求对测控电路的要求，是由测量任务提出的是由测量任务提出的。可概可概括为精度高括为精度高，响应快响应快，转换灵活转换灵活精精、快快、灵灵，此外还有稳定性此外还有稳定性，可靠性可靠性，经济性等要求经济性等要求。一一、精度高精度高 二二、响应快响应快 三三、转换灵活转换灵活 四四、可靠性与经济性可靠性与经济性 2023/1/6-6-1.2.1 1.2.1 精度高精度高影响测量精度的因素影响测量精度的因素 1 1、低噪声与高抗干扰能力低噪声与高抗干扰能力 原因：高精度测量时原因：高精度测量时，传感器的输出信号往往是传感器的输出信号往往是很微
6、小的很微小的。措施：措施：1 1)选用低噪声的器件选用低噪声的器件，合理布线合理布线，采用适采用适当的接地当的接地、隔离与屏蔽等隔离与屏蔽等。合理考虑第一级信号合理考虑第一级信号。2 2对信号进行调制对信号进行调制，可以有效抑制干扰可以有效抑制干扰 3 3)采用高共模抑制比差动电路采用高共模抑制比差动电路。大多数干扰表现大多数干扰表现为共模干扰为共模干扰。(信号传输中的双绞线信号传输中的双绞线)2023/1/6-7-精度问题精度问题(续续)2 2 低漂移低漂移，高稳定性高稳定性 原因：大局部电子元件的特性原因：大局部电子元件的特性，都会受温度影响都会受温度影响在一定程度上发生变化在一定程度上发
7、生变化，温漂温漂。措施：措施：1 1)选择温漂小选择温漂小，即对温度不敏感的元器件即对温度不敏感的元器件 2 2减小电路中关键局部的温度变化减小电路中关键局部的温度变化，大功率器件大功率器件远离前级电路远离前级电路，安排散热安排散热。2023/1/6-8-精度问题精度问题(续续)3 3 线性与低失真线性与低失真(高保真高保真)输入与输出具有线性关系输入与输出具有线性关系。(万用表测量电阻万用表测量电阻，非线性非线性)测量不失真测量不失真，测控电路在信号所占有的频率范围内测控电路在信号所占有的频率范围内，具具有良好的频率特性有良好的频率特性。不失真测量的条件不失真测量的条件 Y=Y=kX(t)k
8、X(t)y=kX(ty=kX(t-t t0 0)时域时域 频域：幅频频域：幅频 相频相频 0AtK2023/1/6-9-精度问题精度问题(续续)4 4、有适宜的输入有适宜的输入/输出阻抗输出阻抗 前级电路与后级电路互相影响前级电路与后级电路互相影响 前级相当于电压源时前级相当于电压源时，前级输出阻抗应较小前级输出阻抗应较小，后后级输入阻抗应较大级输入阻抗应较大(比照理想电压源比照理想电压源)。对电压输出对电压输出，测量电路的输入阻抗应较大测量电路的输入阻抗应较大，输出输出阻抗应较小阻抗应较小。对前后级电路工作有利对前后级电路工作有利。2023/1/6-10-1.2.2 1.2.2 动态特性好动
9、态特性好 包括响应快和动态失真小包括响应快和动态失真小 实时动态测量已成为测量技术开展的主要方向实时动态测量已成为测量技术开展的主要方向 对高速运动的系统对高速运动的系统,控制的滞后可能引起系统振荡控制的滞后可能引起系统振荡,导致系统失去稳定导致系统失去稳定.例例:雷达雷达/火炮防空系统火炮防空系统 2023/1/6-11-1.2.3 1.2.3 转换灵活转换灵活 1 1)模模/数及数数及数/模转换模转换 A/D,D/AA/D,D/A 计算机控制计算机控制 传感器传感器/执行机构的输入执行机构的输入/出为模拟信号出为模拟信号 2 2)电量参数的转换电量参数的转换 直流与交流直流与交流(AC/D
10、C),(AC/DC),电压与电流电压与电流(V/I),(V/I),电压与频率电压与频率(V/F),(V/F),信号的调制信号的调制/解调解调 3 3)量程的转换量程的转换 万用表的使用万用表的使用.PGA(PGA(可编程增益放大器可编程增益放大器)4 4)信号的处理与运算信号的处理与运算 进行信号的选取进行信号的选取(滤波滤波),),加减乘除加减乘除 微积分运算微积分运算 峰值峰值,平平均值均值,有效值有效值,绝对值绝对值/线性化处理与误差补偿线性化处理与误差补偿 (硬件硬件+软件软件)2023/1/6-12-1.2.4 1.2.4 可靠性与经济性可靠性与经济性 测控电路在各种环境下的适应性测
11、控电路在各种环境下的适应性.(不仅仅是实验室环境不仅仅是实验室环境)在满足性能要求的前提下在满足性能要求的前提下,简化电路简化电路,对器件的要对器件的要求不能太高求不能太高.合理的性价比合理的性价比.2023/1/6-13-1.3 1.3 测控电路的输入信号和输出信号测控电路的输入信号和输出信号 1 1.3 3.1 1 模拟信号模拟信号 1 1,非调制信号非调制信号 1 2 0 x t 2023/1/6-14-模拟信号模拟信号-2 2 已调制信号已调制信号 从输入从输入:提高信号的抗干扰能力提高信号的抗干扰能力 例：用电感传感器测量工件轮廓形状例：用电感传感器测量工件轮廓形状 us uc x
12、2 1 4 3 c)us t uc t b)a)O x t x O x O 调制信号-轮廓形状 载波信号-供电信号 输出信号-已调信号 2023/1/6-15-信号调制的概念信号调制的概念 1 1、载波频率载波频率carryingcarrying frequency)frequency)传感器的供电频率传感器的供电频率 2 2、载波信号载波信号carryingcarrying signal)signal)具有载波频率的高频信号具有载波频率的高频信号 3 3、调制信号调制信号modulatingmodulating signal)signal)对载波信号进行调制的信号对载波信号进行调制的信号 4
13、 4、已调信号已调信号modulatedmodulated signal)signal)调制后的信号调制后的信号 5 5、调幅信号调幅信号amplitudeamplitude modulatedmodulated signal)signal)幅值受到调制幅值受到调制 调制信号调制信号(包络信号包络信号)X)X载波信号载波信号(高频信号高频信号)=)=已已(经经)调信号调信号 2023/1/6-16-1.3.2 1.3.2 数字信号数字信号 1 1，增量码信号增量码信号 输入：增量式码盘输入：增量式码盘，光栅光栅，激光干预法测量位移激光干预法测量位移 输出：步进电机输出：步进电机 特点：特点：1
14、 1,输入输入被测量值与传感器输出信号的被测量值与传感器输出信号的变化周期数成正比变化周期数成正比 2 2,反响变化量的信号反响变化量的信号，与被测对象的状态无对应与被测对象的状态无对应关系关系，y=yy=y0 0+delta_y+delta_y 例：分辨率为例：分辨率为10001000的编码器的编码器,输出波形输出波形A A，B B相相，示意示意 2023/1/6-17-2 2，绝对码信号，绝对码信号 绝对码信号是一种与状态相对应的信号绝对码信号是一种与状态相对应的信号 例：绝对式码盘：每个角度方位对应一组编码例：绝对式码盘：每个角度方位对应一组编码。Y=kxY=kx (以以4 4位编码为例
15、位编码为例 k=k=360360/2 2 4 4)1111 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1110 1100 1101 1011 1010 1001 2023/1/6-18-3 3，开关信号，开关信号 开关信号只有两种状态开关信号只有两种状态，0 0/1 1，高高/低电平低电平，开开/关关 输入：行程开关输入：行程开关，光电开关光电开关，触发式测头触发式测头 输出：继电器输出：继电器，电磁铁等电磁铁等 在工业中应用很广在工业中应用很广。PLCPLC处理大量的开关信号处理大量的开关信号，信号的关系信号的关系 时序逻辑复杂时序逻辑复杂，数
16、量很多时数量很多时,也是一也是一个复杂系统个复杂系统 2023/1/6-19-1.4 1.4 测控电路的类型与组成测控电路的类型与组成 1 1.4 4.1 1 测量电路的根本组成测量电路的根本组成 1 1,模拟式测量电路的根本组成模拟式测量电路的根本组成 2 2,数字式测量电路的根本组成数字式测量电路的根本组成 1 1.4 4.2 2 控制电路的根本组成控制电路的根本组成 1 1,开环控制开环控制 2 2,闭环控制闭环控制 2023/1/6-20-1.4.1.1 1.4.1.1 模拟式测量电路的根本组成模拟式测量电路的根本组成 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 2023/1/6-21-增量码数字式测量电路的根本组成增量码数字式测量电路的根本组成 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 微机原理微机原理 2023/1/6-22-1.4.2.1 1.4.2.1