測控儀器的電路系統(tǒng)設(shè)計.ppt

1、第五章 測控儀器的電路系統(tǒng)設(shè)計,第一節(jié) 電路系統(tǒng)的組成、要求和設(shè)計準(zhǔn)則,一、電路系統(tǒng)的作用,1、作用： 信息流的傳遞與控制，是感知信息、處理信息、輸出指令、操縱機構(gòu)和元器件的工具和載體。 二、電路系統(tǒng)的組成,（1）測量電路： 輸入通道（ 處理電路、電源） ：將傳感器輸出的測量信號進行放大、濾波、細分、選通、變換和阻抗匹配等。 （2）控制電路： 輸出通道（控制電路、驅(qū)動電路、電源）根據(jù)中央處理系統(tǒng)的控制指令，并對控制信號進行放 大、轉(zhuǎn)換、隔離、驅(qū)動，作用于控制電路上。,（3）中央處理系統(tǒng)（中央處理單元、主控單元）：信息處理單元，連接輸入、輸出通道，電路中心。 作用：對測量電路送來的信號進行運算、

2、處理、顯示、存儲、打印等，對被控電路發(fā)出指令，被控參數(shù)實行控制。 （4）電源：為各單元提供能量、電平基準(zhǔn)等 （5）軟件系統(tǒng)：先進性、可擴充性、靈活性、規(guī)范性、系統(tǒng)性 設(shè)計過程：結(jié)構(gòu)化分析、結(jié)構(gòu)化設(shè)計、結(jié)構(gòu)化編程,三 、對測控電路的一般要求,1、精度要求： （1）信噪比 抗干擾能力：抵抗各種噪聲和其他無用信號的干擾的能力。 模擬式：抗干擾能力差導(dǎo)致控制準(zhǔn)確性低； 數(shù)字式：抗干擾能力差導(dǎo)致產(chǎn)生誤動作、破壞性后果。 （2）分辨力 傳感器、測控電路與軟件系統(tǒng),（3）非線性誤差： 線性度指標(biāo)所帶來的誤差。對測控儀器產(chǎn)生的影響： （1）非線性標(biāo)尺和度盤難于控制和讀數(shù)； （2）系統(tǒng)換檔時需要重新標(biāo)定； （3

3、）測試數(shù)據(jù)記錄易失真； （4）A/D，D/A 不易保證精度； （5）進行反饋控制時，控制方法和算法不易實現(xiàn)。 產(chǎn)生原因：傳感器、測量電路或控制電路的非線性引起。,（4）靈敏度：穩(wěn)態(tài)下，輸入變化量與輸出變化量的比值。 （5）量化誤差：模/數(shù)，數(shù)/模轉(zhuǎn)化中，小于一個脈沖當(dāng)量的輸入量所引起的輸出變化量。,（6）穩(wěn)定性 1）電路系統(tǒng)穩(wěn)定性包括：零點穩(wěn)定性、放大倍數(shù)穩(wěn)定性、線性度穩(wěn)定性、輸入輸出阻抗穩(wěn)定性 2）分類：短期穩(wěn)定性、長期穩(wěn)定性 3）采取的措施： 短期穩(wěn)定性：信噪比、低噪聲元器件、誤差平均法 長期穩(wěn)定性：低漂移元器件、老化處理、采用對溫度變化不敏感的元器件系統(tǒng)提前預(yù)熱,（7）頻率特性 1）頻率

4、特性：動態(tài)測試情況下，輸出信號幅度隨輸入信號的頻率變化而變化的特性。 2）響應(yīng)速度：增加巡回點數(shù)，提高采樣頻率，動態(tài)測量。 （8）輸入輸出阻抗 傳感器與測量電路阻抗要匹配,2. 響應(yīng)速度要求 測控電路中 計算機及其接口系統(tǒng) 軟件 3. 可靠性要求 4. 經(jīng)濟性要求,四 、電路系統(tǒng)的設(shè)計準(zhǔn)則,（一）總線化準(zhǔn)則： 芯片之間、模板之間、系統(tǒng)之間、系統(tǒng)與對象之間的信息傳遞通道易于擴充升級、簡化系統(tǒng)設(shè)計。 1、內(nèi)部總線（局部總線、本地總線）：用于系統(tǒng)內(nèi)部聯(lián)結(jié)芯片與芯片、芯片與處理器的元件級總線。 從功能上分類：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線,2、系統(tǒng)總線：用于聯(lián)結(jié)模板與模板之間的極級總線。 ISA：工業(yè)標(biāo)

5、準(zhǔn)總線，8、16位，并行數(shù)據(jù)，支 持24位地址通道； PCI：高性能，支持多個外圍設(shè)備，總線頻率33MHz， 3、外部總線（通信總線）： （1）用于聯(lián)結(jié)系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的交換信息與數(shù)據(jù)的通信總線，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸形式：并行、串行總線,（2）并行總線代表產(chǎn)品：美國HP，GBIB通用接口總線，“可程控測量儀器的接口系統(tǒng)”。 （3）串行總線代表產(chǎn)品：RS232C，ASCII碼數(shù)據(jù)串行通信標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)簡單，只需一對信號線、少量控制線即可實現(xiàn)串行通信。 （4）虛擬技術(shù)：VXI總線,（二）模塊化準(zhǔn)則： 將整個電路系統(tǒng)分割為幾個功能相對獨立，而又相互聯(lián)系的模塊。 優(yōu)點： （1）任務(wù)分解，分別獨立設(shè)計，獨立調(diào)試，加快

6、速度，縮短周期； （2）易于維修，擴充，可移植性強。 （三）可靠性準(zhǔn)則： 1、工藝上提高電路系統(tǒng)元器件本身的可靠性 2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上提高系統(tǒng)的可靠性和合理性,出租車計價器電路原理圖,集成化兩線制渦輪流量計,第二節(jié) 電路系統(tǒng)的精度,影響電路系統(tǒng)精度的因素,1、信噪比：干擾無用噪聲影響測量控制的穩(wěn)定性和可靠性。 從選用傳感器、電子元器件入手來提高信噪比。 2、量化誤差：當(dāng)被測量量的變化小于數(shù)字電路的一個最小 數(shù)字所對應(yīng)的值時，數(shù)字系統(tǒng)將沒有變化，產(chǎn)生誤差。 提高性能、減小量化誤差方法：提高放大倍數(shù)、提高數(shù) 字電路位數(shù)。,3、非線性誤差： 線性度指標(biāo)所帶來的誤差。對測控儀器產(chǎn)生的影響： （1）非線性標(biāo)

7、尺和度盤難于控制和讀書； （2）系統(tǒng)換檔時需要重新標(biāo)定； （3）測試數(shù)據(jù)記錄易失真； （4）A/D，D/A 不易保證精度； （5）進行反饋控制時，控制方法和算法不易實現(xiàn)。 產(chǎn)生原因：傳感器、測量電路或控制電路的非線性引起。,4、溫度飄移：導(dǎo)致被測量和被控量漸變，同時使電路元器件的特性參數(shù)發(fā)生變化，使靜態(tài)工作點偏離原始位置，從而使測量值、控制值產(chǎn)生偏差。 減小溫度漂移采取的措施： （1）采用低溫漂，經(jīng)過老化處理的元器件； （2）合理安排儀器內(nèi)部、周圍熱源，采用隔熱、散熱措施恒 溫； （3）采用深度負反饋和補償措施，對溫漂影響進行補償修 正； （4）在儀器內(nèi)部增加自動穩(wěn)零、調(diào)零、零標(biāo)和校正電路；

8、（5）對儀器提出環(huán)境要求。,第四節(jié) 電路系統(tǒng)的抗干擾技術(shù),1、形成干擾的三要素：干擾源、對干擾敏感的接收電路、干擾源到接收電路的耦合通道。 2、抑制干擾耦合的方法：抑制干擾源、使接收電路不敏感和抑制耦合或切斷耦合通道。 一、干擾源： 1、來自信號通道的干擾：主要是由傳感器、開關(guān)量輸入輸出、模擬量輸入輸出、電路本身固有的噪聲等產(chǎn)生。,2、來自電源的干擾： （1）電源本身交流電源成分形成的噪聲信號； （2）周期性電火花干擾。 3、來自空間的輻射干擾：來自空間的各種電磁波和強電場干擾。 二、干擾的偶合方式： 1、靜電耦合：電容性耦合 （1）寄生電容； （2）輸入阻抗； （3）干擾源的角頻率。,2、電

9、磁耦合： （1）噪聲電流； （2）互感系數(shù)； （3）噪聲源的角頻率。 3、共阻抗耦合：,4、漏電流耦合： 三、干擾的形態(tài)：根據(jù)噪聲進入系統(tǒng)的方式，與被測信號的關(guān)系分： 1、差模干擾：能夠使接收電路的一個輸入端相對于另一個輸入端產(chǎn)生電位差的干擾，干擾信號與被測信號串連在一起。,四、不同干擾的抑制措施： （一）信號通道干擾的抑制措施： 1、開關(guān)量信號通道中干擾的抑制措施：光電耦合器件： （1）原理： （2）光電耦合電路特點： 調(diào)節(jié)R1即可實現(xiàn)二極管通斷沒有電氣聯(lián)系，沒有共地輸入阻抗小、送到輸入端噪聲電壓小；抑制高峰尖端脈沖；完全隔離、不會擊穿；響應(yīng)速度快、延遲時間10毫秒。,2、模擬量信號通道中干

10、擾的抑制措施： 使用器件：變壓器、光電耦合器件。 （二）電源系統(tǒng)的抗干擾措施：,（三）空間干擾的抑制措施,作用在信號線及系統(tǒng)上 1、實現(xiàn)方法：采用屏蔽方法實現(xiàn)，屏蔽對干擾的吸收和發(fā)射作用，可有效防止空間磁力線和電力線干擾。 2、屏蔽方法：利用導(dǎo)電的低電阻材料制成容器或采用高倒磁材料制成的容器，以隔絕容器內(nèi)外的電磁或靜電的相互干擾。 3、屏蔽的分類： 靜電屏蔽 電磁屏蔽：利用導(dǎo)電性能良好的金屬內(nèi)渦流效應(yīng)，防止高頻磁通干擾； 磁屏蔽：利用高磁導(dǎo)材料，防止低頻磁通干擾 4、屏蔽結(jié)構(gòu)：屏蔽罩、屏蔽柵網(wǎng)、隔艙、導(dǎo)電材料、屏蔽銅箔,五、接地技術(shù),1、接地：將某點與一個等電位點或等電位面之間用低電阻導(dǎo)體連接

11、起來，以構(gòu)成儀器或設(shè)備的基準(zhǔn)電位。 大地接地 浮地：儀器或設(shè)備基準(zhǔn)電位 2、基地設(shè)計基本要求： （1）消除各電路電流流經(jīng)一個公共地線阻抗時所產(chǎn)生的噪聲電壓； （2）避免形成地環(huán)路。,（一）測控儀器的接地系統(tǒng),一點接地方式不會形成地環(huán)路和接地電位差,（二）測控儀器的浮地系統(tǒng),儀器地整個地線系統(tǒng)和大地之間沒有歐姆連接，僅以浮地作為它的電平基準(zhǔn)，即參考電平。,（三）測控儀器的接地方式,注意兩點： （1）所有導(dǎo)線都有一定阻抗； （2）兩個分開的接地點難于做到等電位。 一點接地多點接地 1、一點接地：,第五節(jié) 電路系統(tǒng)的可靠性,一、電路系統(tǒng)的可靠性,電路系統(tǒng)各個元件：電阻、電容、電感等單元電路 影響硬件可靠性因素： （一）元件失效： 1、元件失效原因： （1）元件本身失效，漏氣、焊接不良； （2）環(huán)境變化加速失效，溫度； （3）工藝問題，虛焊、篩選不嚴(yán)。,2、元件失效規(guī)律： 三階段