精密儀器電路第1章-1.ppt

1、精密儀器電路Circuits for Precision Instrument,教 材： 傳感器接口與檢測儀器電路 呂俊芳編著 北航出版社 1994,參考書目： 檢測儀器電子電路 李永敏 主編 西北工大出版社 1994 精密儀器電路 張國雄 沈生培 主編 機(jī)械工業(yè)出版社 1988 傳感器應(yīng)用及其電路精選 張福學(xué) 編著 電子工業(yè)出版社 1992,第一章 緒 論,一、電子電路在檢測儀器或檢測系統(tǒng)中的地位,當(dāng)代的檢測儀器或檢測系統(tǒng)幾乎都由傳感器件或傳感器、信號或數(shù)據(jù)處理器、顯示器或記錄器等幾大部分組成。,單參數(shù)檢測儀器結(jié)構(gòu)示意圖（不帶微機(jī)）,單參數(shù)檢測儀器結(jié)構(gòu)示意圖（帶微機(jī)）,多參數(shù)綜合檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2、示意圖,上述的結(jié)構(gòu)組成反映出電子電路可分布在檢測儀器或系統(tǒng)的各部分中：,傳感器 直讀式數(shù)字儀表 帶微機(jī)的檢測儀器（系統(tǒng)）,可以說，現(xiàn)代檢測儀器已是電子化的儀器。不僅信號轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，而且有許多非電量敏感元件本身也屬于電子元器件。 研究檢測儀器電子電路已成為檢測技術(shù)領(lǐng)域儀器儀表工業(yè)的一個(gè)重要分支。,為何電子電路在檢測儀器中會有如此廣泛的應(yīng)用，占有如此重要的地位？,主要原因：提高測量儀器的精度和靈敏度 擴(kuò)充量程和多功能實(shí)現(xiàn)自動化測量 排除機(jī)構(gòu)活動件，提高工作可靠性及壽命 尤其是配置微機(jī)系統(tǒng)的檢測儀器，具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，使功能和自動化程度達(dá)到更高的水平。,二、檢測儀器電路的內(nèi)

3、容與功用,（一）內(nèi)容,檢測儀器電路對傳感器輸出的測量信號進(jìn)行放大、處理、轉(zhuǎn)換和線性化處理后，驅(qū)動顯示或控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作。 換句話說，檢測儀器電路擔(dān)負(fù)著選擇、放大、運(yùn)算、信號轉(zhuǎn)換、邏輯處理等任務(wù)，是檢測儀器不可缺少的組成部分。,（二）主要功用,檢測儀器的主要優(yōu)點(diǎn),精度高,使用方便,易于自動化, 易于實(shí)現(xiàn)高倍率放大,分辯率讀數(shù)誤差, 易于實(shí)現(xiàn)量程切換,解決了量程與分辯率的矛盾, 通過信號的調(diào)制解調(diào)、選頻與濾波、共模抑制電路,方便地選取有用信號抑制無用信號，減少噪聲、干擾與非被測參數(shù)的影響, 利用電路可對儀器 誤差進(jìn)行自動校正,零點(diǎn)的自動校正 放大倍數(shù)的自動校正 非線性誤差的修正, 利用差動電路補(bǔ)償

4、電路、平衡電路,使許多干擾因素的影響互相抵消、顯著減小, 電路可方便信號傳輸，使它便于讀出或?qū)崿F(xiàn)控制、執(zhí)行, 電路放大倍數(shù)可很高，數(shù)字式電路讀取更方便, 電路的反應(yīng)速度高，信息傳輸快，利用信號鎖存，便于實(shí)現(xiàn)動態(tài)采樣, 利用電路可進(jìn)行巡回采樣或同時(shí)讀取多路信號, 利用信號分離電路，可讀取各成分參數(shù), 通過計(jì)算機(jī)與邏輯處理電路，便于實(shí)現(xiàn)信號的運(yùn)算處理，直接讀取所需的復(fù)雜參數(shù)值, 便于利用電路存儲測量結(jié)果,通過電路實(shí)現(xiàn)邏輯判斷、處理，功率放大、反饋控制等,計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用是儀器電路功能的延伸和新發(fā)展,檢測主要功用, 大量數(shù)據(jù)的動態(tài)和自動采樣 大量數(shù)據(jù)的存儲 完成較為復(fù)雜多樣的運(yùn)算 較為復(fù)雜多樣的誤差

5、自動修正 較高水平的智能化,計(jì)算機(jī)完成這些任務(wù)都需要儀器電路對信號進(jìn)行預(yù)處理，并通過接口將計(jì)算機(jī)與儀器溝通。,特點(diǎn)：運(yùn)算速度快、儲存量大、智能化、圖形化 發(fā)展：PC儀器、智能儀器、虛擬儀器,三、檢測儀器電路的特點(diǎn)與主要要求,（一）檢測儀器電子電路的特點(diǎn), 高精度與高穩(wěn)定性； 高靈敏度、高分辯率，可檢測微弱信號； 檢測信號的多樣性； 信號的處理要求； 儀器化的電路設(shè)計(jì)，要滿足操作方便、自動測試、工作可靠等要求。,構(gòu)成一臺完整的檢測儀器，可包括多種功能；只有組合起來，才能有效地完成檢測任務(wù)。 分析與綜合各種功能電路的能力是檢測儀器設(shè)計(jì)工作者的基本功。,（二）對檢測儀器電路的要求 首先是圍繞“檢測”

6、提出來，當(dāng)然還有其他一些要求。 1. 信號的拾取與抗干擾能力 首先，要求電路是低噪聲的（低噪聲器件、合理選擇參數(shù)） 其次，采取恰當(dāng)?shù)钠帘?、隔離，合理的布線與接地，電路本身的合理設(shè)計(jì),（二）對檢測儀器電路的要求,2. 穩(wěn)定性,是對儀器電路乃至整個(gè)測量儀器的最基本的要求。 溫 漂導(dǎo)致儀器的示值在一次運(yùn)行中發(fā)生漸變。 長期穩(wěn)定性由于元器件老化、接插件疲勞氧化原因，使儀器性能在長期運(yùn)行中發(fā)生變化。 短期穩(wěn)定性表示為示值重復(fù)性。主要由輸入信號的信噪比、電路本身的噪聲和抗干擾能力決定 電路的穩(wěn)定性不僅包括零點(diǎn)和放大倍數(shù)（靈敏度）的穩(wěn)定性；還應(yīng)包括線性度、頻率特性、輸入輸出阻抗的穩(wěn)定性等。,提高穩(wěn)定性的措施

7、 減小溫漂選溫漂小經(jīng)老化處理的元件，合理安排熱源，采取深度負(fù)反饋和補(bǔ)償措施。 提高短期穩(wěn)定性選低噪聲、工作性能穩(wěn)定可靠的元器件、適當(dāng)布線與接地及采取合適的抗干擾措施，還常采取深度負(fù)反饋、 差動或平衡電路。 靜態(tài)下：多次重復(fù)取樣取平均、 濾波器的時(shí)間常數(shù)示值分散性,（二）對檢測儀器電路的要求,3. 頻率特性與響應(yīng)速度,是衡量儀器動態(tài)性能的指標(biāo)。 被測對象頻率范圍，從直流開始，高端可至1011Hz，以致更高。頻率特性 同時(shí)巡回采樣，巡回點(diǎn)越多，要求采樣速度越高。 響應(yīng)速度,4. 線性度,是儀器精度的又一重要指標(biāo)。,通常要求儀器的輸入輸出間具有線性關(guān)系 線性標(biāo)尺便于讀出； 換檔時(shí)只須改變分度值，不必

8、另行定標(biāo)； 記錄波形曲線不失真； 進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、細(xì)分、伺服系統(tǒng)控制跟蹤時(shí)均不考慮非引發(fā)因素， 比較方便。 電測儀器的非線性度由傳感器、電路、顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)這三部分的非線性度產(chǎn)生。,（二）對檢測儀器電路的要求,5. 分辯率,提高分辯率有利于減小讀數(shù)誤差，方便讀數(shù)。 模擬儀表：最小刻度值的一半。 放大器的放大倍數(shù)。 數(shù)字儀表：數(shù)字顯示最低位1個(gè)字對應(yīng)的被測量。 量化誤差最低位1個(gè)字對應(yīng)的被測量細(xì)化電路 A/D位數(shù),6. 輸入與輸出阻抗,要與相應(yīng)的傳感器和所驅(qū)動的顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)阻抗匹配。 一般要求電路輸入阻抗很高。（有的傳感器輸出阻抗大108以上 ） 但不是所有情況（輸入阻抗 輸入端噪聲 ） 合理的要

9、求是輸入級的輸入阻抗應(yīng)與傳感器輸出阻抗相匹配，使放大器的輸出信噪比達(dá)最大值。,7. 計(jì)算與邏輯控制功能,通常檢測儀器需要完成一定的計(jì)算，以獲得所需的被測參數(shù)值； 儀器電路還要完成一系列邏輯判斷處理，以保證儀器正常工作。,四、檢測儀器電路的發(fā)展趨勢,電子管時(shí)期電子管放大器放大應(yīng)變電橋的輸出信號，組成電阻應(yīng)變儀。,50年代中后期晶體管發(fā)展到了實(shí)用階段。 各種電子管電路隨之改為晶體管電路。,60年代數(shù)字頻率計(jì)、數(shù)字電壓表等數(shù)字儀表發(fā)展到了實(shí)用階段。 各種各樣的數(shù)字儀表相繼投放市場。,70年代各種模擬、數(shù)字集成電路大批量投入生產(chǎn)，價(jià)格大大降低，為數(shù)字儀表的發(fā)展和推廣開辟了廣闊前景。,70年代中期微機(jī)系

10、統(tǒng)開始在檢測儀器中得到實(shí)際應(yīng)用。顯著提高了檢測儀器的性能和自動化程度。,80年代大規(guī)模集成電路制造技術(shù)不斷完善發(fā)展。 以單片集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器為核心的各種數(shù)字面板表取代傳統(tǒng)電表。,四、檢測儀器電路的發(fā)展趨勢,（一）優(yōu)質(zhì)化,優(yōu)質(zhì)化的一個(gè)重要方面就是提高電路的工作可靠性。,例：一個(gè)含有104個(gè)晶體管的電路 若單個(gè)晶體管可靠性為0.9999 整個(gè)電路可靠性為0.9999100000.37 若單個(gè)晶體管可靠性為0.99999 整個(gè)電路可靠性為0.99999100000.905 若單個(gè)晶體管可靠性為0.999999 整個(gè)電路可靠性為0.999999100000.99 為使整個(gè)電路的工作可靠性達(dá)到99%，則單個(gè)器件可靠性必須達(dá)到0.999999,（二）集成化,趨勢（1）集成塊的密集度越來越高； （2）采用集成塊的范圍越來越廣。,四、檢測儀器電路的發(fā)展趨勢,（三）數(shù)字化,能較好