chap01_测控绪论
测控电路第1章 绪论 1.1 测控电路的作用1.2 对测控电路的主要要求1.3 测控电路的输入信号与输出信号*1.4 测控电路的类型与组成*1.5 测控电路的发展趋势1.6 课程的性质、内容与学习方法1.1 测控电路的作用 1.1.1 测控电路的作用n衡量生产过程优劣的两项主要指标产品质量和生产的效率，都需要由测量和控制来保证。(狭义)n生产过程和生产的自动化。数控机床加工过程n产品的质量由控制来保证，由测量来检测（人工加工也是如此）n在科学研究中的作用。实验/实践是检验真理的唯一标准 没有测量就没有科学，至少是没有真正的科学、精确的科学。 -门得列捷夫n测控在高新科技的应用 神舟飞船/探月工程n现代生活 食品、药品/智能楼宇/汽车/医疗/环境/Date21.1.2 测控系统的组成 对测控电路来讲 输入：传感器是敏感元件，检测被测参数的变化。一般将非电量转换为电量。-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电量，如伺服阀将控制信号转换为阀的位移信号，伺服电机将控制信号转换为角位移等传感器 测量控制电路执行机构Date3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，还可能伴随着各种噪声 测控电路将其放大，滤波（信号分离） 将信号进行运算、转换，功率放大,输出能控制机构动作的信号 测控电路是测控系统中最灵活的部分，起着十分关键的作用。（现代测控技术：硬件+软件，硬件是基础，软件是灵魂）Date41.2 对测控电路的主要要求 对测控电路的要求，是由测量任务提出的。可概括为精度高，响应快，转换灵活（精、快、灵），此外还有稳定性，可靠性，经济性等要求。n一、精度高n二、响应快n三、转换灵活n四、可靠性与经济性Date51.2.1 精度高（影响测量精度的因素） 1、低噪声与高抗干扰能力n原因：高精度测量时，传感器的输出信号往往是很微小的。n措施：1)选用低噪声的器件，合理布线，采用适当的接地、隔离与屏蔽等。合理考虑第一级信号。n2）对信号进行调制，可以有效抑制干扰n3)采用高共模抑制比差动电路。大多数干扰表现为共模干扰。(信号传输中的双绞线)Date6精度问题(续) 2 低漂移，高稳定性n原因：大部分电子元件的特性，都会受温度影响在一定程度上发生变化，温漂。n措施：1)选择温漂小， 即对温度不敏感的元器件n2）减小电路中关键部分的温度变化，大功率器件远离前级电路，安排散热。Date7精度问题(续) 3 线性与低失真(高保真)n输入与输出具有线性关系。(万用表测量电阻，非线性)n测量不失真，测控电路在信号所占有的频率范围内，具有良好的频率特性。 不失真测量的条件nY= kX(t) y=kX(t-t0) 时域n频域：幅频n 相频 Date8精度问题(续) 4、有合适的输入/输出阻抗n前级电路与后级电路互相影响n前级相当于电压源时，前级输出阻抗应较小，后级输入阻抗应较大(对比理想电压源)。n对电压输出，测量电路的输入阻抗应较大，输出阻抗应较小。对前后级电路工作有利。Date91.2.2 动态特性好 包括响应快和动态失真小 实时动态测量已成为测量技术发展的主要方向 对高速运动的系统,控制的滞后可能引起系统振荡,导致系统失去稳定. 例:雷达/火炮防空系统Date101.2.3 转换灵活 1)模/数及数/模转换 A/D,D/An计算机控制 传感器/执行机构的输入/出为模拟信号 2)电量参数的转换n直流与交流(AC/DC),电压与电流(V/I),电压与频率(V/F),信号的调制/解调 3)量程的转换n万用表的使用.PGA(可编程增益放大器) 4)信号的处理与运算n进行信号的选取(滤波),加减乘除微积分运算峰值,平均值,有效值,绝对值/线性化处理与误差补偿n(硬件+软件)Date111.2.4 可靠性与经济性 测控电路在各种环境下的适应性. (不仅仅是实验室环境) 在满足性能要求的前提下,简化电路,对器件的要求不能太高. 合理的性价比.Date121.3 测控电路的输入信号和输出信号 1.3.1 模拟信号 1,非调制信号12 0 x tDate13模拟信号-2 已调制信号 从输入: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usucx2143c)ustuctb)a)O xtxO xO调制信号-轮廓形状载波信号-供电信号输出信号-已调信号Date14信号调制的概念 1、载波频率（carrying frequency)n传感器的供电频率 2、载波信号（carrying signal)n具有载波频率的高频信号 3、调制信号（modulating signal)n对载波信号进行调制的信号 4、已调信号（modulated signal)n调制后的信号 5、调幅信号（amplitude modulated signal)n幅值受到调制 调制信号(包络信号)X载波信号(高频信号)=已(经)调信号Date151.3.2 数字信号 1，增量码信号 输入：增量式码盘，光栅，激光干涉法测量位移 输出：步进电机 特点：1,（输入）被测量值与传感器输出信号的变化周期数成正比 2,反应变化量的信号，与被测对象的状态无对应关系，y=y0+delta_y 例：分辨率为1000的编码器,输出波形（A，B相，示意）Date162，绝对码信号n 绝对码信号是一种与状态相对应的信号n 例：绝对式码盘：每个角度方位对应一组编码。n Y=kx (以4位编码为例 k=360/（24) )1111000000010010001101000101011001111000111011001101101110101001Date173，开关信号 开关信号只有两种状态，0/1，高/低电平，开/关 输入：行程开关，光电开关，触发式测头 输出：继电器，电磁铁等 在工业中应用很广。（PLC处理大量的开关信号，信号的关系时序逻辑复杂，数量很多时,也是一个复杂系统）Date181.4 测控电路的类型与组成 1.4.1 测量电路的基本组成n1,模拟式测量电路的基本组成n2,数字式测量电路的基本组成 1.4.2 控制电路的基本组成n1,开环控制n2,闭环控制Date191.4.1.1 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Date20增量码数字式测量电路的基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Date211.4.2.1 开环控制 开环控制的典型例子是步进电机控制 系统能够获得正确的输出是建立在输入与输出有确定的函数关系的基础上 扰动和噪声,会引起输出的变化 通过传感器检测扰动,进行修正Date22开环控制(续)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Date231.4.2.2 闭环控制 主要特点:n用传感器直接测量输出量,将它反馈到输入端与设定电路的输出相比较,进行调节.n影响精度的主要因素是传感器和比较电路的精度. 常用PID校正电路nP比例环节nI积分环节,消除静差,防止振荡nD微分环节,提高响应速度Date24闭环控制(续) 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Date251.5 测控电路的发展趋势 1,性能不断提高n低噪声,高稳定性,高频响,高可靠性.n性能不断提高,功能完善,价格下降.(摩尔定律在电子产品中表现明显) 2,集成与微型化n集成化是微型化的重要措施.n集成电路体积小,功耗小,引线短,寄生因素小,容易达到较高精度与频响.n另一特点是有源元件容易制作,无源元件难以制作,电感电容变压器等更难制作.n另一特点是参数不易精确,但一致性好,因此许多时候采用差动电路Date26发展趋势(续) 3,系统设计观点na)测量与控制电路紧密相联。测量是实现闭环控制的前提。nb)测控电路与机械、光学，甚至生物、化学（生物医学仪器），计算机硬件与软件相结合。nC)虚拟仪器VI （NI:软件即仪器） 4,数字化n数字电路易于集成，抗干扰性强，便于与计算机连接，但不能完全代替模拟电路，客观世界的许多参数都是模拟量；许多前级信号需经模拟电路调理后，再转换成数字信号；执行机构需要模拟信号；模拟运算的速度比数字电路或软件要快。Date27发展趋势(续) 5,通用化,模块化（复杂电路的分解） 6,智能化n自动控制，自动故障诊断，自适应控制等。Date28第六节 课程的性质、内容与学习方法 课程的性质：测控技术与仪器专业的专业课。n应用电子技术解决测量和控制中提出的任务n分析：电路的工作原理，基本组成n综合/设计 电路和选用与设计，包括参数设计n面向工程应用 与其他课程的关系n电路/模拟/数字电路/微机原理与接口技术/单片机/程序设计语言/自动控制原理，信号与系统，控制技术与系统,计算机控制Date29课程的性质、内容与学习方法(续) 课程内容n信号的放大，调制/解调，信号分离，信号的运算与转换，信号的细分与辨向/连续信号和逻辑与数字控制电路Date30课程的性质、内容与学习方法(续) 学习方法n掌握基本概念，基本电路，基本分析方法，重视应用n不满足于会计算,逐步掌握设计和分析测试电路的方法(毕业设计)n与其他课程的结合(电路,模电,数电,单片机原理及应用,Protel等)n学习复杂电路时要有耐心n平时成绩20%+考试成绩80%Date31 第1章 本章结束!Date32
