传感器和信号调节课件

工业系统测量工业系统测量传感器与信号调理电路传感器与信号调理电路2023/9/16力的测量与差动放大2u如何测量你的体温？如何测量你的体温？包括：获取温度信号以及处理温度信号包括：获取温度信号以及处理温度信号u本讲我们将了解测量系统的组成，包括本讲我们将了解测量系统的组成，包括信号的获信号的获取取以及以及信号的预处理信号的预处理。另外，着重介绍在信号处。另外，着重介绍在信号处理中使用最多的器件：理中使用最多的器件：运算放大器运算放大器。引言引言温度测量系统温度测量系统温度温度电信号电信号符合要求符合要求的信号的信号2023/9/16西安交通大学工程训练中心3传感器传感器u传感器传感器定义定义：能感受某种信息（：能感受某种信息（被测量被测量），并按），并按一定规律一定规律将其转换成将其转换成可用信号可用信号的器件或装置；的器件或装置；p可用信号：某一定场合中便于传输和处理且可以使用可用信号：某一定场合中便于传输和处理且可以使用的信号，常是电量。的信号，常是电量。u传感器的传感器的本质本质：将被测量从一种：将被测量从一种能量能量形式形式转换转换成成另一种能量形式，并作为可用信号输出；另一种能量形式，并作为可用信号输出；u狭义的传感器：被测量狭义的传感器：被测量电信号；电信号；u传感器是工业系统的感官，获取工业系统中的位传感器是工业系统的感官，获取工业系统中的位置、转速、温度、液位、压力等信息；置、转速、温度、液位、压力等信息；u对传感器的要求：对传感器的要求：线性度好线性度好、无滞环误差无滞环误差、特性特性稳定稳定、测量范围宽测量范围宽、响应迅速。响应迅速。被测量被测量可用信号可用信号物理量物理量化学量化学量生物学量生物学量2023/9/16西安交通大学工程训练中心4信号调理电路信号调理电路u问题：问题：传感器的输出信号往往传感器的输出信号往往很微弱很微弱，或，或波形不适当波形不适当，或，或信信号形式不适合号形式不适合，不能直接用于工业系统的状态显示和，不能直接用于工业系统的状态显示和控制。控制。u解决：电压放大、整形、电流电压转换、频率解决：电压放大、整形、电流电压转换、频率电压转换等；电压转换等；u信号调理电路：对传感器的输出信号施行一定信号调理电路：对传感器的输出信号施行一定预预处理处理的装置，使信号适于显示或控制。的装置，使信号适于显示或控制。主要技术：电子技术主要技术：电子技术运算放大器运算放大器u测量同一被测量：不同的测量方法测量同一被测量：不同的测量方法不同的传感不同的传感器及相应的器及相应的信号调理电路。信号调理电路。u同一传感器可以用于不同的工业系统。同一传感器可以用于不同的工业系统。2023/9/16西安交通大学工程训练中心5直流电源直流电源测量系统测量系统典型测量系统的组成典型测量系统的组成现场现场物理量物理量可用可用信号信号信号发生器信号发生器示波器示波器控制装置控制装置万用表万用表2023/9/16西安交通大学工程训练中心6常用仪器在测量系统中的应用常用仪器在测量系统中的应用u信号发生器信号发生器：产生：产生标准信号标准信号（不同波形种类（不同波形种类、不、不同频率和幅值的同频率和幅值的信号）；信号）；调试和维修时，调试和维修时，模拟传感器的输出信号模拟传感器的输出信号u示波器示波器：测量并显示电路中不同点的信号；：测量并显示电路中不同点的信号；u直流电源直流电源：为系统各部分供电；：为系统各部分供电；u万用表万用表：最方便的检测仪器：最方便的检测仪器可测量电压、电流、电阻、电容、电感、温度可测量电压、电流、电阻、电容、电感、温度2023/9/16西安交通大学工程训练中心7集成运算放大器集成运算放大器u集成运算放大器是一种集成运算放大器是一种高放大倍数高放大倍数的直接耦合放的直接耦合放大器件；大器件；u完成信号放大、信号运算（加、减、乘、除、对完成信号放大、信号运算（加、减、乘、除、对数、反对数、平方、开方等）、信号处理（滤波、数、反对数、平方、开方等）、信号处理（滤波、调制等）以及波形的产生和变换等功能；调制等）以及波形的产生和变换等功能；u由于集成运放具有性能稳定、可靠性高、寿命长、由于集成运放具有性能稳定、可靠性高、寿命长、体积小、重量轻、耗电量少等优点，得到了广泛体积小、重量轻、耗电量少等优点，得到了广泛的应用；的应用；u注意：集成运算放大器是一个有源器件。注意：集成运算放大器是一个有源器件。2023/9/16西安交通大学工程训练中心8运算放大器运算放大器u运算放大器的符号以及常见的运算放大器：运算放大器的符号以及常见的运算放大器：管脚起始管脚起始朝左朝左管脚序号逆时针方向增长！管脚序号逆时针方向增长！OP07LM324_+2023/9/16西安交通大学工程训练中心9运算放大器运算放大器u运算放大器简称为运放；运算放大器简称为运放；u运放有两个输入端：运放有两个输入端：p同相输入端同相输入端p反相输入端反相输入端p有单端和差动两种输入方式有单端和差动两种输入方式u一个输出端；一个输出端；2023/9/16西安交通大学工程训练中心10运算放大器运算放大器u“放大放大”的含义及工作特性曲线的含义及工作特性曲线0ViVoE+E-正向饱和正向饱和反向截止反向截止线性放大区线性放大区“放大放大”的含义的含义运放的工作特性曲线运放的工作特性曲线Vo(E-,E+)2023/9/16西安交通大学工程训练中心11理想运算放大器理想运算放大器A很大，很大，1000以上以上ri很大，兆欧以上很大，兆欧以上ro很小，可以忽略很小，可以忽略Vo有限，电源电压范围内有限，电源电压范围内Ariro0Vo(E-,E+)V+=V-Ii=0虚通虚通虚短虚短虚断虚断考虑电压考虑电压考虑电流考虑电流理想运放是一个理想运放是一个高增益、高输入电阻、低输出电阻高增益、高输入电阻、低输出电阻的器件。的器件。1反相输入端反相输入端ri_+ro_ AVi+122同相输入端同相输入端32023/9/16西安交通大学工程训练中心12理想运算放大器理想运算放大器u在输入一侧考虑电压关系时：反相输入端与同相在输入一侧考虑电压关系时：反相输入端与同相输入端的电压相等，称为输入端的电压相等，称为“虚通虚通”或或“虚短虚短”；p若同相端（反相端）接地，即同相端（反相端）电位为若同相端（反相端）接地，即同相端（反相端）电位为零，则反相端（同相端）电位也为零，称为零，则反相端（同相端）电位也为零，称为“虚地虚地”；u在输入一侧考虑电流关系时：反相输入端与同相在输入一侧考虑电流关系时：反相输入端与同相输入端之间的电流为零，称为输入端之间的电流为零，称为“虚断虚断”。_+1232023/9/16西安交通大学工程训练中心13单端输入与差动输入单端输入与差动输入u单端输入方式单端输入方式p一端接输入信号，另一一端接输入信号，另一端接地（或通过电阻接端接地（或通过电阻接地）地）p同相输入同相输入p反相输入反相输入u差动输入方式（双端输入）差动输入方式（双端输入）p输入信号输入信号V1和和V2同时加在同相同时加在同相端端1和反相端和反相端2上上 pViV1V22023/9/16西安交通大学工程训练中心14开环方式与反馈方式开环方式与反馈方式u开环方式开环方式p输出端与输入端之间除输出端与输入端之间除地线外没有连接；地线外没有连接；p如：比较器。如：比较器。u反馈方式反馈方式p有信号从输出端经过某有信号从输出端经过某种电路回到输入端，构种电路回到输入端，构成反馈回路。成反馈回路。2023/9/16西安交通大学工程训练中心15正确理解运放的正确理解运放的“工作方式工作方式”u运放内部并没有所谓的运放内部并没有所谓的“工作方式工作方式”，它只会按，它只会按照运放的工作特性曲线工作（即对所有的照运放的工作特性曲线工作（即对所有的“工作工作方式方式”都一样）；都一样）；u所谓的所谓的“工作方式工作方式”是依是依运放的外部连接运放的外部连接而引入而引入的说明。的说明。2023/9/16西安交通大学工程训练中心16运放的分析方法运放的分析方法三步走三步走u虚断：把电路分为两个电阻串并联的支路；虚断：把电路分为两个电阻串并联的支路；u虚短：虚短：V+=V-，即两个支路之间的关系；，即两个支路之间的关系；u使用电阻串并联的方法求解（设电流使用电阻串并联的方法求解（设电流 i）。）。2023/9/16西安交通大学工程训练中心17运放应用：运放应用：反相比例放大器反相比例放大器Va=0a点常称点常称“虚地虚地”点点虚断虚断虚短虚短R2R1_+10V-10VR3a2023/9/16西安交通大学工程训练中心18运放应用：运放应用：反相比例放大器反相比例放大器R2R1_+10V-10VR3a虚短虚短虚断虚断反向输入支路反向输入支路同向输入支路同向输入支路2023/9/16西安交通大学工程训练中心19运放应用：运放应用：同相比例放大器同相比例放大器虚断虚断虚短虚短原理图中常用的原理图中常用的简化画法简化画法2023/9/16西安交通大学工程训练中心20运放应用：运放应用：电压跟随器电压跟随器虚断虚断虚短虚短输出跟随输入变化。输出跟随输入变化。作用：作用：前后极之间的前后极之间的隔离、缓冲，提高带隔离、缓冲，提高带负载能力等。负载能力等。2023/9/16西安交通大学工程训练中心21运放的运放的补充说明补充说明u前面讲的均是运放的理想模型，集成运放内部并前面讲的均是运放的理想模型，集成运放内部并非真如模型的结构，但是它有与模型相同的特性非真如模型的结构，但是它有与模型相同的特性（工作特性曲线），所以可以使用理想模型来分（工作特性曲线），所以可以使用理想模型来分析运放；析运放；u集成运放内部结构复杂，在集成运放内部结构复杂，在模拟电子技术模拟电子技术课课程中有深入的讲解，可以参考：程中有深入的讲解，可以参考：p模拟电子技术基础（第三版）模拟电子技术基础（第三版）清华大学电子学清华大学电子学教研组教研组 编编 童诗白童诗白 华成英华成英 主编主编2023/9/16西安交通大学工程训练中心22训练内容训练内容1：反相放大器的测试反相放大器的测试u输入信号输入信号ui：正弦波，：正弦波，f=2kHz，直流电平为，直流电平为0V，uip-p=0.4V、0.8V、1.2V、1.8V、2.5V；u双踪观察输入输出波形，双踪观察输入输出波形，记录输出记录输出uop-p；u连续增大连续增大ui的幅值，记录的幅值，记录出现饱和现象时输入、输出现饱和现象时输入、输出信号的峰峰值。出信号的峰峰值。uip-p(V)uop-p(V)0.40.81.21.82.5临界饱和时：临界饱和时：;。2023/9/16西安交通大学工程训练中心23信号发生器信号发生器直流电源直流电源反相放大器的训练：反相放大器的训练：接线示意图接线示意图示波器示波器电电路路的的检检测测方方法法：1.检检查查电电源源供供电电是是否否正正常常？2.有有问问题题，检检查查连连接接点点导导线线直直流流电电源源的的使使用用：开开启启之之前前逆逆时时针针旋旋到到底底“跟跟踪踪”按按下下电电路路中中所所有有的的地地要要“共共地地”2023/9/16西安交通大学工程训练中心24训练电路板简介训练电路板简介2023/9/16西安交通大学工程训练中心25训练内容训练内容2：同相放大器的测试同相放大器的测试u输入信号输入信号ui：正弦波，：正弦波，f=2kHz，直流电平为直流电平为0V，uip-p=0.4V、0.8V、1.2V、1.8V、2.5V；u双踪观察输入输出波形，记录输双踪观察输入输出波形，记录输出出uop-p；u连续增大连续增大ui的幅值，记录出现饱的幅值，记录出现饱和现象时输入、输出信号的峰峰和现象时输入、输出信号的峰峰值。值。uip-p(V)uop-p(V)0.40.81.21.82.5临界饱和时：临界饱和时：;。2023/9/16西安交通大学工程训练中心26训练内容训练内容3：电压跟随器的测试电压跟随器的测试u输入信号输入信号ui：正弦波，：正弦波，f