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1、精密仪器电路精密仪器电路精密仪器电路精密仪器电路Circuits for Precision InstrumentCircuits for Precision Instrument 教教 材：材：传感器接口与检测仪器电路传感器接口与检测仪器电路 吕俊芳编著吕俊芳编著 北航出版社北航出版社 1994 参考书目：参考书目：检测仪器电子电路检测仪器电子电路 李永敏李永敏 主编主编 西北工大出版社西北工大出版社 1994精密仪器电路精密仪器电路 张国雄张国雄 沈生培沈生培 主编主编 机械工业出版社机械工业出版社 1988传感器应用及其电路精选传感器应用及其电路精选 张福学张福学 编著编著 电子工业出版
2、社电子工业出版社 1992第一章第一章第一章第一章 绪绪绪绪 论论论论一、电子电路在检测仪器或检测系统中的地位一、电子电路在检测仪器或检测系统中的地位 当代的检测仪器或检测系统几乎都由当代的检测仪器或检测系统几乎都由传感器件或传感器传感器件或传感器、信号或数据处理器信号或数据处理器、显示器或记录器显示器或记录器等几大部分组成。等几大部分组成。传感元件传感元件(一次转换一次转换)放大器或放大器或信号调理电路信号调理电路信号转信号转换电路换电路激励电路激励电路数字数字显示器显示器笔录仪笔录仪模拟电表模拟电表模拟指示模拟指示波形记录波形记录数字指示数字指示被测被测非电量非电量传感器传感器信号处理器信
3、号处理器显示、记录器显示、记录器单参数检测仪器结构示意图（不带微机）单参数检测仪器结构示意图（不带微机）单参数检测仪器结构示意图（带微机）单参数检测仪器结构示意图（带微机）单参数检测仪器结构示意图（带微机）单参数检测仪器结构示意图（带微机）传感元件传感元件(一次转换一次转换)放大器放大器信号调信号调理电路理电路数数模模转转换换器器激励电路激励电路CRT显示器显示器磁盘机磁盘机数字数字显示器显示器数字显示数字显示数据存储数据存储文字、表格、文字、表格、图形显示图形显示被测被测非电量非电量微微机机系系统统打印机打印机绘图仪绘图仪数据或图数据或图形记录形记录传感器传感器信号或数据处理器信号或数据处理
4、器多参数综合检测系统结构示意图多参数综合检测系统结构示意图多参数综合检测系统结构示意图多参数综合检测系统结构示意图传感器传感器2可可编编程程数数据据放放大大器器数数模模转转换换器器CRT显示器显示器磁盘机磁盘机模出接口模出接口输入输入2微微机机系系统统打印机打印机绘图仪绘图仪多多路路选选通通器器传感器传感器1输入输入1传感器传感器N输入输入N上述的结构组成反映出上述的结构组成反映出上述的结构组成反映出上述的结构组成反映出电子电路电子电路电子电路电子电路可分布在检测仪器或系统的各部分中：可分布在检测仪器或系统的各部分中：可分布在检测仪器或系统的各部分中：可分布在检测仪器或系统的各部分中：传感器传
5、感器直读式数字仪表直读式数字仪表带微机的检测仪器（系统）带微机的检测仪器（系统）可以说，可以说，现代检测仪器已是电子化的仪器。现代检测仪器已是电子化的仪器。不仅信号转换与不仅信号转换与数据处理属于电子技术领域，而且有许多非电量敏感元件本身也数据处理属于电子技术领域，而且有许多非电量敏感元件本身也属于电子元器件。属于电子元器件。研究检测仪器电子电路研究检测仪器电子电路已成为已成为检测技术领域仪器仪表工业检测技术领域仪器仪表工业的的一个重要分支。一个重要分支。为何电子电路在检测仪器中会有如此广泛的应用，占有如此重要的地位？为何电子电路在检测仪器中会有如此广泛的应用，占有如此重要的地位？主要原因：主
6、要原因：提高测量仪器的精度和灵敏度提高测量仪器的精度和灵敏度 扩充量程和多功能实现自动化测量扩充量程和多功能实现自动化测量 排除机构活动件，提高工作可靠性及寿命排除机构活动件，提高工作可靠性及寿命尤其是配置微机系统的检测仪器，具有更强的数据处理能力，尤其是配置微机系统的检测仪器，具有更强的数据处理能力，使功能和自动化程度达到更高的水平。使功能和自动化程度达到更高的水平。二、检测仪器电路的内容与功用二、检测仪器电路的内容与功用二、检测仪器电路的内容与功用二、检测仪器电路的内容与功用（一）内容（一）内容检测仪器电路对传感器输出的测量信号进行放大、检测仪器电路对传感器输出的测量信号进行放大、处理、转
7、换和线性化处理后，驱动显示或控制执行机处理、转换和线性化处理后，驱动显示或控制执行机构动作。构动作。换句话说，检测仪器电路担负着换句话说，检测仪器电路担负着选择、放大、运选择、放大、运算、信号转换、逻辑处理算、信号转换、逻辑处理等任务，是检测仪器不可缺等任务，是检测仪器不可缺少的组成部分。少的组成部分。（二）主要功用（二）主要功用（二）主要功用（二）主要功用检检测测仪仪器器的的主主要要优优点点精精度度高高使使用用方方便便易易于于自自动动化化 易于实现易于实现高倍率放大高倍率放大分辩率分辩率读数误差读数误差 易于实现易于实现量程切换量程切换解决了量程与分辩率的矛盾解决了量程与分辩率的矛盾 通过信
8、号的调制解调、选频与滤波、共模抑制电路通过信号的调制解调、选频与滤波、共模抑制电路方便地方便地选取有用信号抑制无用信号选取有用信号抑制无用信号，减少噪声、干，减少噪声、干扰与非被测参数的影响扰与非被测参数的影响 利用电路可对仪器利用电路可对仪器 误差进行误差进行自动校正自动校正零点零点的自动校正的自动校正放大倍数放大倍数的自动校正的自动校正非线性误差非线性误差的修正的修正 利用利用差动电路补偿电路差动电路补偿电路、平衡电路平衡电路使许多干扰因素的影响互相抵消、显著减小使许多干扰因素的影响互相抵消、显著减小 电路可电路可方便方便信号传输，使它信号传输，使它便于便于读出或实现控制、执行读出或实现控
9、制、执行 电路放大倍数可很高，数字式电路电路放大倍数可很高，数字式电路读取更方便读取更方便 电路的反应速度高，信息传输快，利用信号锁存，电路的反应速度高，信息传输快，利用信号锁存，便于实便于实现动态采样现动态采样 利用电路可进行利用电路可进行巡回采样巡回采样或同时读取多路信号或同时读取多路信号 利用信号分离电路，可读取利用信号分离电路，可读取各成分参数各成分参数 通过计算机与逻辑处理电路，便于实现信号的通过计算机与逻辑处理电路，便于实现信号的运算处理运算处理，直接读取所需的直接读取所需的复杂参数值复杂参数值 便于利用电路便于利用电路存储测量结果存储测量结果通过电路实现逻辑判断、处理，功率放大、
10、反馈控制等通过电路实现逻辑判断、处理，功率放大、反馈控制等计算机的广泛应用是仪器电路功能的延伸和新发展计算机的广泛应用是仪器电路功能的延伸和新发展计算机的广泛应用是仪器电路功能的延伸和新发展计算机的广泛应用是仪器电路功能的延伸和新发展检检检检测测测测主主主主要要要要功功功功用用用用 大量数据的大量数据的动态动态和和自动自动采样采样 大量数据的大量数据的存储存储 完成较为复杂多样的完成较为复杂多样的运算运算 较为复杂多样的较为复杂多样的误差自动修正误差自动修正 较高水平的较高水平的智能化智能化 计算机完成这些任务都需要仪器电路对信号进行预处理，并计算机完成这些任务都需要仪器电路对信号进行预处理，
11、并通过接口将计算机与仪器沟通。通过接口将计算机与仪器沟通。特点：特点：特点：特点：运算速度快、储存量大、智能化、图形化运算速度快、储存量大、智能化、图形化发展：发展：发展：发展：PC仪器、智能仪器、虚拟仪器仪器、智能仪器、虚拟仪器三、检测仪器电路的特点与主要要求三、检测仪器电路的特点与主要要求三、检测仪器电路的特点与主要要求三、检测仪器电路的特点与主要要求（一）检测仪器（一）检测仪器电子电路电子电路的特点的特点 高精度高精度与与高稳定性高稳定性；高灵敏度高灵敏度、高分辩率高分辩率，可检测微弱信号；，可检测微弱信号；检测信号的检测信号的多样性多样性；信号的信号的处理要求处理要求；仪器化的电路设计
12、，要满足仪器化的电路设计，要满足操作方便操作方便、自动测试自动测试、工作可靠工作可靠等要求。等要求。构成一台完整的检测仪器，可包括多种功能；只有组合起来，才构成一台完整的检测仪器，可包括多种功能；只有组合起来，才能有效地完成检测任务。能有效地完成检测任务。分析与综合各种功能电路的能力分析与综合各种功能电路的能力是检测仪器设计工作者的是检测仪器设计工作者的基本功基本功。（二）对检测仪器电路的要求（二）对检测仪器电路的要求首先是围绕首先是围绕“检测检测”提出来，当然还有其他一些要求。提出来，当然还有其他一些要求。1.信号的拾取与抗干扰能力信号的拾取与抗干扰能力首先，要求电路是低噪声的（低噪声器件、
13、合理选择参数）首先，要求电路是低噪声的（低噪声器件、合理选择参数）其次，采取恰当的屏蔽、隔离，合理的布线与接地，电路本身其次，采取恰当的屏蔽、隔离，合理的布线与接地，电路本身的合理设计的合理设计（二）对检测仪器电路的要求（二）对检测仪器电路的要求（二）对检测仪器电路的要求（二）对检测仪器电路的要求2.稳定性稳定性 是对仪器电路乃至整个测量仪器的是对仪器电路乃至整个测量仪器的最基本的要求最基本的要求。温温 漂漂导致仪器的示值在导致仪器的示值在一次运行中发生渐变一次运行中发生渐变。长期稳定性长期稳定性由于元器件老化、接插件疲劳氧化原因，使仪器由于元器件老化、接插件疲劳氧化原因，使仪器性能在性能在长
14、期运行中发生变化长期运行中发生变化。短期稳定性短期稳定性表示为表示为示值重复性示值重复性。主要由输入信号的信噪比、电路本身的噪声和抗干扰能力决定主要由输入信号的信噪比、电路本身的噪声和抗干扰能力决定电路的稳定性不仅包括电路的稳定性不仅包括零点和放大倍数（灵敏度）零点和放大倍数（灵敏度）的稳定性；还应的稳定性；还应包括包括线性度线性度、频率特性频率特性、输入输出阻抗输入输出阻抗的稳定性等。的稳定性等。提高稳定性的措施提高稳定性的措施 减小温漂减小温漂选温漂小经老化处理的元件，合理安排热源，采取选温漂小经老化处理的元件，合理安排热源，采取深度负反馈和补偿措施。深度负反馈和补偿措施。提高短期稳定性提
15、高短期稳定性选低噪声、工作性能稳定可靠的元器件、适选低噪声、工作性能稳定可靠的元器件、适当布线与接地及采取合适的抗干扰措施，还当布线与接地及采取合适的抗干扰措施，还常采取常采取深度负反馈深度负反馈、差动差动或或平衡平衡电路。电路。静态静态下：多次重复取样取平均、下：多次重复取样取平均、滤波器的时间常数滤波器的时间常数示值分散性示值分散性（二）对检测仪器电路的要求（二）对检测仪器电路的要求（二）对检测仪器电路的要求（二）对检测仪器电路的要求3.频率特性与响应速度频率特性与响应速度 是衡量仪器是衡量仪器动态性能动态性能的指标。的指标。被测对象频率范围，从直流开始，高端可至被测对象频率范围，从直流开
16、始，高端可至1011Hz，以致更高。以致更高。频率特性频率特性同时巡回采样，巡回点越多，要求采样速度越高。同时巡回采样，巡回点越多，要求采样速度越高。响应速度响应速度4.线性度线性度是仪器是仪器精度精度的又一重要指标。的又一重要指标。xy0实际曲线实际曲线规定曲线规定曲线通常要求仪器的输入输出间具有线性关系通常要求仪器的输入输出间具有线性关系 线性标尺便于读出；线性标尺便于读出；换档时只须改变分度值，不必另行定标；换档时只须改变分度值，不必另行定标；记录波形曲线不失真；记录波形曲线不失真；进行进行A/D转换、细分、伺服系统控制跟踪时均不考虑非引发因素，转换、细分、伺服系统控制跟踪时均不考虑非引
17、发因素，比较方便。比较方便。电测仪器的非线性度由电测仪器的非线性度由传感器传感器、电路电路、显示执行机构显示执行机构这三部分的这三部分的非线性度产生。非线性度产生。（二）对检测仪器电路的要求（二）对检测仪器电路的要求（二）对检测仪器电路的要求（二）对检测仪器电路的要求5.分辩率分辩率提高分辩率有利于减小读数误差，方便读数。提高分辩率有利于减小读数误差，方便读数。模拟仪表模拟仪表：最小刻度值的一半。：最小刻度值的一半。放大器的放大倍数。放大器的放大倍数。数字仪表数字仪表：数字显示最低位：数字显示最低位1个字对应的被测量。个字对应的被测量。量化误差量化误差最低位最低位1个字对应的被测量个字对应的被
18、测量 细化电路细化电路 A/D位数位数6.输入与输出阻抗输入与输出阻抗要与相应的要与相应的传感器传感器和所驱动的和所驱动的显示执行机构显示执行机构阻抗匹配阻抗匹配。一般要求电路输入阻抗很高。（一般要求电路输入阻抗很高。（有的传感器输出阻抗大有的传感器输出阻抗大108以上以上）但不是所有情况（但不是所有情况（输入阻抗输入阻抗 输入端噪声输入端噪声）合理的要求是合理的要求是输入级的输入阻抗应与传感器输出阻抗输入级的输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配相匹配，使，使放大器的放大器的输出信噪比输出信噪比达最大值。达最大值。7.计算与逻辑控制功能计算与逻辑控制功能通常检测仪器需要完成一定的通常检测仪器需要完
19、成一定的计算计算，以获得所需的被测参数值；，以获得所需的被测参数值；仪器电路还要完成一系列仪器电路还要完成一系列逻辑判断处理逻辑判断处理，以保证仪器正常工作。，以保证仪器正常工作。四、检测仪器电路的发展趋势四、检测仪器电路的发展趋势四、检测仪器电路的发展趋势四、检测仪器电路的发展趋势电子管时期电子管时期电子管放大器电子管放大器放大应变电桥的输出信号，放大应变电桥的输出信号，组成电阻应变仪。组成电阻应变仪。50年代中后期年代中后期晶体管晶体管发展到了实用阶段。发展到了实用阶段。各种电子管电路随之改为晶体管电路。各种电子管电路随之改为晶体管电路。60年代年代数字频率计、数字电压表等数字频率计、数字
20、电压表等数字仪表数字仪表发展到了实用阶段。发展到了实用阶段。各种各样的数字仪表相继投放市场。各种各样的数字仪表相继投放市场。70年代年代各种各种模拟模拟、数字集成电路数字集成电路大批量投入生产，价格大大降大批量投入生产，价格大大降低，为数字仪表的发展和推广开辟了广阔前景。低，为数字仪表的发展和推广开辟了广阔前景。70年代中期年代中期微机系统微机系统开始在检测仪器中得到实际应用。开始在检测仪器中得到实际应用。显著提高了检测仪器的性能和自动化程度。显著提高了检测仪器的性能和自动化程度。80年代年代大规模集成电路大规模集成电路制造技术不断完善发展。制造技术不断完善发展。以以单片集成模数转换器单片集成
21、模数转换器为核心的各种数字面板表取代传统电表。为核心的各种数字面板表取代传统电表。四、检测仪器电路的发展趋势四、检测仪器电路的发展趋势四、检测仪器电路的发展趋势四、检测仪器电路的发展趋势（一）优质化（一）优质化优质化的一个优质化的一个重要方面就是提高电路的工作重要方面就是提高电路的工作可靠性可靠性。例：例：一个含有一个含有104个晶体管的电路个晶体管的电路若单个晶体管可靠性为若单个晶体管可靠性为0.9999 整个电路可靠性为整个电路可靠性为0.9999100000.37若单个晶体管可靠性为若单个晶体管可靠性为0.99999 整个电路可靠性为整个电路可靠性为0.99999100000.905若单
22、个晶体管可靠性为若单个晶体管可靠性为0.999999 整个电路可靠性为整个电路可靠性为0.999999100000.99为使整个电路的工作可靠性达到为使整个电路的工作可靠性达到99%，则单个器件可靠性必须达，则单个器件可靠性必须达到到0.999999（二）集成化（二）集成化趋势趋势（1）集成块的密集度越来越高；）集成块的密集度越来越高；（2）采用集成块的范围越来越广。）采用集成块的范围越来越广。四、检测仪器电路的发展趋势四、检测仪器电路的发展趋势四、检测仪器电路的发展趋势四、检测仪器电路的发展趋势（三）数字化（三）数字化能较好地解决能较好地解决量程量程和和分辩率分辩率的矛盾；的矛盾；（1）易于集成化；）易于集成化；（2）抗干扰能力强；）抗干扰能力强；（3）便于动态采样，便于记忆存储；）便于动态采样，便于记忆存储；（4）便于与计算机联用。）便于与计算机联用。但数字电路但数字电路不能完全取代不能完全取代模拟电路。模拟电路。（四）通用化（四）通用化（1）一个电路尽量采用相同的单元电路；）一个电路尽量采用相同的单元电路；（2）整个仪器的构成采用电路模块化、积木化；）整个仪器的构成采用电路模块化、积木化；（3）推广通用仪器。）推广通用仪器。（五）自动化与智能化（五）自动化与智能化（六）虚拟化（六）虚拟化