精密仪器设计-精密电路设计

非线性误差的修正
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2、功能：有助实现精密仪器高精度、使用方便、自动化
① 电路可方便信号传输，使它便于读出或实现控制、执行；
② 电路放大倍数可很高，数字式电路读取更方便；
③ 电路的反应速度高，信息传输快，利用信号锁存，便于实
使
现动态采样；
用 方
④ 利用电路可进行巡回采样或同时读取多路信号；
便 ⑤ 利用信号分离电路，可读取各成分参数；
数字仪表：数字显示最低位1个字对应的被测量。
↓量化误差→↓最低位1个字对应的被测量↗细化电路
6. 输入与输出阻抗
↘↑A/D位数
－－要与相应的传感器和所驱动的显示执行机构阻抗匹配。
一般要求电路输入阻抗很高。（∵有的传感器输出阻抗大108Ω以上 ） 但不是所有情况（∵输入阻抗↑ → 输入端噪声↑ ）
合理的要求是输入级的输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配，使 放大器的输出信噪比达最大值。
② 易于实现量程切换 解决了量程与分辩率的矛盾
精 ③ 通过信号的调制解调、选频与滤波、共模抑制电路
度
方便地选取有用信号、抑制无用信号；
高
减少噪声、干扰与非被测参数的影响。
④ 利用电路可对仪器误差进行自动校正
使许多干扰因素的影响互相抵消、显著减小
⑤ 利用差动电路补偿电路、平衡电路 零点的自动校正、放大倍数的自动校正、
采取深度负反馈和补偿措施。 ② 提高短期稳定性－－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，还常采取 深度负反馈、 差动或平衡电路。 静态下：多次重复取样取平均、↑滤波器的时间常数→↓示值分散性。
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三、精密仪器电路的特点与主要要求
3. 频率特性与响应速度
－－是衡量仪器动态性能的指标。
为何电子电路会有如此广泛的应用，占有如此重要的地位？ 主要原因：——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 ——排除机构活动件，提高工作可靠性及寿命 尤其是现代化精密仪器，具有很强的数据处理能力， 只有合适的电子电路才能使其功能和自动化程度达到更高 的水平。
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二、精密仪器电路的内容与功用
0
y y
max
ym a x
x
④ 进行A/D转换、细分、伺服系统控制跟踪时均不考虑非线性因素， 比较方便。
精密仪器的非线性度主要由传感器、电路、显示执行机构这三部
分的非线性度产生。
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三、精密仪器电路的特点与主要要求
5. 分辩率
提高分辩率有利于减小读数误差，方便读数。
模拟仪表：最小刻度值的一半。 ∴ ↑放大器的放大倍数。
被测对象频率范围，从直流开始，高端可至1011Hz，以致更高。→频率特性
同时巡回采样，巡回点越多，要求采样速度越高。
→响应速度
4. 线性度
－－是仪器精度的又一重要指标。
y
实际曲线 规定曲线
通常要求仪器的输入输出间具有线性关系
① 线性标尺便于读出；
② 换档时只须改变分度值，不必另行定标；
③ 记录波形曲线不失真；
要 ③ 完成较为复杂多样的运算；
功 ④ 较为复杂多样的误差自动修正；
用 ⑤ 较高水平的智能化。
计算机完成这些任务都需要仪器电路对信号进行预处 理，并通过接口将计算机与仪器沟通。
特点：运算速度快、储存量大、智能化、图形化 发展：PC仪器、智能仪器、虚拟仪器
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三、精密仪器电路的特点与主要要求
精密仪器电路的特点： ① 高精度与高稳定性； ② 高灵敏度、高分辩率，可检测微弱信号； ③ 检测信号的多样性； ④ 信号的处理要求； ⑤ 仪器化的电路设计，要满足操作方便、自动测试、
信号转 换电路
数字 数字指示 显示器
波形记录 笔录仪
信号处理器
单参数检测精密仪器结构示意图（不带微处理器）
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一、电子电路在精密仪器中的地位
传感器
数
被测 传感元件
放大器
模
非电量 (一次转换)
信号调 理电路
转 换
器
微 处 理 器
激励电路
数字 显示器 CRT、 LCD
打印机
数字显示
文字、表格、 图形显示
1、内容 精密仪器电路对传感器输出的测量信号进行放大、
处理、转换和线性化处理后，驱动显示或控制执行机构 动作。
精密仪器电路担负着选择、放大、运算、信号转换、 逻辑处理等任务，是精密仪器不可缺少的组成部分。
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2、功能：有助实现精密仪器高精度、使用方便、自动化
① 易于实现高倍率放大
↑分辩率、↓读数误差
工作可靠等要求。
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三、精密仪器电路的特点与主要要求
对精密仪器电路的要求
1. 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、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
的合理设计。
2. 稳定性----是对仪器电路乃至整个精密仪器的最基本的要求。
①温
漂－－导致仪器的示值在一次运行中发生渐变；
⑥ 通过计算机与逻辑处理电路，便于实现信号的运算处理，
直接读取所需的复杂参数值；
⑦ 便于利用电路存储测量结果。
易于自动化：通过电路可实现逻辑判断、处理、功放、反馈控制等8。
三、精密仪器电路的特点与主要要求
计算机的广泛应用是仪器电路功能的延伸和新发展 ① 大量数据的动态和自动采样；
主 ② 大量数据的存储；
② 长期稳定性－－由于元器件老化、接插件疲劳氧化原因，使仪
器性能在长期运行中发生变化；
③ 短期稳定性－－表示为示值重复性。由输入信号的信噪比、电
路本身的噪声和抗干扰能力决定。
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三、精密仪器电路的特点与主要要求
电路的稳定性不仅包括零点和放大倍数（灵敏度）的稳定性， 还应包括线性度、频率特性、输入输出阻抗的稳定性等。 提高稳定性的措施： ① 减小温漂－－选温漂小经老化处理的元件，合理安排热源，
数据或图 形记录
硬盘
数据存储
信号或数据处Fra Baidu bibliotek器
单参数精密仪器结构示意图（带微处理器）
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一、电子电路在精密仪器中的地位
输入1 传感器
1
输入2 传感器 2
多 路
选
通
器
运 放 电 路
数 模 转 换 器
微 处 理 器
输入N 传感器
N
模出接口 显示器 打印机 硬盘
多参数综合精密检测系统结构示意图
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一、电子电路在精密仪器中的地位
精密仪器设计
Design of Precision Instrument
精密电路设计
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一、电子电路在精密仪器中的地位
精密仪器几乎都由传感器件或传感器、信号或数据处理器、显
示器或记录器等几大部分组成。
显示、记录器
传感器
模拟指示 模拟电表
被测 传感元件 非电量 (一次转换)
放大器或 信号调理电路
激励电路