上海海事大学测控电路考试资料(DOC)

第一章绪论1.1测控电路功用测控电路在整个测控系统中起着什么样的作用？传感器的输出信号一般很微弱，还可能伴随着各种噪声，需要用测控电路将它放大，剔除噪声、选取有用信号，按照测量与控制功能的要求，进行所需演算、处理与变换，输出能控制执行机构动作的信号。

在整个测控系统中，电路是最灵活的部分，它具有便于放大、便于转换、便于传输、便于适应各种使用要求的特点。

测控电路在整个测控系统中起着十分关键的作用，测控系统、乃至整个机器和生产系统的性能在很大程度是取决于测控电路。

产品的质量和效率是衡量一切生产过程优劣的两项主要指标。

智能化是能在复杂的、变化的环境下自行决策的自动化，决策的基础是对内部因素和外部环境条件的掌握，同样也离不开检测。

测控系统的主要组成：传感器（测量装置，是敏感元件，功能是探测被测参数的变化）、测量控制电路（简称测控电路，用与处理和变换信号）和执行机构三部分组成。

1.2 测控电路的组要特点与要求影响测控电路精度的主要因素有哪些，而其中哪几个因素又是最基本的，需要特别注意？影响测控电路精度的主要因素有：（1）噪声与干扰；（2）失调与漂移，主要是温漂；（3）线性度与保真度；（4）输入与输出阻抗的影响。

其中噪声与干扰，失调与漂移（含温漂）是最主要的，需要特别注意。

测控电路的特点：精度高（低噪声与高抗干扰能力、低漂移，高稳定性、线性与保真度好、有合适的输入与输出阻抗）、动态性能好（响应快和动态失真小）、高的识别和分析能力（模数转换与数模转换、电量参数的转换、量程的变换、信号的处理与运算）、可靠性高、经济性好。

为什么说测控电路是测控系统中最灵活的环节，它体现在哪些方面？为了适应在各种情况下测量与控制的需要，要求测控系统具有选取所需的信号、灵活地进行各种变换和对信号进行各种处理与运算的能力，这些工作通常由测控电路完成。

它包括：（1）模数转换与数模转换；（2）直流与交流、电压与电流信号之间的转换。

幅值、相位、频率与脉宽信号等之间的转换；（3）量程的变换；（4）选取所需的信号的能力，信号与噪声的分离，不同频率信号的分离等；（5）对信号进行处理与运算，如求平均值、差值、峰值、绝对值，求导数、积分等、非线性环节的线性化处理、逻辑判断等。

1.3测控电路的输入与输出信号测控电路的输入信号是由传感器送来的，即传感器的输出信号为测控电路的输入信号，主要可分为模拟信号（已调制信号（可分为调幅、调频、调相信号）和非调信号（输入信号的参数与被测信号的参数相一致））、数字信号（增量码信号（被测量值的增量与传感器输出信号的变化周期成正比，与模拟信号的主要区别是：其信号波形不由被测量值或其增量决定）、绝对码信号（一种与状态相对应的信号））和开关量信号。

1.4 测控电路的类型与组成测量电路模拟式测量电路（需要模数（A/D）转换电路，方框图在书上P8）图X1-1增量码数字式测量电路手动采样控制电路开环控制在开环系统中传递函数的任何变化将引起输出的变化。

其次，不可避免地会有扰动因素作用在被控对象上，引起输出的变化。

利用传感器对扰动进行测量，通过测量电路在设定上引入一定修正，可在一定程度上减小扰动的影响，但是这种控制方式同样不能达到很高的精度。

一是对扰动的测量误差影响控制精度。

二是扰动模型的不精确性影响控制精度。

比较好的方法是采用闭环控制。

闭环控制（书上更完整）第二章信号放大电路放大电路的性能指标:输入阻抗RI 和输出阻抗RO输入失调电压U0s和输入失调电流I0s输入偏置电流 IIB（nA级）开环增益K和闭环增益Kf ＝uo/ui差模增益Kd和共模增益Kc共模抑制比CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc噪声的基础知识：通常传感器的输出信号只有几毫伏，甚至更小，而输入到放大器的噪声与放大器自身产生的噪声，往往就大于放大器的输入。

噪声广义：干扰有用信号的某种不希望的扰动。

内部的称为噪声，外部称为干扰。

噪声可分为白噪声和色噪声白噪声：噪声的波形是随机的，即它的幅值、相位、频率都是随机的，其瞬时值不能预测，但每Hz带宽内包含的噪声功率从统计观点看是一个常数。

色噪声：噪声的频率是固定的，是可以预测的，但幅值与相位有可能是随机的。

例如接地噪声。

固有噪声：热噪声（导体中电荷载流子的热激振动引起的）、低频噪声（低频噪声电压的方均值与频率大小成反比，又称1/f 噪声）、散弹噪声（由于流过二极管、三极管位垒区的载流子不是连续的，显脉冲性质，这种脉冲电流的平均值为0，方均值不为0，白噪声）何谓测量放大电路？对其基本要求是什么？在测量控制系统中，用来放大传感器输出的微弱电压，电流或电荷信号的放大电路称为测量放大电路，亦称仪用放大电路。

对其基本要求是：②入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；③定的放大倍数和稳定的增益；④噪声；④的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移；⑤够的带宽和转换速率（无畸变的放大瞬态信号）；⑥输入共模范围（如达几百伏）和高共模抑制比；⑦调的闭环增益；⑧性好、精度高；⑨本低。

典型电路什么是差动放大器？差动放大器:是把二个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反相 二个输入端，然后在输出端取出二个信号的差模成分，而尽量抑制二个信号的共模成分。

什么是高共模抑制比放大电路？ 应用于何种场合？用来抑制传感器输出共模电压（包括干扰电压）的放大电路称为高共模抑制比放大电路。

应用于要求共模抑制比大于100dB 的场合，例如人体心电测量。

一般的运放共模抑制比80db 左右 所以我们采用多运放组合而成的测量放大电路，共模抑制比100～120dB双运放高共模抑制比放大电路3R 2Ru oR 4u i2R 1∞ - ++ N 1R 2u i1 基本电路u i2u i1R 1 R 2 R 4 R 6R 5R 3=R 1∥R 2 R 7 =R 4∥R 5∥R 6u o∞ -+ + N 1∞ -+ +N 2A什么是有源屏蔽驱动电路？应用于何种场合？请举例说明之。

将差动式传感器的两个输出经两个运算放大器构成的同相比例差动放大后，使其输入端的共模电压1∶1地输出，并通过输出端各自电阻（阻值相等）加到传感器的两个电缆屏蔽层上，即两个输入电缆的屏蔽层由共模输入电压驱动，而不是接地，电缆输入芯线和屏蔽层之间的共模电压为零，这种电路就是有源屏蔽驱动电路。

它消除了屏蔽电缆电容的影响，提高了电路的共模抑制能力，因此经常使用于差动式传感器，如电容传感器、压阻传感器和电感传感器等组成的高精度测控系统中。

高输入阻抗放大电路应用：用于作电容、压电式传感器的后继测量放大电路。

实现方式： 同相放大器电压跟随器（缓冲器）＋反相放大器 高输入阻抗集成芯片 自举式高输入阻抗放大电路 何谓自举电路？应用于何种场合 ？自举电路是利用反馈使输入电阻的两端近似为等电位，减小向输入回路索取电流，从而提高输入阻抗的电路。

应用于传感器的输出阻抗很高（如电容式，压电式传感器的输出阻抗可达108Ω以上）的测量放大电路中。

u ou i2u i1R 4 R 3 u o1 R 2 R 1∞ + - + N 2∞+- +N 1何谓电桥放大电路？应用于何种场合？由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路或由传感器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。

应用于电参量式传感器，如电感式、电阻应变式、电容式传感器等，经常通过电桥转换电路输出电压或电流信号，并用运算放大器作进一步放大，或由传感器和运算放大器直接构成电桥放大电路，输出放大了的电压信号。

应用：用于电参量式传感器的后级放大。

如：电感式、电阻应变式、电容式传感器等构成形式：传感器电桥＋运放 传感器和运放共同构成电桥单端输入电桥放大电路Z 1Z 2 Z 4 Z 3 R 2 R 1 bau oU∞-+ + Na) 反相输入 反相输入型u Z Z Z Z Z Z u ab ⎪⎪⎭⎫⎝⎛---=313424u Z Z Z Z Z Z R R R u o⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----=+313424211u Z Z Z Z Z Z Z Z R R u o ))(()1(4231413212++-+= 如果Z 1=Z 2=Z 4=R ，Z 3=R(1+δ），δ为传感器电阻的相对变化率2/14)1(12δδ+⋅⋅+=u R R u o 非线性 在δ<<1时，δ4)1(12uR R u o += 近似线性 此时，输出电压与电桥电阻R 无关，灵敏度不受R 影响同相输入型 u += uR /(2R +ΔR )-uR /(2R )=–u ΔR /(4R +2ΔR ), 电路输出电压 u o =(1+R 2/R 1)u +,u o =–(1+R 2/R 1)u ΔR /(4R +2ΔR ) δ=ΔR /R 代入，u o =–(1+R 2/R 1)u δ/ (4+2δ)可见，同相输入电桥放大电路，其输出u o 的计算公式与式（2-22）相同，只是输出符号相反。

其增益与桥臂电阻无关，增益比较稳定，但电桥电源一定要浮置，且输出电压u o 与桥臂电阻的相对变化率δ是非线性关系，只有当δ<< 1时，u o 与δ才近似按线性变化。

差动输入电桥放大电路线性电桥放大电路什么是隔离放大电路？应用于何种场合？隔离放大电路的输入、输出和电源电路之间没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。

隔离方式主要有电磁（变压器）耦合（成熟，带窄）和光电耦合（前景好，带宽）。

隔离放大电路主要用于便携式测量仪器和某些测控系统（如生物医学人体测量、自动化试验设备、工业过程控制系统、核电站等）中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。

可调增益放大电路 应用：幅值相差较大的不同信号的输入可调电阻＋运放 模拟开关＋电阻网络＋运放可编程增益放大器（PGA ）∞ -+ + N R 2=R 1u oR 1 uR (1+δ) u a u bR RR u oR 3R 2 = R （1+δ）R 1uu a R 1u b ∞ -+ + N第三章 信号调制解调电路在测控系统中为什么要采用信号调制？在精密测量中，进入测量电路的除了传感器输出的测量信号外，还往往有各种噪声。

而传感器的输出信号一般又很微弱，将测量信号从含有噪声的信号中分离出来是测量电路的一项重要任务。

为了便于区别信号与噪声，往往给测量信号赋以一定特征，这就是调制的主要功用。

什么是信号调制？调制就是用一个信号（称为调制信号）去控制另一作为载体的信号（称为载波信号），让后者的某一特征参数按前者变化。

什么是解调？在将测量信号调制，并将它和噪声分离，放大等处理后，还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，这一过程称为解调。

在测控系统中常用的调制方法有哪几种？在信号调制中常以一个高频正弦信号作为载波信号。

一个正弦信号有幅值、频率、相位三个参数，可以对这三个参数进行调制，分别称为调幅、调频和调相。