传感器与信号调理电路

检 查 电 源 供 电 是
路 的 检 测 方 法 ：
连否
R3 10kW
-10V
接正 点常 ②？
导
线
西安交通大学工程训练中心
23
训练电路板简介
03.06.2019
西安交通大学工程训练中心
24
训练内容2：同相放大器的测试
输入信号ui：正弦波，f=2kHz， 直流电平为0V，uip-p=0.4V、 0.8V、1.2V、1.8V、2.5V；
+
LM324
14 13 12 11 10 9
8
GND
-
或－V
-
+
+
324
+
+
-
-
+V
03.06.2019
1
2
34
-V
管脚起始 朝左
1
2 345 6
7
管脚序号逆时针方向增长！！
西安交通大学工程训练中心
8
运算放大器
运算放大器简称为运放；
运放有两个输入端：
同相输入端
反相输入端
有单端和差动两种输入方式
直流电源：为系统各部分供电；
万用表：最方便的检测仪器
可测量电压、电流、电阻、电容、电感、温度……
03.06.2019
西安交通大学工程训练中心
6
集成运算放大器
集成运算放大器是一种高放大倍数的直接耦合放 大器件；
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、 调制等）以及波形的产生和变换等功能；
IC间距：1IC = 0.1inch = 100mil = 2.54mm
面包板的插孔间距、集成电路封装
软尺寸与硬尺寸
软引线尺寸：元器件安装到面包板或印制电路板上时，元器件对 焊盘间距要求不是很严格，如：普通电阻、电容、小功率三极管、 二极管等；
硬引线尺寸：元器件对安装尺寸有严格要求，如：大功率三极管、 继电器、电位器、集成电路。
DIP封装：双列直插封装，一般管脚数小于100
如：DIP-8、DIP-14、DIP-40
其他封装：PLCC、QFP……
03.06.2019
西安交通大学工程训练中心
27
元器件在面包板上的安装示例
7107
C E
IC
IC
OP07
LM324
2907
4IC
1.5kΩ
1.5kΩ
03.06.2019
03.06.2019
西安交通大学工程训练中心
29
训练中常见的问题
输出波形产生畸变
主要原因：未接电源地； 可能原因：OP07损坏。
在输入uip-p＜2V就饱和
①10kΩ电阻被短接； ②输入直流电平不为0，即OFFSET旋钮开且不为0。
输出波形先截止，后饱和
①运放：截止-9.3V，饱和+9.7V； ②OFFSET旋钮调节：有一个很小的直流电平。
03.06.2019
西安交通大学工程训练中心
反馈方式
有信号从输出端经过某 种电路回到输入端，构 成反馈回路。
03.06.2019
西安交通大学工程训练中心
14
正确理解运放的“工作方式”
运放内部并没有所谓的“工作方式”，它只会按 照运放的工作特性曲线工作（即对所有的“工作 方式”都一样）；
所谓的“工作方式”是依运放的外部连接而引入 的说明。
17
运放应用：反相比例放大器
R2
i 1 R1
a ia _
+10V
Vi
V a i3
V3
+
R3
-10V
Vo
虚短 V a V 3
反向输入支路
Vi -Va Va -Vo
R1
R2
虚断
03.06.2019
ia i3 0
同向输入支路 Va V3 0
西安交通大学工程训练中心
Vo

-
R2 R1
Vi
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 的应用；
注意：集成运算放大器是一个有源器件。
03.06.2019
西安交通大学工程训练中心
7
运算放大器
运算放大器的符号以及常见的运算放大器：
E+
V+
-
V-
+
Vo
E-
OP07
+V 8765
-
_
OP07 +
22
反相放大器的训练：接线示意图
1. 2.

信号发生器
直
电 路 中 所 有 的 地
“ 跟 踪 ” 按 下
开 启 之 前 逆 时 针
流 电 源 的 使 用 ：
要旋
“到
共底
地
”
03.06.2019
直流电源
Ⅰ
Ⅱ
示波器
电
ui
R1 10kW
i R2 100kW
+10V -
a
+
uo
有 问 题 ， 检 查 ①
一个输出端；
V-
E+ -
Vi
V+
+
Vo
E-
03.06.2019
西安交通大学工程训练中心
9
运算放大器

“放大”的含义及工作特性曲线 Vo
V-
E+ -
E+
Vi
线性放大区
V+
+
Vo
E-
0
V oA V i A (V +-V -)
反向截止
E“放大”的含义
正向饱和
Vi
Vo∈( E- , E+ )
运放的工作特性曲线
03.06.2019
西安交通大学工程训练中心
10
理想运算放大器
理想运放是一个高增益、高输入电阻、低输出电阻的器件。 1反相输1入端_
V2
Vi
ri ro
_
AVi +
V1
2+
3
Vo
2同相输入端
V oA V i A (V +-V -)
A很大，1000以上 ri很大，兆欧以上 ro很小，可以忽略 Vo有限，电源电压范围内
03.06.2019
西安交通大学工程训练中心
15
运放的分析方法——三步走
虚断：把电路分为两个电阻串并联的支路； 虚短：V+=V-，即两个支路之间的关系； 使用电阻串并联的方法求解（设电流 i）。
03.06.2019
西安交通大学工程训练中心
16
运放应用：反相比例放大器
i 2 R2
i 1 R1
输入信号V1和V2同时加在同相 端1和反相端2上
Vi＝V1－V2
03.06.2019
西安交通大学工程训练中心
13
开环方式与反馈方式
ui
Vr
+10V
-
+
uo
i R2 100kW
R1 10kW -
+10V
uo
ui
+
R3 10kW
-10V
开环方式
输出端与输入端之间除 地线外没有连接；
如：比较器。
位置、转速、温度、液位、压力等信息； 对传感器的要求：线性度好、无滞环误差、特
性稳定、测量范围宽、响应迅速。
03.06.2019
西安交通大学工程训练中心
3
信号调理电路
问题：
传感器的输出信号往往很微弱，或波形不适当，或信 号形式不适合，不能直接用于工业系统的状态显示和 控制。
解决：电压放大、整形、电流－电压转换、频率 －电压转换等；
极性：长正短负 色环为负
集成电路： 管脚序号按逆时针方向增长
西安交通大学工程训练中心
28
小结
现场 物理量
传感器
可用
信号 信号调理 电路
测量系统 显示装置
控制装置
传感器：被测量可用信号（一定规律）； 信号调理电路：对可用信号做预处理； 运放：“虚短”＋“虚断”电阻串并联
反相/同相比例器：实现电压的单端放大； 差动放大器：实现两路电压的差动放大； 电压跟随器：实现前后极的隔离。
现场 物理量
传感器
可用
信号 信号调理 电路
测量系统 显示装置
万用表
控制装置
信号发生器
示波器
03.06.2019
西安交通大学工程训练中心
5
常用仪器在测量系统中的应用
信号发生器：产生标准信号（不同波形种类、不 同频率和幅值的信号）；
调试和维修时，模拟传感器的输出信号
示波器：测量并显示电路中不同点的信号；
18
运放应用：同相比例放大器
i R2 100kW
R1 10kW -
ui
+
R3 10kW
+10V -10V
原理图中常用的 简化画法
uo ui
G
uo
uo Gui
虚断 i+ i- 0 虚短 V + V -
V+ ui
V- V+ ui
i VR1
uo i(R1 + R2)
uo
03.06.2019
西安交通大学工程训练中心
12
单端输入与差动输入
i R2 100kW
R1 10kW
-
ui
a
+
+10V
uo
R3 100kW
-10V
i1
R2
R1
uib
-
uia
R3 i2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
+
uo
R4
单端输入方式
一端接输入信号，另一 端接地（或通过电阻接 地）
同相输入
反相输入
差动输入方式（双端输入）
a ia _
+10V
Vi
V a i3
V3
+
R3
-10V
Vo
Va=0 a点常称“虚地”点
虚断 虚短
03.06.2019
ia i3 0 Va V3 V3 i3R0
i2 i1
i1

Vi- Va R1
V 0 V - V a
a
o
i 2
R 西安交通大学工程训练中心
2
Vo

-
R2 R1
Vi
连续增大ui的幅值，记录 出现饱和现象时输入、输 出信号的峰峰值。
uip-p(V) uop-p(V) 0.4 0.8 1.2 1.8 2.5
uop-p -R R12uip-p -10uip-p
临界饱和时：
uˆ ip -p
; uˆ o p -p
。
03.06.2019
西安交通大学工程训练中心
Vo V-
uo ui
03.06.2019
西安交通大学工程训练中心
20
运放的补充说明
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 （工作特性曲线），所以可以使用理想模型来分 析运放；
集成运放内部结构复杂，在《模拟电子技术》课 程中有深入的讲解，可以参考：
工业系统测量
传感器与信号调理电路
引言
如何测量你的体温？ 包括：获取温度信号以及处理温度信号
温度测量系统
温度
电信号
温度
信号
传感器
预处理
符合要求 的信号
本讲我们将了解测量系统的组成，包括信号的获 取以及信号的预处理。另外，着重介绍在信号处 理中使用最多的器件：运算放大器。
03.06.2019
力的测量与差动放大
Vi 0
V2
V1
2+
3
Vo
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“虚通”或“虚短”；
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“虚地”；
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“虚断”。

R1 + R2 R1
ui
03.06.2019
西安交通大学工程训练中心
19
运放应用：电压跟随器
R2 100kW
虚断 i+ i- 0 虚短 V + V -
V+ ui
+10V -
+
uo
ui
R3 10kW
-10V
输出跟随输入变化。
作用：前后极之间的
隔离、缓冲，提高带
负载能力等。
V- V+ ui
2
传感器
被测量
物理量 化学量 生物学量
传感器
可用信号
传感器定义：能感受某种信息（被测量），并 按一定规律将其转换成可用信号的器件或装置；
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。
传感器的本质：将被测量从一种能量形式转换 成另一种能量形式，并作为可用信号输出；
狭义的传感器：被测量电信号； 传感器是工业系统的感官，获取工业系统中的
A→∞ ri→∞
Vi
Vo A
Vo (E- , E+ ) A

0
ro→0 Vo∈(E-,E+)
Ii
Vi ri
Vi 0 ri
0
03.06.2019
西安交通大学工程训练中心
考虑电压 虚通
V+=V- 虚短
Ii=0 虚断 考虑电流
11
理想运算放大器 Ii 0 1 _
《模拟电子技术基础（第三版）》 清华大学电子学 教研组 编 童诗白 华成英 主编
03.06.2019
西安交通大学工程训练中心
21
训练内容1：反相放大器的测试
输入信号ui：正弦波， f=2kHz，直流电平为0V， uip-p=0.4V、0.8V、1.2V、 1.8V、2.5V；
双踪观察输入输出波形， 记录输出uop-p；
。
03.06.2019
西安交通大学工程训练中心
25
训练内容3：电压跟随器的测试
输入信号ui：正弦波，f=2kHz，直流电平为0V， uip-p = 0.5V；
双踪观察输入输出波形；
连续改变uip-p ，双踪观察输入输出波形。
03.06.2019
西安交通大学工程训练中心
26
IC间距与DIP封装
信号调理电路：对传感器的输出信号施行一定预 处理的装置，使信号适于显示或控制。 主要技术：电子技术——运算放大器
测量同一被测量：不同的测量方法不同的传感 器及相应的信号调理电路。
同一传感器可以用于不同的工业系统。
03.06.2019
西安交通大学工程训练中心
4
典型测量系统的组成
直流电源
双踪观察输入输出波形，记录输 出uop-p；
连续增大ui的幅值，记录出现饱 和现象时输入、输出信号的峰峰 值。
uip-p(V) uop-p(V) 0.4 0.8 1.2 1.8 2.5
uop-pR1R +1R2uip-p11uip-p
临界饱和时：
uˆ ip -p
; uˆ o p -p