测控电路设计与应用 (11)
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测控电路设计
第一章 绪论
课程的性质、内容及意义 测控电路概述
1.1 测控系统组成 1.2 测控系统设计要求 1.3 测控电路的功用及要求 1.4 测控电路设计及优化 1.5 部件之间的连接与匹配
课程的性质、内容及意义
性质：不是电子技术课的深化和提高， 而是要大家学会在测量和控制中运用电 子技术实现测控的总体思想，解决实际 工程问题
三、可靠性
✓ 可靠性要求，就是要求设备在一定时间、一定 条件下不出故障地发挥其功能的概率要高。
× ✓ 一个测量系统：原理先进、功能全面、精度高， 可靠性差，故障频繁。
✓ 可靠性要求可由可靠性设计来保证。在军工 系统中测试系统的可靠性是首位的。
三、可靠性
可靠性是所有系统必须保证的
单片原件 的可靠性
测试系统不仅仅是用于工业领域，也广 泛地应用于科学实验、农业、交通、医 疗、地质勘探、国防等国民经济各个领 域以及人们的日常生活中。
例：设计一个10倍的同相放大器。
G=1+Rf/R1=10
问题：1、R2如何确定？ 2、三组电阻你选择哪一组？
一组 R1=2kΩ， Rf=18kΩ， R2=1.8 kΩ 二组 R1=2Ω， Rf=18Ω， R2=1.8Ω 三组 R1=3MΩ， Rf=27MΩ， R2=2.7MΩ 3、以下运算放大器你选择哪一种？ LM318（GBW=15MHz），LF353 （GBW=4MHz）， LF741（GBW=1MHz）， OP37（GBW=40MHz）以及美信公司的 MAX475、476和AD公司的AD603等。
1.4 测控电路设计及优化
总线化准则 模块化准则 可靠性准则
电路设计及优化步骤
例1：“数显式交流有功电子电 能表”的设计
Q Pt ( 1
t
v idt)t
T0
其中，P为有功功率，t为时间，v、i
分别为电压、电流瞬时值。实现上式的
关键是瞬时功率p= vi的计量，常用的方
案有两个：
方案1 方案2
1.5.2 信号耦合方式和时序配合
1.直接耦合方式 2.阻容耦合方式 3.变压器耦合方式 4.光电耦合方式
四种耦合方式比较
变压器耦合方式尽量少用； 光电耦合：电气隔离 直接耦合和阻容耦合是最常用的耦合方式。
课程的学习方法
讲授： 38学时 实验： 10学时 课程设计：两周
参考资料
《仪器电路设计与应用》郝晓剑、杜红棉等电子工业出版社 《现代测控电路 》李刚 高等教育出版社 《测控电路》张国雄、金篆芷主编机械工业出版社 《电子电路及电子器件》郭培源主编高等教出版社 《仪器电路》曾全坤编重庆大学出版社 《现代电子学及应用》童诗白、徐振英编高等教出版社
分析方案三 优点：12小时脉冲；体积小；价格低。 缺点：引出信号困难；电压为1.3V；
1.5 部件之间的连接与匹配
1.5.1 电器性能相互匹配问题 阻抗匹配
线性范围匹配（模拟单元电路）
负载能力匹配（模拟、数字单元电路）
高低电平匹配（数字单元电路）
阻抗匹配
✓ 从提高放大倍数和负载能力考虑，
后一级的输入电阻要大，前一级的输出电阻要小。 ✓从改善频率响应角度考虑，
例2：试设计一个“每周响一次”电路， 要求如下：
自清零之时起，过168小时（即七天） 后，蜂鸣器发出声响，直至重新清零时为 止。清零后再过168小时又发出声响，直 至再清零时为止。如此周而复始，可不断
重复。
方案设计
分析方案一，根据0.7RC=168小时 =6.048×105秒， 取R=100M，C的容量也需8640F。
1.1 测控系统组成
例：导弹姿态角测试系统
1.2 测控系统设计要求
精度要求 检测效率要求 可靠性要求 经济性要求 使用条件要求 造型要求
一、精度
汽车碰撞测试仪
应用于汽车零部件在 碰撞过程中的动
态测试。
一、精度
影响测控电路精度的主要因素：
1、噪声与干扰
内
选用低噪声器件合理布线与接地、
后一级的输入电阻要小。
线性范围匹配
保证信号不失真地传输 动态范围：后一级＞前级
负载能力匹配
负载能力的增加
✓增加一级功率驱动单元（最后一级接执行器） ✓采用由运放构成的电压跟随器（模拟电路） ✓采用功率集成电路（模拟电路）
高低电平匹配
✓TTL与HTL电平转换（CH2017 或直接驱 动） ✓TTL与ECL电平转换（CE1024 ） ✓TTL与CMOS电平转换
网址
1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10、
隔离和屏蔽等
外 调制、采用高共模抑制比电路
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
二、效率
提高效率
✓省时 ✓有益于提高精度 ✓节省人力，消除人的主观误差，提高测量的可靠性
（a）测压器
(b)测试曲线
二、效率
控制的滞后可能引起系统产生振荡。 一般来说硬件要比软件响应快。 实时动态测量。
分析方案二，采用了多级分频器，若取R=100k， C=0.1F，则方波发生器的振荡周期数量级为 T≈RC=75ms，在此条件下，分频器的级数N可
由下式求出：2N-1=6.048×105秒/75ms≈8×106， 两片12级分 频器
（CC4040）构成，或选用24级分频器（CC4521）。
0.999910000 0.368
0.99991000000 3.71044
0.999999991000000 0.99
1.3 测控电路的功用及要求
测控电路的功能 精度高 使用方便 易于自动化
对测控电路的主要要求
低噪声与高抗干扰能力 低漂移与高稳定性 频率特性与响应速度 线性与保真度 量程与分辨率 输入与输出阻抗
第一章 绪论
课程的性质、内容及意义 测控电路概述
1.1 测控系统组成 1.2 测控系统设计要求 1.3 测控电路的功用及要求 1.4 测控电路设计及优化 1.5 部件之间的连接与匹配
课程的性质、内容及意义
性质：不是电子技术课的深化和提高， 而是要大家学会在测量和控制中运用电 子技术实现测控的总体思想，解决实际 工程问题
三、可靠性
✓ 可靠性要求，就是要求设备在一定时间、一定 条件下不出故障地发挥其功能的概率要高。
× ✓ 一个测量系统：原理先进、功能全面、精度高， 可靠性差，故障频繁。
✓ 可靠性要求可由可靠性设计来保证。在军工 系统中测试系统的可靠性是首位的。
三、可靠性
可靠性是所有系统必须保证的
单片原件 的可靠性
测试系统不仅仅是用于工业领域，也广 泛地应用于科学实验、农业、交通、医 疗、地质勘探、国防等国民经济各个领 域以及人们的日常生活中。
例：设计一个10倍的同相放大器。
G=1+Rf/R1=10
问题：1、R2如何确定？ 2、三组电阻你选择哪一组？
一组 R1=2kΩ， Rf=18kΩ， R2=1.8 kΩ 二组 R1=2Ω， Rf=18Ω， R2=1.8Ω 三组 R1=3MΩ， Rf=27MΩ， R2=2.7MΩ 3、以下运算放大器你选择哪一种？ LM318（GBW=15MHz），LF353 （GBW=4MHz）， LF741（GBW=1MHz）， OP37（GBW=40MHz）以及美信公司的 MAX475、476和AD公司的AD603等。
1.4 测控电路设计及优化
总线化准则 模块化准则 可靠性准则
电路设计及优化步骤
例1：“数显式交流有功电子电 能表”的设计
Q Pt ( 1
t
v idt)t
T0
其中，P为有功功率，t为时间，v、i
分别为电压、电流瞬时值。实现上式的
关键是瞬时功率p= vi的计量，常用的方
案有两个：
方案1 方案2
1.5.2 信号耦合方式和时序配合
1.直接耦合方式 2.阻容耦合方式 3.变压器耦合方式 4.光电耦合方式
四种耦合方式比较
变压器耦合方式尽量少用； 光电耦合：电气隔离 直接耦合和阻容耦合是最常用的耦合方式。
课程的学习方法
讲授： 38学时 实验： 10学时 课程设计：两周
参考资料
《仪器电路设计与应用》郝晓剑、杜红棉等电子工业出版社 《现代测控电路 》李刚 高等教育出版社 《测控电路》张国雄、金篆芷主编机械工业出版社 《电子电路及电子器件》郭培源主编高等教出版社 《仪器电路》曾全坤编重庆大学出版社 《现代电子学及应用》童诗白、徐振英编高等教出版社
分析方案三 优点：12小时脉冲；体积小；价格低。 缺点：引出信号困难；电压为1.3V；
1.5 部件之间的连接与匹配
1.5.1 电器性能相互匹配问题 阻抗匹配
线性范围匹配（模拟单元电路）
负载能力匹配（模拟、数字单元电路）
高低电平匹配（数字单元电路）
阻抗匹配
✓ 从提高放大倍数和负载能力考虑，
后一级的输入电阻要大，前一级的输出电阻要小。 ✓从改善频率响应角度考虑，
例2：试设计一个“每周响一次”电路， 要求如下：
自清零之时起，过168小时（即七天） 后，蜂鸣器发出声响，直至重新清零时为 止。清零后再过168小时又发出声响，直 至再清零时为止。如此周而复始，可不断
重复。
方案设计
分析方案一，根据0.7RC=168小时 =6.048×105秒， 取R=100M，C的容量也需8640F。
1.1 测控系统组成
例：导弹姿态角测试系统
1.2 测控系统设计要求
精度要求 检测效率要求 可靠性要求 经济性要求 使用条件要求 造型要求
一、精度
汽车碰撞测试仪
应用于汽车零部件在 碰撞过程中的动
态测试。
一、精度
影响测控电路精度的主要因素：
1、噪声与干扰
内
选用低噪声器件合理布线与接地、
后一级的输入电阻要小。
线性范围匹配
保证信号不失真地传输 动态范围：后一级＞前级
负载能力匹配
负载能力的增加
✓增加一级功率驱动单元（最后一级接执行器） ✓采用由运放构成的电压跟随器（模拟电路） ✓采用功率集成电路（模拟电路）
高低电平匹配
✓TTL与HTL电平转换（CH2017 或直接驱 动） ✓TTL与ECL电平转换（CE1024 ） ✓TTL与CMOS电平转换
网址
1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10、
隔离和屏蔽等
外 调制、采用高共模抑制比电路
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
二、效率
提高效率
✓省时 ✓有益于提高精度 ✓节省人力，消除人的主观误差，提高测量的可靠性
（a）测压器
(b)测试曲线
二、效率
控制的滞后可能引起系统产生振荡。 一般来说硬件要比软件响应快。 实时动态测量。
分析方案二，采用了多级分频器，若取R=100k， C=0.1F，则方波发生器的振荡周期数量级为 T≈RC=75ms，在此条件下，分频器的级数N可
由下式求出：2N-1=6.048×105秒/75ms≈8×106， 两片12级分 频器
（CC4040）构成，或选用24级分频器（CC4521）。
0.999910000 0.368
0.99991000000 3.71044
0.999999991000000 0.99
1.3 测控电路的功用及要求
测控电路的功能 精度高 使用方便 易于自动化
对测控电路的主要要求
低噪声与高抗干扰能力 低漂移与高稳定性 频率特性与响应速度 线性与保真度 量程与分辨率 输入与输出阻抗