传感器与信号调理电路完整课件

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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
”
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直流电源
Ⅰ
Ⅱ
示波器
电
ui
R1 10kW
i R2 100kW
+10V -
a
+
uo
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-p
R1 + R2 R1
uip-p
11uip-p
临界饱和时：
uˆip-p
; uˆop-p
。
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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 i2
+
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）
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-p
-
R2 R1
uip-p
-10uip-p
临界饱和时：
uˆip-p
; uˆop-p
。
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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。
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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； 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
ui
+
R3 10kW
+10V -10V
原理图中常用的 简化画法
uo ui
G
uo
uo G • ui
虚断 i+ i- 0 虚短 V+ V-
V+ ui
V- V+ ui
i VR1
uo i(R1 + R2 )
uo
R1 + R2 R1
wk.baidu.comui
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运放应用：电压跟随器
R2 100kW
+10V -
+
uo
ui
R3 10kW
-10V
虚断 i+ i- 0 虚短 V+ V-
V+ ui
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V- V+ ui
Vo V-
uo ui
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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：
《模拟电子技术基础（第三版）》 清华大学电子学教研组 诗白 华成英 主编
编童
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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；
a ia _
+10V
Vi
Va i3
V3
+
R3
-10V
Vo
虚短 Va V3
反向输入支路
Vi -Va Va -Vo
R1
R2
虚断
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ia i3 0
同向输入支路 Va V3 0
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Vo
-
R2 R1
Vi
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运放应用：同相比例放大器
i R2 100kW
R1 10kW -
虚通 V+=V- 虚短 Ii=0 虚断
11
理想运算放大器
Ii 0 1 _
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”。
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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。
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IC间距与DIP封装
IC间距：1IC = 0.1inch = 100mil = 2.54mm
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。
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典型测量系统的组成
直流电源
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
-
+
+
324
+
+
-
-
+V
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！！
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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 一个输出端；
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V-
E+ -
Vi
V+
+
Vo
E-
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被测量
传感器物理量 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，获取工业系统中的位置、转速、温度、液位、
V3
+
R3
+10V -10V
Va=0 a点常称“虚地”点
Vo
虚断 虚短
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ia i3 0 Va V3 V3 i3R 0
i2 i1
i1
Vi
- Va R1
Va 0 i2 Va
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- Vo R2
Vo
-
R2 R1
Vi
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运放应用：反相比例放大器
R2
i1 R1
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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； 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
有 问 题 ， 检 查 ①
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
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训练电路板简介
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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；
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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
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。
控制装置
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
本着讲重我介们绍将在温度了信解号测处量理传温系中感度统使器的用组最成多电，的信号包器括件：信预信号运处号的算理获放取大以器及。信符号的合信的要号求预处理。另外，
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力的测量与差动放大
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。
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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。
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Vi
ri ro
_
3
V2
AVi +
V1
2+
Vo
2同相输入端
Vo AVi A(V+ -V- )
A很大，1000以上
A→∞
Vi
Vo A
Vo
(E- , E+ ) A
0
ri很大，兆欧以上 ro很小，可以忽略 Vo有限，电源电压范围内
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ri→∞
rVoo→∈0(E西-,E安+交)通I大i 学工Vr程ii 训练Vr中ii心0 0
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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）。
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运放应用：反相比例放大器
i2 R2
i1 R1 Vi
a ia _
Va i3
示波器
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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；
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……
如：DIP-8、DIP-14、DIP-40
其他封装：PLCC、QFP……
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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
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极性：长正短负
集成电路：
色环为负
管脚序号按逆时针方向增长
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运算放大器
“放大”的含义及工作特性曲线
Vo
V-
E+ -
E+-0.3
Vi
线性放大区
V+
+
Vo
E-
正向饱和
0
Vi
Vo AVi A(V+ -V- )
“放大”的含义
反向截止
Vo∈[E-+0.7,E+-0.3] E- +0.7
运放的工作特性曲线
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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。
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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-
_ +
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OP07
LM324
+V 8765
14 13 12 11 10 9
8
OP07 +
GND
-
或－V
9
运算放大器
“放大”的含义及工作特性曲线
V-
E+ -
Vi
线性放大区
V+
+
Vo
E-
Vo AVi A(V+ -V- )
“放大”的含义
反向截止
Vo E+
0 E-
正向饱和
Vi
Vo∈( E- , E+ )
运放的工作特性曲线
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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_
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
输入信号V1和V2同时加在同相端 1和反相端2上
Vi＝V1－V2
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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。
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运放应用：差动放大器（减法器）
i1
R2
R1
uib
-
uia
R3 i2
+
uo
R4
uo
R2 R1
uib - uia
虚断 i+ i- 0 虚短 V+ V-
V+
uia R3 + R4
R4
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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。