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1、 教 材：傳感器接口與檢測(cè)儀器電路 呂俊芳編著 北航出版社 1994 參考書(shū)目：檢測(cè)儀器電子電路 李永敏 主編 西北工大出版社 1994精密儀器電路 張國(guó)雄 沈生培 主編 機(jī)械工業(yè)出版社 1988傳感器應(yīng)用及其電路精選 張福學(xué) 編著 電子工業(yè)出版社 1992 一、電子電路在檢測(cè)儀器或檢測(cè)系統(tǒng)中的地位 當(dāng)代的檢測(cè)儀器或檢測(cè)系統(tǒng)幾乎都由傳感器件或傳感器、信號(hào)或數(shù)據(jù)處理器、顯示器或記錄器等幾大部分組成。傳感元件(一次轉(zhuǎn)換)放大器或信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)轉(zhuǎn)換電路 激勵(lì)電路數(shù)字顯示器筆錄儀模擬電表模擬指示波形記錄數(shù)字指示被測(cè)非電量傳感器信號(hào)處理器顯示、記錄器單參數(shù)檢測(cè)儀器結(jié)構(gòu)示意圖（不帶微機(jī)） 傳感元件(一次

2、轉(zhuǎn)換)放大器信號(hào)調(diào)理電路數(shù)模轉(zhuǎn)換器激勵(lì)電路CRT顯示器磁盤(pán)機(jī)數(shù)字顯示器數(shù)字顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文字、表格、圖形顯示被測(cè)非電量微機(jī)系統(tǒng)打印機(jī)繪圖儀數(shù)據(jù)或圖形記錄傳感器信號(hào)或數(shù)據(jù)處理器 傳感器2可編程數(shù)據(jù)放大器數(shù)模轉(zhuǎn)換器CRT顯示器磁盤(pán)機(jī)模出接口輸入2微機(jī)系統(tǒng)打印機(jī)繪圖儀多路選通器傳感器1輸入1傳感器N輸入N 傳感器直讀式數(shù)字儀表帶微機(jī)的檢測(cè)儀器（系統(tǒng)）可以說(shuō)，現(xiàn)代檢測(cè)儀器已是電子化的儀器。不僅信號(hào)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，而且有許多非電量敏感元件本身也屬于電子元器件。研究檢測(cè)儀器電子電路已成為檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域儀器儀表工業(yè)的一個(gè)重要分支。為何電子電路在檢測(cè)儀器中會(huì)有如此廣泛的應(yīng)用，占有如此重要的地位？主

3、要原因：提高測(cè)量?jī)x器的精度和靈敏度 擴(kuò)充量程和多功能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量 排除機(jī)構(gòu)活動(dòng)件，提高工作可靠性及壽命 尤其是配置微機(jī)系統(tǒng)的檢測(cè)儀器，具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，使功能和自動(dòng)化程度達(dá)到更高的水平。 （一）內(nèi)容檢測(cè)儀器電路對(duì)傳感器輸出的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行放大、處理、轉(zhuǎn)換和線(xiàn)性化處理后，驅(qū)動(dòng)顯示或控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。換句話(huà)說(shuō)，檢測(cè)儀器電路擔(dān)負(fù)著選擇、放大、運(yùn)算、信號(hào)轉(zhuǎn)換、邏輯處理等任務(wù)，是檢測(cè)儀器不可缺少的組成部分。 檢測(cè)儀器的主要優(yōu)點(diǎn)精度高使用方便易于自動(dòng)化 易于實(shí)現(xiàn)高倍率放大分辯率讀數(shù)誤差 易于實(shí)現(xiàn)量程切換解決了量程與分辯率的矛盾 通過(guò)信號(hào)的調(diào)制解調(diào)、選頻與濾波、共模抑制電路方便地選取有用信號(hào)抑制無(wú)用信

4、號(hào)，減少噪聲、干擾與非被測(cè)參數(shù)的影響 利用電路可對(duì)儀器 誤差進(jìn)行自動(dòng)校正零點(diǎn)的自動(dòng)校正放大倍數(shù)的自動(dòng)校正非線(xiàn)性誤差的修正 利用差動(dòng)電路補(bǔ)償電路、平衡電路使許多干擾因素的影響互相抵消、顯著減小 電路可方便信號(hào)傳輸，使它便于讀出或?qū)崿F(xiàn)控制、執(zhí)行 電路放大倍數(shù)可很高，數(shù)字式電路讀取更方便 電路的反應(yīng)速度高，信息傳輸快，利用信號(hào)鎖存，便于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)采樣 利用電路可進(jìn)行巡回采樣或同時(shí)讀取多路信號(hào) 利用信號(hào)分離電路，可讀取各成分參數(shù) 通過(guò)計(jì)算機(jī)與邏輯處理電路，便于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的運(yùn)算處理，直接讀取所需的復(fù)雜參數(shù)值 便于利用電路存儲(chǔ)測(cè)量結(jié)果通過(guò)電路實(shí)現(xiàn)邏輯判斷、處理，功率放大、反饋控制等 大量數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)和自動(dòng)采樣

5、大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ) 完成較為復(fù)雜多樣的運(yùn)算 較為復(fù)雜多樣的誤差自動(dòng)修正 較高水平的智能化 計(jì)算機(jī)完成這些任務(wù)都需要儀器電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，并通過(guò)接口將計(jì)算機(jī)與儀器溝通。運(yùn)算速度快、儲(chǔ)存量大、智能化、圖形化PC儀器、智能儀器、虛擬儀器 （一）檢測(cè)儀器電子電路的特點(diǎn) 高精度與高穩(wěn)定性； 高靈敏度、高分辯率，可檢測(cè)微弱信號(hào)； 檢測(cè)信號(hào)的多樣性； 信號(hào)的處理要求； 儀器化的電路設(shè)計(jì)，要滿(mǎn)足操作方便、自動(dòng)測(cè)試、工作可靠等要求。構(gòu)成一臺(tái)完整的檢測(cè)儀器，可包括多種功能；只有組合起來(lái)，才能有效地完成檢測(cè)任務(wù)。 分析與綜合各種功能電路的能力是檢測(cè)儀器設(shè)計(jì)工作者的基本功。（二）對(duì)檢測(cè)儀器電路的要求首先是圍繞“檢測(cè)”

6、提出來(lái)，當(dāng)然還有其他一些要求。1. 信號(hào)的拾取與抗干擾能力首先，要求電路是低噪聲的（低噪聲器件、合理選擇參數(shù)）其次，采取恰當(dāng)?shù)钠帘?、隔離，合理的布線(xiàn)與接地，電路本身 的合理設(shè)計(jì) 2. 穩(wěn)定性 是對(duì)儀器電路乃至整個(gè)測(cè)量?jī)x器的最基本的要求。 溫 漂導(dǎo)致儀器的示值在一次運(yùn)行中發(fā)生漸變。 長(zhǎng)期穩(wěn)定性由于元器件老化、接插件疲勞氧化原因，使儀器性能在長(zhǎng)期運(yùn)行中發(fā)生變化。 短期穩(wěn)定性表示為示值重復(fù)性。主要由輸入信號(hào)的信噪比、電路本身的噪聲和抗干擾能力決定電路的穩(wěn)定性不僅包括零點(diǎn)和放大倍數(shù)（靈敏度）的穩(wěn)定性；還應(yīng)包括線(xiàn)性度、頻率特性、輸入輸出阻抗的穩(wěn)定性等。提高穩(wěn)定性的措施 減小溫漂選溫漂小經(jīng)老化處理的元件，

7、合理安排熱源，采取深度負(fù)反饋和補(bǔ)償措施。 提高短期穩(wěn)定性選低噪聲、工作性能穩(wěn)定可靠的元器件、適當(dāng)布線(xiàn)與接地及采取合適的抗干擾措施，還 常采取深度負(fù)反饋、 差動(dòng)或平衡電路。靜態(tài)下：多次重復(fù)取樣取平均、 濾波器的時(shí)間常數(shù)示值分散性 3. 頻率特性與響應(yīng)速度 是衡量?jī)x器動(dòng)態(tài)性能的指標(biāo)。被測(cè)對(duì)象頻率范圍，從直流開(kāi)始，高端可至1011H z，以致更高。頻率特性同時(shí)巡回采樣，巡回點(diǎn)越多，要求采樣速度越高。 響應(yīng)速度4. 線(xiàn)性度是儀器精度的又一重要指標(biāo)。xy0實(shí)際曲線(xiàn)規(guī)定曲線(xiàn) m axm axy yy 通常要求儀器的輸入輸出間具有線(xiàn)性關(guān)系 線(xiàn)性標(biāo)尺便于讀出； 換檔時(shí)只須改變分度值，不必另行定標(biāo)； 記錄波形曲

8、線(xiàn)不失真； 進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、細(xì)分、伺服系統(tǒng)控制跟蹤時(shí)均不考慮非引發(fā)因素， 比較方便。電測(cè)儀器的非線(xiàn)性度由傳感器、電路、顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)這三部分的非線(xiàn)性度產(chǎn)生。 5. 分辯率提高分辯率有利于減小讀數(shù)誤差，方便讀數(shù)。模擬儀表：最小刻度值的一半。 放大器的放大倍數(shù)。數(shù)字儀表：數(shù)字顯示最低位1個(gè)字對(duì)應(yīng)的被測(cè)量。量化誤差最低位1個(gè)字對(duì)應(yīng)的被測(cè)量細(xì)化電路 A/D位數(shù)6. 輸入與輸出阻抗要與相應(yīng)的傳感器和所驅(qū)動(dòng)的顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)阻抗匹配。一般要求電路輸入阻抗很高。（有的傳感器輸出阻抗大108以上 ）但不是所有情況（輸入阻抗 輸入端噪聲 ）合理的要求是輸入級(jí)的輸入阻抗應(yīng)與傳感器輸出阻抗相匹配，使放大器的輸出信噪比達(dá)最

9、大值。7. 計(jì)算與邏輯控制功能 通常檢測(cè)儀器需要完成一定的計(jì)算，以獲得所需的被測(cè)參數(shù)值；儀器電路還要完成一系列邏輯判斷處理，以保證儀器正常工作。 電子管時(shí)期電子管放大器放大應(yīng)變電橋的輸出信號(hào)，組成電阻應(yīng)變儀。50年代中后期晶體管發(fā)展到了實(shí)用階段。各種電子管電路隨之改為晶體管電路。60年代數(shù)字頻率計(jì)、數(shù)字電壓表等數(shù)字儀表發(fā)展到了實(shí)用階段。各種各樣的數(shù)字儀表相繼投放市場(chǎng)。70年代各種模擬、數(shù)字集成電路大批量投入生產(chǎn)，價(jià)格大大降低，為數(shù)字儀表的發(fā)展和推廣開(kāi)辟了廣闊前景。70年代中期微機(jī)系統(tǒng)開(kāi)始在檢測(cè)儀器中得到實(shí)際應(yīng)用。顯著提高了檢測(cè)儀器的性能和自動(dòng)化程度。80年代大規(guī)模集成電路制造技術(shù)不斷完善發(fā)展。

10、 以單片集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器為核心的各種數(shù)字面板表取代傳統(tǒng)電表。 （一）優(yōu)質(zhì)化優(yōu)質(zhì)化的一個(gè)重要方面就是提高電路的工作可靠性。例：一個(gè)含有104個(gè)晶體管的電路若單個(gè)晶體管可靠性為0.9999 整個(gè)電路可靠性為0.9999100000.37若單個(gè)晶體管可靠性為0.99999 整個(gè)電路可靠性為0.99999100000.905若單個(gè)晶體管可靠性為0.999999 整個(gè)電路可靠性為0.999999100000.99為使整個(gè)電路的工作可靠性達(dá)到99%，則單個(gè)器件可靠性必須達(dá)到0.999999（二）集成化趨勢(shì)（1）集成塊的密集度越來(lái)越高；（2）采用集成塊的范圍越來(lái)越廣。 （三）數(shù)字化能較好地解決量程和分辯率的矛盾；（1）易于集成化；（2）抗干擾能力強(qiáng)；（3）便于動(dòng)態(tài)采樣，便于記憶存儲(chǔ)；（4）便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)用。但數(shù)字電路不能完全取代模擬電路。（四）通用化（1）一個(gè)電路盡量采用相同的單元電路；（2）整個(gè)儀器的構(gòu)成采用電路模塊化、積木化；（3）推廣通用儀器。（五）自動(dòng)化與智能化 （六）虛擬化