測控電路緒論

測控電路張國雄天津大學精密儀器與光電子工程學院精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室電子郵件：gxzhang@2023/2/3為什么要學？學些什么？怎么學？第1章緒論第1章緒論測控電路的功用對測控電路的主要要求

測控電路的類型與組成

課程的性質(zhì)、內(nèi)容與學習方法

測控電路的輸入輸出信號

測控電路的發(fā)展趨勢一.為什么要學？二.學些什么？三.怎么學？2023/2/31.1測控電路的功用生產(chǎn)力是社會發(fā)展的決定因素。生產(chǎn)力決定國力。生產(chǎn)的兩大指標：質(zhì)量和效率提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率都要依靠測控。沒有測量就無從了解產(chǎn)品的質(zhì)量。沒有測量就無從控制產(chǎn)品的質(zhì)量。1.1測控電路的功用機械、電子、冶金、化工、醫(yī)藥等生產(chǎn)都要靠檢測、反饋控制。

1.1測控電路的功用機器高速運轉(zhuǎn)靠精度，精度依賴于測控。自動化是提高生產(chǎn)效率的主要手段?，F(xiàn)代的自動化是柔性自動化，越是柔性的系統(tǒng)越需要測量。寶鋼建設(shè)儀器測控裝備占總投資1/3。1.1測控電路的功用自動化的進一步發(fā)展就是智能化。智能化：對環(huán)境、原材料、機器工具狀態(tài)的自適應(yīng)，進行信息交換，優(yōu)化決策。智能化更離不開測控。智能機器、智能衣服、智能房屋、智能能源。一、測控電路的功用科技是第一生產(chǎn)力門德列耶夫：科學是從測量開始的，沒有測量就沒有科學。測試是“新技術(shù)革命”的先導(dǎo)和基礎(chǔ)實踐是檢驗真理的唯一標準。沒有儀器儀表難以進行科學研究。許多重大發(fā)現(xiàn)和發(fā)明從測試和儀器儀表進步開始。1.1測控電路的功用祖沖之圓周率是測出來的。測試變“假說”、“學說”為科學例：牛頓萬有引力學說 只有在能測得地球與月亮的精確距離情況下萬有引力學說才成為科學。1.1測控電路的功用20世紀初到現(xiàn)在，諾貝爾獎金頒發(fā)給儀器與測控手段的項目達27項之多。哈勃望遠鏡對天體科學的作用。掃描隧道顯微鏡對納米科技的作用。1.1測控電路的功用當今時代是信息時代。信息技術(shù)包括：信息獲取、處理、傳輸、存儲、執(zhí)行（控制）。測量是信息的源頭，最后落實到控制。信息時代的標志——高性能計算機的發(fā)展，速度和容量為其主要指標。關(guān)鍵是重復(fù)定位和曝光技術(shù)精度，在于測控。1.1測控電路的功用計算機的發(fā)展建立在測控技術(shù)進步的基礎(chǔ)上1.1測控電路的功用國防事業(yè)離不開測試現(xiàn)代戰(zhàn)爭是信息戰(zhàn)儀器儀表的測量控制精度決定了武器系統(tǒng)的打擊精度（激光制導(dǎo)）定點殺傷，反導(dǎo)彈計劃-火箭攔截儀器儀表的測試速度、診斷能力與控制快速性決定了武器系統(tǒng)的反應(yīng)能力振興中國要發(fā)展測控1.1測控電路的功用航空、航天離不開測量。神洲號發(fā)射成功依靠測控。宇宙飛船的軌跡需要按測量數(shù)據(jù)不斷修正?？茖W實驗數(shù)據(jù)要靠測控船等收集。載人航天、登月等前期工作主要收集數(shù)據(jù)。運載火箭的試制費一半用于儀器與測控手段。 1.1測控電路的功用生命科學環(huán)境、生態(tài)核科技納米科技MEMS安全、社會爭端都離不開測控1.1測控電路的功用為什么說在現(xiàn)代生產(chǎn)中提高產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率都離不開測量與控制技術(shù)？試舉例說明測量與控制技術(shù)在生產(chǎn)、生活與各種工作中的廣泛應(yīng)用。舉例說明測量與控制技術(shù)在推動科技發(fā)展中的作用？2023/2/31.1測控電路的功用測控系統(tǒng)的組成測控電路在整個測控系統(tǒng)中起著什么樣的作用？電路是最靈活的，便于放大、傳輸、轉(zhuǎn)換、選取所需信號、適應(yīng)不同測控任務(wù)要求。

測量控制電路傳感器執(zhí)行機構(gòu)2023/2/31.1測控電路的功用

測量控制電路傳感器執(zhí)行機構(gòu)原始信號微弱：高保真放大帶有噪聲、外界干擾：調(diào)制解調(diào)（給信號賦予一定特征）、共模抑制、濾波復(fù)雜參數(shù)、分析：計算變換電路。電路是“一傳”和“二傳”手，還有“攔網(wǎng)”作用，是測控系統(tǒng)中最靈活部分。1.2

對測控電路的主要要求一、精度高二、響應(yīng)快三、轉(zhuǎn)換靈活四、可靠性與經(jīng)濟性學些什么？要掌握設(shè)計、選用電路的要領(lǐng)，必須了解對測控電路的要求2023/2/3（一）精度高離開精度，測控就失去意義生產(chǎn)、科研、國防、高科技都離不開精度產(chǎn)品的質(zhì)量在很大程度上取決于測控精度儀器儀表的測控精度決定了武器系統(tǒng)的打擊精度1.2

對測控電路的主要要求精度----測控永恒主題長度：納米（單一尺寸到坐標測量，分子測量機-亞原子測量機）時間：飛秒引力波對光速影響10-17光鐘10-19（3000億年差1秒）單個電子電量（1.59×10-19C）1.2對測控電路的主要要求1.2對測控電路的主要要求影響測控電路精度的主要因素有哪些？其中那幾個因素是最基本的？1、噪聲與干擾★2、失調(diào)與漂移，主要是溫漂★3、線性度與保真度4、輸入與輸出阻抗的影響2023/2/31.2對測控電路的主要要求課程內(nèi)容首先圍繞精度來講放大器：低漂、自動穩(wěn)零、高共模抑制比、高輸入阻抗、非線性補償信號的調(diào)制解調(diào)濾波運算處理，選取有效成分抗干擾技術(shù)1.2對測控電路的主要要求（二）響應(yīng)快生產(chǎn)節(jié)奏加快科學研究要了解快速變化過程高技術(shù)與國防的要求儀器儀表的測試速度、診斷能力與控制快速性決定了武器系統(tǒng)的反應(yīng)能力落后就要挨打，慢了就要挨打硬件電路總的來說比軟件有更高的反應(yīng)速度。快速響應(yīng)是衡量電路性能的重要指標（低輸出阻抗、轉(zhuǎn)換速度、同步采樣等）。PID控制、前饋與反饋。1.2對測控電路的主要要求1.2對測控電路的主要要求為什么說測控電路是測控系統(tǒng)中最靈活的環(huán)節(jié)，它體現(xiàn)在哪些方面？1、模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)模轉(zhuǎn)換2、信號形式的轉(zhuǎn)換3、量程的變換4、信號的選取5、信號處理與運算（三）轉(zhuǎn)換靈活2023/2/31.2對測控電路的主要要求對于靈活性的需求參數(shù)類型更多參數(shù)定義更加復(fù)雜應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛，天上、地下、水中、人體內(nèi)1.2對測控電路的主要要求測量范圍更寬尺寸----原子核到宇宙空間電壓----納伏到百萬伏電阻----超導(dǎo)至1014歐加速度----10-4~104g溫度----接近絕對零度到1018度（四）可靠性與經(jīng)濟性測控電路越來越多地實時地用在各種系統(tǒng)中；測控電路越來越多地國防和高科技中；測控電路越來越多地用在醫(yī)療和其它與生命有關(guān)的系統(tǒng)中；電路的集成度越來越大。1.2對測控電路的主要要求應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛，天上、地下、水中、人體內(nèi)條件更加惡劣高溫、高速、高濕、高塵、振動、密閉、遙測、高壓、高電壓、深水、強場、易爆1.2對測控電路的主要要求1.3

測控電路的輸入信號與輸出信號1、模擬式信號

(1)

非調(diào)制信號

非調(diào)制模擬信號被測量測量信號0x

t電路的形式、結(jié)構(gòu)首先與信號形式與使用要求有關(guān)送到電路的信號與被測量具有近似線性關(guān)系2023/2/31.3測控電路的輸入信號與輸出信號用電感傳感器測量工件輪廓形狀usucx線圈測桿工件銜鐵

調(diào)幅信號c)ustuctb)a)OxtxOxO（2）

經(jīng)調(diào)制信號2023/2/31.3測控電路的輸入信號與輸出信號2、數(shù)字式信號（1）增量碼信號（2）絕對碼信號（3）開關(guān)信號1.3測控電路的輸入信號與輸出信號2、數(shù)字式信號（1）增量碼信號123546輸出反映變化量1.3測控電路的輸入信號與輸出信號2、數(shù)字式信號（1）增量碼信號亮亮暗W輸出反映變化量簡述1.3測控電路的輸入信號與輸出信號2、數(shù)字式信號

（2）絕對碼信號

1111000000010010001101000101011001111000111011001101101110101001輸出與狀態(tài)一一對應(yīng)2023/2/31.3測控電路的輸入信號與輸出信號2、數(shù)字式信號（3）開關(guān)信號輸出只有開關(guān)、通斷、亮暗、01兩種狀態(tài)1.4測控電路的類型與組成一、測量電路的基本組成

模擬式測量電路的基本組成

數(shù)字式測量電路的基本組成二、控制電路的基本組成

開環(huán)控制

閉環(huán)控制2023/2/31.4

測控電路的類型與組成

模擬式測量電路的基本組成電路傳感器量程切換電路放大器解調(diào)器信號分離電路運算電路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路計算機顯示執(zhí)行機構(gòu)振蕩器電源2023/2/31.4

測控電路的類型與組成指令傳感器電路傳感器顯示執(zhí)行機構(gòu)計算機鎖存器計數(shù)器轉(zhuǎn)換電路脈沖當量放大器整形電路細分電路手動采樣鎖存指令辨向電路增量碼數(shù)字式測量電路的基本組成2023/2/31.4

測控電路的類型與組成

開環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成測量電路

控制電路

擾動量傳感器放大電路輸出轉(zhuǎn)換電路設(shè)定電路執(zhí)行機構(gòu)給定機構(gòu)被控對象2023/2/31.4

測控電路的類型與組成

設(shè)定電路比較電路校正電路轉(zhuǎn)換電路給定機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)被控對象輸出傳感器擾動放大電路控制電路

閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成

2023/2/31.4

測控電路的類型與組成測量電路的輸入信號類型對其電路組成有何影響？試述模擬式測量電路與增量碼數(shù)字式測量電路的基本組成及各組成部分的作用。為什么要采用閉環(huán)控制系統(tǒng)？試述閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成及各組成部分的作用。2023/2/31.5

測控電路的發(fā)展趨勢

優(yōu)質(zhì)化(精、快、可靠）集成化數(shù)字化通用化、模塊化測控一體化自動化與智能化學習不僅要把握現(xiàn)狀，而且要了解發(fā)展趨勢2023/2/31.6

課程的性質(zhì)、內(nèi)容與學習方法掌握基礎(chǔ),注重實踐2023/2/3在現(xiàn)代生產(chǎn)中，物質(zhì)流和能量流在信息流指揮和控制下運動。測控技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代生產(chǎn)和高科技中的一項必不可少的基礎(chǔ)技術(shù)。為適應(yīng)這一發(fā)展需要，培養(yǎng)寬基礎(chǔ)、具有創(chuàng)造性的人才，將整個儀器儀表類專業(yè)集中為“測控技術(shù)及儀器”一個專業(yè)，《測控電路》是它的一門重要課程。1.6

課程的性質(zhì)、內(nèi)容與學習方法1.6

課程的性質(zhì)、內(nèi)容與學習方法寬基礎(chǔ)重點放在基本功能塊創(chuàng)造性怎樣運用電路解決工程技術(shù)問題1.6

課程的性質(zhì)、內(nèi)容與學習方法主要介紹工業(yè)生產(chǎn)和科學研究中常用的測量與控制電路的各種功能塊和總體連接，使學生熟悉怎樣運用電子技術(shù)來解決測量與控制中的任務(wù)。它不是一般意義上電子技術(shù)課的深化與提高，而要著重講清，如何在電子技術(shù)與測量、控制間架起一座橋梁，實現(xiàn)二者之間的溝通，學會如何在測量和控制中運用電子技術(shù)，并與光、機、計算機緊密配合，實現(xiàn)測控的總體思想，圍繞精、快、靈、可靠和測控任務(wù)的其它要求來選用電路、設(shè)計電路。1.6

課程的性質(zhì)、內(nèi)容與學習方法一、橋梁（工程與電路之間）工程問題如何用電路解決？高共模抑制比1.多數(shù)干擾是共模干擾；2.許多測控任務(wù)需要的就是差值、變化量如形狀誤差溫度變化、梯度跟蹤誤差（實際值與理想值之差）1.6

課程的性質(zhì)、內(nèi)容與學習方法濾波測量信號表面輪廓形狀誤差（準直流）波度（低頻）表面粗糙度（中頻）噪聲（高頻）不同類型的誤差對功能有不同影響不同類型的誤差有不同形成根源濾波技術(shù)還常用于機器故障診斷1.6

課程的性質(zhì)、內(nèi)容與學習方法1.6

課程的性質(zhì)、內(nèi)容與學習方法二、從信息流總體來分析電路光、機、電、計算機怎樣配合、合理分配任務(wù)要求。調(diào)制、放大放在哪里？計算、分析、數(shù)據(jù)處理由什么來完成？我們的任務(wù)是培養(yǎng)有創(chuàng)造性的測控系統(tǒng)總體設(shè)計師，而不是電路工程師。三、精、快、靈、可靠精、快、靈、可靠是設(shè)計與選用電路的基礎(chǔ)，是指導(dǎo)思想。在選用基礎(chǔ)上設(shè)計電路。將基礎(chǔ)科學上的發(fā)現(xiàn)與其它領(lǐng)域中的技術(shù)成果用來解決我們的問題，這就是工程師的創(chuàng)新。當然不排除原始創(chuàng)新。1.6

課程的性質(zhì)