1、工業(yè)系統(tǒng)測量傳感器與信號調(diào)理電路10/17/20221西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心工業(yè)系統(tǒng)測量傳感器與信號調(diào)理電路10/15/20221西安交如何測量你的體溫？包括：獲取溫度信號以及處理溫度信號本講我們將了解測量系統(tǒng)的組成，包括信號的獲取以及信號的預(yù)處理。另外，著重介紹在信號處理中使用最多的器件：運算放大器。引言溫度測量系統(tǒng)信號預(yù)處理溫度溫度傳感器電信號符合要求的信號10/17/20222力的測量與差動放大如何測量你的體溫？引言溫度測量系統(tǒng)信號溫度溫度電信號符合要求傳感器傳感器定義：能感受某種信息（被測量），并按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置；可用信號：某一定場合中便于傳輸和處理且可以使用

2、的信號，常是電量。傳感器的本質(zhì)：將被測量從一種能量形式轉(zhuǎn)換成另一種能量形式，并作為可用信號輸出；狹義的傳感器：被測量電信號；傳感器是工業(yè)系統(tǒng)的感官，獲取工業(yè)系統(tǒng)中的位置、轉(zhuǎn)速、溫度、液位、壓力等信息；對傳感器的要求：線性度好、無滯環(huán)誤差、特性穩(wěn)定、測量范圍寬、響應(yīng)迅速。被測量傳感器可用信號物理量化學(xué)量生物學(xué)量10/17/20223西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心傳感器傳感器定義：能感受某種信息（被測量），并按一定規(guī)律將其信號調(diào)理電路問題：傳感器的輸出信號往往很微弱，或波形不適當，或信號形式不適合，不能直接用于工業(yè)系統(tǒng)的狀態(tài)顯示和控制。解決：電壓放大、整形、電流電壓轉(zhuǎn)換、頻率電壓轉(zhuǎn)換等；信號調(diào)理電路：對

3、傳感器的輸出信號施行一定預(yù)處理的裝置，使信號適于顯示或控制。主要技術(shù)：電子技術(shù)運算放大器測量同一被測量：不同的測量方法不同的傳感器及相應(yīng)的信號調(diào)理電路。同一傳感器可以用于不同的工業(yè)系統(tǒng)。10/17/20224西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心信號調(diào)理電路問題：10/15/20224西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練直流電源測量系統(tǒng)信號調(diào)理電路典型測量系統(tǒng)的組成現(xiàn)場物理量傳感器可用信號顯示裝置信號發(fā)生器示波器控制裝置萬用表10/17/20225西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心直流電源測量系統(tǒng)信號調(diào)理典型測量系統(tǒng)的組成現(xiàn)場傳感器可用顯示常用儀器在測量系統(tǒng)中的應(yīng)用信號發(fā)生器：產(chǎn)生標準信號（不同波形種類、不同頻率和幅值的信號）；調(diào)試

4、和維修時，模擬傳感器的輸出信號示波器：測量并顯示電路中不同點的信號；直流電源：為系統(tǒng)各部分供電；萬用表：最方便的檢測儀器可測量電壓、電流、電阻、電容、電感、溫度10/17/20226西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心常用儀器在測量系統(tǒng)中的應(yīng)用信號發(fā)生器：產(chǎn)生標準信號（不同波形集成運算放大器集成運算放大器是一種高放大倍數(shù)的直接耦合放大器件；完成信號放大、信號運算（加、減、乘、除、對數(shù)、反對數(shù)、平方、開方等）、信號處理（濾波、調(diào)制等）以及波形的產(chǎn)生和變換等功能；由于集成運放具有性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長、體積小、重量輕、耗電量少等優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用；注意：集成運算放大器是一個有源器件。10/17/202

5、27西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心集成運算放大器集成運算放大器是一種高放大倍數(shù)的直接耦合放大器運算放大器運算放大器的符號以及常見的運算放大器：管腳起始朝左管腳序號逆時針方向增長！OP07LM324_+10/17/20228西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心運算放大器運算放大器的符號以及常見的運算放大器：管腳起始朝左運算放大器運算放大器簡稱為運放；運放有兩個輸入端：同相輸入端反相輸入端有單端和差動兩種輸入方式一個輸出端；10/17/20229西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心運算放大器運算放大器簡稱為運放；10/15/20229西安交運算放大器“放大”的含義及工作特性曲線0ViVoE+E-正向飽和反向截止線性放大區(qū)“放大

6、”的含義運放的工作特性曲線Vo( E- , E+ )10/17/202210西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心運算放大器“放大”的含義及工作特性曲線0ViVoE+E-正向理想運算放大器A很大，1000以上ri很大，兆歐以上ro很小，可以忽略Vo有限，電源電壓范圍內(nèi)Ariro0Vo(E-,E+)V+=V-Ii=0虛通虛短虛斷考慮電壓考慮電流理想運放是一個高增益、高輸入電阻、低輸出電阻的器件。1反相輸入端ri_+ro_ AVi+122同相輸入端310/17/202211西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心理想運算放大器A很大，1000以上AV+=V-Ii=0虛理想運算放大器在輸入一側(cè)考慮電壓關(guān)系時：反相輸入端與同相輸入

7、端的電壓相等，稱為“虛通”或“虛短”；若同相端（反相端）接地，即同相端（反相端）電位為零，則反相端（同相端）電位也為零，稱為“虛地”；在輸入一側(cè)考慮電流關(guān)系時：反相輸入端與同相輸入端之間的電流為零，稱為“虛斷”。_+12310/17/202212西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心理想運算放大器在輸入一側(cè)考慮電壓關(guān)系時：反相輸入端與同相輸入單端輸入與差動輸入單端輸入方式一端接輸入信號，另一端接地（或通過電阻接地）同相輸入反相輸入差動輸入方式（雙端輸入）輸入信號V1和V2同時加在同相端1和反相端2上 ViV1V210/17/202213西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心單端輸入與差動輸入單端輸入方式差動輸入方式（雙端

8、輸入）10/開環(huán)方式與反饋方式開環(huán)方式輸出端與輸入端之間除地線外沒有連接；如：比較器。反饋方式有信號從輸出端經(jīng)過某種電路回到輸入端，構(gòu)成反饋回路。10/17/202214西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心開環(huán)方式與反饋方式開環(huán)方式反饋方式10/15/202214西正確理解運放的“工作方式”運放內(nèi)部并沒有所謂的“工作方式”，它只會按照運放的工作特性曲線工作（即對所有的“工作方式”都一樣）；所謂的“工作方式”是依運放的外部連接而引入的說明。10/17/202215西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心正確理解運放的“工作方式”運放內(nèi)部并沒有所謂的“工作方式”，運放的分析方法三步走虛斷：把電路分為兩個電阻串并聯(lián)的支路；虛短

9、：V+=V-，即兩個支路之間的關(guān)系；使用電阻串并聯(lián)的方法求解（設(shè)電流 i）。10/17/202216西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心運放的分析方法三步走虛斷：把電路分為兩個電阻串并聯(lián)的支路運放應(yīng)用：反相比例放大器Va=0a點常稱“虛地”點虛斷虛短R2R1_+10V-10VR3a10/17/202217西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心運放應(yīng)用：反相比例放大器Va=0虛斷虛短R2R1_+10V-運放應(yīng)用：反相比例放大器R2R1_+10V-10VR3a虛短虛斷反向輸入支路同向輸入支路10/17/202218西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心運放應(yīng)用：反相比例放大器R2R1_+10V-10VR3a虛短運放應(yīng)用：同相比例放大器虛

10、斷虛短原理圖中常用的簡化畫法10/17/202219西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心運放應(yīng)用：同相比例放大器虛斷虛短原理圖中常用的10/15/2運放應(yīng)用：電壓跟隨器虛斷虛短輸出跟隨輸入變化。作用：前后極之間的隔離、緩沖，提高帶負載能力等。10/17/202220西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心運放應(yīng)用：電壓跟隨器虛斷虛短輸出跟隨輸入變化。10/15/2運放的補充說明前面講的均是運放的理想模型，集成運放內(nèi)部并非真如模型的結(jié)構(gòu)，但是它有與模型相同的特性（工作特性曲線），所以可以使用理想模型來分析運放；集成運放內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在模擬電子技術(shù)課程中有深入的講解，可以參考：模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第三版） 清華大學(xué)電子學(xué)教研組

11、編 童詩白 華成英 主編10/17/202221西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心運放的補充說明前面講的均是運放的理想模型，集成運放內(nèi)部并非真訓(xùn)練內(nèi)容1：反相放大器的測試輸入信號ui：正弦波，f=2kHz，直流電平為0V，uip-p=0.4V、0.8V、1.2V、1.8V、2.5V；雙蹤觀察輸入輸出波形，記錄輸出uop-p；連續(xù)增大ui的幅值，記錄出現(xiàn)飽和現(xiàn)象時輸入、輸出信號的峰峰值。uip-p(V)uop-p(V)0.40.81.21.82.5臨界飽和時： ; 。 10/17/202222西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心訓(xùn)練內(nèi)容1：反相放大器的測試輸入信號ui：正弦波，f=2kH信號發(fā)生器直流電源反相放大器的

12、訓(xùn)練：接線示意圖示波器電路的檢測方法：檢查電源供電是否正常？有問題，檢查連接點導(dǎo)線直流電源的使用：開啟之前逆時針旋到底“跟蹤”按下電路中所有的地要“共地”10/17/202223西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心信號發(fā)生器直流電源反相放大器的訓(xùn)練：接線示意圖示波器電路訓(xùn)練電路板簡介10/17/202224西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心訓(xùn)練電路板簡介10/15/202224西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中訓(xùn)練內(nèi)容2：同相放大器的測試輸入信號ui：正弦波，f=2kHz，直流電平為0V，uip-p=0.4V、0.8V、1.2V、1.8V、2.5V；雙蹤觀察輸入輸出波形，記錄輸出uop-p；連續(xù)增大ui的幅值，記錄出現(xiàn)飽和現(xiàn)象

13、時輸入、輸出信號的峰峰值。uip-p(V)uop-p(V)0.40.81.21.82.5臨界飽和時： ; 。 10/17/202225西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心訓(xùn)練內(nèi)容2：同相放大器的測試輸入信號ui：正弦波，f=2kH訓(xùn)練內(nèi)容3：電壓跟隨器的測試輸入信號ui：正弦波，f=2kHz，直流電平為0V，uip-p = 0.5V；雙蹤觀察輸入輸出波形；連續(xù)改變uip-p ，雙蹤觀察輸入輸出波形。10/17/202226西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心訓(xùn)練內(nèi)容3：電壓跟隨器的測試輸入信號ui：正弦波，f=2kHIC間距與DIP封裝IC間距：1IC = 0.1inch = 100mil = 2.54mm面包板的插

14、孔間距、集成電路封裝軟尺寸與硬尺寸軟引線尺寸：元器件安裝到面包板或印制電路板上時，元器件對焊盤間距要求不是很嚴格，如：普通電阻、電容、小功率三極管、二極管等；硬引線尺寸：元器件對安裝尺寸有嚴格要求，如：大功率三極管、繼電器、電位器、集成電路。DIP封裝：雙列直插封裝，一般管腳數(shù)小于100如：DIP-8、DIP-14、DIP-40其他封裝：PLCC、QFP10/17/202227西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心IC間距與DIP封裝IC間距：1IC = 0.1inch =元器件在面包板上的安裝示例OP07LM3241.5k1.5k71072907ICIC4IC集成電路： 管腳序號按逆時針方向增長極性：長正

15、短負 色環(huán)為負10/17/202228西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心元器件在面包板上的安裝示例OP07LM3241.5k1.5小結(jié)傳感器：被測量可用信號（一定規(guī)律）；信號調(diào)理電路：對可用信號做預(yù)處理；運放：“虛短”“虛斷”電阻串并聯(lián)反相/同相比例器：實現(xiàn)電壓的單端放大；差動放大器：實現(xiàn)兩路電壓的差動放大；電壓跟隨器：實現(xiàn)前后極的隔離。測量系統(tǒng)信號調(diào)理電路現(xiàn)場物理量傳感器可用信號顯示裝置控制裝置10/17/202229西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心小結(jié)傳感器：被測量可用信號（一定規(guī)律）；測量系統(tǒng)信號調(diào)理現(xiàn)訓(xùn)練中常見的問題輸出波形產(chǎn)生畸變主要原因：未接電源地；可能原因：OP07損壞。在輸入uip-p2V就飽和

16、10k電阻被短接；輸入直流電平不為0，即OFFSET旋鈕開且不為0。輸出波形先截止，后飽和運放：截止-9.3V，飽和+9.7V；OFFSET旋鈕調(diào)節(jié)：有一個很小的直流電平。10/17/202230西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心訓(xùn)練中常見的問題輸出波形產(chǎn)生畸變10/15/202230西安運算放大器“放大”的含義及工作特性曲線ViVo0E+-0.3E- +0.7正向飽和反向截止線性放大區(qū)“放大”的含義運放的工作特性曲線飽和壓降約0.3V，截止導(dǎo)通電壓約0.7VVoE-+0.7,E+-0.310/17/202231西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心運算放大器“放大”的含義及工作特性曲線ViVo0E+-0.3運放應(yīng)用：差動放大器（減法器）虛斷虛短10/17/202232西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心運放應(yīng)用：差動放大器（減法器）虛斷虛短10/15/20223運放應(yīng)用：積分器虛斷虛短真正的積分器！而RC不完全積分電路只是對于方波輸入時，有類似于對輸入 ui 積分的效果，并非真正的積分！10/17/202233西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心運放應(yīng)用：積分器虛斷虛短真正的積分器！10/15/2022運放應(yīng)