測控儀器的電路系統(tǒng)設(shè)計第1頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)電路系統(tǒng)的組成、要求和設(shè)計準則第2頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一一、電路系統(tǒng)的作用1、作用：信息流的傳遞與控制，是感知信息、處理信息、輸出指令、操縱機構(gòu)和元器件的工具和載體。二、電路系統(tǒng)的組成第3頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一（1）測量電路：輸入通道（處理電路、電源）：將傳感器輸出的測量信號進行放大、濾波、細分、選通、變換和阻抗匹配等。（2）控制電路：輸出通道（控制電路、驅(qū)動電路、電源）根據(jù)中央處理系統(tǒng)的控制指令，并對控制信號進行放大、轉(zhuǎn)換、隔離、驅(qū)動，作用于控制電路上。第4頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一（3）中央處理系統(tǒng)（中央處理單元、主控單元）：信息處理單元，連接輸入、輸出通道，電路中心。作用：對測量電路送來的信號進行運算、處理、顯示、存儲、打印等，對被控電路發(fā)出指令，被控參數(shù)實行控制。（4）電源：為各單元提供能量、電平基準等（5）軟件系統(tǒng)：先進性、可擴充性、靈活性、規(guī)范性、系統(tǒng)性設(shè)計過程：結(jié)構(gòu)化分析、結(jié)構(gòu)化設(shè)計、結(jié)構(gòu)化編程第5頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一三、對測控電路的一般要求1、精度要求：（1）信噪比

抗干擾能力：抵抗各種噪聲和其他無用信號的干擾的能力。

模擬式：抗干擾能力差導致控制準確性低；

數(shù)字式：抗干擾能力差導致產(chǎn)生誤動作、破壞性后果。（2）分辨力傳感器、測控電路與軟件系統(tǒng)第6頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一（3）非線性誤差：線性度指標所帶來的誤差。對測控儀器產(chǎn)生的影響：（1）非線性標尺和度盤難于控制和讀數(shù)；（2）系統(tǒng)換檔時需要重新標定；（3）測試數(shù)據(jù)記錄易失真；（4）A/D，D/A不易保證精度；（5）進行反饋控制時，控制方法和算法不易實現(xiàn)。產(chǎn)生原因：傳感器、測量電路或控制電路的非線性引起。第7頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一（4）靈敏度：穩(wěn)態(tài)下，輸入變化量與輸出變化量的比值。（5）量化誤差：模/數(shù)，數(shù)/模轉(zhuǎn)化中，小于一個脈沖當量的輸入量所引起的輸出變化量。第8頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一（6）穩(wěn)定性1）電路系統(tǒng)穩(wěn)定性包括：零點穩(wěn)定性、放大倍數(shù)穩(wěn)定性、線性度穩(wěn)定性、輸入輸出阻抗穩(wěn)定性2）分類：短期穩(wěn)定性、長期穩(wěn)定性3）采取的措施：短期穩(wěn)定性：信噪比、低噪聲元器件、誤差平均法

長期穩(wěn)定性：低漂移元器件、老化處理、采用對溫度變化不敏感的元器件系統(tǒng)提前預熱第9頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一（7）頻率特性1）頻率特性：動態(tài)測試情況下，輸出信號幅度隨輸入信號的頻率變化而變化的特性。2）響應(yīng)速度：增加巡回點數(shù)，提高采樣頻率，動態(tài)測量。（8）輸入輸出阻抗傳感器與測量電路阻抗要匹配第10頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一2.響應(yīng)速度要求測控電路中計算機及其接口系統(tǒng)軟件3.可靠性要求4.經(jīng)濟性要求第11頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一四、電路系統(tǒng)的設(shè)計準則（一）總線化準則：

芯片之間、模板之間、系統(tǒng)之間、系統(tǒng)與對象之間的信息傳遞通道——易于擴充升級、簡化系統(tǒng)設(shè)計。1、內(nèi)部總線（局部總線、本地總線）：用于系統(tǒng)內(nèi)部聯(lián)結(jié)芯片與芯片、芯片與處理器的元件級總線。從功能上分類：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線第12頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一2、系統(tǒng)總線：用于聯(lián)結(jié)模板與模板之間的極級總線。ISA：工業(yè)標準總線，8、16位，并行數(shù)據(jù)，支持24位地址通道；PCI：高性能，支持多個外圍設(shè)備，總線頻率33MHz，3、外部總線（通信總線）：（1）用于聯(lián)結(jié)系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的交換信息與數(shù)據(jù)的通信總線，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸形式：并行、串行總線第13頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一（2）并行總線代表產(chǎn)品：美國HP，GB－IB通用接口總線，“可程控測量儀器的接口系統(tǒng)”。（3）串行總線代表產(chǎn)品：RS－232C，ASCII碼數(shù)據(jù)串行通信標準，結(jié)構(gòu)簡單，只需一對信號線、少量控制線即可實現(xiàn)串行通信。（4）虛擬技術(shù)：VXI總線第14頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一（二）模塊化準則：將整個電路系統(tǒng)分割為幾個功能相對獨立，而又相互聯(lián)系的模塊。優(yōu)點：（1）任務(wù)分解，分別獨立設(shè)計，獨立調(diào)試，加快速度，縮短周期；（2）易于維修，擴充，可移植性強。（三）可靠性準則：1、工藝上提高電路系統(tǒng)元器件本身的可靠性2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上提高系統(tǒng)的可靠性和合理性第15頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一出租車計價器電路原理圖第16頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一集成化兩線制渦輪流量計第17頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一第18頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)電路系統(tǒng)的精度第19頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一影響電路系統(tǒng)精度的因素1、信噪比：干擾無用噪聲影響測量控制的穩(wěn)定性和可靠性。從選用傳感器、電子元器件入手來提高信噪比。2、量化誤差：當被測量量的變化小于數(shù)字電路的一個最小數(shù)字所對應(yīng)的值時，數(shù)字系統(tǒng)將沒有變化，產(chǎn)生誤差。提高性能、減小量化誤差方法：提高放大倍數(shù)、提高數(shù)字電路位數(shù)。第20頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一3、非線性誤差：線性度指標所帶來的誤差。對測控儀器產(chǎn)生的影響：（1）非線性標尺和度盤難于控制和讀書；（2）系統(tǒng)換檔時需要重新標定；（3）測試數(shù)據(jù)記錄易失真；（4）A/D，D/A不易保證精度；（5）進行反饋控制時，控制方法和算法不易實現(xiàn)。產(chǎn)生原因：傳感器、測量電路或控制電路的非線性引起。第21頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一4、溫度飄移：導致被測量和被控量漸變，同時使電路元器件的特性參數(shù)發(fā)生變化，使靜態(tài)工作點偏離原始位置，從而使測量值、控制值產(chǎn)生偏差。減小溫度漂移采取的措施：（1）采用低溫漂，經(jīng)過老化處理的元器件；（2）合理安排儀器內(nèi)部、周圍熱源，采用隔熱、散熱措施恒溫；（3）采用深度負反饋和補償措施，對溫漂影響進行補償修正；（4）在儀器內(nèi)部增加自動穩(wěn)零、調(diào)零、零標和校正電路；（5）對儀器提出環(huán)境要求。第22頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)電路系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)第23頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一1、形成干擾的三要素：干擾源、對干擾敏感的接收電路、干擾源到接收電路的耦合通道。2、抑制干擾耦合的方法：抑制干擾源、使接收電路不敏感和抑制耦合或切斷耦合通道。一、干擾源：1、來自信號通道的干擾：主要是由傳感器、開關(guān)量輸入輸出、模擬量輸入輸出、電路本身固有的噪聲等產(chǎn)生。第24頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一2、來自電源的干擾：（1）電源本身交流電源成分形成的噪聲信號；（2）周期性電火花干擾。3、來自空間的輻射干擾：來自空間的各種電磁波和強電場干擾。二、干擾的偶合方式：1、靜電耦合：電容性耦合（1）寄生電容；（2）輸入阻抗；（3）干擾源的角頻率。第25頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一2、電磁耦合：（1）噪聲電流；（2）互感系數(shù)；（3）噪聲源的角頻率。3、共阻抗耦合：第26頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一4、漏電流耦合：三、干擾的形態(tài)：根據(jù)噪聲進入系統(tǒng)的方式，與被測信號的關(guān)系分：1、差模干擾：能夠使接收電路的一個輸入端相對于另一個輸入端產(chǎn)生電位差的干擾，干擾信號與被測信號串連在一起。第27頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一第28頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一第29頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一四、不同干擾的抑制措施：（一）信號通道干擾的抑制措施：1、開關(guān)量信號通道中干擾的抑制措施：光電耦合器件：（1）原理：（2）光電耦合電路特點：①調(diào)節(jié)R1即可實現(xiàn)二極管通斷②沒有電氣聯(lián)系，沒有共地③輸入阻抗小、送到輸入端噪聲電壓??；④抑制高峰尖端脈沖；⑤完全隔離、不會擊穿；⑥響應(yīng)速度快、延遲時間10毫秒。第30頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一第31頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一2、模擬量信號通道中干擾的抑制措施：使用器件：變壓器、光電耦合器件。（二）電源系統(tǒng)的抗干擾措施：第32頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一（三）空間干擾的抑制措施作用在信號線及系統(tǒng)上1、實現(xiàn)方法：采用屏蔽方法實現(xiàn)，屏蔽對干擾的吸收和發(fā)射作用，可有效防止空間磁力線和電力線干擾。2、屏蔽方法：利用導電的低電阻材料制成容器或采用高倒磁材料制成的容器，以隔絕容器內(nèi)外的電磁或靜電的相互干擾。3、屏蔽的分類：靜電屏蔽電磁屏蔽：利用導電性能良好的金屬內(nèi)渦流效應(yīng)，防止高頻磁通干擾；磁屏蔽：利用高磁導材料，防止低頻磁通干擾4、屏蔽結(jié)構(gòu)：屏蔽罩、屏蔽柵網(wǎng)、隔艙、導電材料、屏蔽銅箔第33頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一五、接地技術(shù)1、接地：將某點與一個等電位點或等電位面之間用低電阻導體連接起來，以構(gòu)成儀器或設(shè)備的基準電位。大地接地浮地：儀器或設(shè)備基準電位2、基地設(shè)計基本要求：（1）消除各電路電流流經(jīng)一個公共地線阻抗時所產(chǎn)生的噪聲電壓；（2）避免形成地環(huán)路。第34頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一（一）測控儀器的接地系統(tǒng)一點接地方式不會形成地環(huán)路和接地電位差第35頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一（二）測控儀器的浮地系統(tǒng)儀器地整個地線系統(tǒng)和大地之間沒有歐姆連接，僅以浮地作為它的電平基準，即參考電平。第36頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一（三）測控儀器的接地方式注意兩點：（1）所有導線都有一定阻抗；（2）兩個分開的接地點難于做到等電位。一點接地多點接地1、一點接地：第37頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一第38頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一第39頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一第40頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一第五節(jié)電路系統(tǒng)的可靠性第41頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一一、電路系統(tǒng)的可靠性電路系統(tǒng)各個元件：電阻、電容、電感等單元電路影響硬件可靠性因素：（一）元件失效：1、元件失效原因：（1）元件本身失效，漏氣、焊接不良；（2）環(huán)境變化加速失效，溫度；（3）工藝問題，虛焊、篩選不嚴。第42頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一2、元件失效規(guī)律：三階