張國雄版測控電路PPTChapter1-1

第一章緒論第一節(jié)測控電路的功用第二節(jié)對測控電路的主要要求第三節(jié)測控電路的輸入信號與輸出信號★第四節(jié)測控電路的類型與組成★第五節(jié)測控電路的發(fā)展趨勢第一節(jié)測控電路的功用本節(jié)內(nèi)容：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)？測量與控制技術(shù)在生產(chǎn)、生活與各種工作中的廣泛應用。測控系統(tǒng)由那幾部分組成？第一節(jié)測控電路的功用加工零件為了加工出所需尺寸、形狀的高精度零件，機床的刀架與主軸必須精確地按所要求的軌跡作相對運動第一節(jié)測控電路的功用配料控制(如煉鋼)嚴格按配方配料嚴格控制爐溫、送風、冶煉時間等運行規(guī)程為此，必須對機器的運行狀態(tài)進行精確檢測，當發(fā)現(xiàn)它偏離規(guī)定要求，或有偏離規(guī)定要求的傾向時，控制它，使它按規(guī)定的要求運行第一節(jié)測控電路的功用生產(chǎn)自動化也離不開測量與控制產(chǎn)品的質(zhì)量離不開測量與控制現(xiàn)代的生活、辦公器械微波爐、照相機、復印機等也都裝有不同數(shù)量的傳感器第一節(jié)測控電路的功用現(xiàn)代的汽車往往裝有幾十個不同傳感器，對點火時間、燃油噴射、空氣燃料比、防滑、防碰撞等進行控制航天發(fā)射與飛行，都需要靠精密測量與控制保證它們軌道準確性第一節(jié)測控電路的功用集成電路制作，在一塊芯片上能集成多少個元件取決于光刻工藝能制作出多精細的圖案，而這依賴于光刻的精確重復定位，依賴于定位系統(tǒng)的精密測量與控制第一節(jié)測控電路的功用科學研究沒有測量就沒有科學，至少是沒有真正的科學、精確的科學掃描隧道顯微鏡促成了納米科技的形成哈勃望遠鏡對天體科學的發(fā)展起了大的促進作用掃描隧道顯微鏡儀器名稱:

分子束外延-低溫自旋極化掃描隧道顯微系統(tǒng)型號：

自行設(shè)計生產(chǎn)廠家：德國Omicron公司技術(shù)指標：本底真空2x10-11mBar;分子束外延;LEED，Auger，低溫掃描隧道顯微鏡；低溫原子力顯微鏡；低溫原位單原子生長；低溫磁光克爾信號測量系統(tǒng)（20K-800K；1.8Tesla）主要功能與特色：分子束磁性納米結(jié)構(gòu)制備與表征；自旋極化掃描隧道顯微鏡發(fā)現(xiàn)號航天飛機在STS-82維修任務(wù)中拍攝的哈勃空間望遠鏡第一節(jié)測控電路的功用“測控系統(tǒng)”組成主要由傳感器、測量控制電路(簡稱測控電路)和執(zhí)行機構(gòu)三部組成第一節(jié)測控電路的功用測控電路在整個測控系統(tǒng)中起著什么樣的作用？傳感器

測量控制電路執(zhí)行機構(gòu)第二節(jié)對測控電路的主要要求一、精度高二、響應快三、轉(zhuǎn)換靈活四、可靠與經(jīng)濟第二節(jié)對測控電路的主要要求一、精度高要求測量裝置能準確地測量/反映被測對象的狀態(tài)與參數(shù)這是獲得高質(zhì)量產(chǎn)品的基礎(chǔ)，也是精確控制的基礎(chǔ)第二節(jié)對測控電路的主要要求影響測控電路精度的主要因素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第二節(jié)對測控電路的主要要求線性度理論上講，一個系統(tǒng)也可按非線性定標，這時輸入與輸出間具有非線性關(guān)系并不一定影響精度但大多數(shù)情況下，要求系統(tǒng)的輸入與輸出間具有線性關(guān)系第二節(jié)對測控電路的主要要求保真度保真度是由視、聽設(shè)備中借用的概念為使波形不失真除要求電路有良好的線性外，還要求在信號所占有的頻帶內(nèi)，有良好的頻率特性第二節(jié)對測控電路的主要要求輸入與輸出阻抗若測量電路的輸入阻抗太低，在接入電路后，就會使傳感器的狀態(tài)發(fā)生變化從不影響前級的工作狀態(tài)出發(fā)，要求電路有高輸入阻抗但輸入阻抗越高，輸入端噪聲也越大因此合理的要求是使電路的輸入阻抗與前級的輸出阻抗相匹配第二節(jié)對測控電路的主要要求輸入與輸出阻抗若電路的輸出阻抗太大，在接入輸入阻抗較低的負載后，會使電路輸出下降要求電路的輸出阻抗與后級的輸入阻抗相匹配第二節(jié)對測控電路的主要要求二、響應快響應速度快是對測控電路性能的重要要求實時動態(tài)測量已成為測量技術(shù)發(fā)展的主要方向。測量電路沒有良好的頻率特性、高的響應速度，就不能準確地測出被測對象的運動狀況，無法對被測系統(tǒng)進行準確控制第二節(jié)對測控電路的主要要求二、響應快對一個存在高速變化因素的運動系統(tǒng)，控制的滯后可能引起系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，振蕩的幅度還可能越來越大，導致系統(tǒng)失去穩(wěn)定為了能夠測出快速變化參數(shù)、為了使一個高速運動系統(tǒng)穩(wěn)定，要求測控電路有高的響應速度和良好的頻率特性第二節(jié)對測控電路的主要要求三、轉(zhuǎn)換靈活為了適應在各種情況下測量與控制的需要，要求測控電路有靈活地進行各種轉(zhuǎn)換的能力。它包括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、信號處理與運算第二節(jié)對測控電路的主要要求1、模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)模轉(zhuǎn)換自然界客觀存在的物理量多為模擬量計算機:數(shù)字信號控制執(zhí)行機構(gòu)動作:多模擬信號第二節(jié)對測控電路的主要要求2、信號形式的轉(zhuǎn)換模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換直流與交流轉(zhuǎn)換電壓與電流轉(zhuǎn)換一個信號的大小，可以用它的幅值、相位、頻率、脈寬等表示，為了信號處理、傳輸與控制上的需要，也常需要進行幅值、相位、頻率與脈寬信號等之間的轉(zhuǎn)換第二節(jié)對測控電路的主要要求3、量程的變換一個測控系統(tǒng)需要測量和控制的量可以差百萬倍以上為了適應測量、控制不同大小量值的需要，而不引起飽和與顯著的失真，電路應能根據(jù)信號的大小進行量程的變換第二節(jié)對測控電路的主要要求4、信號的選取一個實際的信號中不僅包括信號與噪聲而且在信號中也包含具有不同特征的信號，如不同頻率的信號。這些不同特征的信號可能由不同的源產(chǎn)生也可能有不同的物理含義在測量與控制中常要選取某一頻率或某一頻帶，或某一瞬時的信號，電路應具有選取所需信號的能力第二節(jié)對測控電路的主要要求5、信號處理與運算在測量與控制中常需要對信號進行處理與運算，如求平均值、差值、峰值、絕對值、求導數(shù)、積分等非線性處理與誤差補償，復雜函數(shù)運算，邏輯判斷等第二節(jié)對測控電路的主要要求四、可靠與經(jīng)濟隨著科技與生產(chǎn)的發(fā)展，測控系統(tǒng)應用越來越廣、規(guī)模越來越大，這對可靠性提出了越來越高的要求經(jīng)濟性對測控電路也是很重要的一個成本高昂的電路難以獲得廣泛應用要在滿足性能要求的基礎(chǔ)上，盡可能地簡化電路要合理設(shè)計電路，獲得較好的性能第二節(jié)對測控電路的主要要求如果單個晶體管(或PN結(jié))的可靠性為0.9999，當一個集成塊上集成了10000個晶體管，并假定它們的工作可靠性是相互獨立的，那么整個集成塊可靠性僅為0.999910000=0.368假如在整個系統(tǒng)中有100個這樣的集成電路塊，其可靠性僅為0.368100=3.7×10-44為使系統(tǒng)的可靠性達到通常的要求，需要單個集成電路塊的可靠性達0.99999999從這個例子可以看到，一個現(xiàn)代系統(tǒng)對器件的可靠性提出了多高的要求第三節(jié)測控電路的輸入信號與輸出信號測控電路的輸入信號是由傳感器送來的。傳感器類型的不同，輸入信號的類型也不同輸入主要可分為模擬信號，數(shù)字信號測控電路的輸出通常送到顯示機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)或計算機輸出也可以分為模擬信號，數(shù)字信號第三節(jié)測控電路的輸入信號與輸出信號一、模擬式信號可分為非調(diào)制信號與經(jīng)調(diào)制信號第三節(jié)測控電路的輸入信號與輸出信號1、非調(diào)制信號指測控電路的輸入信號2的大小、波形直接與被測量1的大小、波形相對應或者測控電路的輸出信號2的大小、波形直接與執(zhí)行、顯示機構(gòu)最終輸出1相對應如圖所示，一般要求2與1之間具有線性關(guān)系圖非調(diào)制模擬信號120xt第三節(jié)測控電路的輸入信號與輸出信號2、已調(diào)制信號為了提高信號的抗干擾能力，往往對信號進行調(diào)制在精密測量中，也常在傳感器中進行信號調(diào)制因此，傳感器的輸出信號就是已調(diào)制了的信號usucx214圖用電感傳感器測量工件輪廓形狀1-測桿，2-線圈，3-磁芯，4-被測件3圖調(diào)幅信號c)調(diào)幅信號ustuctb)載波信號a)調(diào)制信號OxtxOxO例：用電感傳感器測量工件輪廓形狀第三節(jié)測控電路的輸入信號與輸出信號第三節(jié)測控電路的輸入信號與輸出信號例：用電感傳感器測量工件輪廓形狀幾個重要概念：1、載波頻率（CarryingFrequency)2、載波信號（CarryingSignal)3、調(diào)制信號（ModulatingSignal)4、已調(diào)信號（ModulatedSignal)5、調(diào)幅信號（AmplitudeModulatedSignal)第三節(jié)測控電路的輸入信號與輸出信號1、載波頻率（CarryingFrequency)信號的頻率由傳感器供電頻率確定，這一頻率稱為載波頻率2、載波信號（CarryingSignal)具有載波頻率的高頻信號(見圖1-3-03b)稱為載波信號第三節(jié)測控電路的輸入信號與輸出信號3、調(diào)制信號（ModulatingSignal)用以對載波信號進行調(diào)制的信號稱為調(diào)制信號4、已調(diào)信號（ModulatedSignal)5、調(diào)幅信號（AmplitudeModulatedSignal)

調(diào)制后的信號稱為已調(diào)制信號這里是幅值受到調(diào)制，故稱為調(diào)幅信號第三節(jié)測控電路的輸入信號與輸出信號二、數(shù)字式信號1、增量碼信號2、絕對碼信號3、開關(guān)信號第三節(jié)測控電路的輸入信號與輸出信號1、增量碼信號采用光柵、激光干涉法等測量位移時傳感器的輸出為增量碼信號與這一類傳感器連接的測量電路輸入信號為增量碼信號第三節(jié)測控電路的輸入信號與輸出信號增量碼信號的特點是：被測量值與傳感器輸出信號的變化周期數(shù)成正比，即量值的大小由信號變化周期數(shù)的增量決定第三節(jié)測控電路的輸入信號與輸出信號2、絕對碼信號增量碼信號是一種反映過程的信號，它與被測對象的狀態(tài)并無一一對應的關(guān)系。信號一旦中斷，就無法判斷物體的狀態(tài)絕對碼信號是一種與狀態(tài)相對應的信號。圖所示為一碼盤，它的每一個角度方位對應于一組編碼，這種編碼稱為絕對碼8421碼盤第三節(jié)測控電路的輸入信號與輸出信號3、開關(guān)信號開關(guān)信號可視為絕對碼信號的特例當絕對碼信號只有一位編碼時，就成了開關(guān)信號開關(guān)信號只有0和1兩個狀態(tài)與行程開關(guān)、光電開關(guān)、觸發(fā)式測頭相連接的測控電路，其輸入信號為開關(guān)信號第四節(jié)測控電路的類型與組成一、測量電路的基本組成二、控制電路的基本組成第四節(jié)測控電路的類型與組成一、測量電路的基本組成1、模擬式測量電路的基本組成2、數(shù)字式測量電路的基本組成第四節(jié)測控電路的類型與組成1、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)振蕩器電源第四節(jié)測控電路的類型與組成2、數(shù)字式測量電路的基本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第四節(jié)測控電路的類型與組成二、控制電路的基本組成1、開環(huán)