傳感器與信號調(diào)理電路運放

工業(yè)系統(tǒng)測量傳感器與信號調(diào)理電路4/7/20231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)信號預處理溫度溫度傳感器電信號符合要求的信號4/7/20232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、響應迅速。被測量傳感器可用信號物理量化學量生物學量4/7/20233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：對傳感器的輸出信號施行一定預處理的裝置，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)。4/7/20234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4/7/20235常用儀器在測量系統(tǒng)中的應用信號發(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……4/7/20236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，得到了廣泛的應用；注意：集成運算放大器是一個有源器件。4/7/20237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_+4/7/20238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；4/7/20239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”的含義運放的工作特性曲線Vo∈(E-,E+)4/7/202310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)A→∞r(nóng)i→∞r(nóng)o→0Vo∈(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34/7/202311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”。_+1234/7/202312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Vi＝V1－V24/7/202313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。4/7/202314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。4/7/202315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：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）。4/7/202316運放應用：反相比例放大器Va=0a點常稱“虛地”點虛斷虛短R2R1_++10V-10VR3a4/7/202317運放應用：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4/7/202318運放應用：同相比例放大器虛斷虛短原理圖中常用的簡化畫法4/7/202319運放應用：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。4/7/202320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）》清華大學電子學教研組 編童詩白華成英主編4/7/202321訓練內(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。臨界飽和時：

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4/7/202322信號發(fā)生器ⅠⅡ直流電源反相放大器的訓練：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①連接點②導線直流電源的使用：開啟之前逆時針旋到底“跟蹤”按下電路中所有的地要“共地”4/7/202323訓練電路板簡介4/7/202324訓練內(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)象時輸入、輸出信號的峰峰值。臨界飽和時：

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4/7/202325訓練內(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。4/7/202326IC間距與DIP封裝IC間距：1IC=0.1inch=100mil=2.54mm面包板的插孔間距、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、QFP……4/7/202327元器件在面包板上的安裝示例OP07LM3241.5kΩ1.5kΩ71072907ICIC4IC集成電路：管腳序號按逆時針方向增長極性：長正短負色環(huán)為負4/7/202328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4/7/202329訓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-p＜2V就飽和①10kΩ電阻被短接；②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①運放：截止-9.3V，飽和+9.7V；②OFFSET旋鈕調(diào)節(jié)：有一個很小的直流電平。4/7/202330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，截止導通電壓約0.7VVo∈[E-+0.7,E+-0.3]4/7/202331運放應用：差動放大器（減法器）虛斷虛短4/7/202332運放應用：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??！4/7/2023