張國(guó)雄版測(cè)控電路PPTChapter1-1

第一章緒論第一節(jié)測(cè)控電路的功用第二節(jié)對(duì)測(cè)控電路的主要要求第三節(jié)測(cè)控電路的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)★第四節(jié)測(cè)控電路的類(lèi)型與組成★第五節(jié)測(cè)控電路的發(fā)展趨勢(shì)第一節(jié)測(cè)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(kāi)測(cè)量與控制技術(shù)？測(cè)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。測(cè)控系統(tǒng)由那幾部分組成？第一節(jié)測(cè)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(jī)床的刀架與主軸必須精確地按所要求的軌跡作相對(duì)運(yùn)動(dòng)第一節(jié)測(cè)控電路的功用配料控制(如煉鋼)嚴(yán)格按配方配料嚴(yán)格控制爐溫、送風(fēng)、冶煉時(shí)間等運(yùn)行規(guī)程為此，必須對(duì)機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行精確檢測(cè)，當(dāng)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(shí)，控制它，使它按規(guī)定的要求運(yùn)行第一節(jié)測(cè)控電路的功用生產(chǎn)自動(dòng)化也離不開(kāi)測(cè)量與控制產(chǎn)品的質(zhì)量離不開(kāi)測(cè)量與控制現(xiàn)代的生活、辦公器械微波爐、照相機(jī)、復(fù)印機(jī)等也都裝有不同數(shù)量的傳感器第一節(jié)測(cè)控電路的功用現(xiàn)代的汽車(chē)往往裝有幾十個(gè)不同傳感器，對(duì)點(diǎn)火時(shí)間、燃油噴射、空氣燃料比、防滑、防碰撞等進(jìn)行控制航天發(fā)射與飛行，都需要靠精密測(cè)量與控制保證它們軌道準(zhǔn)確性第一節(jié)測(cè)控電路的功用集成電路制作，在一塊芯片上能集成多少個(gè)元件取決于光刻工藝能制作出多精細(xì)的圖案，而這依賴(lài)于光刻的精確重復(fù)定位，依賴(lài)于定位系統(tǒng)的精密測(cè)量與控制第一節(jié)測(cè)控電路的功用科學(xué)研究沒(méi)有測(cè)量就沒(méi)有科學(xué)，至少是沒(méi)有真正的科學(xué)、精確的科學(xué)掃描隧道顯微鏡促成了納米科技的形成哈勃望遠(yuǎn)鏡對(duì)天體科學(xué)的發(fā)展起了大的促進(jìn)作用掃描隧道顯微鏡儀器名稱(chēng):

分子束外延-低溫自旋極化掃描隧道顯微系統(tǒng)型號(hào)：

自行設(shè)計(jì)生產(chǎn)廠家：德國(guó)Omicron公司技術(shù)指標(biāo)：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(zhǎng)；低溫磁光克爾信號(hào)測(cè)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(hào)航天飛機(jī)在STS-82維修任務(wù)中拍攝的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡第一節(jié)測(cè)控電路的功用“測(cè)控系統(tǒng)”組成主要由傳感器、測(cè)量控制電路(簡(jiǎn)稱(chēng)測(cè)控電路)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部組成第一節(jié)測(cè)控電路的功用測(cè)控電路在整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)中起著什么樣的作用？傳感器

測(cè)量控制電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)第二節(jié)對(duì)測(cè)控電路的主要要求一、精度高二、響應(yīng)快三、轉(zhuǎn)換靈活四、可靠與經(jīng)濟(jì)第二節(jié)對(duì)測(cè)控電路的主要要求一、精度高要求測(cè)量裝置能準(zhǔn)確地測(cè)量/反映被測(cè)對(duì)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(duì)測(cè)控電路的主要要求影響測(cè)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(duì)測(cè)控電路的主要要求線性度理論上講，一個(gè)系統(tǒng)也可按非線性定標(biāo)，這時(shí)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(duì)測(cè)控電路的主要要求保真度保真度是由視、聽(tīng)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(hào)所占有的頻帶內(nèi)，有良好的頻率特性第二節(jié)對(duì)測(cè)控電路的主要要求輸入與輸出阻抗若測(cè)量電路的輸入阻抗太低，在接入電路后，就會(huì)使傳感器的狀態(tài)發(fā)生變化從不影響前級(jí)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(jí)的輸出阻抗相匹配第二節(jié)對(duì)測(cè)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(fù)載后，會(huì)使電路輸出下降要求電路的輸出阻抗與后級(jí)的輸入阻抗相匹配第二節(jié)對(duì)測(cè)控電路的主要要求二、響應(yīng)快響應(yīng)速度快是對(duì)測(cè)控電路性能的重要要求實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量已成為測(cè)量技術(shù)發(fā)展的主要方向。測(cè)量電路沒(méi)有良好的頻率特性、高的響應(yīng)速度，就不能準(zhǔn)確地測(cè)出被測(cè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)狀況，無(wú)法對(duì)被測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確控制第二節(jié)對(duì)測(cè)控電路的主要要求二、響應(yīng)快對(duì)一個(gè)存在高速變化因素的運(yùn)動(dòng)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(lái)越大，導(dǎo)致系統(tǒng)失去穩(wěn)定為了能夠測(cè)出快速變化參數(shù)、為了使一個(gè)高速運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定，要求測(cè)控電路有高的響應(yīng)速度和良好的頻率特性第二節(jié)對(duì)測(cè)控電路的主要要求三、轉(zhuǎn)換靈活為了適應(yīng)在各種情況下測(cè)量與控制的需要，要求測(cè)控電路有靈活地進(jìn)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(hào)形式的轉(zhuǎn)換3、量程的變換4、信號(hào)的選取5、信號(hào)處理與運(yùn)算第二節(jié)對(duì)測(cè)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(jì)算機(jī):數(shù)字信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作:多模擬信號(hào)第二節(jié)對(duì)測(cè)控電路的主要要求2、信號(hào)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(gè)信號(hào)的大小，可以用它的幅值、相位、頻率、脈寬等表示，為了信號(hào)處理、傳輸與控制上的需要，也常需要進(jìn)行幅值、相位、頻率與脈寬信號(hào)等之間的轉(zhuǎn)換第二節(jié)對(duì)測(cè)控電路的主要要求3、量程的變換一個(gè)測(cè)控系統(tǒng)需要測(cè)量和控制的量可以差百萬(wàn)倍以上為了適應(yīng)測(cè)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(yīng)能根據(jù)信號(hào)的大小進(jìn)行量程的變換第二節(jié)對(duì)測(cè)控電路的主要要求4、信號(hào)的選取一個(gè)實(shí)際的信號(hào)中不僅包括信號(hào)與噪聲而且在信號(hào)中也包含具有不同特征的信號(hào)，如不同頻率的信號(hào)。這些不同特征的信號(hào)可能由不同的源產(chǎn)生也可能有不同的物理含義在測(cè)量與控制中常要選取某一頻率或某一頻帶，或某一瞬時(shí)的信號(hào)，電路應(yīng)具有選取所需信號(hào)的能力第二節(jié)對(duì)測(cè)控電路的主要要求5、信號(hào)處理與運(yùn)算在測(cè)量與控制中常需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理與運(yùn)算，如求平均值、差值、峰值、絕對(duì)值、求導(dǎo)數(shù)、積分等非線性處理與誤差補(bǔ)償，復(fù)雜函數(shù)運(yùn)算，邏輯判斷等第二節(jié)對(duì)測(cè)控電路的主要要求四、可靠與經(jīng)濟(jì)隨著科技與生產(chǎn)的發(fā)展，測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用越來(lái)越廣、規(guī)模越來(lái)越大，這對(duì)可靠性提出了越來(lái)越高的要求經(jīng)濟(jì)性對(duì)測(cè)控電路也是很重要的一個(gè)成本高昂的電路難以獲得廣泛應(yīng)用要在滿足性能要求的基礎(chǔ)上，盡可能地簡(jiǎn)化電路要合理設(shè)計(jì)電路，獲得較好的性能第二節(jié)對(duì)測(cè)控電路的主要要求如果單個(gè)晶體管(或PN結(jié))的可靠性為0.9999，當(dāng)一個(gè)集成塊上集成了10000個(gè)晶體管，并假定它們的工作可靠性是相互獨(dú)立的，那么整個(gè)集成塊可靠性?xún)H為0.999910000=0.368假如在整個(gè)系統(tǒng)中有100個(gè)這樣的集成電路塊，其可靠性?xún)H為0.368100=3.7×10-44為使系統(tǒng)的可靠性達(dá)到通常的要求，需要單個(gè)集成電路塊的可靠性達(dá)0.99999999從這個(gè)例子可以看到，一個(gè)現(xiàn)代系統(tǒng)對(duì)器件的可靠性提出了多高的要求第三節(jié)測(cè)控電路的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)測(cè)控電路的輸入信號(hào)是由傳感器送來(lái)的。傳感器類(lèi)型的不同，輸入信號(hào)的類(lèi)型也不同輸入主要可分為模擬信號(hào)，數(shù)字信號(hào)測(cè)控電路的輸出通常送到顯示機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)或計(jì)算機(jī)輸出也可以分為模擬信號(hào)，數(shù)字信號(hào)第三節(jié)測(cè)控電路的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)一、模擬式信號(hào)可分為非調(diào)制信號(hào)與經(jīng)調(diào)制信號(hào)第三節(jié)測(cè)控電路的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)1、非調(diào)制信號(hào)指測(cè)控電路的輸入信號(hào)2的大小、波形直接與被測(cè)量1的大小、波形相對(duì)應(yīng)或者測(cè)控電路的輸出信號(hào)2的大小、波形直接與執(zhí)行、顯示機(jī)構(gòu)最終輸出1相對(duì)應(yīng)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(hào)120xt第三節(jié)測(cè)控電路的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)2、已調(diào)制信號(hào)為了提高信號(hào)的抗干擾能力，往往對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制在精密測(cè)量中，也常在傳感器中進(jìn)行信號(hào)調(diào)制因此，傳感器的輸出信號(hào)就是已調(diào)制了的信號(hào)usucx214圖用電感傳感器測(cè)量工件輪廓形狀1-測(cè)桿，2-線圈，3-磁芯，4-被測(cè)件3圖調(diào)幅信號(hào)c)調(diào)幅信號(hào)ustuctb)載波信號(hào)a)調(diào)制信號(hào)OxtxOxO例：用電感傳感器測(cè)量工件輪廓形狀第三節(jié)測(cè)控電路的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)第三節(jié)測(cè)控電路的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)例：用電感傳感器測(cè)量工件輪廓形狀幾個(gè)重要概念：1、載波頻率（CarryingFrequency)2、載波信號(hào)（CarryingSignal)3、調(diào)制信號(hào)（ModulatingSignal)4、已調(diào)信號(hào)（ModulatedSignal)5、調(diào)幅信號(hào)（AmplitudeModulatedSignal)第三節(jié)測(cè)控電路的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)1、載波頻率（CarryingFrequency)信號(hào)的頻率由傳感器供電頻率確定，這一頻率稱(chēng)為載波頻率2、載波信號(hào)（CarryingSignal)具有載波頻率的高頻信號(hào)(見(jiàn)圖1-3-03b)稱(chēng)為載波信號(hào)第三節(jié)測(cè)控電路的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)3、調(diào)制信號(hào)（ModulatingSignal)用以對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制的信號(hào)稱(chēng)為調(diào)制信號(hào)4、已調(diào)信號(hào)（ModulatedSignal)5、調(diào)幅信號(hào)（AmplitudeModulatedSignal)

調(diào)制后的信號(hào)稱(chēng)為已調(diào)制信號(hào)這里是幅值受到調(diào)制，故稱(chēng)為調(diào)幅信號(hào)第三節(jié)測(cè)控電路的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)二、數(shù)字式信號(hào)1、增量碼信號(hào)2、絕對(duì)碼信號(hào)3、開(kāi)關(guān)信號(hào)第三節(jié)測(cè)控電路的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)1、增量碼信號(hào)采用光柵、激光干涉法等測(cè)量位移時(shí)傳感器的輸出為增量碼信號(hào)與這一類(lèi)傳感器連接的測(cè)量電路輸入信號(hào)為增量碼信號(hào)第三節(jié)測(cè)控電路的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)增量碼信號(hào)的特點(diǎn)是：被測(cè)量值與傳感器輸出信號(hào)的變化周期數(shù)成正比，即量值的大小由信號(hào)變化周期數(shù)的增量決定第三節(jié)測(cè)控電路的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)2、絕對(duì)碼信號(hào)增量碼信號(hào)是一種反映過(guò)程的信號(hào)，它與被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)并無(wú)一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。信號(hào)一旦中斷，就無(wú)法判斷物體的狀態(tài)絕對(duì)碼信號(hào)是一種與狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的信號(hào)。圖所示為一碼盤(pán)，它的每一個(gè)角度方位對(duì)應(yīng)于一組編碼，這種編碼稱(chēng)為絕對(duì)碼8421碼盤(pán)第三節(jié)測(cè)控電路的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)3、開(kāi)關(guān)信號(hào)開(kāi)關(guān)信號(hào)可視為絕對(duì)碼信號(hào)的特例當(dāng)絕對(duì)碼信號(hào)只有一位編碼時(shí)，就成了開(kāi)關(guān)信號(hào)開(kāi)關(guān)信號(hào)只有0和1兩個(gè)狀態(tài)與行程開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)、觸發(fā)式測(cè)頭相連接的測(cè)控電路，其輸入信號(hào)為開(kāi)關(guān)信號(hào)第四節(jié)測(cè)控電路的類(lèi)型與組成一、測(cè)量電路的基本組成二、控制電路的基本組成第四節(jié)測(cè)控電路的類(lèi)型與組成一、測(cè)量電路的基本組成1、模擬式測(cè)量電路的基本組成2、數(shù)字式測(cè)量電路的基本組成第四節(jié)測(cè)控電路的類(lèi)型與組成1、模擬式測(cè)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(hào)分離電路運(yùn)算電路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路計(jì)算機(jī)顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)振蕩器電源第四節(jié)測(cè)控電路的類(lèi)型與組成2、數(shù)字式測(cè)量電路的基本組成指令傳感器電路傳感器顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)鎖存器計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)換電路脈沖當(dāng)量放大器整形電路細(xì)分電路手動(dòng)采樣鎖存指令辨向電路第四節(jié)測(cè)控電路的類(lèi)型與組成二、控制電路的基本組成1、開(kāi)環(huán)