精密仪器设计-精密电路设计课件.ppt
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1、1精精 密密 仪仪 器器 设设 计计 Design of Precision Instrument精密电路设计精密电路设计 2一、电子电路在精密仪器中的地位一、电子电路在精密仪器中的地位精密仪器几乎都由精密仪器几乎都由传感器件或传感器传感器件或传感器、信号或数据处理器信号或数据处理器、显显示器或记录器示器或记录器等几大部分组成。等几大部分组成。传感元件传感元件(一次转换一次转换)放大器或放大器或信号调理电路信号调理电路信号转信号转换电路换电路激励电路激励电路数字数字显示器显示器笔录仪笔录仪模拟电表模拟电表模拟指示模拟指示波形记录波形记录数字指示数字指示被测被测非电量非电量传感器传感器信号处理器
2、信号处理器显示、记录器显示、记录器单参数检测精密仪器结构示意图(不带微处理器)单参数检测精密仪器结构示意图(不带微处理器)3传感元件传感元件(一次转换一次转换)放大器放大器信号调信号调理电路理电路数数模模转转换换器器激励电路激励电路CRT、LCD硬盘硬盘数字数字显示器显示器数字显示数字显示数据存储数据存储文字、表格、文字、表格、图形显示图形显示被测被测非电量非电量微微处处理理器器打印机打印机数据或图数据或图形记录形记录传感器传感器信号或数据处理器信号或数据处理器一、电子电路在精密仪器中的地位一、电子电路在精密仪器中的地位4传感传感器器2运运放放电电路路数数模模转转换换器器显示器显示器硬盘硬盘模
3、出接口模出接口输入输入2微微处处理理器器打印机打印机多多路路选选通通器器传感传感器器1输入输入1传感传感器器N输入输入N一、电子电路在精密仪器中的地位一、电子电路在精密仪器中的地位5为何电子电路会有如此广泛的应用,占有如此重要的地位?为何电子电路会有如此广泛的应用,占有如此重要的地位?主要原因:主要原因:提高测量仪器的精度和灵敏度提高测量仪器的精度和灵敏度 扩充量程和多功能实现自动化测量扩充量程和多功能实现自动化测量 排除机构活动件,提高工作可靠性及寿命排除机构活动件,提高工作可靠性及寿命尤其是现代化精密仪器,具有很强的数据处理能力,尤其是现代化精密仪器,具有很强的数据处理能力,只有合适的电子
4、电路才能使其功能和自动化程度达到更高只有合适的电子电路才能使其功能和自动化程度达到更高的水平。的水平。一、电子电路在精密仪器中的地位一、电子电路在精密仪器中的地位61、内容、内容精密仪器电路对传感器输出的测量信号进行放大、精密仪器电路对传感器输出的测量信号进行放大、处理、转换和线性化处理后,驱动显示或控制执行机构处理、转换和线性化处理后,驱动显示或控制执行机构动作。动作。精密仪器电路担负着精密仪器电路担负着选择、放大、运算、信号转换、选择、放大、运算、信号转换、逻辑处理逻辑处理等任务,是精密仪器不可缺少的组成部分。等任务,是精密仪器不可缺少的组成部分。7精精度度高高2、功能、功能:有助实现精密
5、仪器高精度、使用方便、自动化:有助实现精密仪器高精度、使用方便、自动化 易于实现易于实现高倍率放大高倍率放大分辩率、分辩率、读数误差读数误差 易于实现易于实现量程切换量程切换解决了量程与分辩率的矛盾解决了量程与分辩率的矛盾 通过信号的调制解调、选频与滤波、共模抑制电路通过信号的调制解调、选频与滤波、共模抑制电路方便地方便地选取有用信号、抑制无用信号;选取有用信号、抑制无用信号;减少噪声、干扰与非被测参数的影响。减少噪声、干扰与非被测参数的影响。 利用电路可对仪器误差进行利用电路可对仪器误差进行自动校正自动校正零点零点的自动校正、的自动校正、放大倍数放大倍数的自动校正、的自动校正、非线性误差非线
6、性误差的修正的修正 利用利用差动电路补偿电路差动电路补偿电路、平衡电路平衡电路使许多干扰因素的影响互相抵消、显著减小使许多干扰因素的影响互相抵消、显著减小8使使用用方方便便 电路可电路可方便方便信号传输,使它信号传输,使它便于便于读出或实现控制、执行;读出或实现控制、执行; 电路放大倍数可很高,数字式电路电路放大倍数可很高,数字式电路读取更方便;读取更方便; 电路的反应速度高,信息传输快,利用信号锁存,电路的反应速度高,信息传输快,利用信号锁存,便于实便于实 现动态采样;现动态采样; 利用电路可进行利用电路可进行巡回采样巡回采样或同时读取多路信号;或同时读取多路信号; 利用信号分离电路,可读取
7、利用信号分离电路,可读取各成分参数;各成分参数; 通过计算机与逻辑处理电路,便于实现信号的通过计算机与逻辑处理电路,便于实现信号的运算处理运算处理,直接读取所需的直接读取所需的复杂参数值;复杂参数值; 便于利用电路便于利用电路存储测量结果。存储测量结果。易于自动化:易于自动化:通过电路可实现逻辑判断、处理、功放、反馈控制等。通过电路可实现逻辑判断、处理、功放、反馈控制等。2、功能、功能:有助实现精密仪器高精度、使用方便、自动化:有助实现精密仪器高精度、使用方便、自动化9 大量数据的大量数据的动态动态和和自动自动采样;采样; 大量数据的大量数据的存储;存储; 完成较为复杂多样的完成较为复杂多样的
8、运算;运算; 较为复杂多样的较为复杂多样的误差自动修正;误差自动修正; 较高水平的较高水平的智能化。智能化。 计算机完成这些任务都需要仪器电路对信号进行预处计算机完成这些任务都需要仪器电路对信号进行预处理,并通过接口将计算机与仪器沟通。理,并通过接口将计算机与仪器沟通。运算速度快、储存量大、智能化、图形化运算速度快、储存量大、智能化、图形化PC仪器、智能仪器、虚拟仪器仪器、智能仪器、虚拟仪器10n 精密仪器电路的特点:精密仪器电路的特点: 高精度高精度与与高稳定性高稳定性; 高灵敏度高灵敏度、高分辩率高分辩率,可检测微弱信号;,可检测微弱信号; 检测信号的检测信号的多样性多样性; 信号的信号的
9、处理要求处理要求; 仪器化的电路设计,要满足仪器化的电路设计,要满足操作方便操作方便、自动测试自动测试、 工作可靠工作可靠等要求。等要求。11n 对精密仪器电路的要求对精密仪器电路的要求1. 信号的拾取与抗干扰能力信号的拾取与抗干扰能力首先,要求电路是低噪声的(低噪声器件、合理选择参数);首先,要求电路是低噪声的(低噪声器件、合理选择参数);其次,采取恰当的屏蔽、隔离,合理的布线与接地,电路本身其次,采取恰当的屏蔽、隔离,合理的布线与接地,电路本身 的合理设计。的合理设计。2. 稳定性稳定性-是对仪器电路乃至整个精密仪器的是对仪器电路乃至整个精密仪器的最基本的要求最基本的要求。 温温 漂漂导致
10、仪器的示值在导致仪器的示值在一次运行中发生渐变;一次运行中发生渐变; 长期稳定性长期稳定性由于元器件老化、接插件疲劳氧化原因,使仪由于元器件老化、接插件疲劳氧化原因,使仪 器性能在器性能在长期运行中发生变化;长期运行中发生变化; 短期稳定性短期稳定性表示为表示为示值重复性示值重复性。由输入信号的信噪比、电。由输入信号的信噪比、电 路本身的噪声和抗干扰能力决定。路本身的噪声和抗干扰能力决定。12 电路的稳定性不仅包括电路的稳定性不仅包括零点和放大倍数(灵敏度)零点和放大倍数(灵敏度)的稳定性,的稳定性,还应包括还应包括线性度线性度、频率特性频率特性、输入输出阻抗输入输出阻抗的稳定性等。的稳定性等
11、。提高稳定性的措施:提高稳定性的措施: 减小温漂减小温漂选温漂小经老化处理的元件,合理安排热源,选温漂小经老化处理的元件,合理安排热源, 采取深度负反馈和补偿措施。采取深度负反馈和补偿措施。 提高短期稳定性提高短期稳定性选低噪声、工作性能稳定可靠的元器选低噪声、工作性能稳定可靠的元器 件、适当布线与接地及采取合适的抗干扰措施,还常采取件、适当布线与接地及采取合适的抗干扰措施,还常采取 深度负反馈深度负反馈、 差动差动或或平衡平衡电路。电路。静态静态下:多次重复取样取平均、下:多次重复取样取平均、滤波器的时间常数滤波器的时间常数示值分散性。示值分散性。133. 频率特性与响应速度频率特性与响应速
12、度 是衡量仪器是衡量仪器动态性能动态性能的指标。的指标。被测对象频率范围,从直流开始,高端可至被测对象频率范围,从直流开始,高端可至1011Hz,以致更高。,以致更高。频率特性频率特性同时巡回采样,巡回点越多,要求采样速度越高。同时巡回采样,巡回点越多,要求采样速度越高。 响应速度响应速度4. 线性度线性度是仪器是仪器精度精度的又一重要指标。的又一重要指标。xy0实际曲线实际曲线规定曲线规定曲线maxmaxyyy 通常要求仪器的输入输出间具有线性关系通常要求仪器的输入输出间具有线性关系 线性标尺便于读出;线性标尺便于读出; 换档时只须改变分度值,不必另行定标;换档时只须改变分度值,不必另行定标
13、; 记录波形曲线不失真;记录波形曲线不失真; 进行进行A/D转换、细分、伺服系统控制跟踪时均不考虑非线性因素,转换、细分、伺服系统控制跟踪时均不考虑非线性因素, 比较方便。比较方便。精密仪器的非线性度主要由精密仪器的非线性度主要由传感器传感器、电路电路、显示执行机构显示执行机构这三部这三部分的非线性度产生。分的非线性度产生。145. 分辩率分辩率提高分辩率有利于减小读数误差,方便读数。提高分辩率有利于减小读数误差,方便读数。模拟仪表模拟仪表:最小刻度值的一半。:最小刻度值的一半。 放大器的放大倍数。放大器的放大倍数。数字仪表数字仪表:数字显示最低位:数字显示最低位1个字对应的被测量。个字对应的
14、被测量。量化误差量化误差最低位最低位1个字对应的被测量个字对应的被测量 细化电路细化电路 A/D位数位数6. 输入与输出阻抗输入与输出阻抗要与相应的要与相应的传感器传感器和所驱动的和所驱动的显示执行机构显示执行机构阻抗匹配阻抗匹配。一般要求电路输入阻抗很高。(一般要求电路输入阻抗很高。(有的传感器输出阻抗大有的传感器输出阻抗大108以上以上 )但不是所有情况(但不是所有情况(输入阻抗输入阻抗 输入端噪声输入端噪声 )合理的要求是合理的要求是输入级的输入阻抗应与传感器输出阻抗输入级的输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配相匹配,使,使放大器的放大器的输出信噪比输出信噪比达最大值。达最大值。7. 计算与
15、逻辑控制功能计算与逻辑控制功能通常检测仪器需要完成一定的通常检测仪器需要完成一定的计算计算,以获得所需的被测参数值;,以获得所需的被测参数值;仪器电路还要完成一系列仪器电路还要完成一系列逻辑判断处理逻辑判断处理,以保证仪器正常工作。,以保证仪器正常工作。15电子管时期电子管时期电子管放大器电子管放大器放大应变电桥的输出信号,放大应变电桥的输出信号, 组成电阻应变仪。组成电阻应变仪。50年代中后期年代中后期晶体管晶体管发展到了实用阶段。各种电子管电路发展到了实用阶段。各种电子管电路 随之改为晶体管电路。随之改为晶体管电路。60年代年代数字频率计、数字电压表等数字频率计、数字电压表等数字仪表数字仪
16、表发展到了实用发展到了实用 阶段。各种各样的数字仪表相继投放市场。阶段。各种各样的数字仪表相继投放市场。70年代年代各种各种模拟模拟、数字集成电路数字集成电路大批量投入生产,价格大大批量投入生产,价格大 大降低,为数字仪表的发展和推广开辟了广阔前景。大降低,为数字仪表的发展和推广开辟了广阔前景。70年代中期年代中期微机系统微机系统开始在检测仪器中得到实际应用。开始在检测仪器中得到实际应用。 显著提高了检测仪器的性能和自动化程度。显著提高了检测仪器的性能和自动化程度。80年代年代大规模集成电路大规模集成电路制造技术不断完善,以制造技术不断完善,以单片集成单片集成 模数转换器模数转换器为核心的各种
17、数字面板表取代传统电表。为核心的各种数字面板表取代传统电表。16(一)优质化(一)优质化优质化的一个重要方面就是提高电路的工作优质化的一个重要方面就是提高电路的工作可靠性可靠性。例:例:一个含有一个含有104个晶体管的电路个晶体管的电路若单个晶体管可靠性为若单个晶体管可靠性为0.9999 整个电路可靠性为整个电路可靠性为0.9999100000.37若单个晶体管可靠性为若单个晶体管可靠性为0.99999 整个电路可靠性为整个电路可靠性为0.99999100000.905若单个晶体管可靠性为若单个晶体管可靠性为0.999999 整个电路可靠性为整个电路可靠性为0.999999100000.99为
18、使整个电路的工作可靠性达到为使整个电路的工作可靠性达到99%,则单个器件可靠性必须达到,则单个器件可靠性必须达到0.999999(二)集成化(二)集成化趋势趋势(1)集成块的密集度越来越高;)集成块的密集度越来越高;(2)采用集成块的范围越来越广。)采用集成块的范围越来越广。17(三)数字化(三)数字化能较好地解决能较好地解决量程量程和和分辩率分辩率的矛盾;的矛盾;(1)易于集成化;)易于集成化;(2)抗干扰能力强;)抗干扰能力强;(3)便于动态采样,便于记忆存储;)便于动态采样,便于记忆存储;(4)便于与计算机联用。)便于与计算机联用。但数字电路但数字电路不能完全取代不能完全取代模拟电路。模
19、拟电路。(四)通用化(四)通用化(1)一个电路尽量采用相同的单元电路;)一个电路尽量采用相同的单元电路;(2)整个仪器的构成采用电路模块化、积木化;)整个仪器的构成采用电路模块化、积木化;(3)推广通用仪器。)推广通用仪器。(五)自动化与智能化(五)自动化与智能化(六)虚拟化(六)虚拟化18导体半导体绝缘体功率模块功率放大器件P型N型三极管场效应管PN结PN结集成运算放大器分立元件五、精密检测电路-电子器件的发展半导体:体积小、重量轻、寿命长、输入功率小、功率转换效率高掺杂扩散、漂移电流放大作用19 集成运放集成运放有源滤波器运算加减微积分线性非线性乘除对、指数运放处于线性放大状态 (负反馈)
20、运放处于非线性状态 (开环或正反馈)比较器振荡器五、精密检测电路-电子器件的发展2001 数字电路模拟电路ADDA线性电源开关电源电池电源按键显示五、精密检测电路-电子器件的发展21集成运算放大器: 实现信号的组合和运算的放大器。集成运放:模拟器件。运放电路: 器件外围。 集成运放配上不同的反馈网络和采用不同的反 馈方式,构成功能和特性完全不同的电子电路, 它是各种电子电路(仪器电路)中最基本的组成环 节。集成运放电路优点:工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。1、定义五、精密检测电路-运算放大器运算放大器22(1)电路一般采用直接耦合的电路结构,而不采用阻容耦合结构;(2)输入级采用差
21、动放大电路,目的是克服直接耦合电路的零漂;(3)NPN管和PNP管配合使用,从而改进单管的性能;(4)大量采用恒流源设置静态工作点或做有源负载(电流源具有交 流电阻大的特点),提高电路性能;(5)同一芯片上的元件是由同一工艺制造出来的,故具有同相偏 差。元件参数偏差方向一致,温度均一性好。2、集成运放特点五、精密检测电路-运算放大器233、 基本构成 集成运放是以双端为输入、单端为输出的直接耦合型高增益放大器, 其内部组成原理框图用图1.2 表示, 它由输入级、 中间级、 输出级和偏置电路等四部分组成。 集成运算放大器内部组成原理框图差动输入级电压放大级输出级偏置电路uiduo五、精密检测电路
22、-运算放大器244、集成放大器封装形式1 金属圆帽封装 (8/10/12脚)2 双列直插封装 (8/14脚)3 贴片封装 (8/14脚)1 塑料封装 (1070度)2 陶瓷封装 (50125度) 价格相差2个数量级3 金属陶瓷封装 (更高)5、集成放大器封装材料五、精密检测电路-运算放大器25五、精密检测电路-运算放大器6、集成运放主要参数26五、精密检测电路-运算放大器6、集成运放主要参数277、集成运放的种类u 通用运放u 低功耗u 低温漂u 高输入阻抗u 低噪声u 高速运放u 高压运放u 多元运放u 单电源u 跨导型运放五、精密检测电路-运算放大器288、集成运放的使用u 合理选择u 消
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