传感器与信号调理电路运放

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,工业系统测量,传感器与信号调理电路,9/23/2024,1,如何测量你的体温？,包括：获取温度信号以及处理温度信号,本讲我们将了解测量系统的组成，包括,信号的获取,以及,信号的预处理,。另外，着重介绍在信号处理中使用最多的器件：,运算放大器,。,引言,温度测量系统,信号,预处理,温度,温度,传感器,电信号,符合要求,的信号,9/23/2024,2,传感器,传感器,定义,：能感受某种信息（,被测量,），并按,一定规律,将其转换成,可用信号,的器件或装置；,可用信号：某一定场合中便于传输和处理且可以使用的信号，常是电量。,传感器的,本质,：将被测量从一种,能量,形式,转换,成另一种能量形式，并作为可用信号输出；,狭义的传感器：被测量,电信号；,传感器是工业系统的感官，获取工业系统中的位置、转速、温度、液位、压力等信息；,对传感器的要求：,线性度好,、,无滞环误差,、,特性稳定,、,测量范围宽,、,响应迅速。,被测量,传感器,可用信号,物理量,化学量,生物学量,9/23/2024,3,信号调理电路,问题：,传感器的输出信号往往,很微弱,，或,波形不适当,，或,信号形式不适合,，不能直接用于工业系统的状态显示和控制。,解决：电压放大、整形、电流电压转换、频率电压转换等；,信号调理电路：对传感器的输出信号施行一定,预处理,的装置，使信号适于显示或控制。,主要技术：电子技术,运算放大器,测量同一被测量：不同的测量方法,不同的传感器及相应的,信号调理电路。,同一传感器可以用于不同的工业系统。,9/23/2024,4,直流电源,测量系统,信号调理,电路,典型测量系统的组成,现场,物理量,传感器,可用,信号,显示装置,信号发生器,示波器,控制装置,万用表,9/23/2024,5,常用仪器在测量系统中的应用,信号发生器,：产生,标准信号,（不同波形种类,、不同频率和幅值的,信号）；,调试和维修时，,模拟传感器的输出信号,示波器,：测量并显示电路中不同点的信号；,直流电源,：为系统各部分供电；,万用表,：最方便的检测仪器,可测量电压、电流、电阻、电容、电感、温度,9/23/2024,6,集成运算放大器,集成运算放大器是一种,高放大倍数,的直接耦合放大器件；,完成信号放大、信号运算（加、减、乘、除、对数、反对数、平方、开方等）、信号处理（滤波、调制等）以及波形的产生和变换等功能；,由于集成运放具有性能稳定、可靠性高、寿命长、体积小、重量轻、耗电量少等优点，得到了广泛的应用；,注意：集成运算放大器是一个有源器件。,9/23/2024,7,运算放大器,运算放大器的符号以及常见的运算放大器：,管脚起始,朝左,管脚序号逆时针方向增长！,OP07,LM324,_,+,9/23/2024,8,运算放大器,运算放大器简称为运放；,运放有两个输入端：,同相输入端,反相输入端,有单端和差动两种输入方式,一个输出端；,9/23/2024,9,运算放大器,“放大”的含义及工作特性曲线,0,V,i,V,o,E,+,E,-,正向饱和,反向截止,线性放大区,“放大”的含义,运放的工作特性曲线,V,o,( E,-, E,+,),9/23/2024,10,理想运算放大器,A,很大，1000以上,r,i,很大，兆欧以上,r,o,很小，可以忽略,V,o,有限，电源电压范围内,A,r,i,r,o,0,V,o,(E,-,E,+,),V,+,=V,-,I,i,=0,虚通,虚短,虚断,考虑电压,考虑电流,理想运放是一个,高增益、高输入电阻、低输出电阻,的器件。,1,反相输入端,r,i,_,+,r,o,_,AV,i,+,1,2,2,同相输入端,3,9/23/2024,11,理想运算放大器,在输入一侧考虑电压关系时：反相输入端与同相输入端的电压相等，称为“,虚通,”或“,虚短,”；,若同相端（反相端）接地，即同相端（反相端）电位为零，则反相端（同相端）电位也为零，称为“,虚地,”；,在输入一侧考虑电流关系时：反相输入端与同相输入端之间的电流为零，称为“,虚断,”。,_,+,1,2,3,9/23/2024,12,单端输入与差动输入,单端输入方式,一端接输入信号，另一端接地（或通过电阻接地）,同相输入,反相输入,差动输入方式（双端输入）,输入信号,V,1,和,V,2,同时加在同相端1和反相端2上,V,i,V,1,V,2,9/23/2024,13,开环方式与反馈方式,开环方式,输出端与输入端之间除地线外没有连接；,如：比较器。,反馈方式,有信号从输出端经过某种电路回到输入端，构成反馈回路。,9/23/2024,14,正确理解运放的“工作方式”,运放内部并没有所谓的“工作方式”，它只会按照运放的工作特性曲线工作（即对所有的“工作方式”都一样）；,所谓的“工作方式”是依,运放的外部连接,而引入的说明。,9/23/2024,15,运放的分析方法,三步走,虚断：把电路分为两个电阻串并联的支路；,虚短：,V,+,=,V,-,，即两个支路之间的关系；,使用电阻串并联的方法求解（设电流,i,）。,9/23/2024,16,运放应用：,反相比例放大器,V,a,=0,a,点常称“虚地”点,虚断,虚短,R2,R1,_,+,+10V,-10V,R3,a,9/23/2024,17,运放应用：,反相比例放大器,R2,R1,_,+,+10V,-10V,R3,a,虚短,虚断,反向输入支路,同向输入支路,9/23/2024,18,运放应用：,同相比例放大器,虚断,虚短,原理图中常用的,简化画法,9/23/2024,19,运放应用：,电压跟随器,虚断,虚短,输出跟随输入变化。,作用：,前后极之间的,隔离、缓冲，提高带负载能力等。,9/23/2024,20,运放的,补充说明,前面讲的均是运放的理想模型，集成运放内部并非真如模型的结构，但是它有与模型相同的特性（工作特性曲线），所以可以使用理想模型来分析运放；,集成运放内部结构复杂，在模拟电子技术课程中有深入的讲解，可以参考：,模拟电子技术基础（第三版） 清华大学电子学教研组编 童诗白 华成英 主编,9/23/2024,21,训练内容1：,反相放大器的测试,输入信号,u,i,：正弦波，,f,=2kHz，直流电平为0V，,u,ip-p,=,0.4V、0.8V、1.2V、1.8V、2.5V；,双踪观察输入输出波形，记录输出,u,op-p,；,连续增大,u,i,的幅值，记录出现饱和现象时输入、输出信号的峰峰值。,临界饱和时：,;,。,9/23/2024,22,信号发生器,直流电源,反相放大器的训练：,接线示意图,示波器,电路的检测方法：,检查电源供电是否正常？,有问题，检查连接点导线,直流电源的使用：,开启之前,逆时针,旋到底,“,跟踪,”按下,电路中所有的地要“,共地,”,9/23/2024,23,训练电路板简介,9/23/2024,24,训练内容2：,同相放大器的测试,输入信号,u,i,：正弦波，,f,=2kHz，直流电平为0V，,u,ip-p,=0.4V、0.8V、1.2V、1.8V、2.5V；,双踪观察输入输出波形，记录输出,u,op-p,；,连续增大,u,i,的幅值，记录出现饱和现象时输入、输出信号的峰峰值。,临界饱和时：,;,。,9/23/2024,25,训练内容3：,电压跟随器的测试,输入信号,u,i,：正弦波，,f=,2kHz，直流电平为0V，,u,ip-p,=,0.5V；,双踪观察输入输出波形；,连续改变,u,ip-p,，双踪观察输入输出波形。,9/23/2024,26,IC间距与DIP封装,IC间距,：1IC = 0.1inch = 100mil = 2.54mm,面包板的插孔间距、集成电路封装,软尺寸与硬尺寸,软引线尺寸,：元器件安装到面包板或印制电路板上时，元器件对焊盘间距要求不是很严格，如：普通电阻、电容、小功率三极管、二极管等；,硬引线尺寸,：元器件对安装尺寸有严格要求，如：大功率三极管、继电器、电位器、集成电路。,DIP封装,：双列直插封装，一般管脚数小于100,如：DIP-8、DIP-14、DIP-40,其他封装：PLCC、QFP,9/23/2024,27,元器件在面包板上的安装示例,OP07,LM324,1.5k,1.5k,7107,2907,IC,IC,4IC,集成电路：,管脚序号按逆时针方向增长,极性：,长正短负,色环为负,9/23/2024,28,小结,传感器：被测量,可用信号（一定规律）；,信号调理电路：对可用信号做预处理；,运放：“虚短”“虚断”电阻串并联,反相/同相比例器：实现电压的单端放大；,差动放大器：实现两路电压的差动放大；,电压跟随器：实现前后极的,隔离,。,测量系统,信号调理,电路,现场,物理量,传感器,可用,信号,显示装置,控制装置,9/23/2024,29,训练中常见的问题,输出波形产生畸变,主要原因：未接电源地；,可能原因：OP07损坏。,在输入,u,ip-p,2V就饱和,10k,电阻被短接；,输入直流电平不为0，即OFFSET旋钮开且不为0。,输出波形先截止，后饱和,运放：截止-9.3V，饱和+9.7V；,OFFSET旋钮调节：有一个很小的直流电平。,9/23/2024,30,运算放大器,“放大”的含义及工作特性曲线,V,i,V,o,0,E,+,-,0.3,E,-,+,0.7,正向饱和,反向截止,线性放大区,“放大”的含义,运放的工作特性曲线,饱和压降约0.3V，,截止导通电压约0.7V,V,o,E,-,+0.7,E,+,-0.3,9/23/2024,31,运放应用：,差动放大器（减法器）,虚断,虚短,9/23/2024,32,运放应用：,积分器,虚断,虚短,真正的积分器！,而,RC,不完全积分电路只是对于方波输入时，有类似于对输入,u,i,积分的效果，并非真正的积分！,9/23/2024,33,运放应用：,比较器,过零比较器,常用作信号整形,工作在饱和区及截止区,与参考电压,V,r,作比较，输出为比较的结果，故称,比较器。,9/23/2024,34,选做：,积分器及比较器,积分器,输入,u,i,：方波，,f=,100Hz，直流电平为0V，,u,ip-p,=,1.0V。,比较器,输入,u,i,：正弦波，,f=,1kHz，直流电平为0V，,u,ip-p,=,1.0V。,双踪观察输入输出波形。,9/23/2024,35,