測控電路內(nèi)容：第一章緒論

1、第一章 測控電路設(shè)計(jì)實(shí)用技術(shù)基礎(chǔ) 測量與控制是認(rèn)識(shí)客觀世界和順應(yīng)客觀規(guī)律的必不可少的重要手段。現(xiàn)代生產(chǎn)為了保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高生產(chǎn)效益，必須對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行嚴(yán)格控制，而要實(shí)現(xiàn)這種控制，就必須對(duì)生產(chǎn)過程的各種參數(shù)和狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的測量。因此，測量是控制的基礎(chǔ)，控制離不開測量。實(shí)際上，在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，測量與控制已經(jīng)滲透到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科學(xué)研究和現(xiàn)代社會(huì)生活等各個(gè)領(lǐng)域。由于目前電參量在信息轉(zhuǎn)換、處理、傳輸、存儲(chǔ)等方面具有較成熟的技術(shù)和手段，多數(shù)物理量的測量和控制以電參量的形式進(jìn)行，故測量和控制電路在測控系統(tǒng)中具有不可替代的作用1.1測控電路的作用與基本組成現(xiàn)代測控系統(tǒng)常見的基本構(gòu)成如圖1

2、-1所示。測控系統(tǒng)的最前級(jí)為傳感器，其作用是將各類被測量轉(zhuǎn)換成與之具有一定函數(shù)關(guān)系的電量（通常為電壓）；但是，傳感器的輸出信號(hào)一般都很微弱，還可能伴隨著各種噪聲，需要用測量電路即信號(hào)調(diào)理及數(shù)字化等電路將它放大，剔除噪聲，選取有用信號(hào)，按照測量與控制功能的要求，進(jìn)行所需演算、處理與變換，形成為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別及處理的信號(hào)；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的作用是對(duì)數(shù)字化了的被測信號(hào)進(jìn)行計(jì)算、定標(biāo)、誤差校正或自校準(zhǔn)等處理，一方面，經(jīng)處理的測量結(jié)果由顯示輸出系統(tǒng)顯示，由記錄系統(tǒng)打印、繪圖或由報(bào)警系統(tǒng)給出報(bào)警信息；另一方面，經(jīng)算法運(yùn)算過的控制信號(hào)經(jīng)控制電路驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)測控對(duì)象進(jìn)行控制。通常我們將測量電路和控制電路統(tǒng)稱為測

3、控電路，它已融入測控系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，并在其中發(fā)揮重要的作用，可以說離開測控電路，測控系統(tǒng)是無法實(shí)現(xiàn)的。圖1-1測控電路在現(xiàn)代測控系統(tǒng)中的作用和位置計(jì)算機(jī)系統(tǒng)測控對(duì)象傳 感 器測 量 電 路控 制 電 路執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu)顯 示 系 統(tǒng)記 錄 系 統(tǒng)報(bào) 警 系 統(tǒng)測量電路擔(dān)負(fù)著信號(hào)二次變換的重任，其實(shí)質(zhì)是電位或波形變換，其主要功能是放大有用信號(hào)，抑制傳感器輸出信號(hào)中的噪聲，并將放大后的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化；控制電路擔(dān)負(fù)著實(shí)現(xiàn)控制功能的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的重任。由于被測和被控物理量及其相應(yīng)傳感器和驅(qū)動(dòng)器的多樣性，與此相應(yīng)的測量與控制電路必然具有多樣性，因此測控電路在設(shè)計(jì)上靈活性很強(qiáng)。從測量準(zhǔn)確度的角度來說，測量電

4、路位于系統(tǒng)獲取信息的最前級(jí)，對(duì)測量的準(zhǔn)確度起決定作用，控制電路處于系統(tǒng)對(duì)控制裝置的前級(jí)，直接影響控制的準(zhǔn)確性及精度，二者均為現(xiàn)代測控系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)，也是設(shè)計(jì)測控系統(tǒng)的難點(diǎn)，在現(xiàn)代測控技術(shù)中占據(jù)極其重要的地位。1.1.1 對(duì)測控電路的主要要求測控系統(tǒng)對(duì)測控電路的基本要求可以概括為高精度、高靈敏度、高分辨力、快響應(yīng)和高可靠性。有時(shí)還有一些其他要求，如量程和經(jīng)濟(jì)性等。1精度高對(duì)于測控電路，高精度是主要指標(biāo)之一，準(zhǔn)確地測量被測對(duì)象的狀態(tài)與參數(shù)，是可靠、精確控制的基礎(chǔ)。為實(shí)現(xiàn)高精度，測控電路應(yīng)具備下列性能。1）低噪聲與高抗干擾能力 在精密測量中，傳感器輸出信號(hào)的變化往往是很微小的。要精確測得被測參數(shù)的微小

5、變化，必須要求電路具有低噪聲與高抗干擾能力，包括： * 合理設(shè)計(jì)電路，合理布線與接地，選用低噪聲器件，采取適當(dāng)?shù)母綦x與屏蔽等。* 對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，合理安排電路的通頻帶，對(duì)抑制干擾有重要作用。* 采用具有高共模抑制比的電路，對(duì)抑制干擾也有重要作用。因2）低漂移、高穩(wěn)定性首先應(yīng)選擇溫漂小即對(duì)溫度不敏感的元器件；其次應(yīng)盡量減小電路的、特別是關(guān)鍵部分的溫度變化，包括減小電路中的電流，讓大功率器件遠(yuǎn)離前級(jí)電路，安排好散熱等。還要注意電路的長期工作穩(wěn)定性、要采取相應(yīng)的措施克服元器件的老化、開關(guān)與接插件的彈性疲勞和氧化引起接觸電阻變化等因素引起的漂移。3）線性與保真度好大多數(shù)情況下，要求系統(tǒng)的輸入與輸出間具

6、有線性關(guān)系。因?yàn)榫€性關(guān)系使用方便，如線性標(biāo)尺便于讀出，在換擋時(shí)不必重新定標(biāo)，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、細(xì)分、伺服跟蹤時(shí)不必考慮非線性因素，波形不失真等等。但若系統(tǒng)按線性設(shè)計(jì)，電路不能保證線性，便會(huì)帶來誤差。保真是指信號(hào)處理前后的波形不發(fā)生變化，這除要求電路的良好線性，還要求在信號(hào)所占有的頻帶內(nèi)，有良好的頻率特性。4） 有合適的輸入與輸出阻抗即使電路滿足上述的各種要求，但如果某一測控系統(tǒng)中各單元電路輸入輸出阻抗的不匹配，也仍有可能給系統(tǒng)帶來誤差。若與傳感器相連的測量電路輸入阻抗太低，會(huì)使傳感器的信號(hào)過多地衰減。如果該測量電路輸入阻抗太高，輸入端噪聲也會(huì)很大，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

7、匹配。同樣若電路的輸出阻抗太大，在接入輸入阻抗較低的負(fù)載后，也會(huì)使電路輸出下降。因而電路的輸出阻抗與后級(jí)的輸入阻抗也應(yīng)當(dāng)相匹配。2. 動(dòng)態(tài)性能好動(dòng)態(tài)性能好包括響應(yīng)快和動(dòng)態(tài)失真小。測量電路沒有良好的頻率特性、高的響應(yīng)速度，就不能準(zhǔn)確地測出被測對(duì)象的運(yùn)動(dòng)狀況，無法對(duì)被測系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確控制。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)振蕩，振蕩的幅度還可能越來越大，導(dǎo)致系統(tǒng)失去穩(wěn)定。為了能夠測出快速變化的參數(shù)，為了使一個(gè)高速運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定，要求測控電路有高的響應(yīng)速度和良好的頻率特性。3 高靈敏度和高分辨能力電路的靈敏度是指輸出變化量與引起該變化的輸入變化量的比值，其表達(dá)式為可見，靈敏度的本質(zhì)

8、是電路的增益，其增益越大，靈敏度越高。分辨能力是指電路能夠檢測出的最小輸出量。提高測控電路分辨輸入信號(hào)的能力是保證測量精確的前提，只有分辨出信號(hào)，高靈敏度才能發(fā)揮作用。不能在分辨力不高的情況下盲目提高靈敏度。4轉(zhuǎn)換靈活為了適應(yīng)在各種情況下測量與控制的需要，要求測控電路具有靈活地進(jìn)行各種轉(zhuǎn)換的能力。1）模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換測控電路所面對(duì)的客觀存在物理量多為模擬量，傳感器的輸出信號(hào)也以模擬信號(hào)居多。在計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)中，為有效、可靠地處理、存儲(chǔ)、傳輸所測量的信號(hào)，需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸入到計(jì)算機(jī)，這就是模數(shù)轉(zhuǎn)換。另一方面，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，又常需要模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)，這時(shí)又需要將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)

9、轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，這就是數(shù)模轉(zhuǎn)換。2）信號(hào)形式的轉(zhuǎn)換為了滿足信號(hào)處理與傳輸上的需要，還常需要進(jìn)行直流與交流、電壓與電流信號(hào)之間的轉(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。3）量程的變換當(dāng)測控系統(tǒng)面對(duì)大范圍信號(hào)幅度時(shí)，常需要設(shè)置多個(gè)量程，以保證所需要的靈敏度和分辨力。若用大量程測量微小的量值變化，達(dá)不到所需的靈敏度和分辨力，從而不能保證測量精度。反之，用小量程測量大的變化量，則會(huì)引起飽和與失真。故要求電路應(yīng)能根據(jù)信號(hào)的大小進(jìn)行量程的變換。4）信號(hào)的處理與運(yùn)算在測量與控制中應(yīng)能方便地對(duì)信號(hào)進(jìn)行處

10、理與運(yùn)算，如求平均值、差值、峰值、絕對(duì)值，微分、積分運(yùn)算等。還包括對(duì)線性化處理與誤差補(bǔ)償，進(jìn)行復(fù)雜函數(shù)運(yùn)算及邏輯判斷等。5可靠性高所謂可靠是指測控電路無故障工作，一般用平均無故障工作時(shí)間來衡量。測控電路所面對(duì)的環(huán)境非常復(fù)雜，工作條件千差萬別，如：高溫、高速、高濕、高塵、振動(dòng)、密閉、遙測、高壓力、高電壓、深水、強(qiáng)場、易爆等等。在這些不同的條件下都要求測控電路能可靠工作。從某種意義上看，可靠性是測控電路的生命。6. 經(jīng)濟(jì)性好若一個(gè)測控電路可以應(yīng)用到各種場合，被廣泛應(yīng)用，則不能忽略對(duì)電路的成本要求。設(shè)計(jì)電路時(shí)，應(yīng)在滿足性能要求的基礎(chǔ)上，盡可能地簡化電路，盡量采用通用部件實(shí)現(xiàn)所要求的性能，沒有必要無謂

11、地追求高性能。1.1.2 測控電路的信號(hào)及基本組成1.1.2.1 測控電路的輸入與輸出信號(hào)測控電路的輸入信號(hào)來自傳感器，因此，測控電路的輸入信號(hào)的類型因傳感器的不同而各異，測控電路的輸出信號(hào)也隨傳輸對(duì)象的不同而變換成各種形態(tài)，這些信號(hào)的類型和形態(tài)可歸納為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩類1 模擬信號(hào)模擬信號(hào)是指信息參數(shù)在給定范圍內(nèi)表現(xiàn)為連續(xù)的信號(hào)。 測控電路中表現(xiàn)為與被測信息或者給定信息連續(xù)對(duì)應(yīng)的信號(hào)。包括非調(diào)制信號(hào)和調(diào)制信號(hào)。Oxt12圖1-2 非調(diào)制模擬信號(hào)（1） 非調(diào)制信號(hào)在幅度和相位上與被測信息的大小、波形直接對(duì)應(yīng)的信號(hào)。如圖1-2所示，曲線1代表被測信號(hào)，曲線2代表測控電路的輸入信號(hào)。二者在大小

12、與波形上具有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。如采用熱電偶測溫時(shí)接收到的電信號(hào)，采用壓電傳感器測量壓力時(shí)所獲得的信號(hào)，采用光電二極管測量亮度的信號(hào)等，其大小和波形與所測的物理量均一一對(duì)應(yīng)。（2） 已調(diào)制信號(hào)圖1-3 交流電橋調(diào)幅電路調(diào)制就是用一個(gè)信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）去控制另一個(gè)作為載體的信號(hào)（載波信號(hào)）讓后者的某一參數(shù)（幅度、頻率、相位等）按前者的值變化。通過調(diào)制，將被測信號(hào)調(diào)制后生成已調(diào)制信號(hào)。在信號(hào)調(diào)制中，常以一個(gè)高頻正弦信號(hào)作為載波信號(hào)，可以用測量信號(hào)對(duì)該正弦信號(hào)的幅值、頻率和相位進(jìn)行調(diào)制，分別稱為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相，形成已調(diào)制信號(hào)。如圖1-3所示，將應(yīng)變片接入交流電橋來測量梁的變形，此時(shí)與應(yīng)變片電阻的變化所對(duì)應(yīng)

13、的電橋的輸出就是調(diào)幅信號(hào)，其信號(hào)幅值為應(yīng)變片的電阻信號(hào)所調(diào)制。2 數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)指幅度的取值是離散的，如二進(jìn)制碼就是一種數(shù)字信號(hào)。通常需要采集的數(shù)字邏輯信號(hào)包括頻率信號(hào)、邏輯編碼信號(hào)、開關(guān)信號(hào)等。（1） 增量碼信號(hào)即脈沖頻率信號(hào)。被測量值與傳感器輸出的脈沖成正比，即測量值的大小由脈沖數(shù)的增量所決定。如光柵測位移、磁電式或霍爾式轉(zhuǎn)速測量、電磁式流量測量等傳感器的輸出信號(hào)就是增量碼信號(hào)。步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)也是一種增量碼信號(hào)，電機(jī)的轉(zhuǎn)角大小由測控電路輸出的脈沖數(shù)決定。（2） 絕對(duì)碼信號(hào)絕對(duì)碼信號(hào)是一種與狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的信號(hào)。實(shí)際上是一種邏輯編碼信號(hào)，如碼盤，它的每一個(gè)方位角度對(duì)應(yīng)一組編碼?，F(xiàn)在有的傳感

14、器是數(shù)字型的，它輸出的直接是編碼的邏輯信號(hào)，如溫度傳感器DS1820，在測量范圍內(nèi)它的每一個(gè)溫度值對(duì)應(yīng)一組編碼。各種串行通信的信號(hào)也都是絕對(duì)碼信號(hào)。（3） 數(shù)字I/O信號(hào)又稱為開關(guān)信號(hào)，是一位絕對(duì)碼信號(hào)。開關(guān)信號(hào)只有0和1兩種狀態(tài)。光電開關(guān)、觸發(fā)式傳感器的輸出信號(hào)，以及電磁鐵，繼電器等通、斷控制信號(hào)均屬于數(shù)字I/O信號(hào)。 1.1.2.2 測控電路的基本組成1. 模擬式測量電路的基本組成圖1-4是模擬式測量電路的基本組成。傳感器通常是非電量測量部件，其輸出已是電量；根據(jù)被測量的不同以及分辨力的要求，可進(jìn)行相應(yīng)的量程切換；傳感器的輸出信號(hào)一般較小，故常需要放大；在采用信號(hào)調(diào)制的場合，信號(hào)調(diào)制與解調(diào)

15、用同一振蕩器輸出的信號(hào)作載波信號(hào)和參考信號(hào)；利用信號(hào)分離電路（常為濾波器），將信號(hào)與噪聲分離，將不同成分的信號(hào)分離，取出所需信號(hào)；有的被測參數(shù)比較復(fù)雜，或者為了控制目的，還需要進(jìn)行運(yùn)算；對(duì)于傳統(tǒng)的典型模擬式電路，無需模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和計(jì)算機(jī)，而直接通過顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出。現(xiàn)在，越來越多的模擬信號(hào)測量電路輸出數(shù)字信號(hào)，需要模數(shù)轉(zhuǎn)換電路以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的數(shù)字和邏輯運(yùn)算或較大量的信息存儲(chǔ)。圖中所示各個(gè)組成部分不一定都需要。例如，對(duì)于輸出非調(diào)制信號(hào)的傳感器，就無需用振蕩器向它供電，也不用解調(diào)器。另外，圖中運(yùn)算電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和計(jì)算機(jī)等部件被畫在虛線框內(nèi)，表示電路中可以沒有這些部分

16、。圖1-4 模擬式測量電路的基本組成傳感器電 源振蕩器量程切換電路放大器解調(diào)器信號(hào)分離電路運(yùn)算電路數(shù)模轉(zhuǎn)換電路數(shù)模轉(zhuǎn)換及驅(qū)動(dòng)電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)顯示系統(tǒng)測控電路2. 數(shù)字式測量電路的基本組成增量碼數(shù)字式測量電路的基本組成如圖1-5所示。一般來說增量碼傳感器輸出的周期信號(hào)也是比較微小的，需要首先將信號(hào)放大；又是需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形，以適應(yīng)數(shù)值信號(hào)的要求；傳感器輸出信號(hào)一個(gè)周期所對(duì)應(yīng)的被測量值往往較大，為了提高分辨力，需要進(jìn)行內(nèi)插細(xì)分；在有的情況下，增量碼一個(gè)周期所對(duì)應(yīng)的量不是一個(gè)便于讀出的量，需要對(duì)脈沖當(dāng)量進(jìn)行變換；被測量增大或減小，增量碼都作周期變化，需要采用適當(dāng)?shù)姆椒ū鎰e被測量變化的方向，辨

17、向電路按辨向結(jié)果控制計(jì)數(shù)器作加法或減法計(jì)數(shù)；在有的情況下辨向電路還同時(shí)控制細(xì)分與脈沖當(dāng)量變換電路作加或減運(yùn)算；采樣指令到來時(shí)，將計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)送入鎖存器；傳統(tǒng)數(shù)字測量系統(tǒng)將該信號(hào)送到顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行顯示，或按測量值執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。而現(xiàn)代數(shù)字式測量系統(tǒng)無一不采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。圖1-5 增量碼數(shù)字式測量電路的基本組成電路驅(qū)動(dòng)電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)顯示系統(tǒng)傳感器電 源計(jì)數(shù)器放大器細(xì)分電路脈沖當(dāng)量變換電路整形電路鎖存器辨向電路指令傳感器絕對(duì)碼和開關(guān)式測量電路比較簡單，它基本上就是一套邏輯電路。以適當(dāng)方式譯碼，進(jìn)行顯示和控制。3.控制電路的基本組成控制方式可分為開環(huán)控制與閉環(huán)控制兩種，這兩類控制系統(tǒng)的組

18、成也不同。1）開環(huán)控制開環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成如圖1-6所示。在控制系統(tǒng)的輸入端通過給定機(jī)構(gòu)設(shè)置給定信號(hào)；通過設(shè)定電路將它轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)放大和轉(zhuǎn)換后控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變加熱電阻絲中的電流，使?fàn)t子（被控對(duì)象）獲得所需溫度。只要讓輸入的設(shè)定信號(hào)按設(shè)定規(guī)律變化，可以讓輸出按所要求的規(guī)律變化。圖中點(diǎn)畫線框內(nèi)所示部分為控制電路。圖1-6 開環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成給定機(jī)構(gòu)設(shè)定電路控制電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象輸出顯然，這種控制系統(tǒng)難以保證系統(tǒng)的輸出符合所需要求。首先，系統(tǒng)能夠獲得正確的輸出是建立在輸入與輸出有確定的函數(shù)關(guān)系基礎(chǔ)上的。也就是說系統(tǒng)的模型，或者說它的傳遞函數(shù)正確、不變。系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的任何變化將引起輸出

19、的變化。其次，不可避免地會(huì)有擾動(dòng)因素作用在被控對(duì)象上，引起輸出的變化。2）閉環(huán)控制圖1-7 閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成輸出給定機(jī)構(gòu)設(shè)定電路被控對(duì)象轉(zhuǎn)換電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)校正電路放大電路比較電路傳感器控制電路擾動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成如圖1-7所示。它的主要特點(diǎn)是用傳感器直接測量輸出量，將它反饋到輸入端與設(shè)定電路的輸出相比較，當(dāng)發(fā)現(xiàn)它們之間有差異時(shí)，進(jìn)行調(diào)節(jié)。這里系統(tǒng)和擾動(dòng)的傳遞函數(shù)對(duì)輸出基本沒有影響，影響系統(tǒng)控制精度的主要是傳感器和比較電路的精度。在圖1-7中，傳感器反饋信號(hào)與設(shè)定信號(hào)之差經(jīng)放大后，不直接送執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而先經(jīng)過一個(gè)校正電路。考慮到從發(fā)現(xiàn)輸出量發(fā)生變化到執(zhí)行控制需要一段時(shí)間，為了提高響應(yīng)速度

20、常引入微分環(huán)節(jié)。另外，當(dāng)輸出量在擾動(dòng)影響下作周期變化時(shí)，由于控制作用的滯后，可能產(chǎn)生振蕩。為了防止振蕩，需要引入適當(dāng)?shù)姆e分環(huán)節(jié)。也可能需要先進(jìn)行某些運(yùn)算或處理。在實(shí)際電路中，往往比較電路的輸出先經(jīng)放大再送入校正電路，視需要可能再次放大(圖中未表示)。圖1-7為原理性構(gòu)成。加入轉(zhuǎn)換電路的目的是使執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得所需類型的控制信號(hào)。1.2集成運(yùn)算放大器基礎(chǔ)知識(shí)集成運(yùn)算放大器是測控電路中應(yīng)用最廣泛的單元電路之一，簡稱集成運(yùn)放。在現(xiàn)代測控系統(tǒng)中，電路設(shè)計(jì)的技巧主要體現(xiàn)在對(duì)集成運(yùn)放的應(yīng)用上，是測控電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在。因此，有必要了解和掌握集成運(yùn)放的基礎(chǔ)知識(shí)。1.2.1 集成運(yùn)放的基本特性及其分類1.集成運(yùn)放

21、的特性圖1-8 運(yùn)算放大器特性及等效電路集成運(yùn)放是一種差分輸入、單端輸出的放大器，這種放大器能借助不同的外部反饋連接實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)算功能，因此被稱之為運(yùn)算放大器。其符號(hào)如圖1-8(a)所示。其中“vN”和“vP”符號(hào)的輸入代表反相和同相輸入端。“vo”是輸出端。運(yùn)算放大器沒有接地端，輸出信號(hào)賴以參考的接地端是由正負(fù)電源的公共端在運(yùn)放的外部建立起來的。圖中用VCC代表正電源，用VEE代表負(fù)電源。圖1-8(b)是運(yùn)算放大器的等效電路。這個(gè)等效電路包括差分輸入電阻rd，電壓增益a和輸出電阻ro。由圖可知，差模輸入電壓 當(dāng)輸出不加負(fù)載時(shí) （1-1）雖然兩個(gè)輸入端對(duì)地都具有獨(dú)立的電位，但（1-1）式表明，運(yùn)

22、算放大器的輸出僅僅對(duì)兩個(gè)輸入電壓的差作出反應(yīng)，因此運(yùn)算放大器也是一種差分放大器。 圖1-9 同相結(jié)構(gòu)反饋放大電路運(yùn)算放大器只有在添加外部反饋后才能正常工作，如圖1-9所示的是典型的同相結(jié)構(gòu)反饋放大電路。為求得電路的閉環(huán)增益，可在節(jié)點(diǎn)vN和vo處，根據(jù)基爾霍夫定律將電流相加，得 消去vN，并設(shè)A=vo/vi，求解得到 （1-2）通常，集成運(yùn)放的增益a105，輸入阻抗rd106，輸出阻抗ro105，有些可達(dá)107級(jí)；實(shí)際運(yùn)放的輸入阻抗大都106，甚至高達(dá)1012；而實(shí)際運(yùn)放的輸出阻抗大多數(shù)都在100歐姆以下；實(shí)際運(yùn)放的頻率響應(yīng)特性是隨著頻率的增加而下降的，但只要限制在一定頻率范圍內(nèi)，也可以按照理想

23、運(yùn)放的方法進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。1.2.3運(yùn)算放大器誤差及其補(bǔ)償1.輸入失調(diào)電壓對(duì)理想運(yùn)算放大器，輸入電壓為零，輸出電壓也必然為零。然而，實(shí)際運(yùn)算放大器中，由于運(yùn)放前置級(jí)正負(fù)兩部分之間存在固有的適配，輸出電壓常常不為零。必須在輸入端加上某一校正電壓后才能使輸出為零，這一校正電壓便稱為輸入失調(diào)電壓Vos。這種失調(diào)電壓隨時(shí)間和溫度而變化，即零點(diǎn)在變動(dòng)，常稱零點(diǎn)漂移。如圖1-11所示的反相放大器輸入失調(diào)示意圖，給出了輸入失調(diào)電壓產(chǎn)生的內(nèi)部機(jī)理。當(dāng)輸入電壓ui為零時(shí)輸出電壓不為零，這時(shí)輸出端的電壓稱為輸出失調(diào)電壓uo，在忽略失調(diào)電流Ib的情況下，可用下式表示：圖1-11 反相放大器輸入失調(diào)示意圖（1-7）由

24、上式可知，輸入失調(diào)電壓相同的情況下，增益(R2/R1)越大，輸出失調(diào)電壓越大，所以失調(diào)電壓是影響運(yùn)放精度不可忽視的因素。2.輸入失調(diào)電流普通運(yùn)算放大器的輸入端都是晶體管的基極，會(huì)吸收少量電流，如圖1-11所示，輸入端有直流偏置電流Ib1、Ib2流過。將兩電流的均值稱為輸入偏置電流 （1-8）由于輸入級(jí)正負(fù)兩部分的差異，Ib1和Ib2必然失配，將其差值稱為輸入失調(diào)電流 （1-9）即使在無外加信號(hào)時(shí)，Ib1、Ib2始終存在，于是就在R2和R3兩端產(chǎn)生電壓降u1和u2，u1直接引起輸出電壓的變化，u2相當(dāng)于作用在同相端的輸入電壓，所以在輸出端產(chǎn)生的失調(diào)電壓uo2為 （1-10）若取R3=R1/R2，

25、則 （1-11）由上式可知，當(dāng)Ib1Ib2，即輸入失調(diào)電流Ios0時(shí)，R2越大，由輸入失調(diào)電流所引起的輸出失調(diào)電壓越大。因此，為了減小輸入失調(diào)電流對(duì)輸出失調(diào)電壓的影響，反饋電阻R2不能取得太大，通常取R2100K。3.輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流實(shí)測為了正確地設(shè)計(jì)信號(hào)放大電路，需要對(duì)所選用的運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流和溫度特性進(jìn)行實(shí)測。實(shí)測的方法有多種，這里介紹一種常用的實(shí)測方法，如圖1-12所示。該方法對(duì)電阻的選取，要求R1R3，通常取R1R3，滿足要求。例1.2.2 設(shè)計(jì)由LM358型集成運(yùn)放組成的反相放大器的調(diào)零電路（同相端接入），放大器的輸入電阻為10k，放大倍數(shù)為10。LM

26、358輸入失調(diào)電壓的最大值UOSm=9mV，輸入偏置電流最大值IIBM=500nA。解：選擇電路圖如圖1-13 （b）。（1） 電源電壓取15V。取R1=10k（放大器的輸入電阻），因?yàn)榉糯蟊稊?shù)=10，所以取R2=100k。（2）取RP=100k線繞電位器。則IRP=0.3mA（3）選擇R3+R5為 取R5=51，R3=9.1k，VosM/IBM=910-3/(510-7)=18kR3 +R5，符合要求。（4）選擇R4。取ua=15mV。 取系列值R4=51k。1.2.4運(yùn)放電路的穩(wěn)定性及相位補(bǔ)償在集成運(yùn)放應(yīng)用的過程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)工作不穩(wěn)定的現(xiàn)象，表現(xiàn)為：放大電路在無輸入信號(hào)的情況下，卻輸出一

27、定頻率的信號(hào)。放大器輸入直流或低頻交流信號(hào)，卻輸出頻率較高的信號(hào)。這些現(xiàn)象被稱為自激振蕩。1負(fù)反饋放大器的穩(wěn)定條件多數(shù)運(yùn)放都工作于反饋狀態(tài)，如圖1-14所示。圖中ui為電路的輸入電壓，uo為電路的輸出電壓，uf為電路的反饋電壓，uio為運(yùn)放的輸入電壓，A為運(yùn)放的開環(huán)增益，為反饋電路所決定的反饋系數(shù)。由圖可知 圖1-14 具有負(fù)反饋的放大電路A（放大）（反饋）ufuiuiouo 則 從而 于是，閉環(huán)放大倍數(shù) （1-11）運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)A是隨著輸入信號(hào)頻率的增高而逐漸減小的，如果在某個(gè)頻率下，A=1，則Af。此外，負(fù)反饋電路在低頻段具有180的固定相移，隨著頻率的增高，放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)會(huì)產(chǎn)生附

28、加相移，一旦這種附加相移達(dá)到180，使整個(gè)回路的相移達(dá)到360，負(fù)反饋將轉(zhuǎn)化為正反饋，此時(shí)，如果A=1，則放大電路將在該頻率下產(chǎn)生自激振蕩。即反饋放大器處于臨界穩(wěn)定的條件可用相應(yīng)的幅值條件和相位條件來表示 （1-12） （1-13）所以，A=1頻率處的輸入輸出相位是決定負(fù)反饋電路穩(wěn)定性的參數(shù)。從工程實(shí)際的觀點(diǎn)來看，僅僅在臨界狀態(tài)下保證不發(fā)生自激振蕩是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)槭褂脳l件稍有變化就可能使原先穩(wěn)定的放大器產(chǎn)生振蕩。因此，實(shí)際應(yīng)用中要求放大器不僅是是穩(wěn)定的，還要有一定的穩(wěn)定裕量，通常用相位裕度和增益裕度來描述。如圖1-15所示。相位裕度：與回路增益A=1的頻率相對(duì)應(yīng)的附加相移與180之間的差值。

29、 (A=1)式中，c0，稱為相位裕度，通常工程上選c45。增益裕度：當(dāng)回路增益的相角達(dá)到180時(shí)所對(duì)應(yīng)的回路增益模值 (=-180)圖1-15 增益裕度和相位裕度的圖形表示fxfxcAc-180ff|A |(dB)A00-90-180通常用dB來表示。該數(shù)值為負(fù)，則理論上系統(tǒng)穩(wěn)定。為保證系統(tǒng)具有足夠的相位裕度和增益裕度，通常在電路中的適當(dāng)位置施加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償方法分為內(nèi)部補(bǔ)償和外部補(bǔ)償。內(nèi)部補(bǔ)償是將補(bǔ)償網(wǎng)路接入運(yùn)放的內(nèi)部，通過改變運(yùn)放的開環(huán)頻率特性來滿足穩(wěn)定條件的。外部補(bǔ)償是將補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)接入運(yùn)放外部輸入回路或反饋回路，通過修改運(yùn)放的開環(huán)特性A（j）或反饋系數(shù)(j)的特性來滿足穩(wěn)定條件的。

30、現(xiàn)代集成運(yùn)放大都具有固定的頻率特性，無法從運(yùn)放內(nèi)部實(shí)施相位補(bǔ)償，因此，以下部分只討論外部補(bǔ)償。2.增益補(bǔ)償當(dāng)電壓反饋的運(yùn)放電路中，閉環(huán)增益與環(huán)路增益相關(guān)，可以通過改變閉環(huán)增益使電路變得穩(wěn)定。如圖1-16所示是對(duì)反相放大電路進(jìn)行增益補(bǔ)償?shù)膶?shí)用電路。該電路通過在輸入端上跨接一個(gè)電阻實(shí)現(xiàn)增益補(bǔ)償。由圖可得圖1-16 增益補(bǔ)償電路整理，得即 （1-16）則選擇適當(dāng)?shù)腞c，使得 （1-17）即可達(dá)到電路穩(wěn)定的目的。3相位補(bǔ)償從本質(zhì)上講，相位補(bǔ)償就是在運(yùn)放的電路中引入某種RC網(wǎng)絡(luò)，在整個(gè)回路的開環(huán)頻率特性中引入新的零點(diǎn)或極點(diǎn)，以達(dá)到修改其固有頻率特性的目的。相位補(bǔ)償?shù)闹埸c(diǎn)：在整個(gè)回路的附加相移達(dá)到180

31、以前的頻段上將整個(gè)回路增益A降到1以下或在回路增益A等于1的頻段上保證回路的附加相移小于180。圖1-17 輸入滯后補(bǔ)償電路1） 輸入滯后補(bǔ)償使回路增益的附加相移增大的相位補(bǔ)償，能夠降低中頻段的回路增益，以實(shí)現(xiàn)使運(yùn)放電路穩(wěn)定的目的，這種方法稱為滯后補(bǔ)償。如圖1-17所示是在增益反相放大器采用增益補(bǔ)償基礎(chǔ)上，增加一個(gè)電容，將其與輸入端跨接的電阻相串聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)滯后補(bǔ)償?shù)膶?shí)用電路。由圖可得由uo=-AV-整理，得則 式中的零點(diǎn)頻率f0和極點(diǎn)頻率fp分別為 （1-18） （1-19）式中，f0fp。只要適當(dāng)?shù)剡x擇零點(diǎn)頻率f0和極點(diǎn)頻率fp的位置，就可以在放大器回路增益等于1時(shí)，使回路的附加相移小于1

32、35，滿足穩(wěn)定要求。通常，極點(diǎn)頻率fp選擇在運(yùn)放開環(huán)增益曲線（圖1-15）的第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)f1之前，零點(diǎn)頻率f0選擇在第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)f2的1/10處。即則在按增益補(bǔ)償方式確定Rc的基礎(chǔ)上，可以確定Cc： 2） 反饋超前補(bǔ)償采用反饋電容使回路增益的附加相位減小的補(bǔ)償方式，稱為超前補(bǔ)償。其作用是通過產(chǎn)生超前相位達(dá)到穩(wěn)定目的。圖1-18 反饋超前補(bǔ)償電路如圖1-18所示為超前補(bǔ)償?shù)膶?shí)用電路。這個(gè)電路將電容設(shè)在反饋通路上產(chǎn)生超前相位。由圖可得 取R3=R1/R2，可導(dǎo)出 式中，零點(diǎn)頻率fz和極點(diǎn)頻率f0分別為 （1-20） （1-21）由于R3fz。設(shè)需要增大的相位頻率 則 超前補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是能夠更好地濾除

33、內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲。不過也存在一些限制：（1）只有當(dāng)R2R1時(shí)，才具有較好的補(bǔ)償效果；（2）當(dāng)R2很大，要求的fz又很高的情況下，Cf必定很小，補(bǔ)償效果也不理想；幾種補(bǔ)償電路中，增益補(bǔ)償是最簡單的方式。如果一個(gè)運(yùn)放電路可以通過增益補(bǔ)償方式實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，那就盡量采用這種電路。輸入滯后補(bǔ)償方式有助于提高運(yùn)放的上升速率，可以獲得最好的閉環(huán)頻率特性，但也增加了高頻噪聲。另外一個(gè)缺點(diǎn)是降低了閉環(huán)差分輸入阻抗。1.2.5 標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放反饋電路實(shí)際的運(yùn)放反饋電路可分為三種基本類型：同相放大電路、反相放大電路及差分放大電路。利用理想運(yùn)算放大器的特性，可以輕松設(shè)計(jì)出標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)放反饋電路。1. 同相放大電路1）閉環(huán)增益圖1-1

34、9 同相放大電路同相放大電路的基本形式如圖1-19所示。由圖可知 可得其閉環(huán)增益為 （1-22） 式中，R2可按下式選取 其中，ro為集成運(yùn)放的輸出電阻；rid為集成運(yùn)放的輸入電阻；電阻R3是為消除偏置電流及漂移的影響而設(shè)置的補(bǔ)償電阻，考慮前級(jí)電路輸出阻抗Rn的情況，若RnR1/R2，則 且 圖1-20 高內(nèi)阻信號(hào)源同相放大電路其中，Vio和Iio分別為集成運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流。當(dāng)RnR1/R2時(shí)，電路演變?yōu)閳D1-20所示形式，此時(shí) 同相比例放大器的閉環(huán)增益Af僅與外部電路元件R2、R1有關(guān)，而與放大器本身參數(shù)無關(guān)。此外，同相比例放大器的閉環(huán)增益總是大于或等于1。2）輸入阻抗外部元

35、件為純電阻時(shí)，電路的輸入阻抗Ri為 （1-23）式中 rid運(yùn)算放大器的開環(huán)輸入阻抗；A運(yùn)算放大器的開環(huán)增益。3）輸出阻抗不考慮負(fù)載的情況下，電路的輸出電阻 （1-24）同相放大電路具有高輸入阻抗，但也有易受干擾和精度低的不足。例1.2.4 試設(shè)計(jì)用于紅外線傳感器的放大電路。要求增益Af=60；紅外傳感器的輸出阻抗為180k，輸出直流信號(hào)范圍0200mV。解：（1）鑒于傳感器輸出阻抗較高，選取圖1-20所示電路。 （2）選用OP07超低失調(diào)集成運(yùn)放，查產(chǎn)品手冊(cè)可得其rid=60M，ro=60。（3）電路的輸出電壓最大值Uom=AfUim=0.260=12V，故取電源電壓為15V。 （4） 選擇

36、電阻取E192系列標(biāo)稱值，R2=324K。 取E192系列標(biāo)稱值，R1=5.49K。 因?yàn)镽n=180k，故RnR1/R2。選取1 取E192系列標(biāo)稱值，R3=174K。2.電壓跟隨器將基本同相放大器的中的輸出端Vo與反相輸入端V-短路，即構(gòu)成電壓跟隨器，如圖1-21所示。它是同相放大電路的一種極端形式，其電壓增益圖1-21 電壓跟隨器基本電路電路的輸入阻抗Ri為電路的閉環(huán)輸出阻抗非常小，其值接近于0。使用電壓跟隨器電路時(shí)，特別要注意堵塞現(xiàn)象。即加在同相端和反相端的共模電壓超過集成運(yùn)放的共模輸入電壓的指標(biāo)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)放內(nèi)部輸入級(jí)晶體管的飽和，而無法接收輸入信號(hào)。即使輸入信號(hào)消失，這種飽和現(xiàn)象也

37、不會(huì)立即解除，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)燒毀器件。通常采用下述方法防止堵塞現(xiàn)象。圖1-22 電阻分壓法消除堵塞電路1) 電阻分壓法當(dāng)信號(hào)源的環(huán)境出現(xiàn)異常或強(qiáng)烈干擾時(shí)，輸入信號(hào)有可能會(huì)超出集成運(yùn)算的共模電壓范圍，從而引起堵塞現(xiàn)象。如果可以預(yù)測到這種異常信號(hào)的幅度，則可以利用電阻分壓的方法避免堵塞現(xiàn)象的發(fā)生。具體電路如圖1-22所示。設(shè)運(yùn)放的最大共模輸入電壓為VICM，可預(yù)測的異常信號(hào)為Uicx，則分壓電阻滿足下列關(guān)系時(shí)可以避免堵塞。即，Rn1和Rn2應(yīng)滿足以下關(guān)系：圖1-23 限流法消除堵塞電路 圖中電阻R1、R2、R3的選擇可考慮對(duì)分壓所造成的衰減進(jìn)行補(bǔ)償，按同相放大器的設(shè)計(jì)方法確定。2) 限流法如圖1-23

38、所示。在電壓跟隨器的反饋回路中采用反饋電阻（RF）限制反饋電流，可以削弱或消除堵塞。RF取值為210k，RP為平衡電阻，取RP=RF。3) 限制輸入法限制輸入法是將輸入電壓箝位到特定的電壓，用以防止發(fā)生堵塞。分為二極管限制輸入和穩(wěn)壓管限制輸入兩種方法。采用二極管限制輸入法的防堵塞電路有兩種，分別如圖1-24(a)、(b)所示。圖中VD1和VD2選擇1N4148型高速開關(guān)二極管，正向壓降小于1V，最高反向?yàn)?5V，正向電流為150mA，反向電流為0.025A。 圖1-24 二極管限制輸入法防堵塞電路(b)(a)圖1-25 穩(wěn)壓管限制輸入法防堵塞電路圖1-25所示的是采用穩(wěn)壓管限制輸入的防堵塞電路

39、。電源電壓為15V，若VS1和VS2選擇MTZ10A型穩(wěn)壓管，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓范圍UZ為9.129.59V左右，正向壓降UF為0.7V，則箝位電壓為（UZ+UF）=（9.8210.29）V。3. 反相放大電路1）基本反相放大電路（1）增益反相放大電路的基本形式如圖1-26所示，由圖可知圖1-26 反相放大電路 可得閉環(huán)增益為 （1-25）式中，R2可按下式選取 其中，ro為集成運(yùn)放的輸出電阻；rid為集成運(yùn)放的輸入電阻；電阻R3是為消除偏置電流及漂移的影響而設(shè)置的補(bǔ)償電阻，可由下式求出： （1-26）且 其中，Vio和Iio分別為集成運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流。（2）輸入阻抗外部元件為純電阻

40、時(shí)，電路的輸入阻抗Ri為 （1-27）設(shè)計(jì)電路時(shí)，R1的選取應(yīng)滿足下式 其中，Rn為前級(jí)電路的輸出阻抗。（3）輸出阻抗不考慮負(fù)載的情況下，電路的輸出電阻 （1-28）反相放大電路的優(yōu)點(diǎn)是性能穩(wěn)定，缺點(diǎn)是輸入阻抗比較低，但一般能夠滿足大多數(shù)場合的要求，因而在電路中應(yīng)用較多。例1.2.x2 試設(shè)計(jì)增益Af=10的反相直流放大電路。輸入直流信號(hào)范圍ui=00.8V，信號(hào)源內(nèi)阻Rn=20。解：（1）選取圖1-26所示反相直流放大電路。 （2）選用A741通用集成運(yùn)放，查產(chǎn)品手冊(cè)可得其rid=2M，ro=75，Vio=1mV，Iio=20nA。（3）電路的輸出電壓最大值uom=Afuim=0.810=8

41、V，故取電源電壓為12V可滿足要求。 （4） 選擇電阻取E24系列標(biāo)稱值，R2=30K。 取E24系列標(biāo)稱值，R1=3K。 取E24系列標(biāo)稱值，R3=2.7K。R3Vio/Iio=50k，滿足要求。2）單電源反相放大電路圖1-27 單電源反相放大電路通常，集成運(yùn)放構(gòu)成的反相放大電路由雙電源供電，即對(duì)稱的正、負(fù)兩組電源。但有些場合由于條件的限制需要單電源供電。單電源供電的反相放大電路如圖1-27所示。利用理想運(yùn)放的特性可得到如下關(guān)系：聯(lián)立上式，得如果取R1=R3，R2=R4則 （1-29）若選用軌對(duì)軌運(yùn)放，則輸入信號(hào)的變化范圍被設(shè)定為 即輸出電壓在VCC/2的基礎(chǔ)上變化。4. 差分運(yùn)算放大電路在實(shí)際的測量