数字化测量技术与仪器培训PPT测试仪器预备知识.ppt

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1、数字化测量技术与仪器,振动工程研究所雷文平：讲师,什么是数字化测量？,将连续的被测物理量转化成相应的量子化断续量。然后予以数字化编码，传输、存储，并进行数据处理，显示打印等测量量包括（电压V，电流I，频率f，压力P，流量q，电阻R，电感L，电容C,）,为什么要数字化测量？,传统的方法是模拟测量（缺点是：灵敏度低，读数不直观，误差大，不便于保存）数字化测量优点 精确度高，灵敏度高，测量速度快，读数客观，测量自动化，便于存储，处理，打印等一系列操作,数字化测量主要内容,基本理论，特点，性能D/A转换A/D转换干扰以及防护技术数据采集技术,课程安排：,总学时：24(4-9周/周学时4)内容划分：1.

2、电路与电子学基础（4）2.数字化测量的一般概念（2）3.D/A转换的原理与应用（6）4.A/D转换的原理与应用（8）5.干扰以及防护技术（2）6.数据采集技术（2）,预备知识：电路与电子学基础,电路基本元件电路基本定律半导体的基础知识理想运算放大器及应用门电路，触发器和时序逻辑电路,电路模型,一、电路基本元件,RL,RS,K,+,_,图1（a）无分支电路,RL,RS,+,_,图1（b）分支电路,+,_,c,d,a,b,节点,支路,分析基本量（电流，电压，功率，电量等）,1。电阻,普通电阻,可变电阻,满足定律：,2.电感元件,满足定律：,3.电容元件,普通电容电解电容可调电容极性电容,满足定律：

3、,4.电源（理想电源和实际电源）4.1 电压源,理想电压源,实际电压源,电流源,理想电流源,实际电流源,KL（基尔霍夫定律）,电流定律（KCL）在任一参数电路中，在任意时刻，通过任一节点的电流的代数和恒等于零。,二、电路基本定律,电压定律（KVL）对于任一集中参数电路中的任一回路，在任一时刻，沿着回路的所有支路电压的代数和为零。电位升之和等于电位降之和。,-u1+u2-u3+u4=0,等效电压源定理（戴维南定理）,任何一个线性有源二端网络N，对外电路来说，可以用一个理想的电压源和一个电阻的串联组合来等效代替。其中电压源的电压等于线性有源二端网络N的开路电压Uoc，电阻等于该网络除源(独立源置零

4、)后所得无源二端网络N0的等效电阻。,戴维南定理（图示）,计算Uoc和Ro 的办法：开路短路法：将N的引出端分别开路和短路，计算或测量出开路电压Uoc和短路电流Isc，则RoUoc/Isc,等效电流定理（诺顿定理）,任何一个线性有源二端网络N，对外电路来说，可以用一个理想的电流源和一个电阻的并联组合来等效代替。其中电流源的电流等于网络N的短路电流Isc，电阻等于该网络所有独立源置零后后所得无源二端网络N0的等效电阻。,举例,在桥式电路中，E12v，R1=R2=5欧，R3=10欧，R45欧，RG=10欧,求检流计的电流IG？,图1,解：按戴维南定理，图1可以等效为图2.由图3，得 I=E/(R1

5、+R2)=12/(5+5)=1.2A I”=E/(R3+R4)=12/(10+5)=0.8A则 E=R2I-R4I”5x1.2-5x0.8=2V,a,b,+,-,R0,RG,图1,图2,E=12V,d,a,c,b,+,-,R1,R2,R3,R4,I,I,a,b,图3,d,a,c,R1,R2,R3,R4,a,b,R0,图4,等效电源的内阻R0，可由图4求得 R0=R1 R2/(R1+R2)+R3 R4/(R3+R4)=2.5+3.3=5.8所以IG=E/(R0+RG)=2/(5.8+10)=0.126A,三、半导体器件基础,半导体二极管半导体三极管,二极管,1。正向特性：当UD=Uth二极管导通

6、 导通电压降UD0.7V Uth为二极管的门限电压2。反向特性：反向电流很小，认为不通 电阻很大3.反向击穿 当反向电压UD=UBR时，反向电流急剧增加，UBR为击穿电压,二极管符号,UD,伏安特性,死区电压 硅管0.5V,锗管0.1V。,导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。,三极管（晶体管）,NPN型三极管,PNP型三极管,符号,输出特性三个区域的特点:,放大区：发射结正偏UBE0，集电结反偏UBC0。即：IC=IB,且 IC=IB,(

7、2)饱和区：发射结正偏UBE0，集电结正偏UBC0。即：UCEUBE，IBIC，UCE0.3V,(3)截止区：UBE 死区电压，IB=0，IC=ICEO 0,例1：,在电路中测得三极管对地电位如下图，判断其状态,0V,0.2V,9V,图1,2V,2.6V,7V,图2,0V,0.7V,0.3V,图3,例2：,四、理想运算放大器,理想运放的符号,ri 大:几十k 几百 k,运放的特点,KCMRR 很大(共模抑制比),ro 小：几十 几百,A uo很大:104 107（开环放大倍数）,运放符号：,理想运算放大器及其分析依据,Auo越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入

8、信号的线性范围。,例：若UOM=12V，Auo=106，则|ui|12V时，运放处于线性区。,线性放大区,由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想运放。,理想运放的条件,放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。,运放工作在线性区的特点,运算放大器在信号运算方面的应用,虚拟短路虚拟断路放大倍数与负载无关，可以分开分析。,（一）比例运算电路,作用：将信号按比例放大。,类型：同相比例放大和反相比例放大。,方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。,i

9、1=i2,虚短路,虚开路,1、反相输入,结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。,2、同相输入,u-=u+=ui,虚短路,虚开路,结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。,3、电压跟随器,结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。,（二）加法运算,作用：将若干个输入信号之和按比例放大。,类型：同相求和和反相求和。,方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。,1、反相求和运算,2、同相求和运算,此电路如果以 u+为输入，则输出为：,u+与 ui1 和 ui2

10、 的关系如何？,注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。,流入运放输入端的电流为0（虚开路）,左图也是同相求和运算电路，如何求同相输入端的电位？,解出：,（三）减法运算,输入方波，输出是三角波。,（四）积分运算,U,积分时限,应用举例：如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。,积分电路的主要用途：,1.在电子开关中用于延迟。2.波形变换。例：将方波变为三角波。3.A/D转换中，将电压量变为时间量。4.移相。,u=u+=0,（五）微分运算,电路中的运放处于非线性状态。,运放电路中没有负反馈，运放处于非线性状态。,（六）电压比较器,特点

11、：运放处于开环状态。,当ui UR时,uo=+Uom当ui UR时,uo=-Uom,1、ui从同相端输入,UR,当ui UR时,uo=-Uom,2、ui从反相端输入,3、过零比较器:(UR=0时),例：利用电压比较器将正弦波变为方波。,电路改进：用稳压管稳定输出电压。,举例,求下图中电压Uo，电阻的单位为欧姆,-,10k,+,+,uo,1.1K,-,+,ui1,+,10k,10k,2k,5k,解：ui1=10ui1 u0=ui12ui25ui3=10ui12ui25ui3,1k,910,ui2,ui3,五、门电路，触发器和时序逻辑电路,(一)门电路1.“与”门,图形符号,“与”逻辑状态表,Y,

12、2.“或”门,A,B,C,1,图形符号,“或”逻辑状态表,Y,3.“非”门,A,图形符号,“非”逻辑状态表,Y,4.复合门电路,“与非”门,A,&,Y,C,A,1,Y,C,“或非”门,A,C,1,Y,“异或”门,(二)触发器,1.基本RS触发器,2.JK触发器,JK触发器具有在时钟脉冲下降沿触发的特点J=k=0 保持原态J=k=1 翻转J！k 输出J态,2.D触发器,D触发器具有在时钟脉冲上升沿触发的特点输出端Q的状态随D的状态变化但Q的状态比D状态完一步,已知，C，D波形，根据D触发器的原理画出Q的输出波形,举例：,(三)寄存器,有存数和取数功能（串行，并行）分类 1 数码寄存器（寄存和清除功能）2 移位寄存器（还有移位功能）,1 数码寄存器（D触发器组成）,寄存,C,d3,d2,d1,d0,清零,存,取,1 移位寄存器（JK触发器组成）,（四）计数器,计数器累计脉冲输入的数目分类 1（加法/减法/可逆）2（二进制/十进制等）,由JK触发器组成的二进制加法计数器,C,Q0,Q1,Q2,Q3,