測控電路及應用（簡體書）

本書主要介紹工業生產和科學研究中常用的測量與控制電路的各個功能塊和總體連接，以及電路總體設計和功能塊的選用，增強本書的科學性。本書注重測控電路的實際應用，書中配有大量的工程和科研實例，增強本書的實用性。

徐耀松(1979.2-)，河北滄州人，博士後，副教授，遼寧省優秀青年骨幹教師。畢業于天津大學精密測試技術與儀器國家重點實驗室。先後獲得遼寧省科技進步獎二等獎、中國煤炭工業協會科學技術二等獎、國家安全生產總局第三屆安全生產科技成果三等獎、阜新市科技進步一等獎、遼寧省普通高等教育本科教學成果獎獲獎三等獎等省部級科技獎勵。在《傳感技術學報》、《納米技術與精密工程》、《計算機工程》等國內外期刊發表論文二十餘篇，EI檢索3篇。申報獲得國家專利8項。主持參與遼寧省教育廳基金、國家自然科學基金以及企業項目多項。主要研究方向：煤礦瓦斯災害前兆信息的採集、分析、特徵提取和災害預測；聲源信號時延估計與定位方法研究；工業遠程監控系統開發；嵌入式系統設計。

普通高等教育儀器類“十三五”規劃教材編 委 會

主 任：丁天懷（清華大學）
委 員：陳祥光（北京理工大學）
王 祁（哈爾濱工業大學）
王建林（北京化工大學）
曾週末（天津大學）
餘曉芬（合肥工業大學）
侯培國（燕山大學）


前 言
本書循序漸進地介紹了測控技術的基本概念和基本理論，介紹了測控系統設計中涉及的基本內容，同時包括工程設計實例。本書突出工程特色，以工程教育為理念，圍繞培養應用創新型工程人才這一培養目標，著重學生的獨立研究能力、動手能力和解決實際問題能力的培養，將測控技術與儀器專業工程人才培養模式和教學內容的改革成果體現在教材中，通過科學規範的工程人才教材建設促進專業建設和工程人才培養質量的提高。
全書共9章。第1章介紹測控系統的組成與特點，然後介紹測控電路的功能要求、類型組成，通過介紹，使讀者對測控系統及測控電路的基本概念進行深入理解；第2章介紹常見的傳感器及其接口電路，主要包括熱電阻、電容傳感器、電渦流傳感器、壓阻式傳感器、壓電傳感器、光電傳感器等，通過接口電路及應用實例，對相關傳感器的原理及應用進行介紹；第3章介紹信號放大電路，包括同相放大器、反相放大器、電荷放大器、儀用放大器、程控增益放大器、隔離放大器等；第4章介紹信號濾波技術，包括濾波器基本概念、濾波器特性的逼近、RC濾波電路及有源濾波器設計方法等；第5章介紹信號運算電路，包括常見的數學運算、微積分電路及特徵值運算電路等；第6章介紹信號轉換電路，包括採樣/保持、電壓/電流變換、電壓/頻率變換、電壓比較、模擬數字轉換電路等；第7章介紹信號調製與解調電路，包括調幅式測量電路、調頻式測量電路、脈衝調製式測量電路及集成鎖相電路；第8章介紹控制輸出電路；第9章介紹測控電路設計實例。
本書注重與工程實踐的聯繫，採用二維碼技術對相關知識點進行擴充，可以通過掃描二維碼，打開對知識點的更多輔助介紹，包括相關文字介紹、圖片展示或動畫演示。
本書第1、2、5章由徐耀松執筆；第3、8章由周圍執筆；第4章由任志玲執筆；第6章由閆孝姮執筆；第7章由劉宏志執筆；第9章由賈丹平執筆。全書的寫作思路由付華教授提出，由付華和徐耀松統稿。此外，李恩源、李猛、趙博雅、趙珊影、謝鴻、趙星、劉子洋、司南楠、陳東、于田、孟繁東、梁漪、邱尚龍、齊曉娟、梁小飛、王傳為、王治國、譚亮等也參加了本書的編寫工作。在此，向對本書的完成給予熱情幫助的同行們表示感謝。
由於作者水平有限，加上時間倉促，書中的錯誤和不妥之處，敬請讀者批評指正。

編 者
2018年2月

目 錄
第1章 測控電路概述 （1）
1.1 測控電路的類型與組成 （1）
1.1.1 測量電路的基本組成 （2）
1.1.2 控制電路的基本組成 （3）
1.2 測控電路的功能與要求 （4）
1.3 測控電路的設計 （6）
1.4 測控電路中的噪聲及干擾 （7）
1.4.1 干擾及其抑制 （8）
1.4.2　電路噪聲 （10）
1.5 測控電路的發展趨勢 （12）
思考題與習題 （13）
第2章 傳感器與接口電路 （14）
2.1　概述 （14）
2.1.1　傳感器 （14）
2.1.2　傳感器的組成 （15）
2.1.3　傳感器的作用與地位 （15）
2.1.4　傳感器的分類與選用 （16）
2.2　熱電阻的接口電路 （18）
2.2.1　熱電阻 （18）
2.2.2　接口電路 （19）
2.3　電容式傳感器的接口電路 （19）
2.3.1　電容式傳感器的原理及結構形式 （19）
2.3.2　電容式傳感器的主要特性 （20）
2.3.3　電容式傳感器的測量電路 （20）
2.4　電渦流式傳感器的接口電路 （23）
2.5　電位器式傳感器的接口電路 （25）
2.5.1　電位器式傳感器 （25）
2.5.2　電位器式傳感器的驅動電路 （27）
2.6　差分變壓器式傳感器 （30）
2.7　壓阻式傳感器的接口電路 （33）
2.7.1　基本工作原理 （33）
2.7.2　壓阻式壓力傳感器 （34）
2.7.3　壓阻式傳感器輸出信號調理 （35）
2.8　壓電式傳感器的接口電路 （37）
2.8.1　壓電效應簡介 （37）
2.8.2　壓電材料及其主要特性 （37）
2.8.3　等效電路與測量電路 （39）
2.9　光電式傳感器 （41）
2.9.1　光電效應 （41）
2.9.2　常見光電器件 （41）
思考題與習題 （44）
第3章 信號放大電路 （45）
3.1　集成運算放大器基礎 （45）
3.2　反相運算放大器 （48）
3.3 同相運算放大器 （49）
3.4　基本差動放大器 （51）
3.5　電荷放大器 （52）
3.6　儀用放大器 （54）
3.7　隔離放大器 （58）
3.8 程控增益放大器 （62）
思考題與習題 （65）
第4章 信號濾波 （66）
4.1 濾波器概述 （66）
4.1.1 濾波器的分類 （67）
4.1.2 濾波器的主要特性指標 （68）
4.1.3 濾波器的傳遞函數與頻率特性 （69）
4.2　濾波器特性的逼近 （72）
4.2.1　巴特沃斯逼近 （72）
4.2.2　切比雪夫逼近 （73）
4.2.3　貝塞爾逼近 （74）
4.3　RC濾波電路 （75）
4.3.1　一階濾波電路 （75）
4.3.2　壓控電壓源型濾波電路 （76）
4.3.3　無限增益多路反饋型電路 （78）
4.3.4　雙二階環電路 （79）
4.4　有源濾波器設計 （82）
4.4.1　有源濾波器設計步驟 （82）
4.4.2　濾波器輔助設計軟件 （85）
4.5　數字濾波器 （95）
4.5.1　數字系統的數學描述 （95）
4.5.2　數字濾波原理簡介 （96）
4.5.3　數字濾波器的實現 （99）
思考題與習題 （100）
第5章 信號運算電路 （103）
5.1　概述 （103）
5.2 加減法運算電路 （103）
5.2.1 同相加法運算電路 （104）
5.2.2 反相加法運算電路 （104）
5.2.3 減法運算電路 （105）
5.3 對數與指數運算電路 （105）
5.3.1 對數運算電路 （105）
5.3.2 指數運算電路 （107）
5.4　乘除與乘方、開方運算電路 （108）
5.4.1 模擬乘法器組成的運算電路 （108）
5.4.2 基於對數/指數運算的乘法/除法運算電路 （109）
5.4.3 乘方、開方運算電路 （111）
5.5　微分與積分運算電路 （112）
5.5.1 常用積分運算電路 （112）
5.5.2 常用微分運算電路 （113）
5.5.3 PID運算電路 （114）
5.6　特徵值運算電路 （117）
5.6.1 絕對值運算電路 （117）
5.6.2 峰值檢測電路 （117）
思考題與習題 （118）
第6章 信號轉換電路 （119）
6.1 採樣/保持（S/H）電路 （119）
6.2 電壓/電流變換電路 （121）
6.3 電壓/頻率變換電路 （122）
6.4 電壓比較電路 （124）
6.4.1 過零比較電路和單閾值電壓比較電路 （125）
6.4.2 滯回比較電路 （127）
6.4.3 窗口比較電路 （129）
6.5 模擬數字轉換電路 （130）
6.5.1 概述 （130）
6.5.2 模數轉換器（ADC） （130）
6.5.3 數模轉換器（DAC） （133）
思考題與習題 （135）
第7章 信號調製與解調電路 （138）
7.1 調製與解調的作用與類型 （139）
7.2 調幅式測量電路 （139）
7.2.1 調幅原理與方法 （139）
7.2.2 包絡檢波電路 （143）
7.2.3 相敏檢波電路 （147）
7.3 調頻式測量電路 （158）
7.3.1 調頻原理與方法 （158）
7.3.2 鑒頻電路 （161）
7.4 調相式測量電路 （163）
7.4.1 調相原理與方法 （163）
7.4.2 鑒相電路 （166）
7.5 脈衝調製式測量電路 （170）
7.5.1 脈衝調製原理與方法 （170）
7.5.2 脈衝調製信號的解調 （172）
7.5.3 脈衝調製測量電路應用舉例 （172）
7.6 集成鎖相電路 （173）
7.6.1 鎖相環路基本工作原理 （173）
7.6.2 鎖相環路的相位模型及性能分析 （173）
7.6.3 集成鎖相環路 （174）
思考題與習題 （175）
第8章 控制輸出電路 （176）
8.1 功率開關驅動電路 （176）
8.2 繼電器 （182）
8.3 直流電機驅動電路 （187）
8.4 步進電機驅動電路 （190）
思考題與習題 （198）
第9章 測控電路設計實例 （199）
9.1 電流輸出型溫度傳感器AD590的測量電路 （199）
9.1.1 AD590的功能與特性 （199）
9.1.2 AD590的工作原理 （200）
9.1.3 AD590的常見測量電路 （202）
9.1.4 AD590的應用實例 （203）
9.2 高精度鉑電阻測溫電路 （205）
9.2.1 鉑電阻傳感原理 （205）
9.2.2 鉑電阻的接線方式 （205）
9.2.3 高精度鉑電阻測溫實例 （207）
9.3 超聲測距應用電路 （210）
9.4 濕度測量電路 （212）
9.5 微振動測量電路 （213）
9.6 光電感煙火災探測器測量電路 （215）
9.6.1 光電感煙火災探測器的工作原理 （215）
9.6.2 光電感煙火災探測器的調理電路設計 （216）
思考題與習題 （219）
參考文獻 （220）