XI’AN JIAOTONG
UNIVERSITY
工业系统的测量
陈永森
工程训练中心
2004年 12月
,工程训练, 之一
讲义 V 1.2
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-1
第四讲 工业测量系统概述
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
?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原理。包
括 信号的获取 以及 信号的预处理 。另外，
着重讲解在信号处理中用得最多的器件：
运算放大器 。
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-2
第四讲 工业测量系统概述
本讲内容（ 3课时）
?传感器
?信号调理电路
?典型测量系统的组成
?运算放大器
?训练内容 1：反相放大器测试
?训练内容 2：同相放大器测试
?训练内容 3：电压跟随器测试
?选做：积分器及比较器
?IC间距与 DIP封装
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-3
§ 4.1 传感器
? 传感器：能感受某种信息（ 被测量 ）并按 一定规律 将信
息转换成 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：工业系统的感官（位置、转速、温度、液位、
压力）
? 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
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-4
§ 4.2 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 信号调理电路
?同一传感器：不同的工业系统
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-5
直流电源
测量系统
信号调理
电路
§ 4.3 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
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-6
§ 4.3 典型测量系统的组成
常用仪器在测量系统中的使用
?信号发生器：产生标准信号（不同 f,A、波形
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。
电压、电流、电阻、电容、电感、温度 ……
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-7
§ 4.4 运算放大器
运放的符号常见的运放 -
O P 0 7
+
8
1 2 3 4
567
+ V
- V
G N D
或 － V
3 2 4
+ V
-
+
-
+
+
-
+
-
1 4 1 3 1 2 1 1 1 0 9 8
1 2 3 4 5 6 7
管脚起始 朝左
管脚序号逆时针方向增长！！
OP07 LM324
E
-
V
o
V
+
-
+
E
+
V
-
V
o
V
+
-
+
V
-
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-8
§ 4.4 运算放大器
,放大, 的含义及工作特性曲线
Vi
Vo
0
E+-0.3
E-+0.7
正向饱和
反向截止
线性放大区
E
-
V
o
V
i
-
+
E
+
V
-
V
+
o ()iV A V A V V+-? ? -
“放大”的含义 运放的工作特性曲线
Vo ∈ [E-+0.7,E+-0.3]
饱和压降约 0.3V，
截止导通电压约 0.7V
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-9
§ 4.4 运算放大器
理想运算放大器 r
i
＋
－
A V
i
r
o
V
i
2
－
1
＋
2
－
1
＋
V
-
V
i
= 0
V
-
V
+
V
+
V
o
V
o
反 相
输 入 端
同 相
输 入 端
3 3
输 出 端
I
i
= 0
A很大,1000以上
ri很大，兆欧以上
ro很小，可以忽略
Vo有限，电源电压范围内
A→∞
ri→∞
ro→0
Vo∈ (E-,E+)
V1=V2
Ii=0
虚通
虚短
虚断
o (,)
0
0
0ii
i
o
i
i
i
V V E E
V
A
V
I
r
A
V
r
-+?? ? ?
?
??
?
?
??
?
o ()iV A V A V V+-? ? -
电压
电
流
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-10
+10V
-10V
u
i
u
o
i
-
+
a
R
3
100kW
R
1
10kW
R
2
100kW§ 4.4 运算放大器
反相比例放大器
2oi
1
Ruu
R?-
i
1
o2
ui
R
u iR
?
?
+ 0
VV
ii-
+-
?
?
?
+3 0V i R+ ??
0VV-+??
V- = 0
a点常称“虚地”点
虚断
虚短
限流电阻：
防止支路中出现大干扰
电流，影响电路正常工作
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-11
§ 4.4 运算放大器
运放的分析方法 ——三步走
?虚断：把电路分为 2个电阻串并联的支路
?虚短,V+=V-，既 2个支路之间的关系
?使用电阻串并联的方法求解（设电流 i）
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-12
-
+
+10V
-10V
u
o
u
i
i
R
1
10kW
R
2
100kW
R
3
10kW
§ 4.4 运算放大器
同相比例放大器
12oi
1
RRuu
R
+?1
o 1 2()
Vi
R
u i R R
-?
?+
+ 0
VV
ii-
+-
?
?
?
iV V u-+??
虚断
虚短
iVu+ ?
u
o
u
i
G
原理图中常用的
简化画法
oiu G u??
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-13
-
+
+10V
-10V
u
o
u
i
R
2
100kW
R
3
10kW
§ 4.4 运算放大器
电压跟随器
oiuu?
oVV-?+ 0
VV
ii-
+-
?
?
?
iV V u-+??
虚断
虚短
iVu+ ?
输出跟随输入变化。
作用,前后极之间的
隔离、缓冲，提高带
载能力等
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-14
u
ib
R
1
-
+
u
ia
u
o
R
4
R
3
R
2
i
1
i
2
§ 4.4 运算放大器
差动放大器（减法器）
2 4 2
o ib
1 3 4 1
1 iaR R Ru u uR R R R??? + -?? +
??
4
34
2
1
ia
ib
o
u
VR
RR
uV
u V R
R
+
-
-
?
+
-
?-
+ 0
VV
ii-
+-
?
?
?
虚断
虚短
? ?2o i b i a
1
Ru u u
R?-
3 1 4 2R R R R??
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-15
+10V
-10V
i
-
+
u
i
u
o
R 5.1kW
R
2
10kW
C 0.1mF§ 4.4 运算放大器
积分器
o
1
iu u d tRC?- ?
i
o
1
u
i
R
u id t
C
?
?- ?
+ 0
VV
ii-
+-
?
?
?
+2 0V i R+ ??
0VV-+??
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 ui 积分的效果，
并非真正的积分！！
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-16
§ 4.4 运算放大器
比较器
m a x
m a x
0, 3
0, 7
i r o o
i r o o
u V u u E V
u V u u E V
+
-
? ? -
? ? +(,)o
A
u E E-+
??
?
()
()
oi
ri
u A V
A V V
A V u
+-
?
?-
?-
u
i
u
o
+ 1 0 V
-
+
V
r
过零比较器
常
用
于
做
信
号
整
形
工
作
在
饱
和
区
及
截
止
区
u
i
+ 1 0 V
-
+V
r
u
o
R
1
1 0 0 k W
R
2
1 0 0 k W
与参考电压 Vr做比较，
输出为比较的结果；
故称 比较器
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-17
§ 4.4 运算放大器
单端输入与差动输入
?单端输入方式
?一端接输入信号，而
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 V1和 V2同时
加在同相端 1和反相端
2上
?Vi＝ V1－ V2
u
i b
R
1
-
+
u
i a
u
o
R
4
R
3
R
2
i
1
i
2
+ 1 0 V
- 1 0 V
u
i
u
o
i
-
+
a
R
3
1 0 0 k W
R
1
1 0 k W
R
2
1 0 0 k W
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-18
§ 4.4 运算放大器
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
u
i
u
o
+ 1 0 V
-
+
V
r
-
+
+ 1 0 V
- 1 0 V
u
o
u
i
i
R
1
1 0 k W
R
2
1 0 0 k W
R
3
1 0 k W
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-19
§ 4.4 运算放大器
正确理解, 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
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-20
训练内容 1：反相放大器的测试
训练项目（ P47，图 5-6,20’）
? 输入信号 ui：正弦波，
f=2kHz，直流电平为 0V，
uip-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 uop-p。绘制 uip-p
= 1.0V的波形。
? 连续增大 ui的幅值，记录
出现饱和现象时输入、
输出信号的峰峰值。
2o p - p i p - p i p - p
1
10Ru u uR? - ? -
uip-p(V) uop-p(V) uoep-p (V) Err (uo)
0.4
0.8
1.2
1.8
2.5
临界饱和时：; ;
ip-p?u ? op-p?u ?
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-21
训练内容 2：同相放大器的测试
训练项目（ P48，图 5-7,20’）
? 输入信号 ui：正弦波，
f=2kHz，直流电平为 0V，
uip-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 uop-p。绘制 uip-p
= 1.0V的波形。
? 连续增大 ui的幅值，记录
出现饱和现象时输入、
输出信号的峰峰值。
uip-p(V) uop-p(V) uoep-p (V) Err (uo)
0.4
0.8
1.2
1.8
2.5
12o p - p i p - p i p - p
1
11RRu u uR+??
临界饱和时：; ;
ip-p?u ? op-p?u ?
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-22
训练内容 3：电压跟随器的测试
训练项目（ P48，图 5-8,20’）
?输入信号 ui：正弦波,f=2kHz，直流电平
为 0V,uip-p = 0.5V。
?双踪观察输入输出波形。
?连续改变 uip-p,双踪观察输入输出波形。
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-23
选做：积分器及比较器
训练项目（ P48，图 5-8,20’）
u
i
u
o
+ 1 0 V
-
+
V
r
+ 1 0 V
- 1 0 V
i
-
+
u
i
u
o
R 5, 1 k W
R
2
1 0 k W
C 0, 1 m F
? 积分器
? 输入 ui：方波,f=100Hz，直流电平为 0V,uip-p = 1.0V。
? 比较器
? 输入 ui：正弦波,f=1kHz，直流电平为 0V,uip-p = 1.0V。
? 双踪观察输入输出波形。
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-24
+10V
-10V
u
i
u
o
i
-
+
a
R
3
100kW
R
1
10kW
R
2
100kW
信号发生器
Ⅰ Ⅱ
直流电源
训练内容 1：反相放大器的测试
接线示意图
示波器
电
路
的
检
测
方
法
：
1.
检
查
电
源
供
电
是
否
正
常
？
2.
有
问
题
，
检
查
①
连
接
点
②
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
”
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-25
训练电路板简介
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-26
§ 4.4 运算放大器
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，
我们可以使用理想模型来分析运放。
?集成运放内部结构复杂，这在后续课程
,模拟电子技术, 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
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-27
§ 4.5 IC间距与 DIP封装
IC间距及元器件的安装
?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
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-28
§ 4.5 IC间距与 DIP封装
元器件的安装示例
OP07 LM324
C E
1.5kΩ 1.5
kΩ
7107
2907
IC
IC
4IC
集成电路：
管脚序号逆时针方向增长
极性,长正短负
色环为负
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-29
本讲小结
? 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 ；
? 比较器：输入与参考电压 Vr做 比较,输出比较结果
? 封装：软尺寸与硬尺寸；元件管脚按标准的 IC间距封装
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
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-30
教学中常见的问题
?输出波形产生畸变
?主要原因：未接电源的地
?可能原因,OP07损坏
?在输入 uip-p＜ 2V就饱和
?① 10kW电阻被短接
?②输入直流电平不为 0，既 offset开且不为 0
?输出波形先截止，后饱和
?①运放：截止 -9.3V，饱和 +9.7V
?② offset：有一个很小的直流电平
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-31
接线常识
?用线的颜色：
?＋：暖色。如,红色
?－：冷色。如,绿色
?GND（ 0电位点）：黑色
?信号线,蓝色, 白色 等
?所有标着相同电位的地方表示 等电位点,电路
连接时必须相连起来：如 GND,+5V,-5V、
+10V,-10V等
?电路中标注的各点电位一般均指 对地的电位
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-32
§ 4.6 信号的基本常识
信号的极性
?GND,┴,接地端，即 零电势点 。
?交流信号：电流 /电压 极性交替变化 的信
号（交替过零）
?直流信号：电流 /电压 极性恒定
?稳恒信号：电流 /电压 稳定不变 的信号
t
u
0
交流信号
t
u
0
直流信号
t
u
0
稳恒信号
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-33
§ 4.6 信号的基本常识
信号的特性
t
u
0
直流电平 U0
上升沿 下降沿
T
VH
VL
up-p
?直流分量（直流电平）：对应傅立叶
Fourier级数的常值项
?交流分量：对应傅立叶级数的非常值项
频率 f =1/T
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-34
§ 4.6 信号的基本常识
相位关系
t
u
0
T△ t
?相位关系：针对两个 相同频率 的周期信号
?比较：采用 相邻 的 2个周期
?超前,谁先到达最大值谁超前
360tT? ?? ? ?
超
前
滞
后
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-35
§ 4.6 信号的基本常识
干扰与噪声
? 噪声：有用信号以外的信号。
? 干扰：噪声或造成系统不能正常工作的破坏因素。
? 干扰源：
? 系统内部：由系统结构、制造工艺决定。分布电容、分布电感引起的耦合效应，电磁辐射，长线传输，多点接地，元件噪声
? 环境：空间电磁干扰（如工频干扰）、环境温度、湿度
? 信号的消噪：滤波。在后续课程, 信号处理, 中有专门
探讨。我们可以使用阻容滤波。
ui
t
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-36
§ 4.6 信号的基本常识
阻容滤波
R
C
u
i
u
C
R
C
u
i
u
R
t
uc
0
ui
t0 uR
t0
低通滤波器
高通滤波器
低频分量
高频分量
UNIVERSITY
工业系统的测量
陈永森
工程训练中心
2004年 12月
,工程训练, 之一
讲义 V 1.2
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第四讲 工业测量系统概述
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
?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原理。包
括 信号的获取 以及 信号的预处理 。另外，
着重讲解在信号处理中用得最多的器件：
运算放大器 。
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第四讲 工业测量系统概述
本讲内容（ 3课时）
?传感器
?信号调理电路
?典型测量系统的组成
?运算放大器
?训练内容 1：反相放大器测试
?训练内容 2：同相放大器测试
?训练内容 3：电压跟随器测试
?选做：积分器及比较器
?IC间距与 DIP封装
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-3
§ 4.1 传感器
? 传感器：能感受某种信息（ 被测量 ）并按 一定规律 将信
息转换成 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：工业系统的感官（位置、转速、温度、液位、
压力）
? 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
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-4
§ 4.2 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 信号调理电路
?同一传感器：不同的工业系统
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-5
直流电源
测量系统
信号调理
电路
§ 4.3 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
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-6
§ 4.3 典型测量系统的组成
常用仪器在测量系统中的使用
?信号发生器：产生标准信号（不同 f,A、波形
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。
电压、电流、电阻、电容、电感、温度 ……
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-7
§ 4.4 运算放大器
运放的符号常见的运放 -
O P 0 7
+
8
1 2 3 4
567
+ V
- V
G N D
或 － V
3 2 4
+ V
-
+
-
+
+
-
+
-
1 4 1 3 1 2 1 1 1 0 9 8
1 2 3 4 5 6 7
管脚起始 朝左
管脚序号逆时针方向增长！！
OP07 LM324
E
-
V
o
V
+
-
+
E
+
V
-
V
o
V
+
-
+
V
-
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-8
§ 4.4 运算放大器
,放大, 的含义及工作特性曲线
Vi
Vo
0
E+-0.3
E-+0.7
正向饱和
反向截止
线性放大区
E
-
V
o
V
i
-
+
E
+
V
-
V
+
o ()iV A V A V V+-? ? -
“放大”的含义 运放的工作特性曲线
Vo ∈ [E-+0.7,E+-0.3]
饱和压降约 0.3V，
截止导通电压约 0.7V
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-9
§ 4.4 运算放大器
理想运算放大器 r
i
＋
－
A V
i
r
o
V
i
2
－
1
＋
2
－
1
＋
V
-
V
i
= 0
V
-
V
+
V
+
V
o
V
o
反 相
输 入 端
同 相
输 入 端
3 3
输 出 端
I
i
= 0
A很大,1000以上
ri很大，兆欧以上
ro很小，可以忽略
Vo有限，电源电压范围内
A→∞
ri→∞
ro→0
Vo∈ (E-,E+)
V1=V2
Ii=0
虚通
虚短
虚断
o (,)
0
0
0ii
i
o
i
i
i
V V E E
V
A
V
I
r
A
V
r
-+?? ? ?
?
??
?
?
??
?
o ()iV A V A V V+-? ? -
电压
电
流
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-10
+10V
-10V
u
i
u
o
i
-
+
a
R
3
100kW
R
1
10kW
R
2
100kW§ 4.4 运算放大器
反相比例放大器
2oi
1
Ruu
R?-
i
1
o2
ui
R
u iR
?
?
+ 0
VV
ii-
+-
?
?
?
+3 0V i R+ ??
0VV-+??
V- = 0
a点常称“虚地”点
虚断
虚短
限流电阻：
防止支路中出现大干扰
电流，影响电路正常工作
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-11
§ 4.4 运算放大器
运放的分析方法 ——三步走
?虚断：把电路分为 2个电阻串并联的支路
?虚短,V+=V-，既 2个支路之间的关系
?使用电阻串并联的方法求解（设电流 i）
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-12
-
+
+10V
-10V
u
o
u
i
i
R
1
10kW
R
2
100kW
R
3
10kW
§ 4.4 运算放大器
同相比例放大器
12oi
1
RRuu
R
+?1
o 1 2()
Vi
R
u i R R
-?
?+
+ 0
VV
ii-
+-
?
?
?
iV V u-+??
虚断
虚短
iVu+ ?
u
o
u
i
G
原理图中常用的
简化画法
oiu G u??
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-13
-
+
+10V
-10V
u
o
u
i
R
2
100kW
R
3
10kW
§ 4.4 运算放大器
电压跟随器
oiuu?
oVV-?+ 0
VV
ii-
+-
?
?
?
iV V u-+??
虚断
虚短
iVu+ ?
输出跟随输入变化。
作用,前后极之间的
隔离、缓冲，提高带
载能力等
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-14
u
ib
R
1
-
+
u
ia
u
o
R
4
R
3
R
2
i
1
i
2
§ 4.4 运算放大器
差动放大器（减法器）
2 4 2
o ib
1 3 4 1
1 iaR R Ru u uR R R R??? + -?? +
??
4
34
2
1
ia
ib
o
u
VR
RR
uV
u V R
R
+
-
-
?
+
-
?-
+ 0
VV
ii-
+-
?
?
?
虚断
虚短
? ?2o i b i a
1
Ru u u
R?-
3 1 4 2R R R R??
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-15
+10V
-10V
i
-
+
u
i
u
o
R 5.1kW
R
2
10kW
C 0.1mF§ 4.4 运算放大器
积分器
o
1
iu u d tRC?- ?
i
o
1
u
i
R
u id t
C
?
?- ?
+ 0
VV
ii-
+-
?
?
?
+2 0V i R+ ??
0VV-+??
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 ui 积分的效果，
并非真正的积分！！
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-16
§ 4.4 运算放大器
比较器
m a x
m a x
0, 3
0, 7
i r o o
i r o o
u V u u E V
u V u u E V
+
-
? ? -
? ? +(,)o
A
u E E-+
??
?
()
()
oi
ri
u A V
A V V
A V u
+-
?
?-
?-
u
i
u
o
+ 1 0 V
-
+
V
r
过零比较器
常
用
于
做
信
号
整
形
工
作
在
饱
和
区
及
截
止
区
u
i
+ 1 0 V
-
+V
r
u
o
R
1
1 0 0 k W
R
2
1 0 0 k W
与参考电压 Vr做比较，
输出为比较的结果；
故称 比较器
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-17
§ 4.4 运算放大器
单端输入与差动输入
?单端输入方式
?一端接输入信号，而
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 V1和 V2同时
加在同相端 1和反相端
2上
?Vi＝ V1－ V2
u
i b
R
1
-
+
u
i a
u
o
R
4
R
3
R
2
i
1
i
2
+ 1 0 V
- 1 0 V
u
i
u
o
i
-
+
a
R
3
1 0 0 k W
R
1
1 0 k W
R
2
1 0 0 k W
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-18
§ 4.4 运算放大器
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
u
i
u
o
+ 1 0 V
-
+
V
r
-
+
+ 1 0 V
- 1 0 V
u
o
u
i
i
R
1
1 0 k W
R
2
1 0 0 k W
R
3
1 0 k W
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-19
§ 4.4 运算放大器
正确理解, 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
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-20
训练内容 1：反相放大器的测试
训练项目（ P47，图 5-6,20’）
? 输入信号 ui：正弦波，
f=2kHz，直流电平为 0V，
uip-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 uop-p。绘制 uip-p
= 1.0V的波形。
? 连续增大 ui的幅值，记录
出现饱和现象时输入、
输出信号的峰峰值。
2o p - p i p - p i p - p
1
10Ru u uR? - ? -
uip-p(V) uop-p(V) uoep-p (V) Err (uo)
0.4
0.8
1.2
1.8
2.5
临界饱和时：; ;
ip-p?u ? op-p?u ?
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-21
训练内容 2：同相放大器的测试
训练项目（ P48，图 5-7,20’）
? 输入信号 ui：正弦波，
f=2kHz，直流电平为 0V，
uip-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 uop-p。绘制 uip-p
= 1.0V的波形。
? 连续增大 ui的幅值，记录
出现饱和现象时输入、
输出信号的峰峰值。
uip-p(V) uop-p(V) uoep-p (V) Err (uo)
0.4
0.8
1.2
1.8
2.5
12o p - p i p - p i p - p
1
11RRu u uR+??
临界饱和时：; ;
ip-p?u ? op-p?u ?
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-22
训练内容 3：电压跟随器的测试
训练项目（ P48，图 5-8,20’）
?输入信号 ui：正弦波,f=2kHz，直流电平
为 0V,uip-p = 0.5V。
?双踪观察输入输出波形。
?连续改变 uip-p,双踪观察输入输出波形。
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-23
选做：积分器及比较器
训练项目（ P48，图 5-8,20’）
u
i
u
o
+ 1 0 V
-
+
V
r
+ 1 0 V
- 1 0 V
i
-
+
u
i
u
o
R 5, 1 k W
R
2
1 0 k W
C 0, 1 m F
? 积分器
? 输入 ui：方波,f=100Hz，直流电平为 0V,uip-p = 1.0V。
? 比较器
? 输入 ui：正弦波,f=1kHz，直流电平为 0V,uip-p = 1.0V。
? 双踪观察输入输出波形。
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-24
+10V
-10V
u
i
u
o
i
-
+
a
R
3
100kW
R
1
10kW
R
2
100kW
信号发生器
Ⅰ Ⅱ
直流电源
训练内容 1：反相放大器的测试
接线示意图
示波器
电
路
的
检
测
方
法
：
1.
检
查
电
源
供
电
是
否
正
常
？
2.
有
问
题
，
检
查
①
连
接
点
②
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
”
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-25
训练电路板简介
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-26
§ 4.4 运算放大器
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，
我们可以使用理想模型来分析运放。
?集成运放内部结构复杂，这在后续课程
,模拟电子技术, 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
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-27
§ 4.5 IC间距与 DIP封装
IC间距及元器件的安装
?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
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-28
§ 4.5 IC间距与 DIP封装
元器件的安装示例
OP07 LM324
C E
1.5kΩ 1.5
kΩ
7107
2907
IC
IC
4IC
集成电路：
管脚序号逆时针方向增长
极性,长正短负
色环为负
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-29
本讲小结
? 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 ；
? 比较器：输入与参考电压 Vr做 比较,输出比较结果
? 封装：软尺寸与硬尺寸；元件管脚按标准的 IC间距封装
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
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-30
教学中常见的问题
?输出波形产生畸变
?主要原因：未接电源的地
?可能原因,OP07损坏
?在输入 uip-p＜ 2V就饱和
?① 10kW电阻被短接
?②输入直流电平不为 0，既 offset开且不为 0
?输出波形先截止，后饱和
?①运放：截止 -9.3V，饱和 +9.7V
?② offset：有一个很小的直流电平
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-31
接线常识
?用线的颜色：
?＋：暖色。如,红色
?－：冷色。如,绿色
?GND（ 0电位点）：黑色
?信号线,蓝色, 白色 等
?所有标着相同电位的地方表示 等电位点,电路
连接时必须相连起来：如 GND,+5V,-5V、
+10V,-10V等
?电路中标注的各点电位一般均指 对地的电位
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-32
§ 4.6 信号的基本常识
信号的极性
?GND,┴,接地端，即 零电势点 。
?交流信号：电流 /电压 极性交替变化 的信
号（交替过零）
?直流信号：电流 /电压 极性恒定
?稳恒信号：电流 /电压 稳定不变 的信号
t
u
0
交流信号
t
u
0
直流信号
t
u
0
稳恒信号
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-33
§ 4.6 信号的基本常识
信号的特性
t
u
0
直流电平 U0
上升沿 下降沿
T
VH
VL
up-p
?直流分量（直流电平）：对应傅立叶
Fourier级数的常值项
?交流分量：对应傅立叶级数的非常值项
频率 f =1/T
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-34
§ 4.6 信号的基本常识
相位关系
t
u
0
T△ t
?相位关系：针对两个 相同频率 的周期信号
?比较：采用 相邻 的 2个周期
?超前,谁先到达最大值谁超前
360tT? ?? ? ?
超
前
滞
后
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-35
§ 4.6 信号的基本常识
干扰与噪声
? 噪声：有用信号以外的信号。
? 干扰：噪声或造成系统不能正常工作的破坏因素。
? 干扰源：
? 系统内部：由系统结构、制造工艺决定。分布电容、分布电感引起的耦合效应，电磁辐射，长线传输，多点接地，元件噪声
? 环境：空间电磁干扰（如工频干扰）、环境温度、湿度
? 信号的消噪：滤波。在后续课程, 信号处理, 中有专门
探讨。我们可以使用阻容滤波。
ui
t
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 4-36
§ 4.6 信号的基本常识
阻容滤波
R
C
u
i
u
C
R
C
u
i
u
R
t
uc
0
ui
t0 uR
t0
低通滤波器
高通滤波器
低频分量
高频分量
