共模抑制和仪表放大器

2006-12-01 11:42:26 作者：陈慧华 编译 来源：电子爱好者

关键字： AD623 直流 失调

1 引言

　　在工业应用中，共模电压是个经常存在的威胁。通常需要测量含有大的共模成份的微弱差模信号。这些远距离信号和内部固有的50Hz/60Hz的电 网干扰往往对测量造成相当的困难。因此本文探讨仪表放大器及其与应用相关的共模电压的范围和共模抑制问题。我们从共模电压和共模抑制的定义谈起，然后看看 不同仪表放大器的结构，并验证在特殊应用中的共模电压范围和共模抑制是否适当。

2 共模抑制和差模信号

　　2.1 共模抑制

　　仪表放大器将两个信号的差值放大。典型的差模信号来自传感器件，诸如电阻桥或热电偶。图1示出了仪表放大器的典型应用，来自电阻桥的差模电压被 AD620（低功耗，低成本，集成仪表放大器）放大。在热电偶和电阻桥的应用中，差模电压总是相当小（几毫伏到十几毫伏）。而两个输入端输入的同极性、同 幅值的电压约为2.5V，还有对测量无用的共模分量，所以理想的仪表放大器应该放大输入端两信号的差值，任何共模分量都必须被抑制。事实上，抑制共模分量 是使用仪表放大器的唯一原因。实践中，仪表放大器从没有彻底抑制掉共模信号，输出端总会有一些残余成份。

　　共模抑制比（CMRR）是用来衡量共模信号被放大器抑制程度的一个综合指标，它由下式定义
　　
　　式中的Gain是放大器的差模增益，Vcm是输入端存在的共模电压，Vout是输入共模电压在输出端的结果。

　　代入具体值，如AD620集成仪表放大器所设置增益为10时，CMRR为100dB，图1中共模电压为2.5V，由（1）式求出它在输出端的电 压为250m V。有上面设定，注意到由输入和输出失调电压所引起的输出电压约为1.5mV，这说明作为误差源，CMRR并没有失调电压重要。至此，只讨论了直流信号的 共模抑制比。

　　2.2 交流和直流共模抑制比

　　在图1中，共模信号可以是稳态的直流电压（如来自电桥的2.5V电压），或是来自外部干扰。在工业应用中，最普通的 外部干扰从50Hz/60Hz输电干线检拾而来（例如来自照明灯，电机或任何在输电干线上运行的设备）。在不同的测量应用中，仪表放大器输入端的干扰基本 相等，因此在这里干扰信号也被看作共模信号，被叠加在输入直流共模电压上，在输出端得到的是这个输入共模信号的衰减形式，衰减程度取决于该频率下的 CMRR。

　　虽然直流失调电压可以通过微调和校准轻易除去，而输出端的交流误差却很麻烦。例如，如果输入回路从输电干线检拾到 50Hz或60Hz的干扰，那么输出端的交流电压会降低整个应用的分辨度。滤除干扰代价很昂贵，并且仅在对速度要求不高的应用中才可行。显然，整个频率范 围内的高共模抑制有助于减小外部共模干扰的影响。

　　所以，实践中在整个频率范围内来讨论CMRR比讨论它在直流时的情况要有意义得多。集成仪表放大器数据手册列出了在50Hz/60Hz时的CMRR，图解部分给出CMRR随频率变化的曲线（见图2）。

　　图2表明AD623（低价格集成仪表放大器）CMRR在频率范围内变化的情况。100Hz以前保持平坦，之后（大于 100Hz）开始下降，可以看出，50Hz/60Hz电网干扰会被很好的抑制。还要注意电网频率的谐波干扰，在工业环境中，电网频率谐波可以达到第七谐波 （350Hz/420Hz）。此时，CMRR降到大约90dB（增益为10）。这使得- 70dB的共模增益仍足以抑制大多数共模干扰。

3 不同结构的仪表放大器

　　现在考察仪表放大器的不同结构，结构的选择和无源元件的精确度会影响交直流的CMRR。

3.1 二运放仪表放大器

　　图3是一个基本二运放仪表放大器的电路图，差模增益可由式（2）给出

　　　　　　　　(2)

　　这里R1=R4，R2=R3，如果R1=10kΩ，R2=1kΩ，差模增益为11，从式（2）可知，根本不可能使编程增益为1。

　　3.1.1 二运放仪表放大器的共模增益

　　直流共模电压引起的输出电压由式（3）给出

　　

　　运用式（1），可得电路的CMRR的表达式为

　　

　　因为分母中的电阻比总是接近1，不需要考虑仪表放大器的增益，我们可得到，二运放仪表放大器的CMRR随差模增益的增加而增加。

　　在上述电阻网络中，由于存在误差，实际电阻值不可能完全等于标称值，即存在失配，可以将R1R3的实际值比它与R2R4之差值的百分率定义为失配。式（4）可以改写为

　　

　　式中Mismatch为失配率。

　　编程增益的四个电阻间的任何不匹配都会直接影响CMRR。在环境温度下，精密的电阻网络通过微调可以达到最大精确度。电阻的温度漂移造成的任何失配都会加剧CMRR的降低。

　　显而易见，高共模抑制的关键是电阻网络，因此电阻比和相对应的漂移两者都要很好的匹配，而电阻的绝对值和他们的绝对漂移却不重要，关键在于匹配。

　　集成仪表放大器特别适合于增益编程电阻的比值匹配和温度跟踪。制作在硅片上的薄膜电阻的最初容差达到± 20%,制作过程中的激光修整使电阻间的比例误差减小至0.01%。此外，各薄膜电阻值和温度系数之间的相关变化很小，通常小于3×10- 6/℃。

　　图4说明在环境温度下电阻失配的实践结果。图3中，电路CMRR的测量(增益为11)用到4个电阻，其失配约为0.1%(R1= 9999.5Ω，R2=999.76Ω，R3=1000.2Ω，R4=9997.7Ω)。直流CMRR的值约为84dB（理论值为85dB），当频率增加 时，CMRR迅速下降。图4同时给出了电网干扰的输出电压的示波器波形。180Hz时200mV(峰-峰)谐波引起的输出电压约为800m V。由上述设定，一个输入范围为0～2.5V的12位数据采集系统的1sb权重为610mV。

　　A1同相端的Vin- 信号经A1后产生的相移或延时将导致Vin- 和A1的输出信号间出现向量误差，引起整个频率范围内CMRR的降低。为保证一定的CMRR，Vin- 和A1输出端的共模信号应有相同的相位和幅度，这只有在A1没有延时时才可能做到。选择一个匹配的高速双运放可以扩展频率范围，从而使CMRR保持平坦， 但另一方面，高速运放会检拾外部高频干扰。另一个解决方法是在A1的反相输入端和地端之间接一个微调电容，缺点是必须手动微调。

　　所以图4的CMRR（在频率范围内）受两个截然不同的参数的影响。在低频时，CMRR与编程增益电阻的失配直接关联，高频时，运放的差模闭环增益引起CMRR的降低。

　　3.1.2 二运放仪表放大器的共模范围

　　二运放仪表放大器的输入共模范围受编程增益的影响。图3中，A1工作在闭环增益为1.1时，输入端的任一共模电压都被放大（即输入共模电压经1.1倍放大后出现在A1的输出端）。

　　现在讨论仪表放大器可编程增益为1.1时的情况（R1=1kΩ，R2=10kΩ，R3=10kΩ，R4=1kΩ）。A1的闭环增益为11，因为 共模电压会被放大，所以输入共模范围受A1输出摆动幅度的严格限制。在应用中，强制性使用低电压引起的问题特别严重，这种情况下，运用满幅度放大器会增加 一些摆动范围以缓解这个问题。

　　3.2 三运放仪表放大器

　　图5是三运放仪表放大器的结构，是分离和集成仪表放大器最常选的结构。整个增益的传输函数很复杂，当R1=R2=R3=R4时，传输函数可以简化为

　　 　　　　　　　(6)

　　R5和R6设置为相同值（通常在10～50kΩ）。简单地调节RG的值，电路的整个增益可由单位值调至任意高的值。

　　3.2.1 三运放仪表放大器的共模增益

　　如所期望的，仪表放大器的共模增益的理论值为0。为计算共模增益，设定输入端只有一个Vcm共模电压（也即Vin+=Vin-=Vcm）。RG 上没有电压降，A1，A2的输出电压也等于Vcm，设A1和A2理想匹配，因此第一个近似值即第一级共模增益等于单位值并独立于编程增益。

　　假定运放A3是理想的，第二级共模增益由式（7）得到

　　

　　代入式（1），共模抑制比就变为式（8）

　　

　　式中的分母比二运放仪表放大器时复杂得多，而正如式（4）所示，分母可用电阻的失配百分率来表示，即

　　

　　在式（8）中，如果4个电阻都相等（或R1=R3，R2=R4），其分母就会变为0，而这几个电阻的任何失配都会使共模电压的一部分出现在输出端。与二运放仪表放大器相似：任何电阻间温度漂移的失配都会降低CMRR。

　　3.2.2 三运放仪表放大器的交流CMRR

　　如果A1，A2很好的匹配（即相同的闭环带宽），CMRR就不会像二运放那样迅速下降。对比一下图2和图4，三运放仪表放大器的CMRR在100Hz之前相对平坦，而二运放仪表放大器的CMRR在大约10Hz时就开始降低。

　　3.2.3 三运放仪表放大器的共模范围

　　三运放仪表放大器的第一级共模增益为单位值，共模电压原封不动的出现在图5中A1，A2的输出端，而差模输入电压（Vdiff）降落在增益电阻 上，结果电流流过R5，R6，这意味着当输入差模电压增加时，A1的电压将高于Vcm，A2的电压将低于Vcm。因此，当增益和（或）输入信号增加时， A1，A2的电压范围也会增加，最终被电源电压的范围所限制。可以知道，共模电压可以达到的范围、差模输入电压、增益这三者之间是互相关联的。例如，增加 增益会减小共模范围和输入电压范围，同样，增加共模电压会限制差模输入范围并限制增益可能达到的最大值。如果输入级运放的输出摆动已知，那么就能很好地表 示输入范围，共模范围和增益之间的关系，以服务于特殊的三运放仪表放大器。

　　工业应用中运用低电源电压时，可用的摆动范围也越来越少。至于二运放仪表放大器，可以用满幅度运放来解决这个问题，三运放仪表放大器中，因为过度的输入电压、共模电压或增益会削减输入级（A1，A2）的输出电压，所以满幅度输出级（A3）在这里根本起不了什么作用。

　　3.2.4 低共模应用中优化的单电源三运放仪表放大器

图6 AD623采用典型三运放仪表放大器的结构。通过给两个输
入端上偏0.6V电压，即使在极低共模电压下也可单电源工作。

　　图6是AD623（低耗单电源满幅度仪表放大器）的简图，沿用传统的三运放仪表放大器结构，在用作输入级运放之前，正反相输入电压通过一个PNP管，电压上偏了0.6V。

　　要理解电平偏移的重要性，先要考虑仪表放大器工作的通常条件。图7示出了AD623的一个典型应用，仪表放大器放大的信号来自一个J型热电偶， 仪表放大器连同A/D转换器共同由+5V单电源供电。此应用中。所测温度范围从－200～+200℃，相应的热电偶的电压范围为－ 7.890～10.777mV。

图7 AD623的输入级电平偏置非常适用于单电源低共模应
用。温度范围为- 200～+200℃，J型热电偶的电压范围从
- 7.890～10.777mV。91.9的增益使仪表放大器的输出电压
范围为1至3V（即2V±1V），输出端与单电源供电的
AD7776A/D转换器相接。

　　如通常一样，热电偶的一端接地，使偏置电流流入仪表放大器。因此，同相、反相输入电压中间的共模电压非常接近地电平。实际上，从热电偶而来的电压开始变负时，有效共模电压也变负。

　　在传统的三运放仪表放大器中，当热电偶电压开始大于零时，输入级的电压扩展效果会导致输入级的一个运放的输出电压变 为地。图6的电平偏置结构通过有效的在共模电压上加0.6V，避免了这个问题，从而对地有更多的摆动范围，并且使A1和A2满幅度运放的输出电压处于线性 区域，即使输入电压和共模电压低于地电平。输入电压可以负到150mV，这由编程增益和共模电压控制。

　　在此例中，仪表放大器的设置增益为91.9（RG=1.1kΩ），基准脚的电压设为2V，只要热电偶电压处在温度为 －200～+200℃间变化，仪表放大器的输出电压范围就为1.274～2.990V（对地），这个电压摆动范围很适合A/D转换器的输入电压范围（2V ±1V）。

　　3.2.5 单电源二运放仪表放大器在低共模电压中的应用

　　加一个Vbe电压降使共模电压升高的方法可应用于二运放仪表放大器。图8是AD627的简图，它是一个集成二运放仪表放大器，运用特殊技术来获 得整个频率范围内的高CMRR。必须指出，对于三运放仪表放大器而言，必须注意补偿内部节点电压，避免信号饱和，这在单电源应用中格外严格。一般说来，最 大增益由输出有效信号的范围决定（反相通道大于50mV，同相通道为100mV以内）。而在输入共模电压接近或等于零的单电源应用中，编程增益有一定限 制。当输入、输出和基准引脚（REF）的电压范围由技术说明所规定时，这些引脚的电压范围是互相影响的。在图8中，由含有共模分量Vcm的差模电压 Vdiff驱动，运放A1输出端电压是Vdiff、Vcm、Vref引脚电压和编程增益的函数：

　　VA1=1.25（Vcm +0.5V）- 0.25Vref -Vdiff（25kΩ/RG－0.625）

　　也可用-IN和+IN（V－和V+）脚上的实际电压来表示：

　　VA1=1.25（V－+0.5V）- 0.25Vref -（V＋ -V－）25kΩ/RG

　　A1的输出电压在反相通道为50mV以内，同相通道为200mV以内摆动，上述等式可用以验证A1的电压是否在此范围内。从以上任何一个等式可 以看到，当Vref作为AD627的输出(A2)正偏置增加时，A1的输出电压会减小。此外，增加输入共模电压会增加A1的输出电压。在共模电压较低的单 电源应用中，差模输入电压或REF上的电压太高会使A1的输出变为地电平。输入电压有效上偏0.5V（如T1和T2的Vbe）可以增加一些摆动范围。

　　表1给出AD627在不同单电源输入条件下的最大增益值，输出摆幅是根据REF脚上的电压得到的，REF上的电压已经被设置为2V或1V，以使增益和输出摆动范围最大。注意在很多情况下，使单电源电压值大于5V毫无好处（输入范围为0V至1V时除外）。

表1 AD627低共模单电源应用的最大增益

4 滤去高频共模信号

　　所有的仪表放大器都能校正高频中超出频带的信号，一旦校正，这些信号就变成直流失调误差出现在输出端。图9的电路提 供了一个很好的RFI抑制，在仪表放大器的通频带内不会降低性能。电阻R1和电容C1（同样R2和C2）组成一个低通RC滤波器，- 3dB带宽F=1/（2πR1C1），代入元件值，这个滤波器有大约40kHz的- 3dB带宽。电阻R1和R2要选择足够大，使电路输入与电容分离，但不能大到增加电路噪声的程度，为维持放大器通频带的共模抑制，电容C1和C2必须是± 5%乃至更好的元件，或经测试能提供很好匹配的低成本元件。

　　维持低频时的共模抑制，电容器C3是必需的。R1、R2和C1、C2构成桥电路，桥电路的输出与仪表放大器的输入相 接。C1，C2的任何失配都会导致桥电路失衡并减小共模抑制。C3确保任何RF信号为共模信号（极性幅值相同地出现在仪表放大器的两个输入端），并且不会 差分输入。第二级低通网络（R1+R2和C3）的- 3dB带宽为1/[2π（R2+R1）C3]，将C3=0.047m F代入，此电路－3dB信号带宽约为400Hz。典型的直流偏移（整个频率范围内）小于1.5m V，电路对RF信号的抑制大于71dB。通过减小R1、R2至2.2 kΩ，电路的- 3dB信号带宽可以增至900Hz。 除了在仪表放大器之前的电路必须驱动一个抵阻抗负载外，性能与使用4kΩ时相似。

图9 通常模式和共模抑制RF干扰的衰减电路

　　图9的电路可用一个PCB板来建立，元件引线必须尽可能短，电阻R1，R2可为1%金属膜电阻，而电容C1、C2必须为±5%容差元件，以避免降低电路的共模抑制。推荐用5%银云母片电容或松下公司的±2%PPS膜电容。

标签： 仪表放大器 AD623

2006-11-03　　全国高等学校教学研究中心

（仪器科学与技术教学指导委员会）

　　一、本专业教育的历史、现状及发展方向

　　1. 本专业的主干学科概况

　　仪器仪表类专业隶属仪器科学与技术学科。

　　建国初期，新中国处于百废待兴、大规模经济恢复和建设时期，应一批大型骨干工业企业和国防 工业对仪器仪表类专门人才的大量需求，1952年天津大学、浙江大学率先筹建了“精密机械仪器专业”和“光学仪器专业”，并逐渐形成体系。1958年，又 有国内若干著名高校，如清华大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学、东南大学、合肥工业大学、北京航空航天大学……等都相继筹建精密仪器专业，并根据苏联的 办学模式，相应于各仪器类别，分别设有计量仪器、光学仪器、计时仪器、分析仪器、热工仪表、航空仪表、电子测量仪器、科学仪器等10多个专业。凭着对党的 教育事业的忠诚和高涨的爱国热情，师生奋发图强，在人力、物力、财力都很困难的条件下，一批批我国自己培养的仪器仪表专门人才跨出校门，成为国民经济建 设、国防建设、科学研究方面的中坚技术力量，作出了显著的成绩。

　　“文化大革命”后，随着改革开放，教育指导思想逐渐定位为面向世界、面向未来、面向现代 化、面向市场经济。原先产品分类式的专业面已不能适应形势的发展 。随后陆续将专业归并，至1998年教育部颁布新的本科专业目录，把仪器仪表类11个专业（精密仪器、光学技术与光电仪器、检测技术与仪器仪表、电子仪器 及测量技术、几何量计量测试、热工计量测试、力学计量测量、光学计量测量、无线电计量测试、检测技术与精密仪器、测控技术与仪器）归并为一个大专业——测 控技术及仪器。这是我国高等教育由专才教育向通才教育转变的重要里程碑。

　　随着科学技术尤其是电子信息技术的飞速发展，仪器仪表的内涵较之以往也发生了很大变化。其 自身结构已从单纯机械结构或机电结合或机光电结合的结构发展成为集传感技术、计算机技术、电子技术、现代光学、精密机械等多种高新技术于一身的系统，其用 途也从单纯数据采集发展为集数据采集、信号传输、信号处理以及控制为一体的测控过程。特别是进入21世纪以来，随着计算机网络技术、软件技术、微纳米技术 的发展，测控技术呈现出虚拟化、网络化和微型化的发展趋势，从而使仪器仪表学科的多学科交叉及多系统集成而形成的边缘学科的属性越来越明显。

　　当今世界已进入信息时代，仪器仪表作为信息工业的源头是信息流中的重要一环，它伴随着信息 技术的发展而发展，同时又为信息技术的发展发挥着不可替代的作用，成为涵盖“农轻重、海陆空、吃穿用”各领域内的国民经济的“倍增器”，科学研究的“先行 官”，军事上的“战斗力”以及法制法规中的“物化法官”。仪器仪表的任务用途、结构组成和所发挥作用等方面所凸现的信息技术属性从未像现在这样明显。

　　十多年来，学术界、科技界、教育界的仪器仪表领域的老前辈们为仪器仪表的作用地位做了深入 的研讨、深刻的分析和精辟的描述。著名科学家王大珩、杨家墀、金国藩等院士所高度概括并指出“仪器仪表是信息产业的重要组成部分，是信息工业的源头”，揭 示了仪器仪表的学科本质和定位，指明了仪器仪表学科的发展方向，对学科的发展具有深远的指导意义，并为之奔走呼吁。仪器仪表学科由此得到正确定位、规范叙 述并明确了发展方向。

　　仪器仪表类专业的发展速度是空前的，在不到10年的时间内，其办学规模大约翻了两番。呈现 出招生和分配两头热的良好状态。本专业大发展的原因，既源于较大的社会需求，也源于社会对本专业教育的认同。本专业以光、机、电、算为学科基础的人才知识 结构，培养基础厚、知识面广的宽口径人才，符合人才市场的需求，也顺应信息技术蓬勃发展的势头。

　　2. 主干学科的方法论介绍

　　主干学科：仪器科学与技术学科、光学工程学科、机械工程学科、电子信息工程学科、计算机科学与技术学科。

　　仪器科学与技术学科是该专业的理论和应用基础，主要研究测量理论和测量方法，探讨和研究各种类型测量仪器仪表的工作原理和应用技术，以及智能化仪器仪表的设计方法。
光学工程学科是该专业的应用基础，主要研究光学测量仪器以及光电测试信息获取与传输的基础理论和应用技术等内容。

　　机械工程学科是仪器仪表结构设计的基础，主要研究机械测量仪器、光学测量仪器、电子测量仪器的系统构架、运动传递、量值传感、结果指示等内容。

　　电子信息工程学科是该专业的理论和技术基础，主要研究信息获取技术以及与信息处理有关的基础理论和应用技术，实现信号的获取、转换、调理、传输、处理以及设备的控制、驱动和执行功能。
计算机科学与技术学科是该专业的技术基础，主要研究智能化仪器仪表中的计算机软硬件设计与应用方法以及数字信息的传送与处理技术，推动仪器仪表向着数字化、智能化、虚拟化、网络化方向快速发展。

　　仪器仪表学科是多学科交叉的综合性、边缘性学科。它以信息的获取为主要任务，并综合有信息 的传输、处理和控制等基础知识及应用。本专业的主要研究领域（测量技术）将与计算机技术和通信技术共同组成现代信息科学技术，形成信息科学技术三大支柱。 围绕准确、可靠、稳定地获取信息这一中心任务来组织教学，掌握与之相关的理论、技术和方法，是本专业教学的基本出发点。获取信息的方法是多种多样的，本专 业的涉及面也是很宽广的。因此，各校可根据自己的实际情况，有侧重地、有特色地在有限的学时内安排教学，满足基本的教学要求，这在整体上也符合人才培养多 样性的要求。

　　3. 本专业的相关学科及影响本专业教育的因素

　　相关学科：控制科学与工程学科、信息与通讯工程学科。

　　控制科学与工程学科是该专业的理论基础，主要研究自动控制理论和相关算法，为今后在测控技术理论研究和工程实际中提供必要的系统控制概念和方法。

　　信息与通讯工程学科是该专业的应用基础，主要研究信息通讯的基础理论和相关技术，为测量与控制信息的传输提供必要的理论和技术支持。

　　影响本专业教育的因素主要有下列几方面：

　　（1）仪器仪表的作用、地位未得到应有的重视

　　虽然仪器仪表是信息产业重要的组成部分，是信息社会的基础产业。但它的地位至今尚未得到从领导决策层到普通平民阶层的广泛认同，长期以来没有得到从战略高度加以扶植、倾斜、重点规划发展的机遇。

　　（2）主干学科组成的理解不一致

　　仪器仪表是多学科交叉综合的边缘学科，这是由它在信息产业中所承担的任务决定的，也是当代 对具有宽广知识面的人才需求所要求的。但也有人认为这是一种“机不如机械专业、电不如电类专业、……”的“万金油”专业，贬低了本专业宽口径、综合性的形 象，对学生产生不利的负面影响。

　　（3）对仪器仪表学科隶属关系的作法千差万别

　　仪器仪表无论在主干学科组成、教学安排、教学实践、科学研究等方面都有其特殊性，因此有条件的院校应成立独立的仪器仪表类专业院系。凡是这样做的学校，仪器仪表学科都得到了很大的进步，希望有关领导给予仪器仪表专业以足够的发展空间。

　　（4）仪器仪表行业状况对教育的影响

　　透过本专业招生数不断增长、就业形势看好的表面现象，就会发现有相当一大部分毕业生是凭借 本专业的学科多样性进入相关行业特别是电子信息行业工作，而真正进入仪器仪表专业领域内从事设计、制造、开发研究的并不是很多。这种状况是由我国仪器仪表 行业的落后面貌决定的。因此，近期内控制一下本专业的学生数规模是必要的。

　　（5）考研、就业对本科教育秩序的冲击不容忽略。

　　二、本专业培养目标和规格

　　1．本专业培养目标

　　本专业以培养信息技术领域仪器仪表类的专门人才为目标。培养具有研究、设计、制造、应用、 维护和管理现代仪器仪表和测控技术装备的能力，掌握信息的获取和处理技术，具有扎实的理论基础和较宽的专业知识面，具有多元人文背景，有道德、善学习、勤 思考、重实践、富有创新意识、环保节能意识、团队精神、社会责任感和敬业精神的身心健康的综合型专业人才，为国民经济、国防建设、教育科研等部门输送高级 工程技术人才和管理人才。

　　2．本专业人才培养规格

　　本专业基本学制为4年，学生可在3～8年内完成学业，各学校可根据具体情况规定修业学分， 学分数应控制在170～185范围内。符合《学位条例》规定的毕业生授予工学学士学位。各学校可根据各自的具体情况，将专业培养规格定位于“研究型”或 “技术型”。“研究型”培养计划的学时分配，应适当向基础课、专业基础课倾斜，实践教育环节要注重学生创新能力的培养；“技术型”培养计划的学时分配，应 适当向传授专门应用技术的专业课倾斜，实践教育环节注重培养学生应用所学专业知识的能力。

　　本专业毕业生应满足以下要求：

　　（1）素质结构方面

　　思想道德素质：应热爱社会主义祖国，拥护中国共产党的领导，掌握马列主义、毛泽东思想和邓 小平理论和“三个代表”的重要思想等基本原理；愿为社会主义现代化建设服务，为人民服务；有为国家富强和民族昌盛而奋斗的志向和责任感；敬业爱岗，遵纪守 法，诚实守信，艰苦奋斗，团结协作，具有良好的思想品德、社会公德和职业道德。

　　文化素质：应具有较好的人文、艺术和社会科学基础及正确运用本国语言、文字的表达能力，积极参加社会实践，适应社会的发展与进步，能建立健康的人际关系。

　　专业素质：具有扎实的自然科学基础知识和本专业所必需的技术基础及专业知识，掌握科学地发现、分析和解决问题的方法，具有严谨的科学态度和求实创新意识，对市场经济规律在解决工程实际问题中的作用有正确的认识。

　　身心素质：身心健康，具有在胜利、成功、成就面前不骄不躁，在困难、挫折、失败面前不屈不挠的精神面貌。

　　（2）能力结构方面

　　获取知识的能力：具有较强的自学能力和能利用现代化信息渠道获取有用知识的能力；具有一定的社会交往能力和对自然科学及社会科学知识的表达能力。

　　应用知识的能力：能将所学的基础理论与专业知识融会贯通，灵活地综合应用于工程实践中，具有研究和解决现代测控技术及仪器仪表领域工程实际问题的初步能力。
创新能力：培养创新意识，了解科学技术最新发展动态及所研究领域的国内外研究现状，具有创造性思维和初步科技研究与开发能力。

　　（3）知识结构方面

　　工具性知识：外语、计算机文化基础、高级语言程序设计和文献检索、科技写作等知识。
人文社会科学知识：文学、历史学、哲学和毛泽东思想概论、马克思主义哲学原理、马克思主义政治经济学原理、邓小平理论与“三个代表”重要思想概论、思想品德修养、法律基础、法制安全教育、健康教育、美学、心理学等。

　　经济管理知识：现代企业管理、管理概论、项目管理等。

　　自然科学知识：高等数学，大学物理、化学、生物等。

　　工程技术基础知识：机械制图、工程数学、工程力学、工程光学、电工电子技术、信号与系统、精密机械设计基础、微机原理及应用、误差理论与数据处理、自动控制原理、传感技术等选项。

　　专业知识：检测技术、控制技术与系统、测控仪器设计、测控电路、智能化测控系统、嵌入式系统设计、网络测量技术、光电检测技术、总线技术、虚拟仪器设计、图像处理技术、视觉检测技术、光学仪器设计、电子测量仪器、自动化仪器仪表、电磁兼容、电磁场与电磁波等选项。

　　本专业学生应具有如下知识和能力，并根据培养规格和专业特色的不同而有所侧重：

　　⒈ 具有较扎实的自然科学基础，掌握高等数学、工程数学、大学物理等基础性课程的基本理论和应用方法；具有较好的人文、艺术和社会科学基础及正确运用本国语言、文字的表达能力。

　　⒉ 基本掌握一门外语，具有较好的听、说、读、写能力，能较顺利地阅读本专业的外文书籍和资料。

　　⒊ 基本掌握电路分析、信号与系统方面的基本理论以及模拟、数字电路的基本理论和设计方法，并能运用计算机进行模拟仿真和设计，具有较强的实践能力。

　　⒋ 基本掌握测量信息论、信号处理理论、自动控制理论、微型计算机系统设计理论的基本原理和方法。

　　⒌ 基本掌握传感器原理和应用、仪器调理电路设计方法、智能化仪器和自动化仪表设计技术、测控技术及工业过程控制系统技术的基本原理和方法。

　　⒍ 具有一定的精密机械设计及制图能力，掌握一定的精密仪器仪表结构设计方法，能够了解工艺流程，具备一定的操作技能。

　　⒎ 具有一定的计算机软、硬件综合运用能力，掌握一定的软、硬件设计和调试方法。

　　⒏ 具有一定的系统分析和综合应用能力，基本掌握光、机、电、计算机相结合的当代测控技术和实验能力，初步具有本专业测控技术、仪器仪表与系统的设计、开发能力和一定的技术性组织管理能力。

　　⒐ 对目前国内和国际本专业常用的规范和标准化有一定的了解，并在设计中能够运用。

　
　　三、本专业教育内容和知识体系

　　1. 本专业人才培养的教育内容及知识结构设计的总体框架

　　（1）本专业人才培养的教育内容及知识结构设计的理论依据

　　在物料流、能源流和信息流所组成的现代世界中，仪器仪表学科属于信息流的范畴。以信息流为 主线，按信息技术的专业分工，仪器仪表学科是以信息的获取为主要任务，并辅以信息的传输、处理和应用的系统要求，由此来确定仪器仪表专业的知识结构和相应 的学科基础，这是一个高层次的起统领作用的总纲领。过去那种含糊的“机电结合”、“机电一体化”、“电测为主”等提法只不过是具体的办学形式而已，而且那 些非实质性的提法常常会受到来自多方面有关学科生存的质疑和冲击，使本学科经常处于被动的境地。总之，这个总纲领可以包容多种办学模式，但个别办学模式却 代表不了总纲领。总纲领是仪器仪表学科建设的指导方针。

　　仪器仪表学科是一个综合性、边缘性的交叉学科，它从系统工程的角度出发，以检测理论和误差 分析理论为指导，合理应用机械、电子、光学、计算机、自动化、通信等各专业领域的知识，构建精确、稳定、可靠、经济，并具有小型化、集成化、智能化、网络 化、自动化特征的测试、计量和控制系统，成为信息链中必不可少的环节，组成一个完整的仪器科学与技术学科。

　（2）本专业人才培养的教育内容及知识结构的总体框架（略）

　　2.知识体系构建

　　现代社会广泛的多样化人才需求和本专业毕业生的分配去向告诉我们，通才教育势在必行。培养 基础厚、知识面宽、能力强、素质高的多模式专业人才已成为高教界为之奋斗的目标。本科教育的定位应是做好最基础的工作，特别是在当今大学由精英教育向大众 化教育转型过程中及以后长期的大学教育中更是如此。

　　仪器仪表学科学生以其知识面宽、综合能力强、注重实践、适应能力强、富有自学能力和知识更 新能力等特点而受到用人单位的普遍欢迎。这和本学科长期来坚持实行宽口径、多样化、抓基础、重实践的知识结构、课程设置、教学安排有关的。构建总体框架时 要继承和发扬过去行之有效的教学传统。

　　根据培养目标，培养计划中强调对学生综合素质的培养，即除了专业素质外，还要注意思想道德素质、人文素质的培养。在教学计划中同时要体现对学生能力的培养包括获取知识的能力、应用知识的能力和创新能力。

　　3.课程体系构建

　　测控技术与仪器专业的课程体系由人文社科类课程、公共基础类课程、学科基础类课程、专业及特色类课程以及实践教学五部分组成，专业知识点如表1所示：

表1 专业知识点

课程分类	课程体系内容（示例）
人文社科类课程	哲学、法律、军事、道德、毛泽东思想、邓小平理论等必修课及文学、艺术、音乐、管理、经济等选修课
公共基础类课程	高等数学、物理、外语、体育、机械制图、计算机基础、工程数学等以及化学、生物等选修课
学科基础类课程	电工学/电路理论、模拟电子技术、数字电子技术、自动控制原理、信号与系统、传感器技术、误差理论、微机原理、检测技术、程序设计 选修：通讯原理、网络技术、PLC、现代控制理论、工程光学基础、EDA技术、光电测试、DSP、数字信号处理、微细加工技术、仪器制造工艺、电磁场与微波、嵌入式系统设计、现场总线等
专业特色类课程	精密机械设计、仪器设计、工程力学、光学仪器设计、现代制造技术、电子测量仪器设计、测控仪器设计等选修课
实践教学（约40周）

　　
4.对课程体系构建的说明

　　制定专业规范的主要思路和指导原则是“确保共同基础，发挥各自特色，扩展专业领域”，强调“宽口径、多样化、抓基础、重实践”的办学方向。在构建课程体系时应注意以下问题：

　　（1）确保本专业共同平台课教学，当学生接受完平台课教育后，本专业人才应基本成型。平台课包括必修的 人文社科类课程、公共基础类课程和学科基础类课程。其中，人文社科类课程、公共基础类课程的设置按教育部有关规定执行。学科基础类课程应在电工电子技术、 电路分析基础、信号与系统、自动控制原理、传感器与检测技术、微机原理与系统设计、误差理论、精密机械设计、工程力学、工程光学这10门课程中，按照至少 10选6的原则确定，以保证本专业人才培养基础的一致性。在整个课程体系中各类课程的安排情况可参考表2制定。

　　（2）各校可根据传统和条件，相对灵活地安排所侧重的专业教学内容，以体现各校专业特色，可分别设置精密仪器、电子测量仪器、光学仪器、自动化仪表等方面的相关课程组。使学生能在某一个或某几个专业方向上受到较好的训练，开创各校的特色品牌。

　　（3）扩展知识面，接触新技术，开设数量不限的任意选修课，供学生自由选择。

　　（4）确保与本专业学科基础类课程相关的实验教学环节，提倡和鼓励各校按专业及特色类课程设置相关的教学实验或实践内容。

表2 课程分布安排

课程分类	研究型		技术型
公共平台类课程 （必修与指定选修课）	人文社科类课程	45％	人文社科类课程	40％
	公共基础类课程		公共基础类课程
	学科基础类课程（25％）		学科基础类课程（20％）
专业特色类课程	10％		15％
实践环节	20％		25％

　　

四、专业的教学条件及考核指标体系

　　1. 专业的教学条件

　　凡是具有能力成立该专业的学校应在教学条件上达到以下要求：

　　（1）师资力量

　　要配备一支专门从事该专业技术基础课程和技术课程教学的教师队伍，一般情况下应不少于8人。

　　（2）教材选择

　　要求所有必修课均选用正式出版教材，限定选修课可根据需要选用正式出版教材或自编出版教材，任选课可选用正式出版教材或自编讲义，以上教材或讲义均必须符合教学大纲要求，并能够及时完成教材的更新工作。

　　（3）实验室建设与规模

　　实验室建设与规模要与本专业教学体系的需要相配套，应按照基础实验科目、专业实验科目、能 力扩展实验科目三方面的要求配置相应的教学实验设备，形成一定规模的教学实验体系，其中要求基础实验科目和专业实验科目的的教学实验设备能满足该专业全部 学生的实验需要，能力扩展实验科目的教学实验设备能满足该专业部分学生的实验需要。

（4）应具备的基本教学文件

　　教学计划、理论课程教学大纲和实验教学大纲、教学实践计划与课程设计、毕业设计规范、教学工作任务书、教师教学手册、学生手册、考试制度及管理办法。

　（5）理论与实践课程教学要求

（a）理论课程和课程实验严格按照教学大纲和实验大纲计划内容实施；
（b）必修课程和限定选修课程都必须具备相关的教材；
（c）所有的教学实验必须具备相关的实验指导书或实验教程；

　（d）理论课程必须有考试环节，可采用闭卷、开卷或其他的考试形式；
　（e）课程实验必须有实验安排时间表，可采用两人一组或一人一组的方式进行；
　（f）能力扩展实验需提交相关的实验项目计划书，由指导教师负责实验的具体工作安排。

　（6）实习基地

　　本专业应根据具体情况安排三个实习基地，用于对本专业学生工程能力的培养和训练。

　（a）工程综合训练中心：满足教学计划中的金工实习和电工实习的需要。
　（b）课外学术科技活动实践基地：满足部分学生参加科技竞赛和校内实习的需要。
　（c）校外生产实习基地：满足学生下厂生产实习的需要。

　（7）教学经费

　　每年学校应下达一定数量的教学与专业建设经费，用于教学改革和实验室建设，实验设备的购置、维护与更新，以及相关的行政经费，以保证教学工作的正常进行。

　　2. 专业考核指标评估体系

　　各学校应在适当的时间对该专业进行考核和评估，提高人才培养质量，推动该专业的建设和发展。专业考核评估指标可参考附件1。

　　五、制定本专业规范的主要参考指标

　（1）本科学制：基本学制四年，实行学分制的学校可以适当调整为3～8年。
　（2）在校总周数200～202周（其中教育教学166～168周，寒暑假32～34周）。
　（3）本专业的总学分应控制在170～185学分左右。
　（4）专业基础及专业课的课程实验学时与课堂教学学时之比应为10%～15%。
　（5）学时与学分的折算办法：未实行学分制的学校，学时与学分的折算由各校根据学校实际情况自行决定。本规范建议：课程教学按16学时折算1学分，集中实践环节按1周折算1学分。
　（6）教学条件合格标准依据教育部专业基本办学条件合格标准提出，参见附件2。

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超级恒温水浴

一．使用范围

超级恒温水浴（以后简称恒温水浴）适用于生物、化学、物理、植物、化工等科学研究上直接加热和辅助加热的精密恒温之用。

二．结构

普通恒温水浴的结构是由浴槽、温度计、搅拌器、加热器、接触温度计（或称导电温度计）和继电器等部分组成。其结构图、装置示意图、实物图如下：

装置示意图（点击放大）		实物图

仪器面板图

仪器面板说明图

三．工作原理

恒温水浴的工作原理简述如下：

1．浴槽

浴槽包括容器和液体介质。如果要求设定的温度与室温相差不大，通常可用20dm3 的圆形玻璃缸作容器。若设定的温度较高（或较低），则应对整个槽体保温，以减少热量传递速度，提高恒温精度。

恒温水浴以蒸馏水为工作介质。如对装置稍加改动并选用其它合适液体作为工作介质，则上述恒温浴可在较大的温度范围内使用。

2． 温度计

观察恒温浴的温度可选用分度值为0.1℃的水银温度计，而测量恒温浴的灵敏度时应采用贝克曼温度计，温度计的安装位置应尽量靠近被测系统。所用的水银温度计读数应加以校正。

3． 搅拌器

搅拌器以小型电动机带动，其功率可选40W，用变速器或变压器来调节搅拌速度。搅拌器一般应安装在加热器附近，使热量迅速传递，以使槽内各部位温度均匀。

4．加热器

在 要求设定温度比室温高的情况下，必须不断供给热量以补偿水浴向环境散失的热量。电加热器的选择原则是热容量小，导热性好，功率适当。如果容量为20dm3 的浴槽，要求恒温在20~30℃之间，可选用200∽300W的电加热器。室温过低时，则应选用较大功率或采用两组加热器。

5．水银接触温度计

水银接触温度计又称水银导电表。其结构如图所示。

水银接触温度计示意图

水银接触温度计实物图

接触温度计重要部分的结构图

水银球上部焊有金属丝，温度计上半部有另一金属丝，两者通过引出线接到继电器的信号反馈端。接触温度计的顶部有一磁性螺旋调节帽，用来调节金属丝触点的高 低。同时，从温度计调节指示螺母在标尺上的位置可以估读出大致的控温设定温度值。浴槽温度升高时，水银膨胀并上升至触点，继电器内线圈通电产生磁场，加热线路弹簧片跳开，加热器停止加热。随后浴槽热量向外扩散，使温度下降，水银收缩并与触点脱离，继电器的电磁效应消失，弹簧弹回，而接通加热器回路，系统温度又开始回升。这样接触温度计反复工作。而且系统温度得到控制。可以说它是恒温浴的中枢，对恒温起着关键作用。

6. 继电器

继电器必须与加热器和接触温度计相连，才能起到控温作用。实验室常用的继电器有电子管继电器和晶体管继电器。

衡量恒温水浴的品质好坏，可以用恒温水浴灵敏度来衡量。通常以实测的最高温度与最低温度值之差的一半数值来表示其灵敏度。

四．使用方法

1． 在初次使用前，应先将恒温器电源插头用万用表作一次安全检查，用测量电阻之一挡，量插头上相，中，地，相互之间是否有短路或绝缘不良现象。

2． 按规定加入蒸馏水（水位离盖板约30-43毫米）将电源插头接通电源，开启控制箱上的电源开关及电动泵开关，使槽内的水循环对流。

3． 调节恒温水浴至设定温度。假定室温为20℃，欲设定实验温度为25℃，其调节方法如下：先旋开水银接触温度计上端螺旋调节帽的锁定螺丝，再旋动磁性螺旋调节帽，使温度指示螺母位于大约低于欲设定实验温度2~3℃处（如23℃），开启加热器开关加热（为节约加热时间，最好灌入较所需恒温温度约低数度的热水），如水温与设定温度相差较大，可先用大功率加热（仪器面板上加热器开关位于“通”位置），当水温接近设定温度时，改用小功率加热（仪器面板上加热器开关位于“加热”位置）。注视温度计的读数，当达到23℃左右时，再次旋动磁性螺旋调节帽，使触点与水银柱处于刚刚接通与断开状态（恒温指示灯时明时灭）。此时要缓慢加热，直到温度达25℃为止，然后旋紧锁定螺丝。

4． 如需要用低于环境室温时可用恒温器上之冷凝管致冷，可外加和恒温器相同之电动水泵一只将冷水用橡胶皮管从冷凝筒进入嘴引入至冷凝管内致冷，同时在橡皮管上加管子夹一只，以控制冷水的流量，用冷水导入致冷一般只能达到20-15℃之间并须将电加热开关关断。

5． 恒温器加热最好选用蒸馏水，切勿使用井水，河水，泉水等硬水，尚用自来水必须在每次使用后将该器内外进行清洗，防止筒壁积聚水垢而影响恒温灵敏度。

五、恒温水浴灵敏度曲线的绘制

1． 原理

许多物理化学数据测定都需要在恒定温度下。欲控制温度，通常用以下两种方法：一是利用相变温度点来实现，二是利用电子调节系统，对加热器或致冷器的工作状态 进行自动调节，来实现恒温的目的。本实验所用的恒温水浴通过电子继电器对加热器自动调节，来实现控温的目的。当恒温水浴因热量向外扩散等原因使体系温度低 于设定值时，继电器迫使加热器加热，当体系再次达到设定温度时，加热器停止加热。这样周而复始，就可以使体系温度在一定范围内保持恒定。

普通恒温水浴的结构是由浴槽，温度计，搅拌器，加热器，接触温度计和继电器等部分组成。

2．数据处理

本实验用数字式贝克曼温度计测量温度，每隔30秒记一次数值，共记半小时，61个数据。将其与对应时间分两行或两列输入，如第一行输入时间，第二行输入温度。输入完毕后，选定所有数据，选“插入”中的“图表”，或单击工具栏中的“图表”符号。出现一个对话框，选择“标准类型”中的“XY散点图”，在出现的对话框上选择下图的第一行第二个，即带点的曲线图，再单击“完成”即可。

在空白处右击，选择“图表选项”，可以标出图表名称以及坐标轴代表的含义和单位，还可以选择网格线的格式。在两个坐标轴附近右击，可以调节坐标轴的刻度，字体大小等。由于比较简单，在这里不详细介绍了。

下面是数据和图：

时间（s）		0			30			60			90			120			150			180			210
温度(摄氏度)		35.133			35.162			35.143			35.151			35.16			35.147			35.159			35.16
240		270		300			330			360			390			420			450			480
35.15		35.16		35.165			35.155			35.159			35.164			35.152			35.172			35.185
510	540		570			600			630			660			690			720			750
35.177	35.181		35.186			35.176			35.191			35.197			35.182			35.193			35.199
780	810		840			870			900			930			960			990			1020
35.189	35.201		35.186			35.196			35.2			35.19			35.194			35.207			35.194
1050	1080		1110			1140			1170			1200			1230			1260			1290
35.202	35.189		35.201			35.205			35.203			35.188			35.193			35.193			35.192
1320	1350		1380			1410			1440			1470			1500			1530			1560
35.207	35.202		35.191			35.197			35.193			35.183			35.193			35.192			35.204
1590	1620		1650			1680			1710			1740			1770			1800
35.191	35.202		35.212			35.193			35.209			35.198			35.207			35.198

在图上找出最高点T2和最低点T1，灵敏度计算公式为S= T2—T1/2。从数据和图线看出T2 =35.212，T1=35.133，S= T2—T1/2=0.0395。


来自：http://jw.scuec.edu.cn/greatcour ... us/homeothermia.htm