学生上课记录表

上课日期与时间

2021.10.08 5到8节

完成日期

2021.10.09

讲课内容总结

1.介绍现代传感技术的实质，将大自然中的物理量转换为电量再转换为数字量给芯片处理

2将电量类比成水量，电流即水的流速，电压即水位差，电容即装水容器的底面积，电阻即代表水管的粗细。

3.电阻、电容、电感对应的是比、积分微分三种运算。比例运算处理的是静态的数据，积分、微分运算处理的是动态的数据。课堂演示了仿真充放电的动态过程，并用微分方程来计算电压下降曲线与时间的函数。

4.在计算微分方程的过程中介绍自然常数e是怎么得来的，并根据此原理顺理成章地得出微分方程求通解的公示，从而算出上条中的函数。

5.引出放大电路的概念，介绍运放。运放是做等式的器物，虚短的实质是运放在平衡正负极口两端的电压使其相等，在仿真电路中引入大电容可以放慢平衡的时间观察到这个平衡过程。

6.介绍电阻是加权的器物，运用电阻可以拼出加法电路权重数不能高过分母，但可以低于分母，用接地来当0电位。

7.有了电阻和运放，就等于数学上拥有了加法和等号，就可以推出减法。所以结合二者就可以得到减法电路。

心得体会

电学量的出现，给了测自然界各种物理量的传感器诞生提供了先决条件。搞清楚数学量在电学器件中如何处理，就能更好地处理传感器中的测量值。课堂上老师以电流类比水流，让我对这些电学量有了更清楚直观的认识。在计算微分方程时用债主放贷和小猴吃桃这两个有趣的例子解释了自然常数e的来源，以前用公式计算的现在从原理出发对微分方程的计算本质我也有了更深的理解。最后在加法、减法电路这块我感觉听得很透彻，在到老师告诉我以前所谓的什么同相、反相放大电路说白了都是这，我才反应过来。以前记得累死累活的东西原来就这。。。看清事物的本质果然比死记硬背效果好得多。

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上课日期与时间

2021.10.15 5到8节

完成日期

2021.10.16

讲课内容总结

1. 搭建一个交流阻抗电路，调节可变电感的大小，发现其电压的变化非常小。由于电感电压的变化在输入电压的50%左右徘徊，第一点想到的是并联两个等值电阻取到中间电位，即输入电压的50%，用上节课用到的知识将这两个电位做减法，用相减值表示变化。

2.减法电路搭出来后发现变化仍不明显，这就需要将相减的两个电压进行放大。放大就需要接入电阻，接入电阻势必会影响原来电位，使其偏离原有电位。为了提高电路的负载能力，我们可以利用运放搭建跟随电路提高电路的负载能力。

3. 引入电桥做差分放大后，可以明显看到电压差的变化了。但在调整电感时，取前50%与后50%的值时，采集到的交流信号的相位是相反的。当然，是在与输入电压比较后看出的，在现实中很可能没有示波器能给看参考电压，要看相位的变化，就要引入绝对值电路将输入和捕获一起参与运算。而想要获取绝对值电路就要用到二极管的单向导通特性来搭建，负电压不让其流过，电位为0，正电压让其通过。

4. 将上述所有电路搭建起来之后用了许多运放，但有一部分是可以简化不要的，通过数学公式的计算，将之前理论里的几个等式进行合并，就可以减少运放的数量从而简化电路。

心得体会

一整堂课就是在逐步深入和完善测量可变电感变化的过程，如果没上这课直接把最后的电路给人看，看着确实十分复杂。但整个一下午走下来，对这个电路我还是有很清晰的认识了。在我看来，这其实不是一个电路的搭建过程了。其实是一次数学推导过程用电学器件的复现了。只要充分理解各个电路元件在数学运算中的作用。我相信很多有了数学模型的电路该怎么设计其实也一目了然了。

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上课日期与时间

2021.10.22 5到8节

完成日期

2021.10.23

讲课内容总结

1. 复习上节课的知识，引出调制和解调的概念。调制即将信号调整频率，调整为更容易传输的高频信号，解调再将接收到的信号复原。

2. 引出今天的重点，腐蚀微电流监测。探头阵列在化学腐蚀下产生uA级别的微小电流，要想检测到电流的变化就要用电路放大。接一个电阻能放大电压，但接的电阻不能过大反而影响电流输出。所以要接运放完成放大电路。

3. 现实中运放不是理想中那样虚断的，正负极间还是有电压差存在的，为了使V-为0，就要调整V+的电压。

4.为了精确地调整V+端的电压，就需要用到单片机来进行DAC输出电压，以STM32为例，DAC输出为12位精度，3.3v的电压，能以3.3/4095=0.0008V为分度变化。但相对于平衡电压来说还是太大了。就要用到杠杆电路来缩小这个电压。

5.缩小完成后，用电子开关先讲V-端接地，调整dac的大小，同时观察输出（可用单片机的ADC采集）。调0后再把电子开关接到各个传感器，再读取它们的数据。

心得体会

在电子科技高度发达的现在，为了测出更精确的数据，肯定要把数据数字化，交给微机系统处理。所以学好电路的理论知识，同时学好单片机编程来采集和处理数据也是非常重要的。同时，处理的信号数据越微弱，越需要更多考虑但元器件的固有偏置，以确保数据的准确性。

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上课日期与时间

2021.11.5 5到8节

完成日期

2021.11.6

讲课内容总结

1. 引出超声波测距的方法和实现的电路，超声波由单片机产生的PWM波激励逆压电效应传感器产生超声波，再由另一端的压电效应传感器接受产生压电感应电动势。通过电路处理放大再由单片机的ADC串口采集。

2. ADC采集一般为12位，采集的范围电压为0-3.3v，但如果测量的电压超出了这个范围，就要找到二者的函数关系式，再通过权加电路实现电压的转化。

3. ADC采集到的值为离散的，实际的连续波形为一个幅值不断变化正弦取线。要得到实际的正弦函数表达式，就要搞正弦拟合计算。最后计算出了信号的包络曲线就能收集到信号幅值的变化，对于距离的测量精度就更高了。

心得体会

这节课对电路的讲解不多，更多的是数学上的计算。用到了级数，偏导数，复数域计算，矩阵计算等等知识。很大地考验了我的数学功底。在其中，为了计算的简便，要想许多方法，比如将复杂的算式单独命名为一个变量，求cos引入sin加入计算。其实到最后考验的是你的数学算法。所以要好好学习数学，现实项目里遇到的问题可比高数卷子上的有意思得多。

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上课日期与时间

2021.11.12 5到8节

完成日期

2021.11.13

讲课内容总结

1. 回顾了欧拉公式，搞清楚了e和复数域还有三角函数之间的关系，从而推导出如何计算A1sin(wt+y1)+……Ansin(wt+yn)= Asin(wt+y)的公式中A为多少，y为多少。

2 介绍了表面形貌激光干涉测量技术，通过CCD观察灰度图，明暗相间的条纹代表了激光打在被测表面之间的光程差。而光本质上也是种正弦波，它也有赋值相位等参数。为了计算出光程差，就要用到之前的公式来计算。

3.为了更方便计算，就需要人为制造相位差来，就要用到椭圆拟合相移法来带动准确的相移。

心得体会

欧拉公式确实是很奇妙的公式，巧妙地把e、复数和三角函数结合起来。运用于三角函数的计算时就不用像以前一样麻烦地拆开了。在精密测量的领域，光又是个不可或缺的工具。它能把精度提到纳米级，而如何捕捉到并测量出来又会运用到很多数学方法和技巧。我听了之后还是有些懵，后面还要更深入理解吧。

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上课日期与时间

2021.11.19 5到8节

完成日期

2021.11.20

讲课内容总结

1. 介绍了双正弦激励检测电路来测电阻的大小。当已知的电阻R0和待测的电阻Rx的阻值相近的时候，测量的误差也会相应减少。但实际过程中，由于很难知道待测电阻到底多大，R0的选取会非常困难。这时候就要在激励源上做文章了。

2.激励源可以通过STM32单片机的两个DAC输出口，输出不同的正弦波信号。观察待测电阻和参考电阻之间的电位。当它近视为0时就可以用两个激励源的幅值和参考电阻的大小推出待测电阻的阻值。

3.为何要把中间的电压调到近似为0，主要是为了在后面放大处理时使这部分的放大电压不容易饱和。同时为了在放大倍数上有更多的选择，可以接入单片机的IO口来控制不同的放大阻值电路的接入。而单片机的IO口就是一个接入非门和三极管的开关电路。单片机给出高低电位，控制了三极管是否导通。从而起到了开关的作用。

4.同样的原理也可以用来测量电容的大小，因为输入的激励源为正弦信号，除了幅值，在相位上的改变也可以将二者之间的电位调成0.再利用欧拉公式推出。

心得体会

现在，很多的传感器都是把所测得的物理量或者化学量，转换为自己的电阻或者电容的变化，并且越是精度高的传感器，它的这些电学量的变化都会很轻微。这时，双激励源测量电路和放大电路就很关键了。利用单片机IO口功能，可以通过编程实现对开关的控制，即此次电路中的放大倍数的选择。

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上课日期与时间

2021.11.26 5到8节

完成日期

2021.11.27

讲课内容总结

1. 动光栅相对静光栅移动会产生明暗相间的条纹，当动光栅相对静光栅向左移动时，条纹向下，反之则向上。所以测量光的强弱就可以判定移动了。

2.但知道光栅动了，仅凭一个光电管并不能知道其动的方向，就需要两个光电管以90°的相位差来获取。这样就能通过明暗相间的顺序来判定光栅实际移动的方向。

3. 为了更好地量化明暗变化，可以用比较器将亮暗按0/1表示。这样就可以知道如11-01-00-10是逆时针方向转，11-10-00-01是顺时针方向。

4. 但判定方向还是需要知道光电管电位变化前的状态来判断。并且我们只需要知道前一时刻的变化就够了。这时就可以选择DQ触发器来跟随A、B两个光电管通过比较器出来的值记为A影和B影。顺时针和逆时针转时AA影BB影这4者的电位关系均不相同，按逻辑接好与门，再将4个阶段的与门接到一个或门就能得到只有顺时针转有高电位脉冲，逆时针同理。

心得体会

虽然用人眼能很轻易地判断出来光栅的运动方向，但人的分辨能力总归是有极限的，更微小精细的移动还是要交由计算机来完成。但为了让只能识别高低电位的单片机读取出来还是要通过这一系列的电路设计才能完成。

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