第二章思考题与习题Word文件下载.docx
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在检测系统中，放大器的输入信号一般为传感器的输出，其信号不仅电平低，内阻高，还常伴有较高的共模电压，因此，一般对放大器有如下要求：
1.高内阻抗。
一般应远远大于信号源内阻，防止放大器的负载效应使所测电压造成偏差。
2.抗共模电压干扰能力强。
选用高共模抑制比CMRR的运算放大器，且进行电路的专门措施设计。
3.在预定的频带宽度内有稳定的增益、良好的线性等，保证输出性能稳定。
4.能外接一些适应特定要求的电路，如外接增益电阻调整增益等。
对于输出阻抗大、共模电压高的输入信号，需要用到高输入阻抗和高共模抑制比的差动放大器，仪用放大器即是专为这种应用场合设计的放大器。
仪用放大器又称为测量放大器、数据放大器。
它可作为应变电桥、热敏电阻网络、热电偶、分流器、生物探针及气压计等各种领域传感器的放大器，还可用作记录仪的前置放大器、多路缓冲器、伺服误差放大器以及过程控制和数据采集系统中的前置放大器。
2.6隔离放大器有几种形式？
各有何特点？
在有强电或强电磁干扰的环境中，为了防止电网电压或其它电磁干扰测量回路，通常在模拟量输入通道中采用隔离技术。
隔离放大器的输入和输出两部分的信号和供电电源端口都是电气隔离的。
隔离放大器就其隔离对象而言，分为两端口隔离和三端口隔离。
两端隔离是指信号输入部分和信号输出部分电气隔离。
三端口隔离指信号输入部分、信号输出部分和电源部分彼此隔离。
根据隔离的媒介不同，隔离放大器主要有三种：
电磁隔离（也叫变压器隔离）、光电隔离、电容隔离。
两端隔离的最大隔离电压为±
1000V（峰～峰值）；
三端隔离的隔离电压为有效值2500V或3500V（可连续加压），且由模块的驱动电源、输入部分和输出部分的电源为隔离电源。
2.7为何要使用I/V变换电路？
电流/电压（I/V）转换器，这是因为大多数输入信号（如压力、流量、位移等）的调理电路都直接由相应的产品化器件——变送器来完成。
为了将传感器输出的非标准电压信号转换为A/D转换器能直接采集的电压信号，需使用I/V变换电路，满足A/D转换器的要求。
2.8在选择和使用多路转换开关需要考虑哪几个问题？
在计算机测控系统中，被控量与被测量的回路往往是几路或几十路，此时往往采用公共的A/D、D/A转换电路，利用多路转换开关轮流切换各被控或被测回路与A/D、D/A转换电路间的通路，以达到分时复用的目的。
在选择多路开关时除考虑其通道数外，还需了解其他性能，包括通道切换时间、导通电阻、通道间的串扰误差等。
2.9在模拟量输入通道中，为何通常要使用可编程放大器?
可以有哪几种方法实现？
前置放大器的任务是将模拟小信号放大到A/D转换器的量程范围内（如0~5V）。
它可以分为固定增益放大器和可变增益放大器两种，前者适用于信号范围固定的传感器，后者适用于信号范围不固定的传感器。
在计算机测控系统中，模拟量输入通道的变化范围会随被测量所处的环境和时间的变化而变化，因此希望能自动改变放大器的增益，使信号通过放大器后，具有合适的动态范围，即实现自动量程切换，以便于A/D转换或信号调理。
此外，在多路数据采集系统中，也可能遇到各路信号动态范围不一致的情况，这时希望放大器对不同的通路具有不同的增益，以实现相同的动态输出。
所以，模拟量输入通道中通常要使用可编程放大器。
根据仪表放大器结构，通过改变电阻Rg就可以改变放大倍数。
因此，用多路模拟开关对不同阻值的Rg进行切换，即可实现放大倍数的程控。
但需考虑两个因素：
1.改变Rg的同时要保证电阻参数的对称性。
2.需考虑模拟开关的导通电阻值所造成的增益误差。
图示为综合考虑两个因素后的实际电路，由成对调整A1、A2的反馈电阻，模拟开关中没有电流通过而不会影响电路的精度。
如果需要另外的放大倍数，可以通过外接缓冲器及衰减电阻来获得，其接线如图所示，改变R1与R2的阻值比例，可获得不同的增益。
2.10前置放大器和主放大器有何区别？
在模拟量输入通道中通常各由何种器件承担？
2.11采样保持器的作用是什么？
是否所有的模拟量输入通道中都需要采样保持器？
为什么？
作用：
如果被采样的模拟信号的变化频率相对于A/D转换器的速度来说比较高，为了保证转换精度，就需要在A/D转换之前加上采样保持电路，使得在A/D转换期间保持输入模拟信号不变。
不是所有的模拟量输入通道都需要采样保持器。
只有模拟信号的变化频率相对于A/D转换器的速度比较高时采用。
这是因为：
A/D转换器将模拟信号转换成数字量需要一定的时间，完成一次转换所需的时间称孔径时间。
对于随时间变化的模拟信号来说，孔径时间决定了每一个采样时刻的最大转换误差。
如下图所示的正弦模拟信号，如果从t0时刻开始进行A/D转换，转换结束时已为t1，模拟信号已发生ΔU的变化。
因此，被转换的究竟是哪一时刻的电压就很难确定，此时转换延迟所引起的可能误差是ΔU。
对于一定的转换时间，最大可能的误差发生在信号过零的时刻，因为此时dU/dt最大，孔径时间tA/D一定，所以ΔU最大。
令U=Umsinωt，则
式中，Um为正弦模拟信号的幅值，f为信号频率。
在坐标的原点
取Δt=tA/D，则得原点处转换的不确定电压误差为
误差的百分数为
由此可知，对于一定的转换时间tA/D，误差的百分数和信号频率成正比。
为了确保A/D转换的精度，使它不低于0.1%，不得不限制信号的频率范围。
2.12A/D转换器有几种类型？
A/D转换器是模拟量输入通道的核心部件，它将模拟量转换成数字量，实现采样和量化。
A/D转换器种类繁多，按转换原理可分为双积分式、逐次逼近式、Σ-Δ调制式、并行转换式、余数反馈比较式、V/F转换式等A/D转换器。
1、逐次逼近型：
转换时间短，抗扰性差（电压比较）ADC0809（8位），AD574（12位）
2、双斜积分型：
转换时间长，抗扰性好（积分）MC14433（11位），ICL7135（14位）
3、全并行比较型（Flash型）：
采用多个比较器，速度极高，电路规模大，成本高。
4、分级型：
减少并行比较ADC的位数，分级多次转换，减小电路规模，保持较高速度。
5、Σ-Δ型（过采样转换器）：
高速1bitDAC+数字滤波，转换成低采样率高位数字，分辨率高。
2.13A/D转换器有哪些技术指标？
A/D转换器的主要技术参数
①分辨率。
分辨率是指A/D转换器的最低输出位所代表的数值，通常用转换后数字量的位数表示，如8位、10位、12位、16位等。
分辨率越高，转换时对输入模拟信号的反应就越灵敏。
例如分辨率为8位表示它可以对满量程的1/28＝1/256的增量做出反应。
②量程。
量程是指所能转换的电压范围，如5V、10V等。
③转换精度。
转换精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度，有绝对精度与相对精度两种表示方法。
④转换时间。
转换时间是指启动A/D转换到转换结束所需的时间。
⑤工作温度范围。
较好的A/D转换器的工作温度为一40~85℃，较差的为0～70℃。
A/D转换器的主要技术指标：
－转换时间：
积分型毫秒级，逐次比较微秒级，全并行纳秒级。
－分辨率：
数字量位数n。
LSB（最低有效位）－满量程的1/2n.
－线性误差：
量程范围内，偏离理想转换特性的最大误差，通常为1/2LSB或1LSB
－量程：
能转换的电压范围。
－对基准电源的要求：
电源精度。
注意：
1、转换结束信号有两种：
电平信号和脉冲信号；
CPU检测到转换结束信号后，即可读取转换数据，可以采用程序查询、中断、DMA和延时（定时）四种方式读取数据。
2、量化单位q：
一个8位的A/D转换器，它把输入电压信号分成28=256层，若它的量程为0~5V，那么，量化单位q为：
q=5/28=5/256≈0.0195V=19.5mV
q正好是A/D输出的数字量中最低位LSB=1时所对应的电压值。
因而，这个量化误差的绝对值是转换器的分辨率和满量程范围的函数
2.14一个12位的A/D转换器，孔径时间为20μs，绝对精度为±
1LSB，若不使用采样保持器，为了确保转换精度，则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率是多少？
12位的A/D转换器，绝对精度为±
1LSB，则相对精度为
（1）/2n×
100%=0.0244%
则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为
2.15模拟量输出通道的结构有哪几种形式？
模拟量输出通道的功能是把计算机的运算结果（数字量）转换成模拟量，并输出到被选中的某一控制回路上，完成对执行机构的控制动作。
模拟量输出通道通常由D/A转换器、输出保持、多路切换开关和功放电路所组成。
多路模拟量输出通道的结构形式主要取决于输出保持器的构成方式。
输出保持器的作用主要是在新的控制信号到来之前，使本次控制信号维持不变。
保持器一般有数字保持方案和模拟保持方案两种。
这就决定了模拟量输出通道的两种基本结构形式。
1．每个输出通道设置一个D/A转换器的结构形式
这是一种数字保持方案。
优点:
转换速度快，工作可靠，即使某一路D/A转换器发生故障，也不影响其他通道的工作。
缺点:
使用了较多的D/A转换器，使得这种结构的价格很高。
2．多个输出通道共用一个D/A转换器的结构形式
模拟量保持方案。
由于公用一片D/A转换器，因此必须在计算机控制下分时工作，即依次把D/A转换器转换成的模拟电压（或电流），通过多路开关传送给输出采样—保持器。
优点:
节省了D/A转换器。
缺点：
因为分时工作，只适用于通道数量多且速率要求不高的场合。
它还要使用多路开关，且要求输出采样—保持器的保持时间与采样时间之比较大，这种方案工作可靠性较差。
D/A芯片的工作方式：
控制信号的接法不同，就有不同的工作方式，通常有三种：
直通方式、单缓方式和双缓方式。
2.16为什么模拟量输出通道中要有零阶保持器？
通常用何电路实现？
而由于零阶保持器是将前一采样时刻的输出值原封不动地保持到下一采样时刻，因此在模拟量输出通道中要有零阶保持器。
常有的零阶保持器有两种：
一种是采用步进电动机带动多圈电位器，因为步进电动机走步后能保持其角位移不变，从多圈电位器输出的输出电压也就保持不变；
另一种是采用和模拟量输入通道中的采用保持器一样的电容保持电路，但应当注意，虽然输入采用保持器和输出保持器都是保持器，所用电路相同，但两者功能不同，不能混淆。
输出保持器之后的信号是连续的模拟信号，却呈阶梯形状，一般需经过滤波电路，使信号变得平滑，若执行部件本身（如电动机）带有惯性环节，能起到滤波作用，则不需另加滤波器。
2.17为何在模拟量输出通道中通常有V/I转换电路？
工业现场的智能仪表和执行器常常要以电流方式传输，这是因为在长距离传输信号时容易引入干扰，而电流传输具有较强的抗干扰能力。
因此，许多场合必须经过电压/电流（V/I）转换电路，将电压信号转换成电流信号。
2.18数字量输入通道主要由哪些电路构成？
数字量输入通道主要由输入调理电路、输入缓冲器、输入地址译码电路等组成
2.19数字量输入通道中的调理电路通常有哪几种功能？
外部信号需经过电平转换、滤波、隔离和国电压保护等处理后，才能输入计算机，这些功能称为信号调理。
包括：
1．信号转换电路
（1）电压或电流转换电路2）开关触点型信号输入电路）；
2．滤波电路；
3．保护电路；
4．消除触点抖动；
5．信号的光电隔离。
2.20在开关量输出的驱动电路中，根据控制对象不同所使用器件也不同，当需要驱动大功率交流设备时，通常采用什么器件和电路？
通常采用大功率交流驱动电路，固态继电器（SSR—Solidstatereleys）是一种新型电子继电器，是一种四端有源器件，下图为固态继电器的结构和使用方法。
输入输出之间常用光耦合器进行隔离。
过零检测电路可使交流电压变化到零状态附近时让电路接通，从而减少干扰，由触发电路给出晶闸管器件的触发信号。
2.21干扰信号的来源可分为哪几种？
干扰信号进入到计算机控制系统中的主要耦合方式有哪几种？
计算机控制系统所受到的干扰源分为外部干扰和内部干扰。
外部干扰的主要来源有：
1）电源干扰：
指来自供电电源的干扰，如电源电网的波动，主要类型：
浪涌、尖峰、噪声和断电等。
我国采用高电压（220V）高内阻电网，与采用低电压（100V或110V）低内阻电网相比，电网受到的污染程度会比较严重。
2）空间干扰：
指来自周围环境的干扰，如大型用电设备（如天车、电炉、大电机、电焊机等）的启停、高压设备和电磁开关的电磁辐射、传输电缆的共模干扰等。
主要类型：
静电和电场干扰、磁场干扰、电磁辐射干扰等。
内部干扰主要有：
是指设备内部或设备之间产生的干扰，如电气设备漏电、接地系统不完善，或测量部件绝缘不好而产生的共模电压或差模电压；
以及各个通道的若干线路同用一根电缆或绑扎在一起，或通过电磁感应而相互产生干扰，特别是高、低电压线路间。
即系统的软件不稳定、分布电容或分布电感产生的干扰、多点接地造成的电位差给系统带来的影响等。
来自交流电源的干扰最为严重，但防护措施较多，处理不难；
设备干扰特别是来自通道的干扰，由于情况复杂，需认真对待；
来自空间的辐射干扰，只要采取适当的屏蔽措施既可有效克服。
主要耦合方式及特点有：
1．传导耦合（直接耦合方式）
干扰信号经过导线直接传导到被干扰电路中而造成的干扰。
在计算机控制系统中，干扰信号经过电源线耦合进入系统电路是最常见的。
对此采用滤波去耦的方法可有效抑制。
2．静电耦合（电容性耦合方式）
是指电位变化在干扰源与被干扰对象之间引起的静电感应，又称电容性耦合或电场耦合。
在系统电路的元件之间、导线之间、导线与元件之间都存在着分布电容。
如果某一导体上的信号电压（或噪声电压）通过分布电容使其他导体上的电位受到影响，称为静电耦合。
3．电磁耦合（电感性耦合方式）
载流电路周围空间会产生磁场，位于其中的闭合电路将受交变磁场的影响而产生感应电势并形成感应电流。
在设备内部，线圈或变压器的漏磁就是一个很大的干扰源；
在设备外部，当二根导线在较长的距离内敷设或架线时，将会产生电磁耦合干扰。
4．公共阻抗耦合
公共阻抗耦合是指多个电路的电流流经同一公共阻抗时,一个电路在该阻抗上所产生的电压降会影响到另一个电路的工作。
公共阻抗耦合的主要形式有以下几种：
1）电源内阻抗的耦合干扰。
2）公共地线耦合干扰。
3）输出阻抗耦合干扰。
5．电磁场辐射耦合方式
当高频电流流过导体时，在该导体周围产生电力线和磁力线，它们随着导体各个部分的电荷变化而变化，从而形成一种在空间传播的电磁波。
处于电磁波中的导体，将受到电磁波的作用而感应出相应频率的电动势。
电磁场辐射干扰是一种无规则的干扰，它极易通过电源耦合到系统中来。
另外，过长的信号线和控制线具有天线效应，它们既能接收干扰波，又能辐射干扰波。
6．漏电耦合方式（电阻性耦合）
由于绝缘不良，流经绝缘电阻R的漏电流将引起干扰。
2.22什么是串模干扰和共模干扰？
各有什么抗干扰措施？
串模干扰就是指串联叠加在工作信号上的干扰，也称之为正态干扰、常态干扰、横向干扰等。
共模干扰对系统的影响是转换成串模干扰的形式来作用于系统的。
串模干扰的抑制方法：
①采用输入滤波电路：
如果串模干扰频率比被测信号频率高，则采用输入低通滤波器来抑制高频率串模干扰；
如果串模干扰频率比被测信号频率低，则采用高通滤波器来抑制低频串模干扰；
如果串模干扰频率落在被测信号频谱的两侧，则应用带通滤波器。
一般情况下，串模干扰均比被测信号变化快，故常用二级阻容低通滤波网络作为模/数转换器的输入滤波器。
当被测信号变化较快时，应相应改变网络参数，以适当减小时间常数。
②当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双积分式或Σ-Δ调制式A/D转换器可以削弱串模干扰的影响。
因为此类转换器是对输入信号的积分值进行测量，而不是测量信号的瞬时值。
若干扰信号是周期性的而积分时间又为信号周期或信号周期的整数倍，则积分后干扰值为零，对测量结果不产生误差。
③对于串模干扰主要来自电磁感应的情况下，对被测信号应尽可能早地进行前置放大，从而达到提高回路中的信号噪声比的目的；
或者尽可能早地完成模/数转换或采取隔离和屏蔽等措施。
④从选择逻辑器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰。
⑤采用双绞线作信号引线的目的是减少电磁感应，并且使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。
选用带有屏蔽的双绞线或同轴电缆做信号线，且有良好接地，并对测量仪表进行电磁屏蔽。
即：
根据串模干扰频率采用恰当的输入滤波电路削弱干扰信号的影响，采用高品质的A/D转换器减小转换误差，尽可能早地进行前置放大提高回路中的信号噪声比或者尽可能早地完成模/数转换或采取隔离和屏蔽以及电磁屏蔽和良好的接地等措施。
共模干扰是在电路输入端相对公共接地点同时出现的干扰，也称为共态干扰、对地干扰、纵向干扰、同向干扰等。
共模干扰主要是由电源的地、放大器的地以及信号源的地之间的传输线上电压降造成的。
共模干扰的抑制方法：
①变压器隔离
利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔离开来，也就是把模拟地与数字地断开，以使共模干扰电压Ｕcm不成回路，从而抑制了共模干扰。
另外，隔离前和隔离后应分别采用两组互相独立的电源，切断两部分的地线联系。
②光电隔离
光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管封装在一个管壳内组成的，发光二极管两端为信号输入端，光敏三极管的集电极和发射极分别作为光电耦合器的输出端，它们之间的信号是靠发光二极管在信号电压的控制下发光，传给光敏三极管来完成的。
③浮地屏蔽
采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰，如图所示。
这是利用屏蔽方法使输入信号的“模拟地”浮空，从而达到抑制共模干扰的目的。
④采用仪表放大器提高共模抑制比
仪表放大器具有共模抑制能力强、输入阻抗高、漂移低、增益可调等优点，是一种专门用来分离共模干扰与有用信号的器件。
仪表放大器将两个信号的差值放大。
抑制共模分量是使用仪表放大器的唯一原因。
采用仪表放大器做信号前置放大、采用隔离技术将地电位隔开、利用浮地屏蔽等
2.23滤波的作用是什么？
硬件滤波和数字滤波各有何特点？
滤波的作用：
由于工业控制对象的环境一般比较恶劣，干扰源较多，如强电磁场干扰、环境温度变化较大等，因此为了减少对采样值的干扰，提高系统的性能。
为了抑制干扰信号，通常在信号入口处采用RC低通滤波器（硬件滤波）。
它能抑制高频干扰信号，但对低频干扰信号的滤波效果较差。
数字滤波，就是通过一定的计算程序减少干扰信号在有用信号中的比重。
数字滤波克服了模拟滤波器的不足，它与模拟滤波器相比有以下几个优点：
（1）由于数字滤波是用程序实现的，因而不需要增加硬件设备，很容易实现。
同时，多个输入通道还可以共用一个滤波程序。
（2）由于数字滤波不需要硬件设备，因而可靠性高,稳定性好，各回路之间不存在阻抗匹配等问题。
（3）数字滤波可以对频率很低的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷。
（4）通过改写数字滤波程序，可以实现不同的滤波方法或调整滤波参数，它比改变模拟滤波器的硬件方便得多。
2.24常有数字滤波有几种方法？
各有何特点和用途？
1.程序判断滤波
当采样信号由于随机干扰、误检或者变送器不稳定等原因引起严重失真时，可以采用程序判断滤波。
程序判断滤波的方法是，根据经验确定出两次采样输入信号可能出现的最大偏差ΔY，若相邻两次采样信号的差值大于ΔY，则表明该采样信号是干扰信号，应该去掉；
若小于ΔY，则表明没有受到干扰，可将该信号作为本次采样值。
程序判断滤波根据滤波方法不同，可分为限幅滤波和限速滤波两种。
1）限幅滤波
所谓限幅滤波，就是把相邻两次采样值相减，求出其增量的绝对值，然后与最大允许偏差ΔY进行比较，如果小于或等于ΔY，则取为本次采样值；
若大于ΔY，则仍取上一次的采样值作为本次的采样值，即：
|Yn-Yn-1|≤ΔY，则Yn＝Yn
|Yn-Yn-1|＞ΔY，则Yn＝Yn-1
式中，Yn为第n次采样值，Yn-1为第n-1次采样值。
2）限速滤波
设相邻的采样时刻t1，t2，t3的采样值为Y1，Y2，Y3，则限速滤波的算法为：
若|Y2-Y1|≤ΔY，则以Y2作为滤波输出值;
若|Y2-Y1|＞ΔY，则不采用Y2，但仍保留其值，再取第三次的采样值Y3;
若|Y3-Y2|≤ΔY，则以Y3作为滤波输出值;
若|Y3-Y2|＞ΔY，则以（Y3+Y2）/2作为滤波输出值。
限速滤波是一个折中方案，既照顾了滤波输出值的实时性，又照顾了其变化的连续性。
程序判断滤波可以用于变化比较缓慢的参数，如温度、液位等。
其关键在于最大允许误差ΔY的选取，ΔY太大，干扰会“乘机而入”，ΔY太小，又会使某些有用的信号被“拒之门外”，使采样效率变低。
通常ΔY根据经验数据获得，必要时可由实验得出。
适
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