《测控电路》复习题.docx

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《测控电路》复习题

第一章绪论

测控电路在整个测控系统中起着什么样的作用?

传感器的输出信号一般很微弱,还可能伴随着各种噪声,需要用测控电路将它放大,剔除噪声､选取有用信号,按照测量与控制功能的要求,进行所需演算､处理与变换,输出能控制执行机构动作的信号｡在整个测控系统中,电路是最灵活的部分,它具有便于放大､便于转换､便于传输､便于适应各种使用要求的特点｡测控电路在整个测控系统中起着十分关键的作用,测控系统､乃至整个机器和生产系统的性能在很大程度是取决于测控电路｡

影响测控电路精度的主要因素有哪些,而其中哪几个因素又是最基本的,需要特别注意?

影响测控电路精度的主要因素有:

（1）噪声与干扰;

（2）失调与漂移,主要是温漂;

（3）线性度与保真度;

（4）输入与输出阻抗的影响｡

其中噪声与干扰,失调与漂移（含温漂）是最主要的,需要特别注意｡

为什么说测控电路是测控系统中最灵活的环节,它体现在哪些方面?

为了适应在各种情况下测量与控制的需要,要求测控系统具有选取所需的信号､灵活地进行各种变换和对信号进行各种处理与运算的能力,这些工作通常由测控电路完成｡它包括:

（1）模数转换与数模转换;

（2）直流与交流､电压与电流信号之间的转换｡幅值､相位､频率与脉宽信号等之间的转换;

（3）量程的变换;

（4）选取所需的信号的能力,信号与噪声的分离,不同频率信号的分离等;

（5）对信号进行处理与运算,如求平均值､差值､峰值､绝对值,求导数､积分等､非线性环节的线性化处理､逻辑判断等｡

第二章信号放大电路

何谓测量放大电路?

对其基本要求是什么?

在测量控制系统中,用来放大传感器输出的微弱电压,电流或电荷信号的放大电路称为测量放大电路,亦称仪用放大电路｡对其基本要求是:

①输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配;②一定的放大倍数和稳定的增益;③低噪声;④低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移;⑤足够的带宽和转换速率（无畸变的放大瞬态信号）;⑥高输入共模范围（如达几百伏）和高共模抑制比;⑦可调的闭环增益;⑧线性好､精度高;⑨成本低｡

什么是差动放大器?

差动放大器:

是把二个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反相二个输入端,然后在输出端取出二个信号的差模成分,而尽量抑制二个信号的共模成分｡

请参照图2-19,根据手册中LF347和CD4066的连接图（即引脚图）,将集成运算放大器LF347和集成模拟开关CD4066接成自动调零放大电路｡

LF347和CD4066接成的自动调零放大电路如图X2-1｡

什么是CAZ运算放大器?

它与自动调零放大电路的主要区别是什么?

何种场合下采用较为合适?

CAZ运算放大器是轮换自动校零集成运算放大器的简称,它通过模拟开关的切换,使内部两个性能一致的运算放大器交替地工作在信号放大和自动校零两种不同的状态｡它与自动调零放大电路的主要区别是由于两个放大器轮换工作,因此始终保持有一个运算放大器对输入信号进行放大并输出,输出稳定无波动,性能优于由通用集成运算放大器组成的自动调零放大电路,但是电路成本较高,且对共模电压无抑制作用｡应用于传感器输出信号极为微弱,输出要求稳定､漂移极低,对共模电压抑制要求不高的场合｡

何谓自举电路?

应用于何种场合?

请举一例说明之｡

自举电路是利用反馈使输入电阻的两端近似为等电位,减小向输入回路索取电流,从而提高输入阻抗的电路｡应用于传感器的输出阻抗很高（如电容式,压电式传感器的输出阻抗可达108Ω以上）的测量放大电路中｡图2-7所示电路就是它的例子｡

什么是高共模抑制比放大电路?

应用何种场合?

有抑制传感器输出共模电压（包括干扰电压）的放大电路称为高共模抑制比放大电路｡应用于要求共模抑制比大于100dB的场合,例如人体心电测量｡

图2-13b所示电路,N1､N2为理想运算放大器,R4=R2=R1=R3=R,试求其闭环电压放大倍数｡

由图题设可得u01=ui1（1+R2/R1）=2ui1,u0=ui2（1+R4/R3）–2ui1R4/R3=2ui2–2ui1=2（ui2-ui1）,所以其闭环电压放大倍数Kf=2｡

图示电路是什么电路?

试述其工作原理｡为使其具有所需性能,对电阻值有什么要求?

是同相输入高共模抑制比差动放大电路｡由电路可得

所以

因输入共模电压uic=（ui1+ui2）/2,输入差模电压uid=ui2-ui1,可将上式改写为

为了获得零共模增益,上式等号右边第一项必须为零,可取

此时,电路的差动闭环增益为

这种电路采用了二个同相输入的运算放大器,因而具有极高的输入阻抗｡

图2-14所示电路,N1､N2､N3工作在理想状态,R1=R2=100k,R0=10k,R3=R4=20k,R5=R6=60k,N2同相输入端接地,试求电路的差模增益?

电路的共模抑制能力是否降低?

为什么?

;

;

;

;

;uo=（uO2–uO1）R5/R3

由图题设可得uo=（uo2–uo1）R5/R3=3（uo2–uo1）,uo1=ui1（1+R1/Rp）–ui2R1/Rp=11ui1,uo2=ui2（1+R2/Rp）–ui1R2/Rp=–10ui1,即uo=3（–10ui1–11ui1）=–63ui1,因此,电路的差模增益为63｡电路的共模抑制能力将降低,因N2同相输入端接地,即ui2=0,ui1的共模电压无法与ui2的共模电压相抵消｡

什么是有源屏蔽驱动电路?

应用于何种场合?

请举例说明之｡

将差动式传感器的两个输出经两个运算放大器构成的同相比例差动放大后,使其输入端的共模电压1∶1地输出,并通过输出端各自电阻（阻值相等）加到传感器的两个电缆屏蔽层上,即两个输入电缆的屏蔽层由共模输入电压驱动,而不是接地,电缆输入芯线和屏蔽层之间的共模电压为零,这种电路就是有源屏蔽驱动电路｡它消除了屏蔽电缆电容的影响,提高了电路的共模抑制能力,因此经常使用于差动式传感器,如电容传感器､压阻传感器和电感传感器等组成的高精度测控系统中｡

何谓电桥放大电路?

应用于何种场合?

由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路或由传感器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路｡应用于电参量式传感器,如电感式､电阻应变式､电容式传感器等,经常通过电桥转换电路输出电压或电流信号,并用运算放大器作进一步放大,或由传感器和运算放大器直接构成电桥放大电路,输出放大了的电压信号｡

试推导图2-16b所示电路uo的计算公式,并根据所推导的公式说明其特点｡

由图2-16b所示电路可得电桥输出电压u+（即运算放大器N的同相端输入电压）为:

u+=uR/（2R+ΔR）-uR/（2R）=–uΔR/（4R+2ΔR）,电路输出电压uo=（1+R2/R1）u+,所以uo=–（1+R2/R1）uΔR/（4R+2ΔR）,将传感器电阻的相对变化率δ=ΔR/R代入,则得

uo=–（1+R2/R1）uδ/（4+2δ）

可见,同相输入电桥放大电路,其输出uo的计算公式与式（2-22）相同,只是输出符号相反｡其增益与桥臂电阻无关,增益比较稳定,但电桥电源一定要浮置,且输出电压uo与桥臂电阻的相对变化率δ是非线性关系,只有当δ<<1时,uo与δ才近似按线性变化｡

线性电桥放大电路中（见图2-18）,若u采用直流,其值U=10V,R1=R3=R=120Ω,ΔR=0.24Ω时,试求输出电压Uo｡如果要使失调电压和失调电流各自引起的输出小于1mV,那么输入失调电压和输入失调电流应为多少?

由图2-14电路的公式（式2-24）:

并将题设代入,可得Uo=–UΔR/（2R）=10mV｡设输入失调电压为u0s和输入失调电流为I0s,当输出失调电压小于1mV时,输入失调电压u0s﹤（1×10–3）/（1+R2/R1）=0.5mV;输入失调电流为I0s﹤（1×10–3）/[R1（1+R2/R1）]=4.17μA｡

什么是可编程增益放大电路?

请举例说明之｡

放大电路的增益通过数字逻辑电路由确定的程序来控制,这种电路称为可编程增益放大电路,亦称程控增益放大电路,简称PGA｡例如图X2-2,程序为A=0（开关A断开）､B=0（开关B断开）时,放大电路的电压放大倍数为-R/R1;当程序为A=1（开关A闭合）､B=0（开关B断开）时,放大倍数为-R2R/[R1（R2+R）];当程序为A=0（开关A断开）､B=1（开关B闭合）,放大倍数为–R3R/[R1（R3+R）];当程序为A=1､B=1（开关A､B均闭合）,放大倍数为–R2R3R/[R1（R2R3+R3R+RR2）]｡

因此可编程增益放大电路的增益是通过数字逻辑电路由确定的程序来控制｡

请根据图2-29b,画出可获得1､10､100十进制增益的电路原理图｡

由图X2-3可得:

当开关A闭合时,Uo=Ui;当开关B闭合时,Uo=10Ui,当开关C闭合时,Uo=100Ui｡

根据图2-29c和其增益表达式,若采用6个电阻,请画出电路原理图,并计算电阻网络各电阻的阻值｡

N=6:

R6=R1+R2+R3+R4+R5,R6+R5=2（R1+R2+R3+R4）

R6+R5+R4=3（R1+R2+R3）,R6+R5+R4+R3=4（R1+R2）,

R6+R5+R4+R3+R2=5R1,

取R1=R,则R6=3R,R5=R,R4=R/2,R3=3R/10,R2=R/5,R1=R｡见图X2-4｡

图X2-4

什么是隔离放大电路?

应用于何种场合?

隔离放大电路的输入､输出和电源电路之间没有直接的电路耦合,即信号在传输过程中没有公共的接地端｡隔离放大电路主要用于便携式测量仪器和某些测控系统（如生物医学人体测量､自动化试验设备､工业过程控制系统等）中,能在噪声环境下以高阻抗､高共模抑制能力传送信号｡

试分析图2-33b电路中的限幅电路是如何工作的?

并写出Uo的计算公式｡

当输入过载时,即输入正向（或反向）电压突然很大时,低漂移斩波稳零运算放大器235L输出饱和电平,限幅电路的正向（或反向）二极管导通,使放大器的增益减小,输出从饱和状态迅速恢复｡

运算放大器235L的输出为U1=（R2+R3+R2R3）Ui/（R4R1）=1000Ui,AD277隔离放大器的电压放大倍数约为196.078,所以Uo=196.078（R3+R4）RUi/（R4R1）=196078Ui｡[思考:

U1=（R3+R2+R3R2/R4）Ui/R1,196.078何处来

第三章信号调制解调电路

什么是信号调制?

在测控系统中为什么要采用信号调制?

什么是解调?

在测控系统中常用的调制方法有哪几种?

在精密测量中,进入测量电路的除了传感器输出的测量信号外,还往往有各种噪声｡而传感器的输出信号一般又很微弱,将测量信号从含有噪声的信号中分离出来是测量电路的一项重要任务｡为了便于区别信号与噪声,往往给测量信号赋以一定特征,这就是调制的主要功用｡调制就是用一个信号（称为调制信号）去控制另一作为载体的信号（称为载波信号）,让后者的某一特征参数按前者变化｡在将测量信号调制,并将它和噪声分离,放大等处理后,还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号,这一过程称为解调｡

在信号调制中常以一个高频正弦信号作为载波信号｡一个正弦信号有幅值､频率､相位三个参数,可以对这三个参数进行调制,分别称为调幅､调频和调相｡也可以用脉冲信号作载波信号｡可以对脉冲信号的不同特征参数作调制,最常用的是对脉冲的宽度进行调制,称为脉冲调宽｡

什么是调制信号?

什么是载波信号?

什么是已调信号?

调制是给测量信号赋以一定特征,这个特征由作为载体的信号提供｡常以一个高频正弦信号或脉冲信号作为载体,这个载体称为载波信号｡用需要传输的信号去改变载波信号的某一参数,如幅值､频率､相位｡这个用来改变载波信号的某一参数的信号称调制信号｡在测控系统中需传输的是测量信号,通常就用测量信号作调制信号｡经过调制的载波信号叫已调信号｡

什么是调幅?

请写出调幅信号的数学表达式,并画出它的波形｡

调幅就是用调制信号x去控制高频载波信号的幅值｡常用的是线性调幅,即让调幅信号的幅值按调制信号x线性函数变化｡调幅信号

的一般表达式可写为:

式中

──载波信号的角频率;

──调幅信号中载波信号的幅度;

m──调制度｡

图X3-1绘出了这种调幅信号的波形｡

c）

a）

b）

图X3-1双边带调幅信号

a）调制信号b）载波信号c）双边带调幅信号

什么是调频?

请写出调频信号的数学表达式,并画出它的波形｡

调频就是用调制信号x去控制高频载波信号的频率｡常用的是线性调频,即让调频信号的频率按调制信号x的线性函数变化｡调频信号us的一般表达式可写为:

式中

──载波信号的角频率;

──调频信号中载波信号的幅度;

m──调制度｡

图X3-2绘出了这种调频信号的波形｡图a为调制信号x的波形,它可以按任意规律变化;图b为调频信号的波形,它的频率随x变化｡若x=XmcosΩt,则调频信号的频率可在

范围内变化｡为了避免发生频率混叠现象,并便于解调,要求

｡

图X3-2调频信号的波形

a）调制信号b）调频信号

什么是调相?

请写出调相信号的数学表达式,并画出它的波形｡

调相就是用调制信号x去控制高频载波信号的相位｡常用的是线性调相,即让调相信号的相位按调制信号x的线性函数变化｡调相信号us的一般表达式可写为:

式中

──载波信号的角频率;

──调相信号中载波信号的幅度;

m──调制度｡

图X3-3绘出了这种调相信号的波形｡图a为调制信号x的波形,它可以按任意规律变化;图b为载波信号的波形,图c为调相信号的波形,调相信号与载波信号的相位差随x变化｡当

时,调相信号滞后于载波信号｡

时,则超前于载波信号｡

图X3-3调相信号的波形

a）调制信号b）载波信号c）调相信号

什么是脉冲调宽?

请写出脉冲调宽信号的数学表达式,并画出它的波形｡

脉冲调制是指用脉冲作为载波信号的调制方法｡在脉冲调制中具有广泛应用的一种方式是脉冲调宽｡脉冲调宽的数学表达式为:

（3-23）

式中b为常量,m为调制度｡脉冲的宽度为调制信号x的线性函数｡它的波形见图X3-4,图a为调制信号x的波形,图b为脉冲调宽信号的波形｡图中T为脉冲周期,它等于载波频率的倒数｡

T

图X3-4脉冲调宽信号的波形

a）调制信号波形b）调宽信号波形

为什么说信号调制有利于提高测控系统的信噪比,有利于提高它的抗干扰能力?

它的作用通过哪些方面体现?

在精密测量中,进入测量电路的除了传感器输出的测量信号外,还往往有各种噪声｡而传感器的输出信号一般又很微弱,将测量信号从含有噪声的信号中分离出来是测量电路的一项重要任务｡为了便于区别信号与噪声,往往给测量信号赋以一定特征,这就是调制的主要功用｡在将测量信号调制,并将它和噪声分离,再经放大等处理后,还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号,这一过程称为解调｡

通过调制,对测量信号赋以一定的特征,使已调信号的频带在以载波信号频率为中心的很窄的范围内,而噪声含有各种频率,即近乎于白噪声｡这时可以利用选频放大器､滤波器等,只让以载波频率为中心的一个很窄的频带内的信号通过,就可以有效地抑制噪声｡采用载波频率作为参考信号进行比较,也可抑制远离参考频率的各种噪声｡

为什么在测控系统中常常在传感器中进行信号调制?

为了提高测量信号抗干扰能力,常要求从信号一形成就已经是已调信号,因此常常在传感器中进行调制｡

在电路进行幅值､频率､相位､脉宽调制的基本原理是什么?

在电路进行调制的基本原理是用测量信号ux去控制（改变）载波信号幅值､频率､相位或脉宽,就可以实现调制

只要用乘法器将测量信号（调制信号）ux与载波信号uc相乘,就可以实现调幅｡

用调制信号去控制产生载波信号的振荡器频率,就可以实现调频｡

用调制信号与锯齿波载波信号进行比较,当它们的值相等时电压比较器发生跳变,电压比较器的输出就是调相信号｡

利用调制信号去改变方波发生器的脉宽就可以实现脉宽调制｡

什么是双边带调幅?

请写出其数学表达式,画出它的波形｡

可以假设调制信号x为角频率为Ω的余弦信号x=XmcosΩt,当调制信号x不符合余弦规律时,可以将它分解为一些不同频率的余弦信号之和｡在信号调制中必须要求载波信号的频率远高于调制信号的变化频率｡由式（3-1）调幅信号可写为:

它包含三个不同频率的信号:

角频率为

的载波信号Umcosωct和角频率分别为ωc±Ω的上下边频信号｡载波信号中不含调制信号,即不含被测量x的信息,因此可以取Um=0,即只保留两个边频信号｡这种调制称为双边带调制,对于双边带调制

双边带调制的调幅信号波形见图X3-9｡图a为调制信号,图b为载波信号,图c为双边带调幅信号｡

图X3-9双边带调幅信号

a）调制信号b）载波信号c）双边带调幅信号

在测控系统中被测信号的变化频率为0~100Hz,应当怎样选取载波信号的频率?

应当怎样选取调幅信号放大器的通频带?

信号解调后,怎样选取滤波器的通频带?

为了正确进行信号调制必须要求ωc>>Ω,通常至少要求ωc>10Ω｡在这种情况下,解调时滤波器能较好地将调制信号与载波信号分开,检出调制信号｡若被测信号的变化频率为0~100Hz,应要求载波信号的频率ωc>1000Hz｡调幅信号放大器的通频带应为900~1100Hz｡信号解调后,滤波器的通频带应>100Hz,即让0~100Hz的信号顺利通过,而将900Hz以上的信号抑制,可选通频带为200Hz｡

什么是包络检波?

试述包络检波的基本工作原理｡

从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波｡幅值调制就是让已调信号的幅值随调制信号的值变化,因此调幅信号的包络线形状与调制信号一致｡只要能检出调幅信号的包络线即能实现解调｡这种方法称为包络检波｡

从图X3-10中可以看到,只要从图a所示的调幅信号中,截去它的下半部,即可获得图b所示半波检波后的信号（经全波检波也可）,再经低通滤波,滤除高频信号,即可获得所需调制信号,实现解调｡包络检波就是建立在整流的原理基础上的｡

图X3-10包络检波的工作原理

a）调幅信号b）半波检波后的信号

为什么要采用精密检波电路?

试述图3-11b所示全波线性检波电路工作原理,电路中哪些电阻的阻值必须满足一定的匹配关系,并说明其阻值关系｡

二极管和晶体管V都有一定死区电压,即二极管的正向压降､晶体管的发射结电压超过一定值时才导通,它们的特性也是一根曲线｡二极管和晶体管V的特性偏离理想特性会给检波带来误差｡在一般通信中,只要这一误差不太大,不致于造成明显的信号失真｡而在精密测量与控制中,则有较严格的要求｡为了提高检波精度,常需采用精密检波电路,它又称为线性检波电路｡

图3-11b是一种由集成运算放大器构成的精密检波电路｡在调幅波us为正的半周期,由于运算放大器N1的倒相作用,N1输出低电平,因此V1导通､V2截止,A点接近于虚地,ua≈0｡在us的负半周,有ua输出｡若集成运算放大器的输入阻抗远大于R2,则i≈-i1｡按图上所标注的极性,可写出下列方程组:

其中Kd为N1的开环放大倍数｡解以上联立方程组得到

通常,N1的开环放大倍数Kd很大,这时上式可简化为:

或

二极管的死区和非线性不影响检波输出｡

图3-11b中加入V1反馈回路一是为了防止在us的正半周期因V2截止而使运放处于开环状态而进入饱和,另一方面也使us在两个半周期负载基本对称｡图中N2与R3､R4､C等构成低通滤波器｡对于低频信号电容C接近开路,滤波器的增益为-R4/R3｡对于载波频率信号电容C接近短路,它使高频信号受到抑制｡因为电容C的左端接虚地,电容C上的充电电压不会影响二极管V2的通断,这种检波器属于平均值检波器｡

为了构成全波精密检波电路需要将us通过

与ua相加,图3-11b中N2组成相加放大器,为了实现全波精密检波必须要求

｡在不加电容器C时,N2的输出为:

图X3-11a为输入调幅信号us的波形,图b为N1输出的反相半波整流信号ua,图c为N2输出的全波整流信号uo｡电容C起滤除载波频率信号的作用｡

图X3-11线性全波整流信号的形成

a）输入信号b）半波整流信号波形c）全波整流输出

试述图3-13所示全波线性检波电路工作原理,电路中哪些电阻的阻值必须满足一定的匹配关系,并说明其阻值关系｡

全波精密检波电路,可用于包络检波和绝对值的计算｡图中N1为反相放大器,N2为跟随器｡us>0时,VD1､VD4导通,VD2､VD3截止,uo=us;us<0时,VD2､VD3导通,VD1､VD4截止,取R1=R4,

所以

｡为减小偏置电流影响,取R2=R1∥R4,R3=R5｡

什么是相敏检波?

为什么要采用相敏检波?

相敏检波电路是能够鉴别调制信号相位的检波电路｡包络检波有两个问题:

一是解调的主要过程是对调幅信号进行半波或全波整流,无法从检波器的输出鉴别调制信号的相位｡如在图1-3所示用电感传感器测量工件轮廓形状的例子中,磁芯3由它的平衡位置向上和向下移动同样的量,传感器的输出信号幅值相同,只是相位差180°｡从包络检波电路的输出无法确定磁芯向上或向下移动｡第二,包络检波电路本身不具有区分不同载波频率的信号的能力｡对于不同载波频率的信号它都以同样方式对它们整流,以恢复调制信号,这就是说它不具有鉴别信号的能力｡为了使检波电路具有判别信号相位和频率的能力,提高抗干扰能力,需采用相敏检波电路｡

相敏检波电路与包络检波电路在功能､性能与在电路构成上最主要的区别是什么?

相敏检波电路与包络检波电路在功能上的主要的区别是相敏检波电路能够鉴别调制信号相位,从而判别被测量变化的方向､在性能上最主要的区别是相敏检波电路具有判别信号相位和频率的能力,从而提高测控系统的抗干扰能力｡从电路结构上看,相敏检波电路的主要特点是,除了所需解调的调幅信号外,还要输入一个参考信号｡有了参考信号就可以用它来鉴别输入信号的相位和频率｡参考信号应与所需解调的调幅信号具有同样的频率,采用载波信号作参考信号就能满足这一条件｡

从相敏检波器的工作机理说明为什么相敏检波器与调幅电路在结构上有许多相似之处?

它们又有哪些区别?

只要将输入的调制信号

乘以幅值为1的载波信号

就可以得到双边频调幅信号

｡若将

再乘以

就得到

利用低通滤波器滤除频率为

和

的高频信号后就得到调制信号

只是乘上了系数1/2｡这就是说,将调制信号ux乘以幅值为1的载波信号

就可以得到双边频调幅信号us,将双边频调幅信号us再乘以载波信号

经低通滤波后就可以得到调制信号ux｡这就是相敏检波电路在结构上与调制电路相似的原因｡

相敏检波器与调幅电路在结构上的主要区别是调幅电路实现低频调制信号与高频载波信号相乘,输出为高频调幅信号;而相敏检波器实现高频调幅信号与高频载波信号相乘,经滤波后输出低频解调信号｡这使它们的输入､输出耦合回路与滤波器的结构和参数不同｡

试述图3-17开关式全波相敏检波电路工作原理,电路中哪些电阻的阻值必须满足一定的匹配关系?

并说明其阻值关系｡

图a中,在Uc=1的半周期,同相输入端被接地,us只从反相输入端输入,放大器的放大倍数为-1,输出信号uo如图c和图d中实线所示｡在Uc=0的半周期,V截止,us同