测控电路课后习题答案.docx
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测控电路课后习题答案
第一章绪论
1-1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。
1-2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。
1-3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。
1-4测量电路的输入信号类型对其电路组成有何影响试述模拟式测量电路与增量码数字式测
量电路的基本组成及各组成部分的作用。
随着传感器类型的不同，输入信号的类型也随之而异。
主要可分为模拟式信号与数字式
信号。
随着输入信号的不同，测量电路的组成也不同。
图X1-1是模拟式测量电路的基本组成。
传感器包括它的基本转换电路，如电桥，传感器
的输出已是电量（电压或电流）。
根据被测量的不同，可进行相应的量程切换。
传感器的输出
一般较小，常需要放大。
图中所示各个组成部分不一定都需要。
例如，对于输出非调制信号
的传感器，就无需用振荡器向它供电，也不用解调器。
在采用信号调制的场合，信号调制与
解调用同一振荡器输出的信号作载波信号或参考信号。
利用信号分离电路（常为滤波器），将
信号与噪声分离，将不同成分的信号分离，取出所需信号。
有的被测参数比较复杂，或者为
了控制目的，还需要进行运算。
对于典型的模拟式电路，无需模数转换电路和计算机，而直
接通过显示执行机构输出，因此图中将模数转换电路和计算机画在虚线框内。
越来越多的模
拟信号测量电路输出数字信号，这时需要模数转换电路。
在需要较复杂的数字和逻辑运算、
或较大量的信息存储情况下，采用计算机。
图X1-1
增量码数字式测量电路的基本组成见图X1-2。
一般来说增量码传感器输出的周期信号也
是比较微小的，需要首先将信号放大。
传感器输出信号一个周期所对应的被测量值往往不够小，为了提高分辨力，需要进行内插细分。
可以对交变信号直接处理进行细分，也可能需先将它整形成为方波后再进行细分。
在有的情况下，增量码一个周期所对应的量不是一个便于
读出的量（例如，在激光干涉仪中反射镜移动半个波长信号变化一个周期），需要对脉冲当量
进行变换。
被测量增大或减小，增量码都作周期变化，需要采用适当的方法辨别被
测量变化的方向，辨向电路按辨向结果控制计数器作加法或减法计数。
在有的情况下辨向电路还同时控制细分与脉冲当量变换电路作加或减运行。
采样指令到来时，将计数器所计的数送入锁存器，显示执行机构显示该状态下被测量量值，或按测量值执行相应动作。
在需要较复杂的数字和逻辑运算、或较大量的信息存储情况下，采用计算机。
1-5为什么要采用闭环控制系统试述闭环控制系统的基本组成及各组成部分的作用。
在开环系统中传递函数的任何变化将引起输出的变化。
其次，不可避免地会有扰动因素作用在被控对象上，引起输出的变化。
利用传感器对扰动进行测量，通过测量电路在设定上引入一定修正，可在一定程度上减小扰动的影响，但是这种控制方式同样不能达到很高的精度。
一是对扰动的测量误差影响控制精度。
二是扰动模型的不精确性影响控制精度。
比较好的方法是采用闭环控制。
闭环控制系统的的基本组成见图X1-3。
它的主要特点是用传感器直接测量输出量，将它
反馈到输入端与设定值相比较，当发现它们之间有差异时，进行调节。
这里系统和扰动的传
递函数对输出基本没有影响，影响系统控制精度的主要是传感器和比较电路的精度。
在图X1-3
中，传感器反馈信号与设定信号之差不直接送到放大电路，而先经过一个校正电路。
这主要
考虑从发现输出量变化到执行控制需要一段时间，为了提高响应速度常引入微分环节。
另外，当输出量在扰动影响下作周期变化时，由于控制作用的滞后，可能产生振荡。
为了防止振荡，需要引入适当的积分环节。
在实际电路中，往往比较电路的输出先经放大再送入校正电路，然后再次放大。
图X1-3为原理性构成。
图X1-3闭环控制系统的基本组成
第二章信号放大电路
2-4什么是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。
2-5请说明ICL7650斩波稳零集成运算放大器是如何提高其共模抑制比的'
ICL7650的输出Uo（KiK1K2"K1U0S1KcUc（见式2—6）,其共模信号误差项
KciUc相当于输入端的共模误差电压Uc,即
KciUc-UcUc
Uc'
K1K1K2K1K2K2CMRR1CMRR
式中Ki、Kci分别为运算放大器Ni的开环放大倍数和开环共模放大倍数；Ki为运算放大器Ni
由侧向端Ai输入时的放大倍数；K2为运算放大器N2的开环放大倍数。
设计中可使Ki-Ki,
您>>i,所以CMRRKzCMRRi,因此整个集成运算放大器的共模抑制比CMRR比运算放大
器Ni的共模抑制比CMRR（一般可达80dB）提高了K2倍。
2-6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108◎以上）的测量放大电路中。
图2-7所示电路就是它的例子。
2-7什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。
2-8图2-8b所示电路，Ni、N2为理想运算放大器，R4=R2=Ri=R=R,试求其闭环电压放大倍数。
由图2-8b和题设可得uoi=uii（1+R2/Ri）=2uii,uo=ui2（1+R4/R3）-2uiiR4/R3=2ui2-2
uii=2（ui2-uii）,所以其闭环电压放大倍数Kf=2o
2-9图2-9所示电路，Ni、N2、N3工作在理想状态，Ri=R2=100k,Rp=10k,R3=R4=20k,B=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
由图2-9和题设可得Uo=（uo2-uoi）R5/R3=3（uo2-Uoi）,Uoi=Uii（1+Ri/Rp）-Ui2Ri/Rp=11ui1,Uo2=Ui2（1+R?
/Rp）-UiiR2/Rp=-10Uii,即Uo=3（-10Uii-iiUii）=-63Uii,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,Uii的共模电压无法
与Ui2的共模电压相抵消。
2-11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。
2-13线性电桥放大电路中（见图2-14）,若U采用直流，其值U=10V,Ri=R3=R=120Q,AR=◎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U°=-UAR/（2R）=10mV。
设输入失调电压为U0s和输入失调电流为展，当输出失调电压小于1mV时，输入失调电压U0s<（1X103）/（1+R2/Ri）=；输入失调电流为10s<（1X103）/[Ri（1+R2/Ri）]=aA。
2-15请根据图2-22b,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。
2-16根据图2-22c和式（2-32）,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=Ri+R2+R3+R4+R5,R5+R5=2（R+R2+R3+R4）
Rs+R5+R4=3（R1+R2+R3）,R6+R5+R+R3=4（Ri+F2）,
Rs+R5+R4+R+R2=5R,取Ri=R,则R6=3R,R5=R,R4=H2,R3=3H10,R2=R/5,R=R。
见图X2-4。
Ui*Uo
图X2-4।N+-
5路摸拟开关
R
X
2-17什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。
2-18试分析图2-41b电路中的限幅电路是如何工作的并写出U。
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=（R3+R4）R2Ui/（RR）=1000Ui,AD277隔离放大器的电压
放大倍数约为，所以Uo=（R3+R4）RU/（R4R1）=196078Ui。
［雄：
U1=（R3+R2+R3R2/R4）Ui/Rt
何处来］
第三章信号调制解调电路
3-1什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。
3-2什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。
3-3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。
3-4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。
3-5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3c>>Q,通常至少要求3c>10Q。
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3c>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0700Hz的信号顺禾1J通过，而将900Hz以上的信号抑制，可选通频带为200Hz。
3-6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
利用低通滤波器滤除频率为2c。
和2cQ的高频信号后就得到调制信号UxmcosQt,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cosct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cosct,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。
3-8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同时从同相输入端和反相输入端输入，放大器的放大倍数为+1,输出信号uo如图c和图d中虚线所示。
图b中，取R尸R2=R3=R4=R5=R/2。
在Uc=1的半周期，V1导通、V2截止，同相输入端被
接地，us从反相输入端输入，放大倍数为R/R2R31。
在Uc=0的半周期，V1截止、
V2导通，反相输入端通过R3接地，us从同相输入端输入，放大倍数为
-（1—6）-31。
效果与图a相同，实现了全波相敏检波。
Ri=R2=R3=R=R5=RiR4R5R33
R/2是阻值必须满足的匹配关系。
3-9什么是相敏检波电路的鉴相特性与选频特性为什么对于相位称为鉴相，而对于频率称为选频
相敏检波电路的选频特性是指它对不同频率的输入信号有不同的传递特性。
以参考信号为基波，所有偶次谐波在载波信号的一个周期内平均输出为零，即它有抑制偶次谐波的功能。
对于n=1,3,5等各次谐波，输出信号的幅值相应衰减为基波的1/n等，即信号的传递系数随谐
波次数增高而衰减，对高次谐波有一定抑制作用。
对于频率不是参考信号整数倍的输入信号，只要二者频率不太接近，由于输入信号与参考信号间的相位差不断变化，在一段时间内的平
均输出接近为零，即得到衰减。
如果输入信号Us为与参考信号U4或Uc）同频信号，但有一定相位差，这时输出电压
UoUsmCOS/2,即输出信号随相位差的余弦而变化。
由于在输入信号与参考信号同频，但有一定相位差时，输出信号的大小与相位差有确
定的函数关系，可以根据输出信号的大小确定相位差的值，相敏检波电路的这一特性称为鉴
相特性。
而在输入信号与参考信号不同频情况下，输出信号与输入信号间无确定的函数关系，不能根据输出信号的大小确定输入信号的频率。
只是对不同频率的输入信号有不同的传递关系，这种特性称为选频特性。
3-10试述图3-34所示双失谐回路鉴频电路的工作原理，工作点应怎么选取
两个调谐回路的固有频率foi、f02分别比载波频率fc高和低Af0。
随着输入信号us的频率变化，回路1的输出usi和回路2的输出us2如图3-34d和e所示。
回路1的输出灵敏度，即单位频率变化引起的输出信号幅值变化Um/随着频率升高而增大，而回路2的输出灵
敏度随着频率升高而减小。
总输出为二者绝对值之和，采用双失谐回路鉴频电路不仅使输出
灵敏度提高一倍，而且使线性得到改善。
图a中二极管Vi、V2用作包络检波，电容G、C2用于滤除高频载波信号。
Rl为负载电阻。
滤波后的输出如图f所示。
工作点应选在图b中回路1和回路2幅频特性线性段中点，也即斜率最大、线性最好的点上。
3-11在用数字式频率计实现调频信号的解调中，为什么采用测量周期的方法，
而不用测量频率的方法采用测量周期的方法又有什么不足
测量频率有两种方法：
一种是测量在某一时段内（例如1秒或秒内）信号变化的周期数，
即测量频率的方法。
这种方法测量的是这一时段内的平均频率，难以用于测量信号的瞬时频率，从而难以用于调频信号的解调；另一种方法基于测量信号的周期，根据在信号的一个周期内进入计数器的高频时钟脉冲数即可测得信号的周期，从而确定它的频率。
后一种方法可用于调频信号的解调。
它的缺点是进入计数器的脉冲数代表信号周期，它与频率间的转换关系是非线性的。
3-12在本章介绍的各种鉴相方法中，哪种方法精度最高主要有哪些因素影响鉴相误差它们的鉴相范围各为多少
RS触发器鉴相精度最高，因为它线性好，并且对Us和Uc的占空比没有要求。
影响鉴相
误差的主要因素有非线性误差，信号幅值的影响，占空比的影响，门电路与时钟脉冲频率影响等。
用相敏检波器或乘法器鉴相从原理上说就是非线性的，其输出与相位差（或其半角）的余弦成正比。
脉冲采样式鉴相中锯齿波的非线性也直接影响鉴相误差。
用相敏检波器或乘法器鉴相时信号的幅值也影响鉴相误差。
采用异或门鉴相时占空比影响鉴相误差。
门电路的动作时间与时钟脉冲频率误差对通过相位一脉宽变换鉴相方法精度有影响，但一般误差较小。
用相敏检波电路或乘法器构成的鉴相器鉴相范围为B2,异或门鉴相器的鉴相范围为0~九,
RS触发器鉴相和脉冲采样式鉴相的鉴相范围接近2兀。
3-13在图3-47c所示数字式相位计中锁存器的作用是什么为什么要将计数器清零，并延时清零延时时间应怎样选取
图3-47c所示数字式相位计中计数器计的脉冲数是随时变化的，当Uo的下跳沿来到时，
计数器计的脉冲数N反映Us和Uc的相位差，为了记录这一值，需要将它送入锁存器。
为了
在下一周期比相时，计的是下一周期Us和Uc的相位差，要在锁存后将计数器清零，否则计
数器计的是若干周期总共脉冲数，而不是Us和Uc到来之间的脉冲数。
但是只有在锁存后才能
将计数器清零，所以要延时片刻后才将计数器清零。
延时时间应大于锁存所需要的时间，但又应小于时钟脉冲周期，以免丢数。
3-14脉冲调宽信号的解调主要有哪些方式
脉冲调宽信号的解调主要有两种方式。
一种是将脉宽信号Uo送入一个低通滤波器，滤
波后的输出Uo与脉宽B成正比。
另一种方法是Uo用作门控信号，只有当Uo为高电平时，时钟脉冲Cp才能通过门电路进入计数器。
这样进入计数器的脉冲数N与脉宽B成正比。
两
种方法均具有线性特性。
第四章信号分离电路
4-1简述滤波器功能、分类及主要特性参数
滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统。
按所处理信号形式不同，滤波器可分为模拟滤波器与数字滤波器两类；按功能滤波器可分为低通、高通、带通与带阻四类。
滤波器主要特性参数包括：
1）特征频率滤波器的频率参数主要有：
①通带截频fpp/2冗为通带与过渡带的边界
点，在该点信号增益下降到一个人为规定的下限。
②阻带截频frr/2兀为阻带与过渡带的边
界点，在该点信号衰耗（增益的倒数）下降到一个人为规定的下限。
③转折频率fcc/2冗为
信号功率衰减到1/2（约3dB）时的频率，在很多情况下，也常以fc作为通带或阻带截频。
④当
电路没有损耗时，固有频率fo0/2兀，就是其谐振频率，复杂电路往往有多个固有频率。
2）增益与衰耗滤波器在通带内的增益并非常数。
①对低通滤波器通带增益Kp一般指0
时的增益；高通指时的增益；带通则指中心频率处的增益。
②对带阻滤波器，应给出
阻带衰耗，衰耗定义为增益的倒数。
③通带增益变化量Kp指通带内各点增益的最大变化量，
如果Kp以dB为单位，则指增益dB值的变化量。
3）阻尼系数与品质因数阻尼系数是表征滤波器对角频率为°信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰耗的一项指标，它是与传递函数的极点实部大小相关的一项系数。
它可由
式（4-3）所示的传递函数的分母多项式系数求得：
aj1
aj20
的倒数Q1/称为品质因数，是评价带通与带阻滤波器频率选择特性的一个重要指标，Q为:
式中的为带通或带阻滤波器的3dB带宽，0为中心频率，在很多情况下中心频率与固有
频率0相等。
4）灵敏度滤波电路由许多元件构成，每个元件参数值的变化都会影响滤波器的性能。
滤波器
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