上海海事大学测控电路考试资料.docx
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上海海事大学测控电路考试资料
第一章绪论
1.1测控电路功用
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。
产品的质量和效率是衡量一切生产过程优劣的两项主要指标。
智能化是能在复杂的、变化的环境下自行决策的自动化，决策的基础是对内部因素和外部环境条件的掌握，同样也离不开检测。
测控系统的主要组成：
传感器（测量装置，是敏感元件，功能是探测被测参数的变化）、测量控制电路（简称测控电路，用与处理和变换信号）和执行机构三部分组成。
1.2测控电路的组要特点与要求
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。
测控电路的特点：
精度高（低噪声与高抗干扰能力、低漂移，高稳定性、线性与保真度好、有合适的输入与输出阻抗）、动态性能好（响应快和动态失真小）、高的识别和分析能力（模数转换与数模转换、电量参数的转换、量程的变换、信号的处理与运算）、可靠性高、经济性好。
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。
1.3测控电路的输入与输出信号
测控电路的输入信号是由传感器送来的，即传感器的输出信号为测控电路的输入信号，主要可分为模拟信号（已调制信号（可分为调幅、调频、调相信号）和非调信号（输入信号的参数与被测信号的参数相一致））、数字信号（增量码信号（被测量值的增量与传感器输出信号的变化周期成正比，与模拟信号的主要区别是：
其信号波形不由被测量值或其增量决定）、绝对码信号（一种与状态相对应的信号））和开关量信号。
1.4测控电路的类型与组成
测量电路
模拟式测量电路（需要模数（A/D）转换电路，方框图在书上P8）
增量码数字式测量电路
控制电路
开环控制
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（书上更完整）
第二章信号放大电路
放大电路的性能指标:
输入阻抗RI和输出阻抗RO
输入失调电压U0s和输入失调电流I0s
输入偏置电流IIB（nA级）
开环增益K和闭环增益Kf＝uo/ui
差模增益Kd和共模增益Kc
共模抑制比CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc
噪声的基础知识：
通常传感器的输出信号只有几毫伏，甚至更小，而输入到放大器的噪声与放大器自身产生的噪声，往往就大于放大器的输入。
噪声广义：
干扰有用信号的某种不希望的扰动。
内部的称为噪声，外部称为干扰。
噪声可分为白噪声和色噪声
白噪声：
噪声的波形是随机的，即它的幅值、相位、频率都是随机的，其瞬时值不能预测，但每Hz带宽内包含的噪声功率从统计观点看是一个常数。
色噪声：
噪声的频率是固定的，是可以预测的，但幅值与相位有可能是随机的。
例如接地噪声。
固有噪声：
热噪声（导体中电荷载流子的热激振动引起的）、低频噪声（低频噪声电压的方均值与频率大小成反比，又称1/f噪声）、散弹噪声（由于流过二极管、三极管位垒区的载流子不是连续的，显脉冲性质，这种脉冲电流的平均值为0，方均值不为0，白噪声）
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：
2入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；
3定的放大倍数和稳定的增益；
4噪声；
4的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移；
5够的带宽和转换速率（无畸变的放大瞬态信号）；
6输入共模范围（如达几百伏）和高共模抑制比；
7调的闭环增益；
8性好、精度高；
9本低。
反相放大电路
uo=–（R2/R1）ui
ui2
ui1
R1
R2
R4
R6
R5
R3=R1∥R2
R7=R4∥R5∥R6
uo
∞
-
+
+
N1
∞
-
+
+
N2
A
典型电路
同相放大电路
uo=（1+R2/R1）ui
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。
什么是高共模抑制比放大电路？
应用于何种场合？
用来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。
一般的运放共模抑制比80db左右所以我们采用多运放组合而成的测量放大电路，共模抑制比100～120dB
反相串联结构型
N1反相放大
可见当ui1=ui2时uo=0共模抑制
通常取R1=R5，R2=R4，共模抑制比与电阻精度有关系。
双运放高共模抑制比放大电路
同相串联结构型
N1同相放大N2同相放大，输出端有
共模电压：
差模电压：
uid=ui2-ui1
上式改为：
如何得到零共模增益？
等号右边第一项必须为零
差动闭环增益为同时，两同相输入，输入阻抗很大
uo
ui2
ui1
R4
R3
uo1
R2
R1
∞
+
-
+
N2
∞
+
-
+
N1
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。
高输入阻抗放大电路
应用：
用于作电容、压电式传感器的后继测量放大电路。
实现方式：
同相放大器
电压跟随器（缓冲器）＋反相放大器
高输入阻抗集成芯片
自举式高输入阻抗放大电路
何谓自举电路？
应用于何种场合？
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。
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。
应用：
用于电参量式传感器的后级放大。
如：
电感式、电阻应变式、电容式传感器等
构成形式：
传感器电桥＋运放
传感器和运放共同构成电桥
反相输入型
如果Z1=Z2=Z4=R，Z3=R（1+δ），δ为传感器电阻的相对变化率
非线性
在δ<<1时， 近似线性
此时，输出电压与电桥电阻R无关，灵敏度不受R影响
单端输入电桥放大电路
同相输入型
u+=uR/（2R+ΔR）-uR/（2R）=–uΔR/（4R+2ΔR）,
电路输出电压 uo=（1+R2/R1）u+,
uo=–（1+R2/R1）uΔR/（4R+2ΔR） δ=ΔR/R代入，
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。
差动输入电桥放大电路
叠加定理
特点：
增益不稳定，仍存在非线性，共模抑止能力有限。
只适用于低阻值电阻，且测量精度要求不高的场合
（叠加定理）
若R2=R（1+δ），R3=R（传感器标称电阻）时
线性
注意：
uo与δ成正比，但是缺点是灵敏度与桥臂电阻R有关
但a，b之间有很大的共模电压，所以所选运放共模电压要小，失调也要小
线性电桥放大电路
uo
R3
R2=R（1+δ）
R1
u
ua
R1
ub
∞
-
+
+
N
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。
隔离方式主要有电磁（变压器）耦合（成熟，带窄）和光电耦合（前景好，带宽）。
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、核电站等）中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。
可调增益放大电路应用：
幅值相差较大的不同信号的输入
可调电阻＋运放模拟开关＋电阻网络＋运放可编程增益放大器（PGA）
第三章信号调制解调电路
在测控系统中为什么要采用信号调制？
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。
什么是信号调制？
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。
什么是解调？
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。
在测控系统中常用的调制方法有哪几种？
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。
调频和调相都是使的高频载波信号的相位角受到调变，电子学中常将它们统称为角度调制或调角。
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。
t
ux
O
t
O
uc
us
O
t
a）
b）
c）
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，包括高于其高次谐波的变化频率
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
。
x
t
O
O
t
us
a）
b）
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）
x
B
t
t
a）
b）
x
T
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。
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
t
ux
O
t
O
uc
us
O
t
a）
b）
c）
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。
us
uo'
O
O
t
t
a）
b）
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？
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。
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。
叙述相加式相敏检波电路P68的工作原理
什么是相敏检波电路的鉴相特性与选频特性？
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uc（或Uc）同频信号，但有一定相位差，这时输出电压
，即输出信号随相位差
的余弦而变化。
为什么对于相位称为鉴相，而对于频率称为选频？
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。
举例说明相敏检波电路在测控系统中的应用。
图3-25所示电感测微仪电路中采用相敏检波器作它的解调电路，相敏检波器的输出指示电感传感器测杆的偏移量。
图3-26所示光电显微镜中，利用相敏检波器的选频特性，当光电显微镜瞄准被测刻线时，光电信号中不含参考信号的基波频率和奇次谐波信号，相敏检波电路输出为零，确定显微镜的瞄准状态。
什么是鉴频？
对调频信号实现解调，从调频信号中检出反映被测量变化的调制信号称为频率解调或鉴频。
微分鉴频
数学模型：
us=Umcos（wc+mx）t
对时间t微分：
-Um（wc+mx）sin（wc+mx）t
窄脉冲鉴频提高灵敏度的方法采用窄脉冲鉴频
调频信号经放大后，进入电平鉴频器，当输
入信号超过一定电平，电平鉴别器翻转，推
动单稳态触发器输出窄脉冲，us的瞬时
频率越高，窄脉冲越密，经低通滤波后输出电压
越高。
U0
门限检
测电路
脉冲发生器
载波
频率
锯齿波
发生器
输出调相脉冲
uj
ux
+
a）
Uc
us
us
O
t
t
O
uj
t
O
uj=kΨ
ux+uj
t
O
ux
b）
d）
c）
e）
Uc
U0
脉冲采样式调相电路
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
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