《测控电路》复习题.docx

1、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

2、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

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

4、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

5、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108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,

6、N1N2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 )2ui1 R4/R3 =2ui22 ui1=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

7、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,N1N2N3工作在理想状态,R1=R2=100k,R 0=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 =(uO2uO1)R5 /R3由图题设可得uo = (uo2uo1) R5 / R3 =3(uo2uo1 ), uo1 = ui1 (1 + R1 /Rp)ui2 R1/Rp=11ui1, uo2= ui2(1+R2/Rp)ui1 R2/Rp=10ui1, 即uo=3(10ui111ui1)=63ui1,因此,

8、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11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

9、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+R)-uR/(2R)=uR/(4R+2R), 电路输出电压uo=(1+R2/R1)u+, 所以uo=(1+R2/R

10、1)uR/(4R+2R), 将传感器电阻的相对变化率=R/R代入,则得uo=(1+R2/R1)u/ (4+2)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是非线性关系,只有当,通常至少要求c10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0100Hz,应要求载波信号的频率c1000 Hz调幅信号放大器的通频带应为9001100 Hz信号解调后,滤波器的通频带应100 Hz,即让0100Hz的信号顺利通过,而将9

11、00 Hz以上的信号抑制,可选通频带为200 Hz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

12、3-11 b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,ua0在us的负半

13、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R3R4C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

14、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us0时,V

15、D1VD4导通,VD2VD3截止,uo=us;us0时,VD2VD3导通,VD1VD4截止,取R1=R4, ,所以为减小偏置电流影响,取R2=R1R4,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

16、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

17、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