测控电路李醒飞第五版第二章习题答案文件精选.docx

1、测控电路李醒飞第五版第二章习题答案文件精选第二章 信号放大电路2-1 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。2-2 (1)利用一个 741 和一只 100k 的电位器设计可变电源，输出电压范围为10V uS 10V ； (2)如果

2、 uS 10V 时，在空载状态下将一个 1k 的负载接到电压源上时，请问电源电压的变化量是多少？（ 741 参数：输入阻抗 r 2 ，差模增益da V mV ，输出阻抗 ro 75 ）200（1）电路设计如图 X2-1 所示：15V25kusI 100kNL25kRL15V图 X2-1（2）由于电压跟随器属于输入串联、输出并联型结构，该结构下的输入、输出阻抗为：5R r 1 T r 1 a 2 1 2 0 0 0 0V0 V 1 4 1 0i d dR r 1 T r 1 a 75 1 200000V V 1 0.375mo o o由上式我们可以看出，电压跟随器中的反馈增大了等效输入阻抗，减小

3、了等效输出阻抗，可以达到阻抗变换的效果。进一步计算得：I u R 10V 1k 10mL S Lu R I 0.375 m 10m 3.75 VS o L12-3 在图 2-2 所示的电路中， 已知 R1 10k ，R2 1 ，并令运算放大器的 IB 100n和IOS 30n ，在以下不同情况下，计算输出失调误差 uo 。(1) RP 0 ；(2) RP R1 R2 ；(3) RP R1 R2 ，并且把所有电阻阻值缩小为原来的 10 分之一；(4)在(3)条件的基础上，使用 IOS 3n 的运算放大器。（1）直流噪声增益为：1+R R 101V V2 1反相端输入的等效电阻为：R1 R2 9.

4、9k故直流噪声输出电压为：u 101 R R I 101 R R I 100mVo 1 2 N 1 2 B（2）当R R R 时，直流噪声输出为：P 1 2u 101 R R I 30mVo 1 2 OS（3）当同时把所有电阻减小 10 倍时，直流噪声输出为：u 101 R R I 3mVo 1 2 OS（4）采用 I 3n 的运算放大器时，直流噪声输出为：OSu 101 R R I 0.3mVo 1 2 OS减小输出直流噪声的方法有：1、 电阻匹配可以消除输入偏置电流产生的直流输出噪声；2、 在合理范围内等倍数减小电阻阻值；3、 采用输入失调电流更小的运算放大器。2-4 在图 2-47所示的

5、电路中， 已知 R 10k ,C 1nF 和uo 0 0V 。假设运算放大器有I 100n ，IOS 30n 和输出饱和电压 Vsat 13V ，在不同情况下， 计算运算放大器B经过多长时间进入饱和。 (1) R 0 ；(2)PR R。P（1）当 R 0时，充电时间常数为P6RC 10 s ，而充电电压为直流噪声电压u RI RI 1mV ，故输出端饱和时间为： T Vsat uo 0.013so N B（2）当R R时，输入误差变为： uO RIOS 0.3mV ，输出端饱和时间变为：PT V u 0.043ssat o2-5 (1)在图 2-48所示的电路中，运算放大器的 10I n ，所

6、有电阻都为 R 100k ，分B析I B 对反相放大器性能的影响； (2)为了使u 最小，在同相端上应该串联多大的电阻 RP ？o（1）假设运算放大器是理想的，根据“虚短”可知：u u 0VN P在输入源 ui 0V 时：u 21 RI 21 10n 100 k 21 mVo B（2）运算放大器同相输入端串接的电阻是为运算放大器提供补偿，以抵消I 对直B流电压输出的影响。在仅考虑同相端输入时，假设运算放大器理想，利用基尔霍夫电压定律可求得同相放大增益，即为同相噪声增益：2A 34 V V所以可算出同相端串联的电阻值为：21mV 34R 61.8kP10n，取标称值为 62R kP（提示：此题不

7、可简单将反馈电阻直接等效，采取R R 的方法虽然结果对，1 2但是原理不可行）2-6图2-4b 所示中的运算放大器使用 741，电路增益为20V V ，为使电路输入电阻最大，求满足条件的电阻值（令输入失调可调范围为 20mV ，最大失调电流I 200n ，最大失调电压V 6mV ）。OS OS此时要联合考虑失调电压和失调电流的影响，由于两者的作用方向不一定相同，故直流噪声输出为：u 1 R R V R R Io 2 1 OS 1 2 OS输入电阻为R R ，i 1R R ，由题意可知：2 20 1V R1 R2 I 20mVOS OS解得R k ，故取1 73.5R1 71.5k ，R2 14

8、3k （1%）2-7 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。2-8请说明 ICL7650斩

9、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 (K K K2 )Ui K1U0s1 Kc1Uc ，其共模信号误差项Kc1Uc 相当于1 1输入端的共模误差电压Uc，即UcK1KUc1cK1K2KUc1K K1c2KUcCMRR2 1UcCMRR式中 K1、Kc1 分别为运算放大器 N1 的开环放大倍数和开环共模放大倍数； K1为运算放大器 N1 由侧向端 A1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 K1 K1， K21，所以 K1， K21，所以CMRR K2CMRR ，因此整个集成运算放大器的共模1抑制比 CMRR 比运算放大器

10、N1 的共模抑制比 CMRR1（一般可达 80dB）提高了 K2 倍。2-9 何谓自举电路？应用于何种场合？请举一例说明之。3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8输出阻抗可达 10 以上）的测量放大电路中。2-10 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

11、大器直接构成电桥放大电路，输出放大了的电压信号。2-11 图2-32所示线性电桥放大电路中， 若 u 采用直流，其值U 10V ,R1 R3 R 120 ,且 R R 0.24 时，试求输出电压 o 。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各为多少？由公式：R R2 3uo (1 )( )R R R1 1 3R2R1uR3R1R2R3u并将题设代入，可得 Uo=UR/(2 R)=10mV。设输入失调电压为 u0s和输入失调电3)/ (1+R2/R1)=0.5mV； 流为 I0s，当输出失调电压小于 1mV 时，输入失调电压 u0s(1 10 3)/

12、 R1 (1+R2/R1)=4.17A。输入失调电流为 I0s(1 102-12 什么是可编程增益放大电路？请举例说明。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

13、(开关 A、B 均闭合)，放大倍数为 R2R3R/ R1（R2 R3+R3 R +R R2）。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。R2ARR3B + N+U oU iR1图 X2-242-13 请根据图 2-37b，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。 9R 90RRCB A+N+Uo图 X2-3U i2-14 根据图 2-37c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

14、: 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=3 R，R5=R，R4= R/2，R3=3 R/10，R2=R/5，R1=R。见图 X2-4。Ui+N+Uo5 路摸拟开关 R/5 3R/10 R/2 R 3RR图 X2-42-15 请简述图 2-25a所示的同相交流放大电路为何有高输入阻抗特性？对于交流来讲，在不接入C 之前，输入阻抗为 R1 R2 ；接入 C2 后，

15、由于运算放大2器的“虚短”特性，输阻抗无穷大。R 两端的电压很小，故 R1 吸取的电流是很小的，对于交流来说，12-16 证明图 2-49所示电路为差分式 V/I 转换器，并有 Io 1 R1 u2 u1 1 Ro VL ，式中RoR2R R R R2 1 4 3。由叠加原理得：uo R4 / R3 u1 1 R4 / R3 VL5由KCL 得Iou2VLR1uoVLR2将以上两式联立得：1 R R VL3 3I u uo 2 1R R R R1 2 1 o其中RoR2R R R R2 1 4 3。若R R R R ，则 Io 1 R1 u2 u1 ，且Ro 。2 1 4 32-17 什么是隔

16、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 2-41 电路中的限幅电路是如何工作的？并写出 o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 R2U i / R4 R1 1000U , AD277 隔离放大器i的电压放大倍数约为 196.078，所以Uo 196. 078 R3 R4 RU / R1R4 196078U 。i i6