测控电路课后习题.doc

1、习题参考答案（时间仓促，难免有误，请指正，谢谢！）1-3试从你熟悉的几个例子说明测量与控制技术在生产、生活与各种工作中的广泛应用。为了加工出所需尺寸、形状的高精度零件，机床的刀架与主轴必须精确地按所要求的轨迹作相对运动。为了炼出所需规格的钢材，除了严格按配方配料外，还必须严格控制炉温、送风、冶炼时间等运行规程。为了做到这些，必须对机器的运行状态进行精确检测，当发现它偏离规定要求，或有偏离规定要求的倾向时，控制它，使它按规定的要求运行。计算机的发展首先取决于大规模集成电路制作的进步。在一块芯片上能集成多少个元件取决于光刻工艺能制作出多精细的图案，而这依赖于光刻的精确重复定位，依赖于定位系统的精密

2、测量与控制。航天发射与飞行，都需要靠精密测量与控制保证它们轨道的准确性。一部现代的汽车往往装有几十个不同传感器，对点火时间、燃油喷射、空气燃料比、防滑、防碰撞等进行控制。微波炉、照相机、复印机等中也都装有不同数量的传感器，通过测量与控制使其能圆满地完成规定的功能。1-4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

3、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。1-5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。1-7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

4、。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。1-9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

5、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

6、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2-2 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。2-3 图 2-13b 所示电路，N 1、N 2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 2-13b 和题设可得 u01 =ui1 (1+R2 /R1) = 2ui1 , u0=

7、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。2-6 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。2-9 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？何种场合下采较控制电路设定电路比较电路校正电路转换电路给定机构执行机构

8、被控对象 输出传感器扰动为合适？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。2-11 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

9、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 2-23 所示电路就是它的例子。2-12 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

10、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（ 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。2-13 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。2-14 根据图 2-29c 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

11、。+ +NRUoUiBAR1R2R3图 X2-2CR+ +NUoB AUi9R 90R图 X2-3N=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。2-15 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

12、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。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

13、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

14、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Uo+ +N5 路摸拟开关R R/5 R 3RUi3R/10 R/2图 X2-4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：sutmxUcso)(式中 载波信号的角频率；c调幅信号中载波信号的幅度；mUm调制度。图 X3-1 绘出了这种调幅信号的波形

15、。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3-4 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： tmxUu)co(cms式中 载波信号的角频率；c 调频信号中载波信号的幅度；mUm 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=Xmcost ，则调频信号的频率可在范围内变化。为了避

16、免发生频率混叠现象，并便于解调，要求 。mcX mcXtuxOtOucusO ta)b)c)图 X3-2 调频信号的波形a) 调制信号 b) 调频信号3-8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 的余弦信号 x=Xmcost ，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

17、率的信号: 角频率为 的载波信号 Umcos ct 和角频率分别为c c 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。xtOOtusa)b)tmXt u )os(2)cos(2cosccs ttXtmXtXu xmcmccs ososc)os(2)os(2 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3-12 测控系统中被测信号的变化频率为 0100H

18、z，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 c ，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 900 Hz 以上的信号抑制，可选通频带为 200 Hz。3-13 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

19、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。tuxOtOucusO ta)b)c)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3-14 为什么要采用精密检波电路？试述图 3-11 b 所示全波线性检波电路工作原理，电路中哪些

20、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，N 1输出低电平，因此 V1导通、V 2截止， A 点接近于虚地，ua0。在 us的负半周，

21、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： 1s1s iuRis2aa sdK其中 Kd为 N1的开环放大倍数。解以上联立方程组得到 uRuRua)1()1( 2d2d21s 通常，N 1的开环放大倍数 Kd很大，这时上式可简化为： au21s或 s21uRaus uoO Ot ta) b)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

22、。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3R器，为了实现全波精密检波必须要求 。在不加电容器 C 时，N 2的输出为：32)(s34oa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

23、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3-15 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

24、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。3-16 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tuouausttooo a)c)b)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

25、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。3-19 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

26、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。2cosmoUu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。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，

27、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： 通带截频 为通带与过渡带的2/pf边界点，在该点信号增益下降到一个人为规定的下限。阻带截频 为阻带与过渡rf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。转折频率为信号功率衰减到 (约 3dB)时的频率，在很多情况下，也常以 作为通2/cf 12/ cf带或阻带截频。当电路没有损耗时，固有频率 ，就是其谐振频率，复杂电2/0f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。对低通滤波器通带增益 一般指PK时的增益；高通指 时的增益；带通则指中心频率处的增益。对带阻滤波器，0应给出阻带衰耗，衰耗定义为增益的倒数。通带增益变化量 指通带内各点增益的最p大变化量，如果 以 dB 为单位，则指增益 dB 值的变化量。pK3） 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，0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: 021ja