1、1第一章 绪论1-1 为什么说在现代生产中提高产品质量与生产效率都离不开测量与控制技术？为了获得高质量的产品，必须要求机器按照给定的规程运行。例如，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。为了保证产品质量，除了对生产过程的检测与控制外，还必须对产品进行检测。这一方面是为了把好产品质量关，另一方面也是为了检测机器与生产过程的模型是否
2、准确，是否在按正确的模型对机器与生产过程进行控制，进一步完善对生产过程的控制。生产效率一方面与机器的运行速度有关，另一方面取决于机器或生产系统的自动化程度。为了使机器能在高速下可靠运行，必须要求机器本身的质量高，其控制系统性能优异。要做到这两点，还是离不开测量与控制。产品的质量离不开测量与控制，生产自动化同样一点也离不开测量与控制。特别是当今时代的自动化已不是本世纪初主要靠凸轮、机械机构实现的刚性自动化，而是以电子、计算机技术为核心的柔性自动化、自适应控制与智能化。越是柔性的系统就越需要检测。没有检测，机器和生产系统就不可能按正确的规程自动运行。自适应控制就是要使机器和系统能自动地去适应变化了
3、的内外部环境与条件，按最佳的方案运行，这里首先需要的是对外部环境条件的检测，检测是控制的基础。智能化是能在复杂的、变化的环境条件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，它同样离不开检测。1-2 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。
4、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。2一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。1-3 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
5、，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。1-4 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。1-5 为什么说测控电路是测控系统中最灵活的环
6、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。1-6 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
7、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。3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。
8、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。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
9、个周期所对应的量不是一个便于读出的量（例如，在电路图 X1-1传感器 量程切换电路 放大器 解调器 信号分离电路 运算电路 模数转换电路 计算机 显示执行机构振荡器 电源传感器显示执行机构计算机锁存器计数器变换电路脉冲当量放大器 整形电路 细分电路辨向电路 指令传感器电路手动采样锁存令图 X1-24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
10、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。1-7 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
11、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
12、的基本组成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被控对象 输出传感器扰动5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 图 2-2a 所示斩波稳零放大电路中，为什么采用高、低频两个通
13、道，即 R3、 C3组成的高频通道和调制、解调、交流放大器组成的低频通道？采用高频通道是为了使斩波稳零放大电路能在较宽的频率范围内工作，而采用低频通道则能对微弱的直流或缓慢变化的信号进行低漂移和高精度的放大。2-3 请参照图 2-3，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。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
14、，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CD4066uoui+5VVV+ R2R1LF347图 X2-16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 c10s1i21o)( U
15、KKU（见式 26） ，其共模信号误差项 Kc1Uc相当于输入端的共模误差电压 Uc ，即 CMR c12c121cc 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 1CMR，因此整个集成运算放大器的共模抑制比CMRR 比运算放大器 N1的共模抑制比 CMRR1（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
16、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，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 2-8b 和题设可得 u01 =ui1 (1+R2 /R1) = 2ui1 , u0=ui2 (1+R4 /R3 )2ui1 R4/R3
17、=2ui22 ui1=2(ui2-ui1)，所以其闭环电压放大倍数 Kf=2。2-9 图 2-9 所示电路，N 1、N 2、N 3工作在理想状态，R1=R2=100k， RP=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？7由图 2-9 和题设可得 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（10 ui111ui1）=63 ui
18、1，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， ui1的共模电压无法与 ui2的共模电压相抵消。2-10 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
19、阻传感器和电感传感器等组成的高精度测控系统中。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。2-12 试推导图 2-12b 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 2-12b 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)=
20、u R/(4R+2 R), 电路输出电压 uo=(1+R2/R1)u+, 所以 uo=(1+R2/R1)u R/(4R+2 R), 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 1 时， uo与 才近似按线性变化。2-13 线性电桥放大电路中（见图 2-14） ，若 u 采用直流，其值 10V， R1 R3= R120， R0.24 时，试求输
21、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应为多少？由图 2-14 电路的公式（式 2-24）：8uRRu 31212312o )(并将题设代入，可得 Uo=U R/(2R)=10mV。设输入失调电压为 u0s和输入失调电流为I0s，当输出失调电压小于 1mV 时，输入失调电压 u0s(110 3)/ (1+R2/R1)=0.5mV；输入失调电流为 I0s(110 3)/R1 (1+R2/R1)=4.17A。2-14 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，
22、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(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。2-15 请根据图 2-22b，画出可获
23、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 =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,+ +NRUoUiBAR1R2R3
24、图 X2-2CR+ +NUoB AUi9R 90R图 X2-39取 R1=R，则 R6=3R， R5=R， R4=R/2， R3=3R/10， R2=R/5， R1=R。见图 X2-4。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 2-31b 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
25、）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/（ R4R1）=1000 Ui, AD277 隔离放大器的电压放大倍数约为 196.078，所以 o=196.078（ R3+R4） RUi/（ R4 R1）=196078 Ui。雄：U1=（ R3+R2+ R3 R2/ R4） Ui/R1， 196.078 何处来2-19 请推导图 2-34c 电路的最大输出幅值，最大输出功率以及最大效率。由图可知，电路的交流负载线与直流负载线重合
26、，取其中点为工作点，因此电路的最大不失真输出幅值近似为 Ec/2, 最大输出功率 Pom= Ec2/(8RL), 最大效率 =Pom/ Ec2/（2 RL）=1/4=25% 。2-20 简述乙类互补对称功率放大电路的输出波形出现交越失真的原因，并用波形图说明甲乙类互补对称功率放大电路是如何消除上述交越失真的。乙类互补对称功率放大电路在静态时两功率三极管的发射结均处于零偏状态，工作点很低，三极管输入特性又是非线性的，因此当输入信号比较小时，在过零点附近将有一段交越失真。甲乙类互补对称功率放大电路，能保证输入信号为零时两功率三极管有一定的静态电流，且静态电流相等，如图 X2-5，当信号输入时，输出
27、为两功率三极管电流的叠加，无交越失真。Uo+ +N5 路摸拟开关R R/5 R 3RUi3R/10 R/2图 X2-4102-21 试述在功率放大电路中采用复合晶体管的原因。并画出 PNP、NPN 各两种复合晶体管图。在互补电路中，若要求其输出功率较大时，输出功率管要采用中功率管或大功率管。但是，要使两个互补功率管性能一致，这对大功率管来说，很难选配。若采用复合晶体管，其导电特性取决于第一只晶体管，且总的电流放大倍数等于两个晶体管各自的电流放大倍数的乘积，因此，能在一个信号作用下使同极性的两输出晶体管能交替导通，也可采用较易选配的小功率晶体管作为互补输出晶体管，而利用复合晶体管来得到较大的输出
28、功率。2-22 试求图 2-36b 所示 OCL 电路，静态时流过负载 RL的电流？若输出波形有交越失真，应调整哪个电阻可加以消除？若 Rc1， R1或 R2中有一个元件开路，将产生什么后果？图示电路，静态时两功率三极管因发射结有偏置电压，所以有静态电流流过，但由于两功率三极管的特性一致，静态电流相等，因此静态时流过负载 RL的电流为零。若输出波形有交越失真，应调整 R2电阻可加以消除。若 Rc1电阻开路，那么电路在小信号输入时其输出波形将有交越失真；若 R1或 R2中有一个电阻开路，那么电路将不构成互补对称功率放大电路，电路无法正常工作。IcIcUbE2ic1UbE1ic2QQtOioX 2-5PNP 复合晶体管 NPN 复合晶体管ebcebcebcebc图 X2-6
