總結(jié)版測控電路

1、2.1 何謂測量放大電路？對其基本要求是什么？在測量控制系統(tǒng)中，用來放大傳感器輸出的微弱電壓，電流或電荷信號的放大電路稱為測量放大電路，亦稱儀用放大電路。對其基本要求是：輸入阻抗應(yīng)與傳感器輸出阻抗相匹配；一定的放大倍數(shù)和穩(wěn)定的增益；低噪聲；低的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流以及低的漂移；足夠的帶寬和轉(zhuǎn)換速率（無畸變的放大瞬態(tài)信號） ；高輸入共模范圍（如達(dá)幾百伏）和高共模抑制比；可調(diào)的閉環(huán)增益；線性好、精度高；成本低。2.2 什么是高共模抑制比放大電路？應(yīng)用何種場合？有抑制傳感器輸出共模電壓（包括干擾電壓）的放大電路稱為高共模抑制比放大電路。應(yīng)用于要求共模抑制比大于100dB 的場合，例如人體心電測

2、量。2.3 圖 2-8b 所示電路， N1、N2 為理想運算放大器， R4=R2=R1=R3=R，試求其閉環(huán)電壓放大倍數(shù)。由圖 2-8b 和題設(shè)可得u01 =ui1 (1+R2 /R1) = 2ui1 , u0=ui2 (1+R4 /R3 ) 2ui1 R4/R3=2ui2 2 ui1=2(ui2-ui1) ，所以其閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Kf=2。2.4 圖 2-9 所示電路， N1、 N2、 N3 工作在理想狀態(tài)，R1=R2=100k，RP=10k，R3=R4=20k ， R5=R6=60k ， N2 同相輸入端接地，試求電路的差模增益？電路的共模抑制能力是否降低？為什么？由圖 2-9 和題設(shè)可得

3、 uo = (uo2 uo1) 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（ 10ui1 11ui1 ） =63ui1 ，因此，電路的差模增益為63。電路的共模抑制能力將降低，因N2 同相輸入端接地，即 ui2=0， ui1 的共模電壓無法與ui2 的共模電壓相抵消。2.9 何謂自舉電路？應(yīng)用于何種場合？請舉一例說明之。自舉電路是利用反饋使輸入電阻的兩端近似為等電位，減小向輸入回路索取電流，從而提高輸入阻抗的電路。應(yīng)用于傳感器的輸出

4、阻抗很高（如電容式，壓電式傳感器的輸出阻抗可達(dá) 108以上）的測量放大電路中。圖2-7 所示電路就是它的例子。2.12 什么是可編程增益放大電路？請舉例說明之。放大電路的增益通過數(shù)字邏輯電路由確定的程序來控制，這種電路稱為可編程增益放大電路，亦稱程控增益放大電路，簡稱PGA。例如圖X2-2，程序為 A=0(開關(guān) A 斷開 ) 、B=0(開關(guān) B 斷開 )時，放大電路的電壓放大倍數(shù)為-R/R1；當(dāng)程序為A=1(開關(guān) A 閉合 ) 、B=0(開關(guān) B 斷開 )時，放大倍數(shù)為 - R2R/R1（ R2+R） ；當(dāng)程序為 A=0(開關(guān) A 斷開 )、 B=1(開關(guān) B 閉合 )，放大倍數(shù)為 R3R/R

5、1（R3+R） ；當(dāng)程序為 A=1、B=1(開關(guān) A、 B 均閉合 )，放大倍數(shù)為 R2R3R/R1（ R2 R3+R3 R +R R2） 。2.13 請根據(jù)圖2-22b，畫出可獲得1、 10、 100 十進(jìn)制增益的電路原理圖。由圖 X2-3 可得：當(dāng)開關(guān) A 閉合時， Uo=Ui；當(dāng)開關(guān) B 閉合時， Uo=10Ui，當(dāng)開關(guān) C 閉合時， Uo=100Ui 。R9R90RCBUoAN+圖 X2-3Ui2.15 什么是隔離放大電路？應(yīng)用于何種場合？隔離放大電路的輸入、輸出和電源電路之間沒有直接的電路耦合，即信號在傳輸過程中沒有公共的接地端。隔離放大電路主要用于便攜式測量儀器和某些測控系統(tǒng)（如生

6、物醫(yī)學(xué)人體測量、自動化試驗設(shè)備、工業(yè)過程控制系統(tǒng)等）中，能在噪聲環(huán)境下以高阻抗、高共模抑制能力傳送信號。3.1 什么是信號調(diào)制？在測控系統(tǒng)中為什么要采用信號調(diào)制？什么是解調(diào)？在測控系統(tǒng)中常用的調(diào)制方法有哪幾種？在精密測量中，進(jìn)入測量電路的除了傳感器輸出的測量信號外，還往往有各種噪聲。而傳感器的輸出信號一般又很微弱，將測量信號從含有噪聲的信號中分離出來是測量電路的一項重要任務(wù)。為了便于區(qū)別信號與噪聲，往往給測量信號賦以一定特征，這就是調(diào)制的主要功用。調(diào)制就是用一個信號（稱為調(diào)制信號）去控制另一作為載體的信號（稱為載波信號），讓后者的某一特征參數(shù)按前者變化。在將測量信號調(diào)制，并將它和噪聲分離，放大

7、等處理后，還要從已經(jīng)調(diào)制的信號中提取反映被測量值的測量信號，這一過程稱為解調(diào)。在信號調(diào)制中常以一個高頻正弦信號作為載波信號。一個正弦信號有幅值、頻率、相位三個參數(shù)，可以對這三個參數(shù)進(jìn)行調(diào)制，分別稱為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。也可以用脈沖信號作載波信號?？梢詫γ}沖信號的不同特征參數(shù)作調(diào)制，最常用的是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，稱為脈沖調(diào)寬。3.2 什么是調(diào)制信號？什么是載波信號？什么是已調(diào)信號？調(diào)制是給測量信號賦以一定特征，這個特征由作為載體的信號提供。常以一個高頻正弦信號或脈沖信號作為載體，這個載體稱為載波信號。用需要傳輸?shù)男盘柸ジ淖冚d波信號的某一參數(shù)，如幅值、頻率、相位。這個用來改變載波信號的某一參數(shù)的信

8、號稱調(diào)制信號。在測控系統(tǒng)中需傳輸?shù)氖菧y量信號，通常就用測量信號作調(diào)制信號。經(jīng)過調(diào)制的載波信號叫已調(diào)信號。3.3-3.5 分別解釋調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相并寫出數(shù)學(xué)表達(dá)式和畫出圖形。3.11 雙邊帶調(diào)幅，寫出數(shù)學(xué)表達(dá)式和畫出圖形。3.14 為什么要采用精密檢波電路？試述圖3-11 b 所示全波線性檢波電路工作原理，電路中哪些電阻的阻值必須滿足一定的匹配關(guān)系，并說明其阻值關(guān)系。二極管和晶體管V 都有一定死區(qū)電壓，即二極管的正向壓降、晶體管的發(fā)射結(jié)電壓超過一定值時才導(dǎo)通，它們的特性也是一根曲線。二極管和晶體管V 的特性偏離理想特性會給檢波帶來誤差。在一般通信中，只要這一誤差不太大，不致于造成明顯的信號失真。而在

9、精密測量與控制中，則有較嚴(yán)格的要求。為了提高檢波精度，常需采用精密檢波電路，它又稱為線性檢波電路。圖 3-11b 是一種由集成運算放大器構(gòu)成的精密檢波電路。在調(diào)幅波us 為正的半周期，由于運算放大器 N1 的倒相作用， N1 輸出低電平，因此 V1 導(dǎo)通、 V2 截止， A 點接近于虛地， ua 0。在 us 的負(fù)半周，有 ua 輸出。若集成運算放大器的輸入阻抗遠(yuǎn)大于R2，則 i-i1 。按圖上所標(biāo)注的極性，可寫出下列方程組：usi1 R1ususiR1u auu auiR 2u suaK d us其中 Kd 為 N1 的開環(huán)放大倍數(shù)。解以上聯(lián)立方程組得到us R11(1R1 )ua1(1R1

10、 )uR2K dR2K dR2通常， N1的開環(huán)放大倍數(shù)dK 很大，這時上式可簡化為：usR1 ua 或 uaR1 usR2R2二極管的死區(qū)和非線性不影響檢波輸出。圖 3-11b 中加入 V 反饋回路一是為了防止在u的正半周期因V 截止而使運放處于開1s2環(huán)狀態(tài)而進(jìn)入飽和，另一方面也使us在兩個半周期負(fù)載基本對稱。圖中234N與 R 、 R 、 C 等構(gòu)成低通濾波器。對于低頻信號電容C 接近開路，濾波器的增益為-R43/R 。對于載波頻率信號電容 C 接近短路，它使高頻信號受到抑制。因為電容C 的左端接虛地，電容C 上的充電電壓不會影響二極管 V2 的通斷，這種檢波器屬于平均值檢波器。為了構(gòu)成

11、全波精密檢波電路需要將u 通過 R3 與 u 相加，圖 3-11b中 N組成相加放大sa2器，為了實現(xiàn)全波精密檢波必須要求R32R3 。在不加電容器C 時， N2 的輸出為：uoR4 (uaus )R32圖 X3-11a 為輸入調(diào)幅信號us 的波形，圖 b 為 N1 輸出的反相半波整流信號ua，圖 c 為 N2 輸出的全波整流信號 uo。電容 C起濾除載波頻率信號的作用。usota)uaotb)uootc)圖 X3-11線性全波整流信號的形成a) 輸入信號b) 半波整流信號波形c) 全波整流輸出3.15 什么是相敏檢波？為什么要采用相敏檢波？相敏檢波電路是能夠鑒別調(diào)制信號相位的檢波電路。包絡(luò)檢

12、波有兩個問題：一是解調(diào)的主要過程是對調(diào)幅信號進(jìn)行半波或全波整流，無法從檢波器的輸出鑒別調(diào)制信號的相位。如在圖1-3 所示用電感傳感器測量工件輪廓形狀的例子中，磁芯3 由它的平衡位置向上和向下移動同樣的量，傳感器的輸出信號幅值相同，只是相位差180。從包絡(luò)檢波電路的輸出無法確定磁芯向上或向下移動。第二，包絡(luò)檢波電路本身不具有區(qū)分不同載波頻率的信號的能力。對于不同載波頻率的信號它都以同樣方式對它們整流，以恢復(fù)調(diào)制信號，這就是說它不具有鑒別信號的能力。為了使檢波電路具有判別信號相位和頻率的能力，提高抗干擾能力，需采用相敏檢波電路。5.2 試畫出一個能實現(xiàn) U o1Ui 51Ui 1 Ui 2Ui 1

13、 U i2Ui 5 的加減混合運55算電路。該加減混合運算電路如圖X5-1 所示。6.4 如果要將 4 20mA的輸入直流電流轉(zhuǎn)換為 0 10V 的輸出直流電壓， 試設(shè)計其轉(zhuǎn)換電路。該轉(zhuǎn)換電路如圖X6-3 所示。根據(jù)圖 X6-3 電路，有uo(1R3 )iR1R3 U bR2R2R3R2-UbR+uiuo4i+NR1圖 X6-3取 R1=250，當(dāng) i =4mA時， ui =1V，當(dāng) i =20mA時， ui =5V。因此要求R3U b 1 ,(1R3 ) 5 11R2R2有 R 3/ R 2=6/5 ，Ub=5/6(V) ，取 R2=10k， R3=12k，R4= R2/ R3=5.45k ，取 R4=5.6k 。6.7 一個 6bit 的 D/A 轉(zhuǎn)換器，具有單向電流輸出，當(dāng)Din =110100 時， i o=5mA，試求 Din=