總結(jié)版測(cè)控電路

1、2.1 何謂測(cè)量放大電路？對(duì)其基本要求是什么？在測(cè)量控制系統(tǒng)中，用來(lái)放大傳感器輸出的微弱電壓，電流或電荷信號(hào)的放大電路稱為測(cè)量放大電路，亦稱儀用放大電路。對(duì)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(wú)畸變的放大瞬態(tài)信號(hào)） ；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(chǎng)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(chǎng)合，例如人體心電測(cè)

2、量。2.3 圖 2-8b 所示電路， N1、N2 為理想運(yùn)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(wú)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(chǎng)合？請(qǐng)舉一例說(shuō)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(cè)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(qǐng)舉例說(shuō)明之。放大電路的增益通過(guò)數(shù)字邏輯電路由確定的程序來(lái)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(jiǎn)稱PGA。例如圖X2-2，程序?yàn)?A=0(開(kāi)關(guān) A 斷開(kāi) ) 、B=0(開(kāi)關(guān) B 斷開(kāi) )時(shí)，放大電路的電壓放大倍數(shù)為-R/R1；當(dāng)程序?yàn)锳=1(開(kāi)關(guān) A 閉合 ) 、B=0(開(kāi)關(guān) B 斷開(kāi) )時(shí)，放大倍數(shù)為 - R2R/R1（ R2+R） ；當(dāng)程序?yàn)?A=0(開(kāi)關(guān) A 斷開(kāi) )、 B=1(開(kāi)關(guān) B 閉合 )，放大倍數(shù)為 R3R/R

5、1（R3+R） ；當(dāng)程序?yàn)?A=1、B=1(開(kāi)關(guān) A、 B 均閉合 )，放大倍數(shù)為 R2R3R/R1（ R2 R3+R3 R +R R2） 。2.13 請(qǐng)根據(jù)圖2-22b，畫(huà)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(kāi)關(guān) A 閉合時(shí)， Uo=Ui；當(dāng)開(kāi)關(guān) B 閉合時(shí)， Uo=10Ui，當(dāng)開(kāi)關(guān) C 閉合時(shí)， Uo=100Ui 。R9R90RCBUoAN+圖 X2-3Ui2.15 什么是隔離放大電路？應(yīng)用于何種場(chǎng)合？隔離放大電路的輸入、輸出和電源電路之間沒(méi)有直接的電路耦合，即信號(hào)在傳輸過(guò)程中沒(méi)有公共的接地端。隔離放大電路主要用于便攜式測(cè)量?jī)x器和某些測(cè)控系統(tǒng)（如生

6、物醫(yī)學(xué)人體測(cè)量、自動(dòng)化試驗(yàn)設(shè)備、工業(yè)過(guò)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(hào)。3.1 什么是信號(hào)調(diào)制？在測(cè)控系統(tǒng)中為什么要采用信號(hào)調(diào)制？什么是解調(diào)？在測(cè)控系統(tǒng)中常用的調(diào)制方法有哪幾種？在精密測(cè)量中，進(jìn)入測(cè)量電路的除了傳感器輸出的測(cè)量信號(hào)外，還往往有各種噪聲。而傳感器的輸出信號(hào)一般又很微弱，將測(cè)量信號(hào)從含有噪聲的信號(hào)中分離出來(lái)是測(cè)量電路的一項(xiàng)重要任務(wù)。為了便于區(qū)別信號(hào)與噪聲，往往給測(cè)量信號(hào)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(gè)信號(hào)（稱為調(diào)制信號(hào)）去控制另一作為載體的信號(hào)（稱為載波信號(hào)），讓后者的某一特征參數(shù)按前者變化。在將測(cè)量信號(hào)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(hào)中提取反映被測(cè)量值的測(cè)量信號(hào)，這一過(guò)程稱為解調(diào)。在信號(hào)調(diào)制中常以一個(gè)高頻正弦信號(hào)作為載波信號(hào)。一個(gè)正弦信號(hào)有幅值、頻率、相位三個(gè)參數(shù)，可以對(duì)這三個(gè)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(hào)作載波信號(hào)?？梢詫?duì)脈沖信號(hào)的不同特征參數(shù)作調(diào)制，最常用的是對(duì)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(hào)？什么是載波信號(hào)？什么是已調(diào)信號(hào)？調(diào)制是給測(cè)量信號(hào)賦以一定特征，這個(gè)特征由作為載體的信號(hào)提供。常以一個(gè)高頻正弦信號(hào)或脈沖信號(hào)作為載體，這個(gè)載體稱為載波信號(hào)。用需要傳輸?shù)男盘?hào)去改變載波信號(hào)的某一參數(shù)，如幅值、頻率、相位。這個(gè)用來(lái)改變載波信號(hào)的某一參數(shù)的信

8、號(hào)稱調(diào)制信號(hào)。在測(cè)控系統(tǒng)中需傳輸?shù)氖菧y(cè)量信號(hào)，通常就用測(cè)量信號(hào)作調(diào)制信號(hào)。經(jīng)過(guò)調(diào)制的載波信號(hào)叫已調(diào)信號(hào)。3.3-3.5 分別解釋調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相并寫(xiě)出數(shù)學(xué)表達(dá)式和畫(huà)出圖形。3.11 雙邊帶調(diào)幅，寫(xiě)出數(shù)學(xué)表達(dá)式和畫(huà)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(shuō)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(guò)一定值時(shí)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(huì)給檢波帶來(lái)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(hào)失真。而在

9、精密測(cè)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(yùn)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(yùn)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(diǎn)接近于虛地， ua 0。在 us 的負(fù)半周，有 ua 輸出。若集成運(yùn)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(xiě)出下列方程組：usi1 R1ususiR1u auu auiR 2u suaK d us其中 Kd 為 N1 的開(kāi)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(kāi)環(huán)放大倍數(shù)dK 很大，這時(shí)上式可簡(jiǎn)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(yùn)放處于開(kāi)1s2環(huán)狀態(tài)而進(jìn)入飽和，另一方面也使us在兩個(gè)半周期負(fù)載基本對(duì)稱。圖中234N與 R 、 R 、 C 等構(gòu)成低通濾波器。對(duì)于低頻信號(hào)電容C 接近開(kāi)路，濾波器的增益為-R43/R 。對(duì)于載波頻率信號(hào)電容 C 接近短路，它使高頻信號(hào)受到抑制。因?yàn)殡娙軨 的左端接虛地，電容C 上的充電電壓不會(huì)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(guò) R3 與 u 相加，圖 3-11b中 N組成相加放大sa2器，為了實(shí)現(xiàn)全波精密檢波必須要求R32R3 。在不加電容器C 時(shí)， N2 的輸出為：uoR4 (uaus )R32圖 X3-11a 為輸入調(diào)幅信號(hào)us 的波形，圖 b 為 N1 輸出的反相半波整流信號(hào)ua，圖 c 為 N2 輸出的全波整流信號(hào) uo。電容 C起濾除載波頻率信號(hào)的作用。usota)uaotb)uootc)圖 X3-11線性全波整流信號(hào)的形成a) 輸入信號(hào)b) 半波整流信號(hào)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(hào)相位的檢波電路。包絡(luò)檢

12、波有兩個(gè)問(wèn)題：一是解調(diào)的主要過(guò)程是對(duì)調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行半波或全波整流，無(wú)法從檢波器的輸出鑒別調(diào)制信號(hào)的相位。如在圖1-3 所示用電感傳感器測(cè)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(dòng)同樣的量，傳感器的輸出信號(hào)幅值相同，只是相位差180。從包絡(luò)檢波電路的輸出無(wú)法確定磁芯向上或向下移動(dòng)。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(hào)的能力。對(duì)于不同載波頻率的信號(hào)它都以同樣方式對(duì)它們整流，以恢復(fù)調(diào)制信號(hào)，這就是說(shuō)它不具有鑒別信號(hào)的能力。為了使檢波電路具有判別信號(hào)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(huà)出一個(gè)能實(shí)現(xiàn) U o1Ui 51Ui 1 Ui 2Ui 1

13、 U i2Ui 5 的加減混合運(yùn)55算電路。該加減混合運(yùn)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(jì)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(shí)， ui =1V，當(dāng) i =20mA時(shí)， 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(gè) 6bit 的 D/A 轉(zhuǎn)換器，具有單向電流輸出，當(dāng)Din =110100 時(shí)， i o=5mA，試求 Din=