測控電路課后答案(張國雄_第四版)

1、第一章 緒論1-1 為什么說在現(xiàn)代生產中提高產品質量與生產效率都離不開測量與控制技術？為了獲得高質量的產品，必須要求機器按照給定的規(guī)程運行。例如，為了加工出所需尺寸、形狀的高精度零件，機床的刀架與主軸必須精確地按所要求的軌跡作相對運動。為了煉出所需規(guī)格的鋼材，除了嚴格按配方配料外，還必須嚴格控制爐溫、送風、冶煉時間等運行規(guī)程。為了做到這些，必須對機器的運行狀態(tài)進行精確檢測，當發(fā)現(xiàn)它偏離規(guī)定要求，或有偏離規(guī)定要求的傾向時，控制它，使它按規(guī)定的要求運行。為了保證產品質量，除了對生產過程的檢測與控制外，還必須對產品進行檢測。這一方面是為了把好產品質量關，另一方面也是為了檢測機器與生產過程的模型是否準

2、確，是否在按正確的模型對機器與生產過程進行控制，進一步完善對生產過程的控制。生產效率一方面與機器的運行速度有關，另一方面取決于機器或生產系統(tǒng)的自動化程度。為了使機器能在高速下可靠運行，必須要求機器本身的質量高，其控制系統(tǒng)性能優(yōu)異。要做到這兩點，還是離不開測量與控制。 產品的質量離不開測量與控制，生產自動化同樣一點也離不開測量與控制。特別是當今時代的自動化已不是本世紀初主要靠凸輪、機械機構實現(xiàn)的剛性自動化，而是以電子、計算機技術為核心的柔性自動化、自適應控制與智能化。越是柔性的系統(tǒng)就越需要檢測。沒有檢測，機器和生產系統(tǒng)就不可能按正確的規(guī)程自動運行。自適應控制就是要使機器和系統(tǒng)能自動地去適應變化了

3、的內外部環(huán)境與條件，按最佳的方案運行，這里首先需要的是對外部環(huán)境條件的檢測，檢測是控制的基礎。智能化是能在復雜的、變化的環(huán)境條件下自行決策的自動化，決策的基礎是對內部因素和外部環(huán)境條件的掌握，它同樣離不開檢測。1-2 試從你熟悉的幾個例子說明測量與控制技術在生產、生活與各種工作中的廣泛應用。 為了加工出所需尺寸、形狀的高精度零件，機床的刀架與主軸必須精確地按所要求的軌跡作相對運動。為了煉出所需規(guī)格的鋼材，除了嚴格按配方配料外，還必須嚴格控制爐溫、送風、冶煉時間等運行規(guī)程。為了做到這些，必須對機器的運行狀態(tài)進行精確檢測，當發(fā)現(xiàn)它偏離規(guī)定要求，或有偏離規(guī)定要求的傾向時，控制它，使它按規(guī)定的要求運行

4、。 計算機的發(fā)展首先取決于大規(guī)模集成電路制作的進步。在一塊芯片上能集成多少個元件取決于光刻工藝能制作出多精細的圖案，而這依賴于光刻的精確重復定位，依賴于定位系統(tǒng)的精密測量與控制。航天發(fā)射與飛行，都需要靠精密測量與控制保證它們軌道的準確性。一部現(xiàn)代的汽車往往裝有幾十個不同傳感器，對點火時間、燃油噴射、空氣燃料比、防滑、防碰撞等進行控制。微波爐、照相機、復印機等中也都裝有不同數(shù)量的傳感器，通過測量與控制使其能圓滿地完成規(guī)定的功能。1-3 測控電路在整個測控系統(tǒng)中起著什么樣的作用？ 傳感器的輸出信號一般很微弱，還可能伴隨著各種噪聲，需要用測控電路將它放大，剔除噪聲、選取有用信號，按照測量與控制功能的

5、要求，進行所需演算、處理與變換，輸出能控制執(zhí)行機構動作的信號。在整個測控系統(tǒng)中，電路是最靈活的部分，它具有便于放大、便于轉換、便于傳輸、便于適應各種使用要求的特點。測控電路在整個測控系統(tǒng)中起著十分關鍵的作用，測控系統(tǒng)、乃至整個機器和生產系統(tǒng)的性能在很大程度是取決于測控電路。1-4 影響測控電路精度的主要因素有哪些，而其中哪幾個因素又是最基本的，需要特別注意？ 影響測控電路精度的主要因素有：（1） 噪聲與干擾；（2） 失調與漂移，主要是溫漂；（3） 線性度與保真度；（4） 輸入與輸出阻抗的影響。其中噪聲與干擾，失調與漂移（含溫漂）是最主要的，需要特別注意。1-5 為什么說測控電路是測控系統(tǒng)中最靈

6、活的環(huán)節(jié)，它體現(xiàn)在哪些方面？為了適應在各種情況下測量與控制的需要，要求測控系統(tǒng)具有選取所需的信號、靈活地進行各種變換和對信號進行各種處理與運算的能力，這些工作通常由測控電路完成。它包括：（1） 模數(shù)轉換與數(shù)模轉換；（2） 直流與交流、電壓與電流信號之間的轉換。幅值、相位、頻率與脈寬信號等之間的轉換；（3） 量程的變換；（4） 選取所需的信號的能力，信號與噪聲的分離，不同頻率信號的分離等；（5） 對信號進行處理與運算，如求平均值、差值、峰值、絕對值，求導數(shù)、積分等、非線性環(huán)節(jié)的線性化處理、邏輯判斷等。1-6 測量電路的輸入信號類型對其電路組成有何影響？試述模擬式測量電路與增量碼數(shù)字式測量電路的基

7、本組成及各組成部分的作用。隨著傳感器類型的不同，輸入信號的類型也隨之而異。主要可分為模擬式信號與數(shù)字式信號。隨著輸入信號的不同，測量電路的組成也不同。 圖X1-1是模擬式測量電路的基本組成。傳感器包括它的基本轉換電路，如電橋，傳感器的輸出已是電量（電壓或電流）。根據(jù)被測量的不同，可進行相應的量程切換。傳感器的輸出一般較小，常需要放大。圖中所示各個組成部分不一定都需要。例如，對于輸出非調制信號的傳感器，就無需用振蕩器向它供電，也不用解調器。在采用信號調制的場合，信號調制與解調用同一振蕩器輸出的信號作載波信號或參考信號。利用信號分離電路（常為濾波器），將信號與噪聲分離，將不同成分的信號分離，取出所

8、需信號。有的被測參數(shù)比較復雜，或者為了控制目的，還需要進行運算。對于典型的模擬式電路，無需模數(shù)轉換電路和計算機，而直接通過顯示執(zhí)行機構輸出，因此圖中將模數(shù)轉換電路和計算機畫在虛線框內。越來越多的模擬信號測量電路輸出數(shù)字信號，這時需要模數(shù)轉換電路。在需要較復雜的數(shù)字和邏輯運算、或較大量的信息存儲情況下，采用計算機。電路圖X1-1傳 感 器量程切換電路放 大 器解 調 器信號分離電路運 算 電 路模數(shù)轉換電路計 算 機顯示執(zhí)行機構振 蕩 器 電 源傳 感 器顯示執(zhí)行機構計 算 機鎖 存 器計 數(shù) 器變換電路脈沖當量放 大 器整形電路細分電路辨向電路指令傳感器電路手動采樣鎖 存 令圖X1-2 增量碼

9、數(shù)字式測量電路的基本組成見圖X1-2。一般來說增量碼傳感器輸出的周期信號也是比較微小的，需要首先將信號放大。傳感器輸出信號一個周期所對應的被測量值往往不夠小，為了提高分辨力，需要進行內插細分?？梢詫蛔冃盘栔苯犹幚磉M行細分，也可能需先將它整形成為方波后再進行細分。在有的情況下，增量碼一個周期所對應的量不是一個便于讀出的量（例如，在激光干涉儀中反射鏡移動半個波長信號變化一個周期），需要對脈沖當量進行變換。被測量增大或減小，增量碼都作周期變化，需要采用適當?shù)姆椒ū鎰e被測量變化的方向，辨向電路按辨向結果控制計數(shù)器作加法或減法計數(shù)。在有的情況下辨向電路還同時控制細分與脈沖當量變換電路作加或減運行。采樣

10、指令到來時，將計數(shù)器所計的數(shù)送入鎖存器，顯示執(zhí)行機構顯示該狀態(tài)下被測量量值，或按測量值執(zhí)行相應動作。在需要較復雜的數(shù)字和邏輯運算、或較大量的信息存儲情況下，采用計算機。1-7 為什么要采用閉環(huán)控制系統(tǒng)？試述閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成及各組成部分的作用。在開環(huán)系統(tǒng)中傳遞函數(shù)的任何變化將引起輸出的變化。其次，不可避免地會有擾動因素作用在被控對象上，引起輸出的變化。利用傳感器對擾動進行測量，通過測量電路在設定上引入一定修正，可在一定程度上減小擾動的影響，但是這種控制方式同樣不能達到很高的精度。一是對擾動的測量誤差影響控制精度。二是擾動模型的不精確性影響控制精度。比較好的方法是采用閉環(huán)控制。 閉環(huán)控制系統(tǒng)

11、的的基本組成見圖X1-3。它的主要特點是用傳感器直接測量輸出量，將它反饋到輸入端與設定值相比較，當發(fā)現(xiàn)它們之間有差異時，進行調節(jié)。這里系統(tǒng)和擾動的傳遞函數(shù)對輸出基本沒有影響，影響系統(tǒng)控制精度的主要是傳感器和比較電路的精度。在圖X1-3中，傳感器反饋信號與設定信號之差不直接送到放大電路，而先經過一個校正電路。這主要考慮從發(fā)現(xiàn)輸出量變化到執(zhí)行控制需要一段時間，為了提高響應速度常引入微分環(huán)節(jié)。另外，當輸出量在擾動影響下作周期變化時，由于控制作用的滯后，可能產生振蕩。為了防止振蕩，需要引入適當?shù)姆e分環(huán)節(jié)。在實際電路中，往往比較電路的輸出先經放大再送入校正電路，然后再次放大。圖X1-3為原理性構成。 控

12、制電路設定電路比較電路校正電路轉換電路給定機構執(zhí)行機構被控對象輸出傳感器擾動圖X1-3 閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成第二章 信號放大電路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；低的輸入失調電壓和輸入失調電流以及低的漂移；足夠的帶寬和轉換速率（無畸變的放大瞬態(tài)信號）；高輸入共模范圍（如達幾百伏）和高共模抑制比；可調的閉環(huán)增益；線性好、精度高；成本低。2-2 圖2-2a所示斬波穩(wěn)零放大電路中，為什么采用高

13、、低頻兩個通道，即R3、C3組成的高頻通道和調制、解調、交流放大器組成的低頻通道？采用高頻通道是為了使斬波穩(wěn)零放大電路能在較寬的頻率范圍內工作，而采用低頻通道則能對微弱的直流或緩慢變化的信號進行低漂移和高精度的放大。2-3 請參照圖2-3，根據(jù)手冊中LF347和CD4066的連接圖（即引腳圖），將集成運算放大器LF347和集成模擬開關CD4066接成自動調零放大電路。LF347和CD4066接成的自動調零放大電路如圖X2-1。CD4066uoui+5VVV+R2R1LF347圖X2-12-4 什么是CAZ運算放大器？它與自動調零放大電路的主要區(qū)別是什么？何種場合下采用較為合適？CAZ運算放大器

14、是輪換自動校零集成運算放大器的簡稱，它通過模擬開關的切換，使內部兩個性能一致的運算放大器交替地工作在信號放大和自動校零兩種不同的狀態(tài)。它與自動調零放大電路的主要區(qū)別是由于兩個放大器輪換工作，因此始終保持有一個運算放大器對輸入信號進行放大并輸出，輸出穩(wěn)定無波動，性能優(yōu)于由通用集成運算放大器組成的自動調零放大電路，但是電路成本較高，且對共模電壓無抑制作用。應用于傳感器輸出信號極為微弱，輸出要求穩(wěn)定、漂移極低，對共模電壓抑制要求不高的場合。2-5 請說明ICL7650斬波穩(wěn)零集成運算放大器是如何提高其共模抑制比的？ICL7650的輸出（見式26），其共模信號誤差項Kc1Uc相當于輸入端的共模誤差電壓

15、Uc，即式中K1、Kc1分別為運算放大器N1的開環(huán)放大倍數(shù)和開環(huán)共模放大倍數(shù)；K1為運算放大器N1由側向端A1輸入時的放大倍數(shù)；K2為運算放大器N2的開環(huán)放大倍數(shù)。設計中可使K1K1， K2>>1，所以，因此整個集成運算放大器的共模抑制比CMRR比運算放大器N1的共模抑制比CMRR1（一般可達80dB）提高了K2倍。2-6 何謂自舉電路？應用于何種場合？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。應用于傳感器的輸出阻抗很高（如電容式，壓電式傳感器的輸出阻抗可達108以上）的測量放大電路中。圖2-7所示電路就是它的

16、例子。2-7 什么是高共模抑制比放大電路？應用何種場合？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。應用于要求共模抑制比大于100dB的場合，例如人體心電測量。2-8 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和題設可得u01 =ui1 (1+R2 /R1) = 2ui1 , u0=ui2 (1+R4 /R3 )2ui1 R4/R3 =2ui22 ui1=2(ui2-ui1)，所以其閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Kf=2。2-9 圖2-9所示電路，N1、N2、N3工作在理想狀態(tài)，R1=R2=100kW，RP

17、=10kW，R3=R4=20kW，R5=R6=60kW，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（10ui111ui1）=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。2-10 什么是有源屏蔽驅動電路？應用于何種場合

18、？請舉例說明之。 將差動式傳感器的兩個輸出經兩個運算放大器構成的同相比例差動放大后，使其輸入端的共模電壓11地輸出，并通過輸出端各自電阻（阻值相等）加到傳感器的兩個電纜屏蔽層上，即兩個輸入電纜的屏蔽層由共模輸入電壓驅動，而不是接地，電纜輸入芯線和屏蔽層之間的共模電壓為零，這種電路就是有源屏蔽驅動電路。它消除了屏蔽電纜電容的影響，提高了電路的共模抑制能力，因此經常使用于差動式傳感器，如電容傳感器、壓阻傳感器和電感傳感器等組成的高精度測控系統(tǒng)中。2-11 何謂電橋放大電路？應用于何種場合？由傳感器電橋和運算放大器組成的放大電路或由傳感器和運算放大器構成的電橋都稱為電橋放大電路。應用于電參量式傳感器

19、，如電感式、電阻應變式、電容式傳感器等，經常通過電橋轉換電路輸出電壓或電流信號，并用運算放大器作進一步放大，或由傳感器和運算放大器直接構成電橋放大電路，輸出放大了的電壓信號。2-12 試推導圖2-12b所示電路uo的計算公式，并根據(jù)所推導的公式說明其特點。 由圖2-12b所示電路可得電橋輸出電壓u+（即運算放大器N的同相端輸入電壓）為：u+= uR/(2R+R)-uR/(2R)=uR/(4R+2R), 電路輸出電壓uo=(1+R2/R1)u+, 所以uo=(1+R2/R1)uR/(4R+2R), 將傳感器電阻的相對變化率=R/R代入，則得uo=(1+R2/R1)u/ (4+2)可見，同相輸入電

20、橋放大電路，其輸出uo的計算公式與式（2-22）相同，只是輸出符號相反。其增益與橋臂電阻無關，增益比較穩(wěn)定，但電橋電源一定要浮置，且輸出電壓uo與橋臂電阻的相對變化率是非線性關系，只有當<< 1時，uo與才近似按線性變化。2-13 線性電橋放大電路中（見圖2-14），若u采用直流，其值10V，R1R3= R120，R0.24時，試求輸出電壓o 。如果要使失調電壓和失調電流各自引起的輸出小于1mV，那么輸入失調電壓和輸入失調電流應為多少？由圖2-14電路的公式（式2-24）：并將題設代入，可得Uo=UR/(2R)=10mV。設輸入失調電壓為u0s和輸入失調電流為I0s，當輸出失調電壓

21、小于1mV時，輸入失調電壓u0s(1×103)/ (1+R2/R1)=0.5mV；輸入失調電流為I0s(1×103)/R1 (1+R2/R1)=4.17A。2-14 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A斷開) 、B=0(開關B斷開)時，放大電路的電壓放大倍數(shù)為-R/R1；當程序為A=1(開關A閉合) 、B=0(開關B斷開)時，放大倍數(shù)為- R2R/R1（R2+R）；當程序為A=0(開關A斷開)、B=1(開關B閉合)，放大

22、倍數(shù)為 R3R/R1（R3+R）；當程序為A=1、B=1(開關A、B均閉合)，放大倍數(shù)為R2R3R/R1（R2 R3+R3 R +R R2）。因此可編程增益放大電路的增益是通過數(shù)字邏輯電路由確定的程序來控制。+NRUoUiBAR1R2R3圖X2-22-15 請根據(jù)圖2-22b，畫出可獲得1、10、100十進制增益的電路原理圖。 由圖X2-3可得：當開關A閉合時，Uo=Ui；當開關B閉合時，Uo=10Ui，當開關C閉合時，Uo=100Ui。CR+NUoBAUi9R90R圖X2-32-16 根據(jù)圖2-22c和式（2-32），若采用6個電阻，請畫出電路原理圖，并計算電阻網絡各電阻的阻值。 N=6 :

23、 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,Uo+N5路摸擬開關RR/5R3RUi3R/10R/2取R1=R，則R6=3R，R5=R，R4=R/2，R3=3R/10，R2=R/5，R1=R。見圖X2-4。圖X2-42-17 什么是隔離放大電路？應用于何種場合？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

24、器和某些測控系統(tǒng)（如生物醫(yī)學人體測量、自動化試驗設備、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。2-18 試分析圖2-31b電路中的限幅電路是如何工作的？并寫出o的計算公式。當輸入過載時，即輸入正向（或反向）電壓突然很大時，低漂移斬波穩(wěn)零運算放大器235L輸出飽和電平，限幅電路的正向（或反向）二極管導通，使放大器的增益減小，輸出從飽和狀態(tài)迅速恢復。運算放大器235L 的輸出為U1=（R3+R4）R2Ui/（R4R1）=1000Ui, AD277隔離放大器的電壓放大倍數(shù)約為196.078，所以o=196.078（R3+R4）RUi/（R4 R1）=196078 Ui

25、。雄：U1=（R3+R2+ R3 R2/ R4）Ui/R1，196.078何處來2-19 請推導圖2-34c電路的最大輸出幅值，最大輸出功率以及最大效率。由圖可知，電路的交流負載線與直流負載線重合，取其中點為工作點，因此電路的最大不失真輸出幅值近似為Ec/2, 最大輸出功率Pom= Ec2/(8RL), 最大效率=Pom/ Ec2/（2RL）=1/4=25% 。2-20 簡述乙類互補對稱功率放大電路的輸出波形出現(xiàn)交越失真的原因，并用波形圖說明甲乙類互補對稱功率放大電路是如何消除上述交越失真的。 乙類互補對稱功率放大電路在靜態(tài)時兩功率三極管的發(fā)射結均處于零偏狀態(tài)，工作點很低，三極管輸入特性又是非

26、線性的，因此當輸入信號比較小時，在過零點附近將有一段交越失真。甲乙類互補對稱功率放大電路，能保證輸入信號為零時兩功率三極管有一定的靜態(tài)電流，且靜態(tài)電流相等，如圖X2-5，當信號輸入時，輸出為兩功率三極管電流的疊加，無交越失真。IcIcUbE2ic1UbE1ic2QQtOioX 2-52-21 試述在功率放大電路中采用復合晶體管的原因。并畫出PNP、NPN各兩種復合晶體管圖。在互補電路中，若要求其輸出功率較大時，輸出功率管要采用中功率管或大功率管。但是，要使兩個互補功率管性能一致，這對大功率管來說，很難選配。若采用復合晶體管，其導電特性取決于第一只晶體管，且總的電流放大倍數(shù)等于兩個晶體管各自的電

27、流放大倍數(shù)的乘積，因此，能在一個信號作用下使同極性的兩輸出晶體管能交替導通，也可采用較易選配的小功率晶體管作為互補輸出晶體管，而利用復合晶體管來得到較大的輸出功率。PNP復合晶體管NPN復合晶體管ebcebcebcebc圖X2-62-22試求圖2-36b所示OCL電路，靜態(tài)時流過負載RL的電流？若輸出波形有交越失真，應調整哪個電阻可加以消除？若Rc1，R1或R2中有一個元件開路，將產生什么后果？圖示電路，靜態(tài)時兩功率三極管因發(fā)射結有偏置電壓，所以有靜態(tài)電流流過，但由于兩功率三極管的特性一致，靜態(tài)電流相等，因此靜態(tài)時流過負載RL的電流為零。若輸出波形有交越失真，應調整R2電阻可加以消除。若Rc1

28、電阻開路，那么電路在小信號輸入時其輸出波形將有交越失真；若R1或R2中有一個電阻開路，那么電路將不構成互補對稱功率放大電路，電路無法正常工作。第三章 信號調制解調電路3-1 什么是信號調制？在測控系統(tǒng)中為什么要采用信號調制？什么是解調？在測控系統(tǒng)中常用的調制方法有哪幾種？在精密測量中，進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。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，這就是調制的主要功用。調制就是用一個信號（稱為調制信號）去控制另一作為載體的信號（稱為載波信號），讓后者的某

29、一特征參數(shù)按前者變化。在將測量信號調制，并將它和噪聲分離，放大等處理后，還要從已經調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。在信號調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)進行調制，分別稱為調幅、調頻和調相。也可以用脈沖信號作載波信號。可以對脈沖信號的不同特征參數(shù)作調制，最常用的是對脈沖的寬度進行調制，稱為脈沖調寬。3-2 什么是調制信號？什么是載波信號？什么是已調信號？調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

30、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)的信號稱調制信號。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制信號。經過調制的載波信號叫已調信號。3-3 什么是調幅？請寫出調幅信號的數(shù)學表達式，并畫出它的波形。調幅就是用調制信號x去控制高頻載波信號的幅值。常用的是線性調幅，即讓調幅信號的幅值按調制信號x線性函數(shù)變化。調幅信號的一般表達式可寫為： 式中 載波信號的角頻率； 調幅信號中載波信號的幅度； m調制度。圖X3-1繪出了這種調幅信號的波形。c)a)b)tuxOtOucusOt圖X3-1 雙邊帶調幅信號a) 調制信號 b) 載波信號 c) 雙邊帶調幅信號3-4 什么是調頻

31、？請寫出調頻信號的數(shù)學表達式，并畫出它的波形。調頻就是用調制信號x去控制高頻載波信號的頻率。常用的是線性調頻，即讓調頻信號的頻率按調制信號x的線性函數(shù)變化。調頻信號us的一般表達式可寫為： 式中 載波信號的角頻率； 調頻信號中載波信號的幅度； m 調制度。 圖X3-2繪出了這種調頻信號的波形。圖a為調制信號x的波形,它可以按任意規(guī)律變化; 圖b為調頻信號的波形,它的頻率隨x變化。若x=Xmcost，則調頻信號的頻率可在范圍內變化。為了避免發(fā)生頻率混疊現(xiàn)象，并便于解調，要求。xtOOtusa)b)圖X3-2 調頻信號的波形a) 調制信號 b) 調頻信號3-5 什么是調相？請寫出調相信號的數(shù)學表達

32、式，并畫出它的波形。調相就是用調制信號x去控制高頻載波信號的相位。常用的是線性調相，即讓調相信號的相位按調制信號x的線性函數(shù)變化。調相信號us的一般表達式可寫為： 式中 載波信號的角頻率； 調相信號中載波信號的幅度； m 調制度。圖X3-3繪出了這種調相信號的波形。圖a為調制信號x的波形，它可以按任意規(guī)律變化；圖b為載波信號的波形，圖c為調相信號的波形，調相信號與載波信號的相位差隨x變化。當時，調相信號滯后于載波信號。時，則超前于載波信號。ttta)b)c)xucusooo圖X3-3 調相信號的波形a) 調制信號 b) 載波信號 c) 調相信號3-6 什么是脈沖調寬？請寫出脈沖調寬信號的數(shù)學表

33、達式，并畫出它的波形。脈沖調制是指用脈沖作為載波信號的調制方法。在脈沖調制中具有廣泛應用的一種方式是脈沖調寬。脈沖調寬的數(shù)學表達式為： (3-23)式中b為常量，m為調制度。脈沖的寬度為調制信號x的線性函數(shù)。它的波形見圖X3-4，圖a為調制信號x的波形，圖b為脈沖調寬信號的波形。圖中T為脈沖周期，它等于載波頻率的倒數(shù)。xBtta)b)xT圖X3-4 脈沖調寬信號的波形a) 調制信號波形 b) 調寬信號波形3-7 為什么說信號調制有利于提高測控系統(tǒng)的信噪比，有利于提高它的抗干擾能力？它的作用通過哪些方面體現(xiàn)？在精密測量中，進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

34、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。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，這就是調制的主要功用。在將測量信號調制，并將它和噪聲分離，再經放大等處理后，還要從已經調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。 通過調制，對測量信號賦以一定的特征，使已調信號的頻帶在以載波信號頻率為中心的很窄的范圍內，而噪聲含有各種頻率，即近乎于白噪聲。這時可以利用選頻放大器、濾波器等，只讓以載波頻率為中心的一個很窄的頻帶內的信號通過，就可以有效地抑制噪聲。采用載波頻率作為參考信號進行比較，也可抑制遠離參考頻率的各種噪聲。3-8 為什么在測控系統(tǒng)

35、中常常在傳感器中進行信號調制？為了提高測量信號抗干擾能力，常要求從信號一形成就已經是已調信號，因此常常在傳感器中進行調制。3-9 請舉若干實例，說明在傳感器中進行幅值、頻率、相位、脈寬調制的方法。圖X3-5為通過交流供電實現(xiàn)幅值調制的一例。這里用4個應變片測量梁的變形，并由此確定作用在梁上的力F的大小。4個應變片接入電橋，并采用交流電壓U供電。設4個應變片在沒有應力作用的情況下它們的阻值R1=R2=R3=R4=R，電橋的輸出實現(xiàn)了載波信號U與測量信號的相乘，即幅值調制。lR1 R3R2 R4FR1R2U0UR3R4h圖X3-5 應變式傳感器輸出信號的調制421TNS3圖X3-6是在傳感器中進行

36、頻率調制的例子。這是一個測量力或壓力的振弦式傳感器，振弦3的一端與支承4相連，另一端與膜片1相連接，振弦3的固有頻率隨張力T變化。振弦3在磁鐵2形成的磁場內振動時產生感應電勢，其輸出為調頻信號。圖X3-6 振弦式傳感器 圖X3-7是在傳感器中進行相位調制的例子。在彈性軸1上裝有兩個相同的齒輪2與5。齒輪2以恒速與軸1一起轉動時，在感應式傳感器3和4中產生感應電勢。由于扭矩M的作用，使軸1產生扭轉，使傳感器4中產生的感應電勢為一調相信號，它和傳感器3中產生的感應電勢的相位差與扭矩M成正比。13245M圖X3-7 感應式扭矩傳感器1243567910118M圖X3-8是在傳感器中進行脈沖寬度調制的

37、例子。由激光器4發(fā)出的光束經反射鏡5與6反射后，照到掃描棱鏡2的表面。棱鏡2由電動機3帶動連續(xù)回轉，它使由棱鏡2表面反射返回的光束方向不斷變化，掃描角為棱鏡2中心角的2倍。透鏡1將這一掃描光束變成一組平行光，對工件8進行掃描。這一平行光束經透鏡10匯聚，由光電元件11接收。7和9為保護玻璃，使光學系統(tǒng)免受污染。當光束掃過工件時，它被工件擋住，沒有光線照到光電元件11上，對應于“暗”的信號寬度與被測工件8的直徑成正比，即脈沖寬度受工件直徑調制。1243567910118M圖X3-8 用激光掃描的方法測量工件直徑3-10 在電路進行幅值、頻率、相位、脈寬調制的基本原理是什么？ 在電路進行調制的基本

38、原理是用測量信號ux去控制（改變）載波信號幅值、頻率、相位或脈寬，就可以實現(xiàn)調制只要用乘法器將測量信號（調制信號）ux 與載波信號uc相乘，就可以實現(xiàn)調幅。用調制信號去控制產生載波信號的振蕩器頻率，就可以實現(xiàn)調頻。用調制信號與鋸齒波載波信號進行比較，當它們的值相等時電壓比較器發(fā)生跳變，電壓比較器的輸出就是調相信號。利用調制信號去改變方波發(fā)生器的脈寬就可以實現(xiàn)脈寬調制。3-11 什么是雙邊帶調幅？請寫出其數(shù)學表達式，畫出它的波形?？梢约僭O調制信號x為角頻率為的余弦信號x=Xmcost，當調制信號x不符合余弦規(guī)律時，可以將它分解為一些不同頻率的余弦信號之和。在信號調制中必須要求載波信號的頻率遠高于

39、調制信號的變化頻率。由式（3-1）調幅信號可寫為：它包含三個不同頻率的信號: 角頻率為的載波信號Umcosct和角頻率分別為c±的上下邊頻信號。載波信號中不含調制信號，即不含被測量x的信息，因此可以取Um=0，即只保留兩個邊頻信號。這種調制稱為雙邊帶調制，對于雙邊帶調制tuxOtOucusOta) b)c) 雙邊帶調制的調幅信號波形見圖X3-9。圖a為調制信號，圖b為載波信號，圖c為雙邊帶調幅信號。圖X3-9 雙邊帶調幅信號a) 調制信號 b) 載波信號 c) 雙邊帶調幅信號3-12 在測控系統(tǒng)中被測信號的變化頻率為0100Hz，應當怎樣選取載波信號的頻率？應當怎樣選取調幅信號放大器

40、的通頻帶？信號解調后，怎樣選取濾波器的通頻帶？為了正確進行信號調制必須要求c>>，通常至少要求c>10。在這種情況下，解調時濾波器能較好地將調制信號與載波信號分開，檢出調制信號。若被測信號的變化頻率為0100Hz，應要求載波信號的頻率c>1000 Hz。調幅信號放大器的通頻帶應為9001100 Hz。信號解調后，濾波器的通頻帶應>100 Hz，即讓0100Hz的信號順利通過，而將900 Hz以上的信號抑制，可選通頻帶為200 Hz。3-13 什么是包絡檢波？試述包絡檢波的基本工作原理。從已調信號中檢出調制信號的過程稱為解調或檢波。幅值調制就是讓已調信號的幅值隨調制

41、信號的值變化，因此調幅信號的包絡線形狀與調制信號一致。只要能檢出調幅信號的包絡線即能實現(xiàn)解調。這種方法稱為包絡檢波。從圖X3-10中可以看到，只要從圖a所示的調幅信號中，截去它的下半部，即可獲得圖b所示半波檢波后的信號 (經全波檢波也可)，再經低通濾波，濾除高頻信號，即可獲得所需調制信號，實現(xiàn)解調。包絡檢波就是建立在整流的原理基礎上的。usuo'OOtta)b)圖X3-10 包絡檢波的工作原理a) 調幅信號 b) 半波檢波后的信號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系，并說明其阻值關系。二極管和晶體

42、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)射結電壓超過一定值時才導通，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。而在精密測量與控制中，則有較嚴格的要求。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成的精密檢波電路。在調幅波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導通、V2截止，A點接近于虛地，ua0。在us的負半周，有ua輸出。若集成運算放大器的輸入阻抗遠大于R2，則i- i1 。按圖上所標注的極性，可寫出

43、下列方程組： 其中Kd為N1的開環(huán)放大倍數(shù)。解以上聯(lián)立方程組得到通常，N1的開環(huán)放大倍數(shù)Kd很大，這時上式可簡化為：或 二極管的死區(qū)和非線性不影響檢波輸出。 圖3-11b中加入V1反饋回路一是為了防止在us的正半周期因V2截止而使運放處于開環(huán)狀態(tài)而進入飽和，另一方面也使us在兩個半周期負載基本對稱。圖中N2與R3、R4、C等構成低通濾波器。對于低頻信號電容C接近開路，濾波器的增益為-R4/R3。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。 為了構成全波精密檢波電路需要將us通過與ua相加，

44、圖3-11b中N2組成相加放大器，為了實現(xiàn)全波精密檢波必須要求。在不加電容器C時，N2的輸出為：tuouausttoooa)c)b)圖X3-11a為輸入調幅信號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。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制信號相位的檢波電路。包絡檢波有兩個問題：一是解調的主要過程是對調幅信號進行半波或全波整流，無法從檢波器的輸出鑒別調制信號的相位。如在圖1-3所示用電感傳感

45、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°。從包絡檢波電路的輸出無法確定磁芯向上或向下移動。第二，包絡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，以恢復調制信號，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。3-16 相敏檢波電路與包絡檢波電路在功能、性能與在電路構成上最主要的區(qū)別是什么？ 相敏檢波電路與包絡檢波電路在功能上的主要的區(qū)別是相敏檢波電路能夠鑒別調制信號相位，從而判別被測量變化的方向

46、、在性能上最主要的區(qū)別是相敏檢波電路具有判別信號相位和頻率的能力，從而提高測控系統(tǒng)的抗干擾能力。從電路結構上看，相敏檢波電路的主要特點是，除了所需解調的調幅信號外，還要輸入一個參考信號。有了參考信號就可以用它來鑒別輸入信號的相位和頻率。參考信號應與所需解調的調幅信號具有同樣的頻率，采用載波信號作參考信號就能滿足這一條件。3-17 從相敏檢波器的工作機理說明為什么相敏檢波器與調幅電路在結構上有許多相似之處？它們又有哪些區(qū)別？只要將輸入的調制信號乘以幅值為1的載波信號就可以得到雙邊頻調幅信號。若將再乘以，就得到利用低通濾波器濾除頻率為和的高頻信號后就得到調制信號，只是乘上了系數(shù)1/2。這就是說，將

47、調制信號ux乘以幅值為1的載波信號就可以得到雙邊頻調幅信號us，將雙邊頻調幅信號us再乘以載波信號，經低通濾波后就可以得到調制信號ux。這就是相敏檢波電路在結構上與調制電路相似的原因。相敏檢波器與調幅電路在結構上的主要區(qū)別是調幅電路實現(xiàn)低頻調制信號與高頻載波信號相乘，輸出為高頻調幅信號；而相敏檢波器實現(xiàn)高頻調幅信號與高頻載波信號相乘，經濾波后輸出低頻解調信號。這使它們的輸入、輸出耦合回路與濾波器的結構和參數(shù)不同。3-18 試述圖3-17開關式全波相敏檢波電路工作原理，電路中哪些電阻的阻值必須滿足一定的匹配關系？并說明其阻值關系。圖a中，在Uc=1的半周期，同相輸入端被接地，us只從反相輸入端輸

48、入，放大器的放大倍數(shù)為-1，輸出信號uo如圖c和圖d中實線所示。在Uc=0的半周期，V截止，us同時從同相輸入端和反相輸入端輸入，放大器的放大倍數(shù)為+1，輸出信號uo如圖c和圖d中虛線所示。 圖b中，取R1= R2= R3= R4= R5= R6/2。在Uc=1的半周期，V1導通、V2截止，同相輸入端被接地，us從反相輸入端輸入，放大倍數(shù)為。在Uc=0的半周期，V1截止、V2導通，反相輸入端通過R3接地，us從同相輸入端輸入，放大倍數(shù)為。效果與圖a相同，實現(xiàn)了全波相敏檢波。R1= R2= R3= R4= R5= R6/2是阻值必須滿足的匹配關系。3-19 什么是相敏檢波電路的鑒相特性與選頻特性

49、？為什么對于相位稱為鑒相，而對于頻率稱為選頻？相敏檢波電路的選頻特性是指它對不同頻率的輸入信號有不同的傳遞特性。以參考信號為基波，所有偶次諧波在載波信號的一個周期內平均輸出為零，即它有抑制偶次諧波的功能。對于n=1,3,5等各次諧波，輸出信號的幅值相應衰減為基波的1/ n等，即信號的傳遞系數(shù)隨諧波次數(shù)增高而衰減，對高次諧波有一定抑制作用。對于頻率不是參考信號整數(shù)倍的輸入信號，只要二者頻率不太接近，由于輸入信號與參考信號間的相位差不斷變化，在一段時間內的平均輸出接近為零，即得到衰減。如果輸入信號us為與參考信號uc(或Uc)同頻信號，但有一定相位差，這時輸出電壓，即輸出信號隨相位差的余弦而變化。

50、由于在輸入信號與參考信號同頻，但有一定相位差時，輸出信號的大小與相位差有確定的函數(shù)關系，可以根據(jù)輸出信號的大小確定相位差的值，相敏檢波電路的這一特性稱為鑒相特性。而在輸入信號與參考信號不同頻情況下，輸出信號與輸入信號間無確定的函數(shù)關系，不能根據(jù)輸出信號的大小確定輸入信號的頻率。只是對不同頻率的輸入信號有不同的傳遞關系，這種特性稱為選頻特性。3-20 舉例說明相敏檢波電路在測控系統(tǒng)中的應用。圖3-25所示電感測微儀電路中采用相敏檢波器作它的解調電路，相敏檢波器的輸出指示電感傳感器測桿的偏移量。圖3-26所示光電顯微鏡中，利用相敏檢波器的選頻特性，當光電顯微鏡瞄準被測刻線時，光電信號中不含參考信號

51、的基波頻率和奇次諧波信號，相敏檢波電路輸出為零，確定顯微鏡的瞄準狀態(tài)。3-21 試述圖3-34所示雙失諧回路鑒頻電路的工作原理，工作點應怎么選?。績蓚€調諧回路的固有頻率f01、 f02 分別比載波頻率fc高和低f0。隨著輸入信號us的頻率變化，回路1的輸出us1和回路2的輸出us2如圖3-34d和e所示?；芈?的輸出靈敏度，即單位頻率變化引起的輸出信號幅值變化隨著頻率升高而增大，而回路2的輸出靈敏度隨著頻率升高而減小?？傒敵鰹槎呓^對值之和，采用雙失諧回路鑒頻電路不僅使輸出靈敏度提高一倍，而且使線性得到改善。圖a中二極管V1、V2用作包絡檢波，電容C1、C2用于濾除高頻載波信號。RL為負載電阻

52、。濾波后的輸出如圖f所示。工作點應選在圖b中回路1和回路2幅頻特性線性段中點，也即斜率最大、線性最好的點上。3-22 圖3-37所示比例鑒頻電路與圖3-35所示相位鑒頻電路主要的區(qū)別在哪里？在這兩個電路中相敏檢波電路的參考電壓與信號電壓間的相位差是怎樣形成的？其輸出與輸入信號的頻率有什么樣的關系？圖3-37所示比例鑒頻的電路和圖3-35所示相位鑒頻電路的主要區(qū)別是在ab兩點上并一個大電容C5，它的功用是抑制寄生調幅，即減小輸入信號us和U1的幅值對輸出信號的影響。它對寄生調幅呈惰性，即在輸入信號幅值變化情況下保持E0為常值。當U1、U2的幅值增大時，通過二極管V1、V2向電容C3、C4、C5的

53、充電電流增大。由于C5 >>C3、C5>>C4，增加的充電電流絕大部分流入C5，使U3、U4基本保持不變。同時，二極管V1、V2的導通角增大（參看圖3-10），它導致二次側的電流消耗增大、品質因數(shù)下降；二次側的電流消耗增大又反映到一次側，使放大器的放大倍數(shù)減小，從而使U1、U2的幅值趨向穩(wěn)定。另一方面的下降又導致廣義失調量減小，使輸出uo減小。正是由于這種負反饋作用，使比例鑒頻電路有抑制寄生調幅的能力，輸出信號uo基本不受輸入信號幅值變化的影響。在這兩個電路中，調頻信號us經放大后分兩路加到相位鑒頻電路。一路經耦合電容C0加到扼流圈L3上，作為參考信號；另一路經互感M耦

54、合到諧振回路L2、C2上，作為輸入信號。隨著調頻信號us的瞬時頻率變化，這路信號相位差不同，相敏檢波電路檢出它們的相位差，從而檢出調頻信號us的瞬時頻率變化，實現(xiàn)解調。3-23 在用數(shù)字式頻率計實現(xiàn)調頻信號的解調中，為什么采用測量周期的方法，而不用測量頻率的方法？采用測量周期的方法又有什么不足？ 測量頻率有兩種方法：一種是測量在某一時段內（例如1秒或0.1秒內）信號變化的周期數(shù)，即測量頻率的方法。這種方法測量的是這一時段內的平均頻率，難以用于測量信號的瞬時頻率，從而難以用于調頻信號的解調；另一種方法基于測量信號的周期，根據(jù)在信號的一個周期內進入計數(shù)器的高頻時鐘脈沖數(shù)即可測得信號的周期，從而確定它的頻率。后一種方法可用于調頻信號的解調。它的缺點是進入計數(shù)器的脈沖數(shù)代表信號周期，它與頻率間的轉換關系是非線性的。3-24 為什么圖3-31所示電路實現(xiàn)的是調頻，而圖3-53所示電路實現(xiàn)的是脈沖調寬，它們的關鍵區(qū)別在哪里？圖3-31中，在兩個半周期是通過同一電阻通道R+Rw向電容C充電，兩半周期充電時間常數(shù)相同，從而輸出占空比為1: 1的方波信號。當R或C改變時，振蕩器的頻率發(fā)生變化，實現(xiàn)調頻。圖3-53中，在兩個半周期通過不同的電阻通道向電容充電，兩半周期充電時間常數(shù)不同，從而輸出信號的占空比也隨兩支充電回路的阻值而變化。圖中R1、R2