測(cè)控電路課后答案(張國(guó)雄_第四版)

1、第一章緒論1-1為什么說(shuō)在現(xiàn)代生產(chǎn)中提高產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率都離不開(kāi)測(cè)量與控制技術(shù)？為了獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品，必須要求機(jī)器按照給定的規(guī)程運(yùn)行 。 例如，為了加工出所需尺寸、形狀的高精度零件，機(jī)床的刀架與主 軸必須精確地按所要求的軌跡作相對(duì)運(yùn)動(dòng) 。為了煉出所需規(guī)格的鋼 材，除了嚴(yán)格按配方配料外，還必須嚴(yán)格控制爐溫、送風(fēng)、冶煉時(shí) 間等運(yùn)行規(guī)程。為了做到這些，必須對(duì)機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行精確檢 測(cè)，當(dāng)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(shí)，控制它， 使它按規(guī)定的要求運(yùn)行。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，除了對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的檢測(cè)與控制外，還必須 對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)。這一方面是為了把好產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)，另一方面也是 為了檢測(cè)機(jī)器與生產(chǎn)

2、過(guò)程的模型是否準(zhǔn)確 ，是否在按正確的模型對(duì) 機(jī)器與生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制，進(jìn)一步完善對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制。生產(chǎn)效率一方面與機(jī)器的運(yùn)行速度有關(guān)，另一方面取決于機(jī)器或生產(chǎn)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。為了使機(jī)器能在高速下可靠運(yùn)行，必須 要求機(jī)器本身的質(zhì)量高，其控制系統(tǒng)性能優(yōu)異。要做到這兩點(diǎn)，還 是離不開(kāi)測(cè)量與控制。產(chǎn)品的質(zhì)量離不開(kāi)測(cè)量與控制，生產(chǎn)自動(dòng)化同樣一點(diǎn)也離不開(kāi) 測(cè)量與控制。特別是當(dāng)今時(shí)代的自動(dòng)化已不是本世紀(jì)初主要靠凸輪、機(jī)械機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的剛性自動(dòng)化，而是以電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的柔 性自動(dòng)化、自適應(yīng)控制與智能化。越是柔性的系統(tǒng)就越需要檢測(cè)。 沒(méi)有檢測(cè)，機(jī)器和生產(chǎn)系統(tǒng)就不可能按正確的規(guī)程自動(dòng)運(yùn)行。自適應(yīng)控制就是要使機(jī)

3、器和系統(tǒng)能自動(dòng)地去適應(yīng)變化了的內(nèi)外部環(huán)境與 條件，按最佳的方案運(yùn)行，這里首先需要的是對(duì)外部環(huán)境條件的檢 測(cè)，檢測(cè)是控制的基礎(chǔ)。智能化是能在復(fù)雜的、變化的環(huán)境條件下 自行決策的自動(dòng)化，決策的基礎(chǔ)是對(duì)內(nèi)部因素和外部環(huán)境條件的掌 握，它同樣離不開(kāi)檢測(cè)。1-2試從你熟悉的幾個(gè)例子說(shuō)明測(cè)量與控制技術(shù)在生產(chǎn)、生活與各種工作中的廣泛應(yīng)用。為了加工出所需尺寸、形狀的高精度零件，機(jī)床的刀架與主軸 必須精確地按所要求的軌跡作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。為了煉出所需規(guī)格的鋼材除了嚴(yán)格按配方配料外，還必須嚴(yán)格控制爐溫、送風(fēng)、冶煉時(shí)間等 運(yùn)行規(guī)程。為了做到這些，必須對(duì)機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行精確檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)它偏離規(guī)定要求，或有偏離規(guī)定要求的傾

4、向時(shí)，控制它，使 它按規(guī)定的要求運(yùn)行計(jì)算機(jī)的發(fā)展首先取決于大規(guī)模集成電路制作的進(jìn)步。在一塊芯片上能集成多少個(gè)元件取決于光刻工藝能制作出多精細(xì)的圖案，而這依賴(lài)于光刻的精確重復(fù)定位，依賴(lài)于定位系統(tǒng)的精密測(cè)量與控 制。航天發(fā)射與飛行，都需要靠精密測(cè)量與控制保證它們軌道的準(zhǔn) 確性。一部現(xiàn)代的汽車(chē)往往裝有幾十個(gè)不同傳感器，對(duì)點(diǎn)火時(shí)間、燃 油噴射、空氣燃料比、防滑、防碰撞等進(jìn)行控制。微波爐、照相機(jī)、 復(fù)印機(jī)等中也都裝有不同數(shù)量的傳感器 ，通過(guò)測(cè)量與控制使其能圓 滿(mǎn)地完成規(guī)定的功能。1-3測(cè)控電路在整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)中起著什么樣的作用 ？傳感器的輸出信號(hào)一般很微弱，還可能伴隨著各種噪聲，需要 用測(cè)控電路將它放大，

5、剔除噪聲、選取有用信號(hào)，按照測(cè)量與控制 功能的要求，進(jìn)行所需演算、處理與變換，輸出能控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng) 作的信號(hào)。在整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)中，電路是最靈活的部分，它具有便于 放大、便于轉(zhuǎn)換、便于傳輸、便于適應(yīng)各種使用要求的特點(diǎn)。測(cè)控 電路在整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)中起著十分關(guān)鍵的作用，測(cè)控系統(tǒng)、乃至整個(gè) 機(jī)器和生產(chǎn)系統(tǒng)的性能在很大程度是取決于測(cè)控電路。1-4影響測(cè)控電路精度的主要因素有哪些，而其中哪幾個(gè)因素又是最基本的，需要特別注意？影響測(cè)控電路精度的主要因素有：（1）噪聲與干擾；（2）失調(diào)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(diào)與漂移（含溫漂）是最主要的，需要特 別注

6、意。1-5為什么說(shuō)測(cè)控電路是測(cè)控系統(tǒng)中最靈活的環(huán)節(jié)，它體現(xiàn)在哪些方面？為了適應(yīng)在各種情況下測(cè)量與控制的需要，要求測(cè)控系統(tǒng)具有 選取所需的信號(hào)、靈活地進(jìn)行各種變換和對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種處理與運(yùn) 算的能力，這些工作通常由測(cè)控電路完成。它包括：（1）模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)模轉(zhuǎn)換；（2）直流與交流、電壓與電流信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。幅值、相位、 頻率與脈寬信號(hào)等之間的轉(zhuǎn)換；（3）量程的變換；(4) 選取所需的信號(hào)的能力，信號(hào)與噪聲的分離，不同頻率 信號(hào)的分離等；(5) 對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理與運(yùn)算，如求平均值、差值、峰值、絕 對(duì)值，求導(dǎo)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(cè)量電路的輸入信號(hào)類(lèi)型對(duì)其電路組成有何影響

7、？試述模擬式測(cè)量電路與增量碼數(shù)字式測(cè)量電路的基本組成及各組成部分的 作用。隨著傳感器類(lèi)型的不同，輸入信號(hào)的類(lèi)型也隨之而異。主要可 分為模擬式信號(hào)與數(shù)字式信號(hào)。隨著輸入信號(hào)的不同，測(cè)量電路的 組成也不同。圖X1-1是模擬式測(cè)量電路的基本組成。傳感器包括它的基本 轉(zhuǎn)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(cè)量的不同，可進(jìn)行相應(yīng)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(gè)組成部分不一定都需要。例如，對(duì)于輸 出非調(diào)制信號(hào)的傳感器，就無(wú)需用振蕩器向它供電，也不用解調(diào)器 在采用信號(hào)調(diào)制的場(chǎng)合，信號(hào)調(diào)制與解調(diào)用同一振蕩器輸出的信號(hào) 作載波信號(hào)或參考信號(hào)。利用信號(hào)分離電路(

8、常為濾波器)，將信 號(hào)與噪聲分離，將不同成分的信號(hào)分離，取出所需信號(hào)。有的被測(cè) 參數(shù)比較復(fù)雜，或者為了控制目的，還需要進(jìn)行運(yùn)算。對(duì)于典型的 模擬式電路，無(wú)需模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和計(jì)算機(jī)，而直接通過(guò)顯示執(zhí)行機(jī) 構(gòu)輸出，因此圖中將模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和計(jì)算機(jī)畫(huà)在虛線框內(nèi)。越來(lái)越 多的模擬信號(hào)測(cè)量電路輸出數(shù)字信號(hào)，這時(shí)需要模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。在 需要較復(fù)雜的數(shù)字和邏輯運(yùn)算、或較大量的信息存儲(chǔ)情況下，采用 計(jì)算機(jī)。圖 X1-1增量碼數(shù)字式測(cè)量電路的基本組成見(jiàn)圖 X1-2。一般來(lái)說(shuō)增量碼 傳感器輸出的周期信號(hào)也是比較微小的，需要首先將信號(hào)放大。傳 感器輸出信號(hào)一個(gè)周期所對(duì)應(yīng)的被測(cè)量值往往不夠小，為了提高分 辨力，需要進(jìn)行內(nèi)插

9、細(xì)分。可以對(duì)交變信號(hào)直接處理進(jìn)行細(xì)分，也 可能需先將它整形成為方波后再進(jìn)行細(xì)分。在有的情況下，增量碼放大器傳感器整形電路細(xì)分電路變換電路 脈沖當(dāng)量計(jì)數(shù)器鎖存器計(jì)算機(jī)顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)J1111!鎖貝辨向電路:存1h指令傳感器:令11.1圖X1-2手動(dòng)采樣一個(gè)周期所對(duì)應(yīng)的量不是一個(gè)便于讀出的量 （例如，在激光干涉儀 中反射鏡移動(dòng)半個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)變化一個(gè)周期 ），需要對(duì)脈沖當(dāng)量進(jìn)行 變換。被測(cè)量增大或減小，增量碼都作周期變化，需要采用適當(dāng)?shù)?方法辨別被測(cè)量變化的方向，辨向電路按辨向結(jié)果控制計(jì)數(shù)器作加 法或減法計(jì)數(shù)。在有的情況下辨向電路還同時(shí)控制細(xì)分與脈沖當(dāng)量 變換電路作加或減運(yùn)行。采樣指令到來(lái)時(shí)，將計(jì)數(shù)器所

10、計(jì)的數(shù)送入 鎖存器，顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)顯示該狀態(tài)下被測(cè)量量值，或按測(cè)量值執(zhí)行 相應(yīng)動(dòng)作。在需要較復(fù)雜的數(shù)字和邏輯運(yùn)算、或較大量的信息存儲(chǔ)情況下，采用計(jì)算機(jī)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(kāi)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(huì)有擾動(dòng)因素作用在被控對(duì)象上，引起輸出的變化。利 用傳感器對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)測(cè)量電路在設(shè)定上引入一定修正，可在一定程度上減小擾動(dòng)的影響，但是這種控制方式同樣不能達(dá)到 很高的精度。一是對(duì)擾動(dòng)的測(cè)量誤差影響控制精度 。二是擾動(dòng)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)的的基本組成見(jiàn)

11、圖 X1-3。它的主要特點(diǎn)是用傳感 器直接測(cè)量輸出量，將它反饋到輸入端與設(shè)定值相比較，當(dāng)發(fā)現(xiàn)它 們之間有差異時(shí)，進(jìn)行調(diào)節(jié)。這里系統(tǒng)和擾動(dòng)的傳遞函數(shù)對(duì)輸出基 本沒(méi)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(hào)與設(shè)定信號(hào)之差不直接送到放大電 路，而先經(jīng)過(guò)一個(gè)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(shí)間，為了提高響應(yīng)速度常引入微分環(huán)節(jié)。另外，當(dāng) 輸出量在擾動(dòng)影響下作周期變化時(shí)，由于控制作用的滯后，可能產(chǎn) 生振蕩。為了防止振蕩，需要引入適當(dāng)?shù)姆e分環(huán)節(jié)。在實(shí)際電路中， 往往比較電路的輸出先經(jīng)放大再送入校正電路，然后再次放大。圖X1-3為原理性構(gòu)成。

12、圖X1-3閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成第二章信號(hào)放大電路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(chēng)為測(cè)量放大電路 ，亦稱(chēng)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圖2-2a所示斬波穩(wěn)零放大電路中，為什么采用高、低頻兩個(gè)通 道，即R3、C3組成的高頻通道和調(diào)制、解調(diào)、交流放大器組成

13、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(nèi)工作，而采用低頻通道則能對(duì)微弱的直流或緩慢變化的信號(hào)進(jìn)行 低漂移和高精度的放大。2-3請(qǐng)參照?qǐng)D2-3，根據(jù)手冊(cè)中LF347和CD4066的連接圖（即引 腳圖），將集成運(yùn)算放大器LF347和集成模擬開(kāi)關(guān)CD4066接成 自動(dòng)調(diào)零放大電路。LF347和CD4066接成的自動(dòng)調(diào)零放大電路如圖 X2-1。圖 X2-1O1TXV2-4什么是CAZ運(yùn)算放大器？它與自動(dòng)調(diào)零放大電路的主要區(qū)別是 什么？何種場(chǎng)合下采用較為合適？CAZ運(yùn)算放大器是輪換自動(dòng)校零集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)稱(chēng)，它通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)的切換，使內(nèi)部?jī)蓚€(gè)性能一致的運(yùn)算放大器交替地工作 在

14、信號(hào)放大和自動(dòng)校零兩種不同的狀態(tài) 。它與自動(dòng)調(diào)零放大電路的 主要區(qū)別是由于兩個(gè)放大器輪換工作，因此始終保持有一個(gè)運(yùn)算放 大器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大并輸出，輸出穩(wěn)定無(wú)波動(dòng)，性能優(yōu)于由通 用集成運(yùn)算放大器組成的自動(dòng)調(diào)零放大電路，但是電路成本較高，且對(duì)共模電壓無(wú)抑制作用。應(yīng)用于傳感器輸出信號(hào)極為微弱，輸出 要求穩(wěn)定、漂移極低，對(duì)共模電壓抑制要求不高的場(chǎng)合。2-5請(qǐng)說(shuō)明ICL7650斬波穩(wěn)零集成運(yùn)算放大器是如何提高其共模抑 制比的？ICL7650 的輸出 U。=（K& 心）5 KQ。KQ （見(jiàn)式 2-6）,其 共模信號(hào)誤差項(xiàng)KciUc相當(dāng)于輸入端的共模誤差電壓 Uc；即K K1 K2 K1K2 K

15、2CMRR1 CMRR式中K1、Kc1分別為運(yùn)算放大器N1的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)和開(kāi)環(huán)共模放大 倍數(shù)；K1 '為運(yùn)算放大器N1由側(cè)向端A1輸入時(shí)的放大倍數(shù)；K2為運(yùn) 算放大器N2的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)。設(shè)計(jì)中可使KJ -K1, K2>>1 ,所以 CMRR二K2CMRR1 ,因此整個(gè)集成運(yùn)算放大器的共模抑制比 CMRR比 運(yùn)算放大器N1的共模抑制比CMRR （般可達(dá)80dB）提高了 K 倍。2-6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 出阻抗很高(如電容式，壓電式傳感器

16、的輸出阻抗可達(dá)108Q以上) 的測(cè)量放大電路中。圖2-7所示電路就是它的例子。2-7什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(chēng)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)量。2-8 圖2-8b所示電路，Ni、N2為理想運(yùn)算放大器， F=R2=Rl=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 Uoi = uii (1+R /Ri) = 2 Uii , Uo=Ui2(1+R /R3 ) Uii R4/R3 =2ui2 Uii=2(Ui2-Uii),所以其閉環(huán)電壓放大倍數(shù) Kf=2。2-9圖2

17、-9所示電路，Ni、N2、N3工作在理想狀態(tài)，Ri二R2=100k" , Rp=10k" , R3=R4=20k" , R5二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 Uo = ( Uo2 -Joi) R5 / R3 =3( Uo2 -Uoi ), Uoi = Uii (1 + Ri /Rp) Ji2 Ri /Rp = ii Uii , Uo2= Ui2(i+ R2/Rp) -Uii R2/Rp= 0Uii ,即 Uo=3 (-i0uii-iUii) = £3ui

18、i,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 , Uii的共 模電壓無(wú)法與Ui2的共模電壓相抵消。2-i0什么是有源屏蔽驅(qū)動(dòng)電路？應(yīng)用于何種場(chǎng)合？請(qǐng)舉例說(shuō)明之。將差動(dòng)式傳感器的兩個(gè)輸出經(jīng)兩個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成的同相 比例差動(dòng)放大后，使其輸入端的共模電壓i i地輸出，并通過(guò)輸 出端各自電阻(阻值相等)加到傳感器的兩個(gè)電纜屏蔽層上 ， 即兩個(gè)輸入電纜的屏蔽層由共模輸入電壓驅(qū)動(dòng)，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(qū)動(dòng)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(jīng)常使用于差動(dòng)式傳感器，如電容傳感

19、器、壓阻傳感器和電感傳感器等組成的高精度測(cè)控系統(tǒng)中。2-11何謂電橋放大電路？應(yīng)用于何種場(chǎng)合？由傳感器電橋和運(yùn)算放大器組成的放大電路或由傳感器和運(yùn)算放大器構(gòu)成的電橋都稱(chēng)為電橋放大電路。應(yīng)用于電參量式傳感器，如電感式、電阻應(yīng)變式、電容式傳感器等，經(jīng)常通過(guò)電橋轉(zhuǎn)換電路 輸出電壓或電流信號(hào)，并用運(yùn)算放大器作進(jìn)一步放大，或由傳感器 和運(yùn)算放大器直接構(gòu)成電橋放大電路，輸出放大了的電壓信號(hào)。2-12試推導(dǎo)圖2-12b所示電路uo的計(jì)算公式，并根據(jù)所推導(dǎo)的公 式說(shuō)明其特點(diǎn)。由圖2-12b所示電路可得電橋輸出電壓 u+ (即運(yùn)算放大器N 的同相端輸入電壓 )為：u+= uR/(2 R+ R)-uR/(2R)二

20、-u R/(4 R+2 R), 電路輸出電壓 u°=(1+R2/Ri)u+,所以 u。二- (1 + R2/Ri)u AR/(4 R+2 R),將傳感器電阻的相對(duì)變化率 5= R/R 代入，則得uo= -1 + R2/Ri)u 5 (4+2 5)可見(jiàn)，同相輸入電橋放大電路，其輸出u。的計(jì)算公式與式(2-22 )相同，只是輸出符號(hào)相反。其增益與橋臂電阻無(wú)關(guān)，增益 比較穩(wěn)定，但電橋電源一定要浮置，且輸出電壓u。與橋臂電阻的相 對(duì)變化率5是非線性關(guān)系，只有當(dāng)5<< 1時(shí)，uo與8才近似按線性變 化。2-13線性電橋放大電路中(見(jiàn)圖2-14 ),若u采用直流，其值U =10V,

21、R1= Rs= R= 120 Q,R= 0.24 Q時(shí)，試求輸出電壓 U。 如果要使失調(diào)電壓和失調(diào)電流各自引起的輸出小于1mV ,那么輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流應(yīng)為多少？由圖2-14電路的公式(式2-24 ):u。R1R1R3uos和輸入失調(diào)電流為Ios,當(dāng)輸出失調(diào)電壓小于1mV時(shí)，輸入失調(diào)電壓并將題設(shè)代入，可得U。二-JAR/(2R)=10mV。設(shè)輸入失調(diào)電壓為uos v (1 X103)/ (1+R2/R1)=0.5mV ;輸入失調(diào)電流為los< (1 燈03)/ R1 (1+ R2/RJ=4.17 叭2-14什么是可編程增益放大電路？請(qǐng)舉例說(shuō)明之。,這種放大電路的增益通過(guò)數(shù)字邏輯電

22、路由確定的程序來(lái)控制 電路稱(chēng)為可編程增益放大電路，亦稱(chēng)程控增益放大電路，簡(jiǎn)稱(chēng)PGA 例如圖X2-2 ,程序?yàn)锳=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/尺；當(dāng)程序?yàn)?A=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/Ri（ R2+R）；當(dāng)程序?yàn)锳=0（開(kāi)關(guān) A斷開(kāi)）、B=1（開(kāi)關(guān)B閉合），放大倍數(shù)為RR/Ri（R3+R）;當(dāng)程序?yàn)锳=1、B=1（開(kāi)關(guān)A、B均閉合）,放大倍數(shù)為R2RsR/ Ri （R2 R3+ R3 R + R R2）。因此可編程增益放大電路的增益是通過(guò)數(shù)字邏輯電路由確定的程序來(lái)控制。R2AR圖 X2-22-15請(qǐng)根據(jù)圖2-2

23、2b ,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=100UiR 9R 90RUo圖 X2-32-16根據(jù)圖2-22c和式(2-32 ),若采用6個(gè)電阻，請(qǐng)畫(huà)出電路原理圖，并計(jì)算電阻網(wǎng)絡(luò)各電阻的阻值。N =6 :R6 =R1+ R2+ R3+R4+R5,Rs+Rj=2(R1+ R2 + R3 + R4)Rs +R5 + R4=3 (R1 + R? + R3) ,R6 + Rs + R4+ R3=4(R1 + R2),Rs + Rs +R4+ R3+ R?=5 R1,取 Ri=R,貝S

24、 R6=3R, R5=R, R4=R/2 , Rs=3 R/10 , R2= R/5 , Ri二 R。_L見(jiàn)圖X2-4。2-17什么是隔離放大電路？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)。2-18試分析圖2-31b電路中的限幅電路是如何工作的？并寫(xiě)出U。 的計(jì)算公式。當(dāng)輸入過(guò)載時(shí)，即輸入正向(或反向)電壓突然很大時(shí)，低漂 移斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器 235L輸出飽和

25、電平，限幅電路的正向(或 反向)二極管導(dǎo)通，使放大器的增益減小，輸出從飽和狀態(tài)迅速恢 復(fù)。運(yùn)算放大器235L的輸出為Ui= ( R3+R4 )艮Ui/ ( R4R1 ) = 1000 Ui, AD277隔離放大器的電壓放大倍數(shù)約為 196.078 ,所以U o=196.078 ( R3+R4) RUi/ ( R4 R1 ) =196078 Ui。雄：6二(R3+R2+ R3 R2/ R4) Ui/R1, 196.078 何處來(lái)2-19請(qǐng)推導(dǎo)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(fù)載線與直流負(fù)載線重合，取其中點(diǎn)為 工作點(diǎn)，因此電路的最大不失真輸出幅值近似

26、為 Ec/2,最大輸出功 率 Pom二 Ec2/(8 Rl),最大效率 n=Pom/ Ec2/ (2Rl) =1/4=25%。2-20簡(jiǎn)述乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)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(shuō)明甲乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路是如何消 除上述交越失真的。乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路在靜態(tài)時(shí)兩功率三極管的發(fā)射結(jié)均處于零偏狀態(tài)，工作點(diǎn)很低，三極管輸入特性又是非線性的，因此 當(dāng)輸入信號(hào)比較小時(shí)，在過(guò)零點(diǎn)附近將有一段交越失真。甲乙類(lèi)互 補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路，能保證輸入信號(hào)為零時(shí)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(dāng)信號(hào)輸入時(shí)，輸出為X 2-52-21試述在功率放大電路中采用復(fù)

27、合晶體管的原因。并畫(huà)出PNP、 NPN各兩種復(fù)合晶體管圖。在互補(bǔ)電路中，若要求其輸出功率較大時(shí)，輸出功率管要采用 中功率管或大功率管。但是，要使兩個(gè)互補(bǔ)功率管性能一致，這對(duì) 大功率管來(lái)說(shuō)，很難選配。若采用復(fù)合晶體管，其導(dǎo)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(gè)晶體管各自的電流放 大倍數(shù)的乘積，因此，能在一個(gè)信號(hào)作用下使同極性的兩輸出晶體 管能交替導(dǎo)通，也可采用較易選配的小功率晶體管作為互補(bǔ)輸出晶 體管，而利用復(fù)合晶體管來(lái)得到較大的輸出功率。e兮e vc右c右PNP復(fù)合晶體管e冒c占be vc占& bNPN復(fù)合晶體管圖 X2-62-22試求圖2-36b所示OCL電路，靜態(tài)時(shí)

28、流過(guò)負(fù)載Rl的電流？若 輸出波形有交越失真，應(yīng)調(diào)整哪個(gè)電阻可加以消除？若 尺i，Ri或 R2中有一個(gè)元件開(kāi)路，將產(chǎn)生什么后果？圖示電路，靜態(tài)時(shí)兩功率三極管因發(fā)射結(jié)有偏置電壓，所以有靜態(tài)電流流過(guò)，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(shí)流過(guò)負(fù)載尺的電流為零。若輸出波形有交越失真，應(yīng)調(diào) 整R2電阻可加以消除。若Rc1電阻開(kāi)路，那么電路在小信號(hào)輸入時(shí) 其輸出波形將有交越失真；若Ri或R2中有一個(gè)電阻開(kāi)路，那么電路 將不構(gòu)成互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路，電路無(wú)法正常工作。第二章信號(hào)調(diào)制解調(diào)電路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

29、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(chēng)為調(diào)制信號(hào)）去控制另一作 為載體的信號(hào)（稱(chēng)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(chēng)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

30、別稱(chēng)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?對(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(chēng)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(chēng)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)的信號(hào)稱(chēng)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)。3-3什么是調(diào)幅？請(qǐng)寫(xiě)出調(diào)幅信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并畫(huà)出它的波形。 調(diào)幅就是用調(diào)制信

31、號(hào)X去控制咼頻載波信號(hào)的幅值。常用的是線 性調(diào)幅，即讓調(diào)幅信號(hào)的幅值按調(diào)制信號(hào)X線性函數(shù)變化。調(diào)幅信號(hào)Us的一般表達(dá)式可寫(xiě)為：山=（Um mx）cos 江式中 c載波信號(hào)的角頻率；Um調(diào)幅信號(hào)中載波信號(hào)的幅度；m調(diào)制度。圖X3-1繪出了這種調(diào)幅信號(hào)的波形tb)3-4什么是調(diào)頻？請(qǐng)寫(xiě)出調(diào)頻信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并畫(huà)出它的波 形。調(diào)頻就是用調(diào)制信號(hào)X去控制咼頻載波信號(hào)的頻率。常用的是線 性調(diào)頻，即讓調(diào)頻信號(hào)的頻率按調(diào)制信號(hào) X的線性函數(shù)變化。調(diào)頻 信號(hào)us的一般表達(dá)式可寫(xiě)為：us =Um cos( c mx)t式中'c載波信號(hào)的角頻率；Um 調(diào)頻信號(hào)中載波信號(hào)的幅度；m調(diào)制度。圖X3-2繪出了

32、這種調(diào)頻信號(hào)的波形。圖a為調(diào)制信號(hào)x的波形, 它可以按任意規(guī)律變化；圖b為調(diào)頻信號(hào)的波形，它的頻率隨x變化若x=XmCOS Qt,則調(diào)頻信號(hào)的頻率可在cmXm范圍內(nèi)變化。為了 避免發(fā)生頻率混疊現(xiàn)象，并便于解調(diào)，要求cmXm。a)b)圖X3-2調(diào)頻信號(hào)的波形a)調(diào)制信號(hào) b)調(diào)頻信號(hào)3-5什么是調(diào)相？請(qǐng)寫(xiě)出調(diào)相信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并畫(huà)出它的波形。 調(diào)相就是用調(diào)制信號(hào)X去控制咼頻載波信號(hào)的相位。常用的是線 性調(diào)相，即讓調(diào)相信號(hào)的相位按調(diào)制信號(hào)X的線性函數(shù)變化。調(diào)相信號(hào)Us的一般表達(dá)式可寫(xiě)為：Us 二 U m cos( ct mx)式中'c載波信號(hào)的角頻率；Um 調(diào)相信號(hào)中載波信號(hào)的幅度；號(hào)當(dāng)

33、x :： 0時(shí)，調(diào)相m調(diào)制度。圖X3-3繪出了這種調(diào)相信號(hào)的波形。圖a為調(diào)制信號(hào)x的波形, 它可以按任意規(guī)律變化；圖b為載波信號(hào)的波形，圖c為調(diào)相信旦 的波形，調(diào)相信號(hào)與載波信號(hào)的相位差隨x變化信號(hào)滯后于載波信號(hào)0時(shí)，則超前于載波信號(hào)oo3-6什么是脈沖調(diào)寬？請(qǐng)寫(xiě)出脈沖調(diào)寬信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并畫(huà)出它 的波形。脈沖調(diào)制是指用脈沖作為載波信號(hào)的調(diào)制方法。在脈沖調(diào)制中具有廣泛應(yīng)用的一種方式是脈沖調(diào)寬。脈沖調(diào)寬的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：B = b mx(3-23)式中b為常量，m為調(diào)制度。脈沖的寬度為調(diào)制信號(hào)x的線性函數(shù) 它的波形見(jiàn)圖X3-4，圖a為調(diào)制信號(hào)x的波形，圖b為脈沖調(diào)寬信 號(hào)的波形。圖中T為脈沖周期

34、，它等于載波頻率的倒數(shù)TB-feF-ta)n叮叮rib)T圖X3-4 脈沖調(diào)寬信號(hào)的波形a)調(diào)制信號(hào)波形b)調(diào)寬信號(hào)波形3-7為什么說(shuō)信號(hào)調(diào)制有利于提咼測(cè)控系統(tǒng)的信噪比，有利于提咼它的抗干擾能力？它的作用通過(guò)哪些方面體現(xiàn)？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。在將測(cè)量信號(hào)調(diào)制，并將它和噪聲分離，再經(jīng)放大等 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(chēng)為解調(diào)。通過(guò)

35、調(diào)制，對(duì)測(cè)量信號(hào)賦以一定的特征，使已調(diào)信號(hào)的頻帶在 以載波信號(hào)頻率為中心的很窄的范圍內(nèi)，而噪聲含有各種頻率，即 近乎于白噪聲。這時(shí)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(gè)很窄的頻帶內(nèi)的信號(hào)通過(guò) ，就可以有效地抑制噪 聲。采用載波頻率作為參考信號(hào)進(jìn)行比較，也可抑制遠(yuǎn)離參考頻率 的各種噪聲。3-8為什么在測(cè)控系統(tǒng)中常常在傳感器中進(jìn)行信號(hào)調(diào)制？為了提高測(cè)量信號(hào)抗干擾能力，常要求從信號(hào)一形成就已經(jīng)是 已調(diào)信號(hào)，因此常常在傳感器中進(jìn)行調(diào)制。3-9請(qǐng)舉若干實(shí)例，說(shuō)明在傳感器中進(jìn)行幅值、頻率、相位、脈寬調(diào) 制的方法。圖X3-5為通過(guò)交流供電實(shí)現(xiàn)幅值調(diào)制的一例。這里用4個(gè)應(yīng)變片測(cè)量梁的變形，

36、并由此確定作用在梁上的力 F的大小。4個(gè)應(yīng)變 片接入電橋，并采用交流電壓U供電。設(shè)4個(gè)應(yīng)變片在沒(méi)有應(yīng)力作 用的情況下它們的阻值Rl =R2=R3=R4=R，電橋的輸出U z ： Ri-R2- '：R3R4xU 0()4 R R R RU與測(cè)量信號(hào)的相乘，即幅值調(diào)制U實(shí)現(xiàn)了載波信號(hào)圖X3-5應(yīng)變式傳感器輸出信號(hào)的調(diào)制圖X3-6是在傳感器中進(jìn)行頻率調(diào)制的例子。這是一個(gè)測(cè)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(chǎng)內(nèi)振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，其輸出為調(diào)頻信號(hào)。圖X3-6振弦式傳感器圖X3-7是在傳感器中進(jìn)行相

37、位調(diào)制的例子。在彈性軸1上裝有 兩個(gè)相同的齒輪2與5。齒輪2以恒速與軸1 一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在感應(yīng) 式傳感器3和4中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。由于扭矩M的作用，使軸1產(chǎn)生 扭轉(zhuǎn)，使傳感器4中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為一調(diào)相信號(hào)，它和傳感器31 I-中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)的相位差與扭矩 M成正比。圖X3-7感應(yīng)式扭矩傳感器圖X3-8是在傳感器中進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制的例子。由激光器4發(fā)出的 光束經(jīng)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(dòng)機(jī)3帶動(dòng)連續(xù)回轉(zhuǎn)，它使由棱鏡2表面反射返回的光束方向不斷 變化，掃描角B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(duì)工件8進(jìn)行掃描。這一平行光束經(jīng)透鏡10匯聚，由 光電

38、元件11接收。7和9為保護(hù)玻璃，使光學(xué)系統(tǒng)免受污染。當(dāng)光束掃過(guò)工件時(shí)，它被工件擋住，沒(méi)有光線照到光電元件11上，對(duì)應(yīng) 于暗”的信號(hào)寬度與被測(cè)工件 8的直徑成正比，即脈沖寬度受工件3210 11直徑調(diào)制。610118947M32圖X3-8用激光掃描的方法測(cè)量工件直徑3-10在電路進(jìn)行幅值、頻率、相位、脈寬調(diào)制的基本原理是什么？在電路進(jìn)行調(diào)制的基本原理是用測(cè)量信號(hào)Ux去控制（改變）載波信號(hào)幅值、頻率、相位或脈寬，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)制只要用乘法器將測(cè)量信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）Ux與載波信號(hào)Uc相乘， 就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)幅。用調(diào)制信號(hào)去控制產(chǎn)生載波信號(hào)的振蕩器頻率，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。用調(diào)制信號(hào)與鋸齒波載波信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)它

39、們的值相等時(shí)電壓比較器發(fā)生跳變，電壓比較器的輸出就是調(diào)相信號(hào) 利用調(diào)制信號(hào)去改變方波發(fā)生器的脈寬就可以實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制。3-11什么是雙邊帶調(diào)幅？請(qǐng)寫(xiě)出其數(shù)學(xué)表達(dá)式，畫(huà)出它的波形?？梢约僭O(shè)調(diào)制信號(hào)x為角頻率為Q的余弦信號(hào)X二XmCOSQt,當(dāng)調(diào) 制信號(hào)X不符合余弦規(guī)律時(shí)，可以將它分解為一些不同頻率的余弦 信號(hào)之和。在信號(hào)調(diào)制中必須要求載波信號(hào)的頻率遠(yuǎn)高于調(diào)制信號(hào) 的變化頻率。由式（3-1 ）調(diào)幅信號(hào)可寫(xiě)為：us = U m cos ct mXm cos Qt cos ctUm cos ct mXmcos（ c Q）tcos（ c - Q）t2 2它包含三個(gè)不同頻率的信號(hào)：角頻率為的載波信號(hào)UmCo

40、Sct和角 頻率分別為 化士 Q的上下邊頻信號(hào)。載波信號(hào)中不含調(diào)制信號(hào)，即 不含被測(cè)量x的信息，因此可以取Um=0 ,即只保留兩個(gè)邊頻信號(hào)。 這種調(diào)制稱(chēng)為雙邊帶調(diào)制，對(duì)于雙邊帶調(diào)制UsmXm cos( c Q)t mXmcos( c一 Q )t = mXm cosQtcos ct = U xm cosQ t cos - ct雙邊帶調(diào)制的調(diào)幅信號(hào)波形見(jiàn)圖 X3-9。圖a為調(diào)制信號(hào)，圖b3-12在測(cè)控系統(tǒng)中被測(cè)信號(hào)的變化頻率為0100Hz ,應(yīng)當(dāng)怎樣選取載波信號(hào)的頻率？應(yīng)當(dāng)怎樣選取調(diào)幅信號(hào)放大器的通頻帶？信號(hào)解調(diào)后，怎樣選取濾波器的通頻帶？為了正確進(jìn)行信號(hào)調(diào)制必須要求軌 Q,通常至少要求 如10Q

41、。在這種情況下，解調(diào)時(shí)濾波器能較好地將調(diào)制信號(hào)與載波信號(hào) 分開(kāi)，檢出調(diào)制信號(hào)。若被測(cè)信號(hào)的變化頻率為0100Hz ,應(yīng)要求 載波信號(hào)的頻率wc1000 Hz。調(diào)幅信號(hào)放大器的通頻帶應(yīng)為9001100 Hz。信號(hào)解調(diào)后，濾波器的通頻帶應(yīng)100 Hz,即讓 0100Hz的信號(hào)順利通過(guò)，而將900 Hz以上的信號(hào)抑制，可選通 頻帶為200 Hz。3-13什么是包絡(luò)檢波？試述包絡(luò)檢波的基本工作原理。從已調(diào)信號(hào)中檢出調(diào)制信號(hào)的過(guò)程稱(chēng)為解調(diào)或檢波。幅值調(diào)制就是讓已調(diào)信號(hào)的幅值隨調(diào)制信號(hào)的值變化，因此調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)線形狀與調(diào)制信號(hào)一致。只要能檢出調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)線即能實(shí)現(xiàn)解 調(diào)。這種方法稱(chēng)為包絡(luò)檢波。從圖X3

42、-10中可以看到，只要從圖a所示的調(diào)幅信號(hào)中，截去 它的下半部，即可獲得圖b所示半波檢波后的信號(hào)（經(jīng)全波檢波也 可），再經(jīng)低通濾波，濾除高頻信號(hào)，即可獲得所需調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn) 解調(diào)。包絡(luò)檢波就是建立在整流的原理基礎(chǔ)上的。圖X3-10 包絡(luò)檢波的工作原理a）調(diào)幅信號(hào) b）半波檢波后的信號(hào)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(mǎn)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。

43、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(chēng)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，UaO。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：Us 二山 R Us 二山 - iR1Ua 二 U Ua 二 U iR2 UsUa 二- K dUs其中Kd為Ni的開(kāi)環(huán)放大倍

44、數(shù)。解以上聯(lián)立方程組得到UsRiR2(1RiR2)u(1RiR2)u通常，N1的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)Kd很大，這時(shí)上式可簡(jiǎn)化為：usuaR2RR2Us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 Us的正半周期因 V2截止而使運(yùn)放處于開(kāi)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(chēng)。圖中N2與Rs、R4、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-R4/R3。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)成全波精

45、密檢波電路需要將Us通過(guò)Rs與Ua相加，圖3-11b中N2組成相加放大器，為了實(shí)現(xiàn)全波精密檢波必須要求 Rs=2Rs。在不加電容器C時(shí)，N2的輸出為：R4UsUo(Ua )Rs2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。a)b)c)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

46、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，提咼抗干擾能力，需米用相敏檢波電路。3-16相敏檢波電路與包絡(luò)檢波電路在功能、性能與在電路構(gòu)成上最主要的區(qū)別是什么？相敏檢波電路與包絡(luò)檢波電路在功能上的主要的區(qū)別是相

47、敏檢 波電路能夠鑒別調(diào)制信號(hào)相位，從而判別被測(cè)量變化的方向、在性 能上最主要的區(qū)別是相敏檢波電路具有判別信號(hào)相位和頻率的能力 從而提高測(cè)控系統(tǒng)的抗干擾能力。從電路結(jié)構(gòu)上看，相敏檢波電路 的主要特點(diǎn)是，除了所需解調(diào)的調(diào)幅信號(hào)外，還要輸入一個(gè)參考信 號(hào)。有了參考信號(hào)就可以用它來(lái)鑒別輸入信號(hào)的相位和頻率。參考 信號(hào)應(yīng)與所需解調(diào)的調(diào)幅信號(hào)具有同樣的頻率，采用載波信號(hào)作參考信號(hào)就能滿(mǎn)足這一條件。3-17從相敏檢波器的工作機(jī)理說(shuō)明為什么相敏檢波器與調(diào)幅電路在結(jié)構(gòu)上有許多相似之處？它們又有哪些區(qū)別？只要將輸入的調(diào)制信號(hào)Ux二UxmCOSQ t乘以幅值為1的載波信號(hào) cos ct就可以得到雙邊頻調(diào)幅信號(hào) Us

48、 =Ux cosset =Uxm COSQt cosset。若 將Us再乘以cos ct ,就得到2 11Uo =Us cos ct =U xmeosQteos ctUxm cosQ t U xm cosQ tcos2 ct22xmcosQ t Uxmcos(2 c-Q)t cos(2 c Q)t利用低通濾波器濾除頻率為2 c - Q和2 c Q的高頻信號(hào)后就得 到調(diào)制信號(hào)UxmeosQt ,只是乘上了系數(shù)1/2。這就是說(shuō)，將調(diào)制信 號(hào)Ux乘以幅值為1的載波信號(hào)cost就可以得到雙邊頻調(diào)幅信號(hào) Us， 將雙邊頻調(diào)幅信號(hào)Us再乘以載波信號(hào)cos.t，經(jīng)低通濾波后就可以 得到調(diào)制信號(hào)Ux。這就是相

49、敏檢波電路在結(jié)構(gòu)上與調(diào)制電路相似的 原因。相敏檢波器與調(diào)幅電路在結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別是調(diào)幅電路實(shí)現(xiàn)低 頻調(diào)制信號(hào)與咼頻載波信號(hào)相乘，輸出為咼頻調(diào)幅信號(hào)；而相敏檢 波器實(shí)現(xiàn)高頻調(diào)幅信號(hào)與高頻載波信號(hào)相乘，經(jīng)濾波后輸出低頻解 調(diào)信號(hào)。這使它們的輸入、輸出耦合回路與濾波器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不 同。3-18 試述圖3-17開(kāi)關(guān)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(mǎn)足一定的匹配關(guān)系 ？并說(shuō)明其阻值關(guān)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 入端輸入，放大器的放大倍數(shù)為-1 ,輸出信號(hào)Uo如圖c和圖d中實(shí) 線所示。在Uc=0的半周期，V截止，Us同時(shí)從同相輸入端和反相輸 入

50、端輸入，放大器的放大倍數(shù)為+1 ,輸出信號(hào)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(dǎo)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-艮R2 R3 ：U-1。在Uc=0的半周期，V1截止、V2導(dǎo)通，反 相輸入端通過(guò)f接地，us從同相輸入端輸入，放大倍數(shù)為 空 (1 -5113=1。效果與圖a相同，實(shí)現(xiàn)了全波相敏檢波。R1 R4 R5R33R1= R2= R3= R4= R5= Ri/2是阻值必須滿(mǎn)足的匹配關(guān)系。3-19什么是相敏檢波電路的鑒相特性與選頻特性？為什么對(duì)于相位稱(chēng)為鑒相，而對(duì)于頻率稱(chēng)為選頻?相敏檢波

51、電路的選頻特性是指它對(duì)不同頻率的輸入信號(hào)有不同 的傳遞特性。以參考信號(hào)為基波，所有偶次諧波在載波信號(hào)的一個(gè) 周期內(nèi)平均輸出為零，即它有抑制偶次諧波的功能。對(duì)于n=1,3,5 等各次諧波，輸出信號(hào)的幅值相應(yīng)衰減為基波的1/ n等，即信號(hào)的 傳遞系數(shù)隨諧波次數(shù)增高而衰減，對(duì)高次諧波有一定抑制作用。對(duì) 于頻率不是參考信號(hào)整數(shù)倍的輸入信號(hào)，只要二者頻率不太接近， 由于輸入信號(hào)與參考信號(hào)間的相位差不斷變化，在一段時(shí)間內(nèi)的平均輸出接近為零，即得到衰減。.學(xué)習(xí)參考如果輸入信號(hào)Us為與參考信號(hào)Uc（或Uc）同頻信號(hào)，但有一定相 位差，這時(shí)輸出電壓u。rUsmCOS - 2 ,即輸出信號(hào)隨相位差的余弦 而變化。

52、由于在輸入信號(hào)與參考信號(hào)同頻，但有一定相位差時(shí)，輸出信 號(hào)的大小與相位差 '有確定的函數(shù)關(guān)系，可以根據(jù)輸出信號(hào)的大小 確定相位差的值，相敏檢波電路的這一特性稱(chēng)為鑒相特性。而在輸入信號(hào)與參考信號(hào)不同頻情況下，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)間無(wú)確定 的函數(shù)關(guān)系，不能根據(jù)輸出信號(hào)的大小確定輸入信號(hào)的頻率。只是對(duì)不同頻率的輸入信號(hào)有不同的傳遞關(guān)系，這種特性稱(chēng)為選頻特性。3-20舉例說(shuō)明相敏檢波電路在測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。圖3-25所示電感測(cè)微儀電路中采用相敏檢波器作它的解調(diào)電路 相敏檢波器的輸出指示電感傳感器測(cè)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(dāng)光電顯微鏡瞄準(zhǔn)被測(cè)刻 線時(shí)，光電

53、信號(hào)中不含參考信號(hào)的基波頻率和奇次諧波信號(hào)，相敏檢波電路輸出為零，確定顯微鏡的瞄準(zhǔn)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(diǎn) 應(yīng)怎么選??？?jī)蓚€(gè)調(diào)諧回路的固有頻率foi、fo2分別比載波頻率fc咼和低Afo 隨著輸入信號(hào)Us的頻率變化，回路1的輸出Usi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(hào)幅值變化 2m/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(duì)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Vi、V2用作包絡(luò)檢波，電容Ci、C2用

54、于濾除高頻 載波信號(hào)。R為負(fù)載電阻。濾波后的輸出如圖f所示。工作點(diǎn)應(yīng)選 在圖b中回路1和回路2幅頻特性線性段中點(diǎn)，也即斜率最大、線 性最好的點(diǎn)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(gè)電路中相敏檢波電路的參考電壓與信號(hào)電壓間的相位差是怎樣形成的？其輸出與輸入信號(hào)的頻率有什么樣的關(guān)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(diǎn)上并一個(gè)大電容 C5,它的功用是抑制寄生調(diào)幅， 即減小輸入信號(hào)us和U1的幅值對(duì)輸出信號(hào)的影響。它對(duì)寄生調(diào)幅呈惰性，即在輸入信號(hào)幅值變化情況下保持E為常值。當(dāng)Ui、U2的幅值增大時(shí)

55、，通過(guò)二極管V、V向電容G、C4、C5的充電電流增大。 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(shí)，二極管V、V2的導(dǎo)通角，增大（參看圖 3-10），它導(dǎo)致二次側(cè)的電流消耗增大、品質(zhì)因數(shù)Q2下降；二次側(cè) 的電流消耗增大又反映到一次側(cè)，使放大器的放大倍數(shù)減小，從而 使Ui、U2的幅值趨向穩(wěn)定。另一方面Q2的下降又導(dǎo)致廣義失調(diào)量 減小，使輸出Uo減小。正是由于這種負(fù)反饋?zhàn)饔?，使比例鑒頻電路 有抑制寄生調(diào)幅的能力，輸出信號(hào)Uo基本不受輸入信號(hào)幅值變化的 影響。在這兩個(gè)電路中，調(diào)頻信號(hào)Us經(jīng)放大后分兩路加到相位鑒頻電

56、路。一路經(jīng)耦合電容Co加到扼流圈L3上，作為參考信號(hào)；另一路經(jīng) 互感M耦合到諧振回路L2、C2上，作為輸入信號(hào)。隨著調(diào)頻信號(hào) Us的瞬時(shí)頻率變化，這路信號(hào)相位差不同，相敏檢波電路檢出它們 的相位差，從而檢出調(diào)頻信號(hào)Us的瞬時(shí)頻率變化，實(shí)現(xiàn)解調(diào)。 3-23在用數(shù)字式頻率計(jì)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)中，為什么采用測(cè)量周期的方法，而不用測(cè)量頻率的方法？采用測(cè)量周期的方法又有什么不足？ 測(cè)量頻率有兩種方法：一種是測(cè)量在某一時(shí)段內(nèi)（例如1秒或0.1秒內(nèi)）信號(hào)變化的周期數(shù)，即測(cè)量頻率的方法。這種方法測(cè)量 的是這一時(shí)段內(nèi)的平均頻率，難以用于測(cè)量信號(hào)的瞬時(shí)頻率，從而 難以用于調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)；另一種方法基于測(cè)量信號(hào)的周期，根據(jù) 在信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)入計(jì)數(shù)器的高頻時(shí)鐘脈沖數(shù)即可測(cè)得信號(hào)的 周期，從而