測控習(xí)題答案

1、第六章信號轉(zhuǎn)換電路6-1信號轉(zhuǎn)換電路有哪些類型？試舉例說明其功能。常用的信號轉(zhuǎn)換電路有采樣/保持（S/H）電路、電壓比較電路、V/f （電壓/ 頻率）轉(zhuǎn)換器、f/V （頻率/電壓）轉(zhuǎn)換器、V/I （電壓/電流）轉(zhuǎn)換器、I/V （電 流/電壓）轉(zhuǎn)換器、A/D （模/數(shù)）轉(zhuǎn)換器、D/A （數(shù)/模）轉(zhuǎn)換器等。采樣/保持（S/H）電路具有采集某一瞬間的模擬輸入信號， 根據(jù)需要保持并 輸出采集的電壓數(shù)值的功能。這種電路多用于快速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及一切需要對 輸入信號瞬時(shí)采樣和存儲(chǔ)的場合，如自動(dòng)補(bǔ)償直流放大器的失調(diào)和漂移、 模擬信 號的延遲、瞬態(tài)變量的測量及模數(shù)轉(zhuǎn)換等。模擬電壓比較電路是用來鑒別和比較兩個(gè)模

2、擬輸入電壓大小的電路。比較器的輸出反映兩個(gè)輸入量之間相對大小的關(guān)系。比較器的輸入量是模擬量，輸出量是數(shù)字量,所以它兼有模擬電路和數(shù)字電路的某些屬性,是模擬電路和數(shù)字電路之間聯(lián)系的橋梁，是重要的接口電路。可用作鑒零器、整形電路，其中窗口比較 電路的用途很廣，如在產(chǎn)品的自動(dòng)分選、質(zhì)量鑒別等場合均用到它。V/f （電壓/頻率）轉(zhuǎn)換器能把輸入信號電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率信號，廣泛地應(yīng)用于調(diào)頻、調(diào)相、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字電壓表、數(shù)據(jù)測量儀器及遠(yuǎn)距離遙測遙 控設(shè)備中。f/V （電壓/頻率）轉(zhuǎn)換器把頻率變化信號線性地轉(zhuǎn)換成電壓變化信號。 廣泛地應(yīng)用于調(diào)頻、調(diào)相信號的解調(diào)等。V/I （電壓/電流）轉(zhuǎn)換器的作用是將電

3、壓轉(zhuǎn)換為電流信號。例如，在遠(yuǎn)距離 監(jiān)控系統(tǒng)中，必須把監(jiān)控電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號進(jìn)行傳輸，以減少傳輸導(dǎo)線阻抗對信號的影響。I/V （電流/電壓）轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電流、電壓信號間的轉(zhuǎn)換。例如， 對電流進(jìn)行數(shù)字測量時(shí)，首先需將電流轉(zhuǎn)換成電壓，然后再由數(shù)字電壓表進(jìn)行測 量。在用光電池、光電阻作檢測元件時(shí)，由于它們的輸出電阻很高，因此可把他 們看作電流源，通常情況下其電流的數(shù)值極小， 所以是一種微電流的測量。隨著 激光、光纖技術(shù)在精密測量儀器中的普及應(yīng)用， 微電流放大器越來越占有重要的 位置。在以微型計(jì)算機(jī)為核心組成的數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)中，必須將傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，為此要使用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（簡稱

4、A/D轉(zhuǎn)換器或AD（Jo 相反，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后的信號常需反饋給模擬執(zhí)行機(jī)構(gòu)如執(zhí)行電動(dòng)機(jī)等，因此還需要數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號。6-2試述在S/H電路中對模擬開關(guān)、存儲(chǔ)電容及運(yùn)算放大器這三種主要元器件 的選擇有什么要求。選擇要求如下：模擬開關(guān)：要求模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻小，漏電流小，極間電容小和切換速度166快。存儲(chǔ)電容：要選用介質(zhì)吸附效應(yīng)小的和泄漏電阻大的電容。運(yùn)算放大器：選用輸入偏置電流小、 帶寬寬及轉(zhuǎn)換速率（上升速率）大的運(yùn) 算放大器；輸入運(yùn)放還應(yīng)具有大的輸出電流。6-3采樣/保持器外接存儲(chǔ)電容，當(dāng)電路從采樣轉(zhuǎn)到保持，其介質(zhì)吸附效應(yīng)會(huì)使 電容器上的電壓

5、下降，被保持的電壓低于采樣轉(zhuǎn)保持瞬間的輸入電壓，試分析 原因。在實(shí)際電容器中，電容器介質(zhì)的偶極子及其界面極化的形成和消失都不可能 瞬時(shí)實(shí)現(xiàn)，往往需要一定的時(shí)間，可用一階慣性阻容環(huán)節(jié)來描述。實(shí)際電容器的 仿真模型如圖X6-1所示，圖中C為理想電容，R為電容器的泄漏電阻，Ri-Ci 阻容網(wǎng)絡(luò)為介質(zhì)吸附效應(yīng)的仿真。當(dāng)電容器C在充電時(shí)，Ci也在充電，但是由于阻容網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)， Ci充電比 C的滯后，使得Ci的電壓VC1低于C的電壓Vco停止充電過程后，電容C向Ci繼續(xù)充電，電路趨于平衡。這個(gè)充電過程使 得VC下降。 TOC o 1-5 h z CiC，RTRi圖 X6-i6-4電容的介質(zhì)吸附效應(yīng)在采樣/

6、保持器和峰值檢波器中對輸出的影響不同，為什么？當(dāng)電路從采樣轉(zhuǎn)到保持，介質(zhì)的吸附效應(yīng)會(huì)使電容器的電壓下降， 被保持的 電壓低于采樣轉(zhuǎn)保持瞬間的輸入電壓。峰值檢波器復(fù)位時(shí)，電容放電，介質(zhì)吸附效應(yīng)會(huì)使放電后的電容電壓回升，引起小信號峰值的檢波誤差。電容上的泄漏電阻引起電容上的保持電壓隨時(shí)間逐漸減小，降低保持精度。6-5試用多路模擬開關(guān)CD4051 （參見圖6-5）設(shè)計(jì)一程控放大電路。i67圖 X6-2圖 X6-26-6試分析圖6-47中各電路的工作原理，并畫出電壓傳輸特性曲線。此電路為一施密特電路。比較器輸出的高、低電壓分別為穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值Uz、 -Uz,因此運(yùn)算放大器同相端兩個(gè)門限電壓為：R2R3R

7、RUiUz Ur , U2 Uz UrR2 R3R2 R3R2 RR2 R3當(dāng)Ui Ur時(shí)，Vdi導(dǎo) 通，運(yùn)算放大器輸出負(fù)向飽和電壓-E, VD2截止，Uo=0,此時(shí)運(yùn)算放大器同相端 門限電壓為：R2r2R2r2rUzuR2R當(dāng)Ui由大變小并小于Ut時(shí)，Uo = Uz。 其電壓傳輸特性如圖X6-3所示：168UoUoAUoUz-*1l fUt - Ur A uib)圖 X6-36-7 如圖 6-48,已知 R2=10 kC, Rs=20kQ, Uom=12V, Ur=6V。當(dāng)輸入 ui 為 如圖所示的波形時(shí)，畫出輸出 Uo的波形。當(dāng)比較器分別輸出+12V和-12V時(shí)，電路產(chǎn)生的兩個(gè)閾值電壓分別

8、為6-8某汽車空調(diào)電子溫控器如圖 6-49所示，試分析該電路工作原理。Rp、R2和R3在比較器N2的同相端建立單值比較電平；同時(shí)由 R4引入的正 反饋，在N2的同相端形成了所謂的滯回比較器的閾值電壓，且調(diào)節(jié) Rp可改變 閾值電壓的值；Ri和NTC溫度傳感器Rt構(gòu)成溫度測量支路，Rt上的電壓連接到N2的反相169 端，該電壓隨溫度升高而降低，反之則升高；開機(jī)接通電源，由于 Ci的作用，N2輸出低電平，N2的比較電平是滯回比 較器的下限閾值；當(dāng)溫度較低不需要開啟空調(diào)時(shí)，Rt上的電壓大于N2的下限閾值，N2維持 低電平，該電平作用于N1的同相端，N1輸出低電平，V1截止，空調(diào)離合器未 接通；當(dāng)溫度逐

9、漸升高到使得 Rt上的電壓小于N2的下限比較電平時(shí)，N2輸出高 電平，N1輸出也變?yōu)楦唠娖剑琕2導(dǎo)通，離合器接通吸合，制冷劑獲動(dòng)力制冷， 溫度將降低；同時(shí)，N2的比較電平由于其輸出為高而變?yōu)闇乇容^器的上限閾 值；溫度因制冷而降低，Rt上的電壓也逐漸升高，其制冷期將延續(xù)到 Rt上的電 壓高于上限閾值電壓而終止，N2輸出由高變低，比較電平又變成下限比較電平， 離合器松開制冷停止。6-9為保障一定的轉(zhuǎn)換精度，V/I轉(zhuǎn)換器應(yīng)具有高的輸入阻抗及輸出阻抗，為 什么？V/I轉(zhuǎn)換器需與輸入端儀表（電路）的輸出阻抗匹配；輸出阻抗則需與接在 輸出端的儀表（電路）的輸入阻抗匹配。如果 V/I轉(zhuǎn)換器輸入阻抗小，使得

10、被轉(zhuǎn) 換的電壓源接到該電路時(shí)的電壓會(huì)較理想值小（電壓源內(nèi)阻和V/I轉(zhuǎn)換電路輸入電阻分壓）；同樣V/I轉(zhuǎn)換器做電流源，等效電路為理想電流源和等效電阻（輸 出電阻）并聯(lián)，阻抗匹配時(shí)則要求輸出電阻高。6-10如果要將420mA的輸入直流電流轉(zhuǎn)換為15V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X6-5所示。圖 X6-5170根據(jù)圖X6-5電路，有=(1、)=(1、)iRiR2RR2取 Ri =250Q,當(dāng) i=4mA 時(shí)，Ui=1V,當(dāng) i=20mA 時(shí)，Ui=5V。因此要求r3r3-Ub=1 ,(13) 5=11R2R2有 R3/ R2=6/5,Ub=5/6(V)，取 R2=10k,R3=1

11、2k,R4= R2/ R3=5.45k,取 R4=5.6k 。6-11查閱LM324數(shù)據(jù)手冊的輸出電流和輸出電壓范圍的關(guān)系，分析 V/I轉(zhuǎn)換 器的驅(qū)動(dòng)能力。查閱數(shù)據(jù)手冊，得到輸出電壓與輸出電流的最大值， 相乘即可得到最大輸出 功率，最大輸出功率標(biāo)志著驅(qū)動(dòng)能力。6-12 設(shè)計(jì)一單電源供電情況下 05V至420mA的轉(zhuǎn)換電路如圖6-50所示, 分析該電路并確定電路參數(shù)。第一個(gè)放大器用做減法器，第二個(gè)放大器用做V/I轉(zhuǎn)換器。如果令N1的輸出電壓為Uo1,有三極管V的發(fā)射級電壓同樣為Uo1 ,輸出電流iL即為流過R3的電流，為上式第一項(xiàng)與輸入電壓成比例，第二項(xiàng)為常量?？蛇x擇 R3使得第一項(xiàng)在輸 入電壓

12、范圍內(nèi)提供016mA電流，然后通過選擇 R1和R2使第二項(xiàng)提供4mA的 恒定電流。按題意，輸入電壓范圍為 05V,經(jīng)理論計(jì)算，R3-312Q, Ub=5.38V0如取 R2=10kQ,則R1=12.3kQ （鑒于電阻阻值的分散性，更實(shí)用的方法是Ub通過調(diào)節(jié) 電位器得到）。6-13如果要求一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器能分辨5mV的電壓，設(shè)其滿量程電壓為 10V, 試問其輸入端數(shù)字量要多少數(shù)字位？當(dāng)滿量程電壓為Uf =10V時(shí)，有：Uf2n =2000彳=5mV , 取n=11,2n =20001716-14 圖6-33所示為T形R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，若取n=8, Ur=10V , R=2Ri, 試求

13、Din=00110011時(shí)的值。根據(jù)公式2U r R J ,Uo = -10R1 = - di 2R -當(dāng)Din=00110011時(shí)，輸出電壓為：Uo - - 2 10 R 02-02J12-120 2 021 2 122Ru0 = -1.996-15 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)，io=5 mA, 試求Din=110011時(shí)的io值。當(dāng) io=k, Din=110100時(shí)，k 值為：55k 22252因止匕當(dāng)Din =110011時(shí)，io為：6-16試用D/A轉(zhuǎn)換器和AD694設(shè)計(jì)一數(shù)字電流轉(zhuǎn)換器控制一調(diào)節(jié)閥，要求輸 出電流420mA,調(diào)節(jié)閥死區(qū)為0

14、.25%。AD694的2V FS引腳接地，選擇輸入電壓量程為02V; 4mA ON/OFF引腳 接地，選才 420mA輸出；10V FC和2V SEN兩引腳相連，可輸出2V參考電壓。AD7541A為12位DAC ,在此例中，它工作在電壓開關(guān)模式， AD694輸出 的2V參考電壓接到 OUT1上，OUT2接地。當(dāng)DAC輸入數(shù)字量000HFFFH, Vref輸出02V電壓。AD694將此電壓轉(zhuǎn)換為420mA電流，用于控制調(diào)節(jié)閥。調(diào)節(jié)閥有0.25%的死區(qū)，對應(yīng)要求驅(qū)動(dòng)它的電流至少4.04mA才能開啟閥門， 對應(yīng)數(shù)字量為102H。172+ 15V6-17 一個(gè)6bit逐次逼近式 A/D轉(zhuǎn)換器，分辨率為

15、 0.05V,若模擬輸入電壓 ui=2.2V,試求其數(shù)字輸出量的數(shù)值。根據(jù)題意可知，2.2V的輸入電壓對應(yīng)的數(shù)字量為101100。6-18 對一位移測量系統(tǒng)，測量范圍 0200小，要求分辨率為0.2岬需AD 轉(zhuǎn)換器最小多少位？為什么？需AD轉(zhuǎn)換器至少10位。根據(jù)題意，2n200/0.2=1000 ,而210=1024。6-19請對比幾種不同工作原理的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)，并分別給出應(yīng)用實(shí)例。雙積分式AD轉(zhuǎn)換器對疊加在輸入信號的交流干擾有很強(qiáng)的抑制能力，簡單 電路就能獲得較高分辨率，但轉(zhuǎn)換速度慢，廣泛用于各類數(shù)字式儀表及低速數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)中。逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器電路規(guī)模有較高的轉(zhuǎn)換速度， 而且其精度較高，電路 結(jié)構(gòu)較簡單