《自動(dòng)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)》第12章練習(xí)題分析

PAGE1PAGE1《自動(dòng)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)》（“十四五”職業(yè)教育國(guó)家規(guī)劃教材）統(tǒng)一書號(hào)：ISBN978-7-111-62119-5第十二章檢測(cè)系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)思考題與習(xí)題分析說(shuō)明：填空中的“紅色文字”以及分析題中的“提示”并不等于就是答案，只是給出了怎樣解題的思路和分析方法，給讀者一點(diǎn)啟發(fā)。作者還在有關(guān)題目中，增加了一些新的技術(shù)和應(yīng)用型知識(shí)。限于篇幅的限制，有的傳感器的內(nèi)容無(wú)法在本教材正文中展開來(lái)講的，現(xiàn)在有了這個(gè)“思考題與習(xí)題分析”，就可以在此展開介紹，希望對(duì)讀者有一點(diǎn)幫助。展開的知識(shí)可能有一部分超過(guò)本教材的深度，讀者可以上網(wǎng)對(duì)照有關(guān)資料來(lái)理解和提高。希望讀者看完本分析之后，就其中的疑難、錯(cuò)誤等問(wèn)題，來(lái)信與作者進(jìn)行探討，郵箱為liangsen2@126.com，上海電機(jī)學(xué)院的梁森老師以及作者團(tuán)隊(duì)與大家交流。謝謝大家。1.單項(xiàng)選擇題1）測(cè)得某檢測(cè)儀表的輸入信號(hào)中，有用信號(hào)為20mV，干擾電壓亦為20mV，則此時(shí)的信噪比為______S/N=10lgPS/PN=20loUS/UN_______。A．20dBB．1dBC．0dBD．40dB2）附近建筑工地的打樁機(jī)一開動(dòng)，數(shù)字儀表的顯示值就亂跳，這種干擾屬于______地板也會(huì)抖一抖_______，應(yīng)采取____橡膠、海綿之類的……_____措施。一進(jìn)入類似我國(guó)南方的黃梅天氣，儀表的數(shù)值就明顯偏大，這屬于_______潮氣大______，應(yīng)采取_____不讓潮氣進(jìn)入____措施。盛夏一到，某檢測(cè)裝置中的計(jì)算機(jī)就經(jīng)常死機(jī)，這屬于___CPU太燙了引起的_____，應(yīng)采取_____散熱____措施。車間里的一臺(tái)電焊機(jī)一工作，計(jì)算機(jī)就可能死機(jī)，這屬于____與電焊機(jī)的閃光、振動(dòng)、高溫等無(wú)關(guān)____，在不影響電焊機(jī)工作的條件下，應(yīng)采取____在儀表電源進(jìn)線端串接……___措施。A．電磁干擾B．固有噪聲干擾C．熱干擾D．濕度干擾E．機(jī)械振動(dòng)干擾F．改用指針式儀表G．降溫或移入空調(diào)房間H．重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī)I．在儀表電源進(jìn)線上串接電源濾波器J．立即切斷儀器電源K．不讓它在車間里電焊L．關(guān)上窗戶M.將機(jī)箱密封或保持微熱N．將機(jī)箱用橡膠-彈簧墊腳支撐3）調(diào)頻（FM）收音機(jī)未收到電臺(tái)時(shí)，喇叭發(fā)出煩人的“流水”噪聲，這是_____由于放大器的放大倍數(shù)很大，前級(jí)晶體管自身的工作電流引起的“噪聲”疊加在有用信號(hào)上，經(jīng)過(guò)多級(jí)放大___造成的。A．附近存在電磁場(chǎng)干擾B．固有噪聲干擾C．機(jī)械振動(dòng)干擾D．空氣中的水蒸氣流動(dòng)干擾提示：調(diào)頻電臺(tái)（FM）電路：當(dāng)調(diào)頻（FM）收音機(jī)收到電臺(tái)后，調(diào)頻信號(hào)被放大很多倍（上千倍），基本上變成了方波。調(diào)頻信號(hào)的正、負(fù)頂部的電壓（噪聲信號(hào)處于幅值位置）被“限幅器”所“限幅”（俗稱“切頂”）。噪聲信號(hào)也就被“限幅器”所“限幅”，限幅器輸出的信號(hào)就是很“干凈”的方波。再經(jīng)過(guò)“音頻鑒頻器”，將調(diào)頻信號(hào)“解調(diào)”成與FM信號(hào)的頻率變化成正比的低頻信號(hào)（音頻）。晶體管所引起的噪聲就這樣被“濾除”了，不會(huì)出現(xiàn)在音頻放大器中。如果調(diào)頻電臺(tái)的信號(hào)較小，放大后，還達(dá)不到限幅器的“限幅閾值”，疊加在電臺(tái)信號(hào)頂部的噪聲電壓就不會(huì)得到“切除”，使用者就會(huì)在喇叭中聽到較大的噪聲。電臺(tái)的信號(hào)越小，噪聲就越大。搜索FM電臺(tái)的基本過(guò)程：?jiǎn)纹瑱C(jī)輸出一個(gè)從90MHz逐漸升高到120MHz的方波信號(hào)。經(jīng)過(guò)帶通濾波器，變成接近于正弦波的100mV的信號(hào)，稱為“本地振蕩信號(hào)”（簡(jiǎn)稱“本振”）。本振接到“混頻器”的發(fā)射極；天線接收到的電臺(tái)信號(hào)接到“混頻電路”的基極。兩者在非線性的混頻器電路里面就會(huì)產(chǎn)生“混頻”，混頻的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生“和頻”和“差頻”以及它們的高次諧波。如果本振與天線所接收到的電臺(tái)信號(hào)之差恰好等于混頻器集電極的負(fù)載（中頻變壓器）一次側(cè)的諧振頻率，就能夠被中頻變壓器的二次側(cè)耦合到“中頻放大器”去加以放大；與中頻變壓器的諧振頻率相差很大的“和頻”信號(hào)以及其他高次諧波都被中頻變壓器的一次側(cè)所短路，無(wú)法耦合到中頻放大電路。我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，F(xiàn)M收音機(jī)的中頻頻率是10.7MHz。例如，如果本振信號(hào)逐漸掃描到114.6MHz，而天線所接收到的幾十個(gè)電臺(tái)中（幅值必須達(dá)到幾毫伏），剛好有一個(gè)電臺(tái)的頻率是103.9MHz（北京市的交通臺(tái)頻率），它們的頻率之差就恰好為10.7MHz，混頻器的集電極就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)10.7MHz的中頻電流，它能被傳輸?shù)街蓄l放大器中，被放大上千倍，再經(jīng)過(guò)“音頻鑒頻器”，得到所調(diào)制的語(yǔ)音、音樂信號(hào)。在掃描電路中，還需要將一部分中頻信號(hào)加以整流，得到一個(gè)幅值大于設(shè)定值（例如1V）的直流電壓，“通知”單片機(jī)“已經(jīng)接收到電臺(tái)了”，單片機(jī)就停止提升本振頻率，使用者就能夠很穩(wěn)定地收聽這個(gè)電臺(tái)。如果本振信號(hào)掃描到114.6MHz時(shí)，不存在預(yù)想的103.9MHz的電臺(tái)（例如停止廣播了），單片機(jī)就繼續(xù)提高本振的頻率，直到遇到一個(gè)比本振低10.7MHz的電臺(tái)為止。如果本振達(dá)到120MHz（最高本振），還是沒有遇到“如意郎君”，單片機(jī)就從最低頻率（90MHz）開始新一輪的掃描。跳臺(tái)功能：如果本振信號(hào)已經(jīng)遇到一個(gè)較強(qiáng)的電臺(tái)（可以產(chǎn)生正確的“差頻”信號(hào)，使其能夠通過(guò)中頻濾波和放大電路，并聽到電臺(tái)的廣博），但使用者不想收聽這個(gè)電臺(tái)，就可以按一下“UP鍵”，單片機(jī)就繼續(xù)提高本振的頻率，直到遇到下一個(gè)頻率更高的電臺(tái)，而不再提高本振的頻率。記憶功能：使用者也可以按一下“DOWN鍵”，單片機(jī)就降低本振的頻率，直到遇到下一個(gè)頻率更低的電臺(tái)，就不再降低本振的頻率。此外，單片機(jī)還能記住所有搜索到的電臺(tái)頻率（實(shí)際上是記住對(duì)應(yīng)于某些電臺(tái)的本振頻率），以后就可以“階躍性”地快速跳躍到這些電臺(tái)的位置，供使用者選擇。電臺(tái)的閾值：當(dāng)電臺(tái)信號(hào)小于某個(gè)設(shè)定的毫伏值時(shí)，單片機(jī)就認(rèn)為這個(gè)電臺(tái)“不存在”，掃頻電路就自動(dòng)提高本振頻率（俗稱為“跳過(guò)去”），繼續(xù)搜索其他頻率更高的電臺(tái)。電臺(tái)信號(hào)的閾值是可以預(yù)先設(shè)定的。如果閾值設(shè)定得很小，就可以搜索到很多調(diào)頻電臺(tái)。但是，由于限幅器未起作用，所以伴隨在微弱電臺(tái)信號(hào)上的晶體管噪聲（固有噪聲）也就很大。如果閾值設(shè)定得很大，就僅能搜索到幾個(gè)信號(hào)很強(qiáng)的電臺(tái)。靜噪功能：在掃描過(guò)程中，F(xiàn)M收音機(jī)會(huì)產(chǎn)生比較大的噪聲，這是晶體管的“固有噪聲”引起的。有的FM收音機(jī)電路會(huì)設(shè)置一個(gè)“靜噪電路”。當(dāng)沒有收到電臺(tái)時(shí)，暫時(shí)切斷音頻放大電路，在耳機(jī)或者揚(yáng)聲器中就聽不到噪聲。大家注意觀察一下保安所使用的“對(duì)講機(jī)”。有的是設(shè)定了“靜噪模式”，有的沒有設(shè)定“靜噪模式”。如果沒有進(jìn)入“靜噪模式”，會(huì)感覺很吵；如果進(jìn)入“靜噪模式”，會(huì)感覺很安靜，但有可能在信號(hào)比較微弱時(shí)，靜噪自動(dòng)切斷音頻放大器的輸入，造成語(yǔ)音斷續(xù)現(xiàn)象（俗稱“結(jié)巴”）。AM電臺(tái)的搜索過(guò)程：與上述FM的搜索過(guò)程類似，只是AM收音機(jī)的中頻是465kHz（國(guó)外的是455kHz）。AM收音機(jī)的收聽范圍是530kHz~1650kHz。對(duì)應(yīng)地，AM收音機(jī)的本振頻率是995kHz~2115kHz。調(diào)幅電臺(tái)（AM）的AGC電路：在調(diào)幅電臺(tái)的接收電路中，由于音頻信號(hào)是調(diào)制在基波的幅度上的（頻率只有微小的變化），所以不能使用“限幅器”。由于沒有限幅功能，所以伴隨在微弱調(diào)幅電臺(tái)信號(hào)上的噪聲也會(huì)很大。收音機(jī)的設(shè)計(jì)者通常會(huì)在AM收音機(jī)中設(shè)計(jì)一個(gè)“自動(dòng)增益控制電路”（縮寫AGC）。AGC能夠?qū)⒄{(diào)幅電臺(tái)被放大后的交流信號(hào)整流成為一個(gè)負(fù)的直流電壓（整流電路的輸入電壓必須大于二極管的死區(qū)電壓，0.5V）。負(fù)的AGC電壓通過(guò)“非線性電路”去控制“中頻放大電路”的“增益”（也就是放大倍數(shù)）。通常是將負(fù)的AGC電壓接到一個(gè)工作電流很小的晶體管的基極。負(fù)的AGC電壓會(huì)使晶體管的工作電流進(jìn)一步減小，進(jìn)入嚴(yán)重的非線性區(qū)，晶體管的β值就會(huì)大幅度減小。由于收音機(jī)的中頻放大電路后面還要再經(jīng)過(guò)“中頻變壓器”（中頻濾波器），中頻濾波器會(huì)將中頻放大器的非線性引起的高次諧波濾除掉，所以AGC不會(huì)帶來(lái)所要收聽音樂的“非線性失真”。讀者可以自行上網(wǎng)閱讀有關(guān)調(diào)幅收音機(jī)的原理。調(diào)幅電臺(tái)的信號(hào)越大，負(fù)的AGC電壓也就越大，中頻放大器的增益就越小，從而使晶體管產(chǎn)生的噪聲（固有噪聲）也被“壓縮”。在接收到較強(qiáng)的調(diào)幅電臺(tái)的時(shí)候，喇叭里頭聽到的晶體管噪聲就較小，音頻的“飽和失真”及“截止失真”也會(huì)減小。如果接收到的調(diào)幅電臺(tái)信號(hào)較小，放大后還小于0.5V，小于二極管的死區(qū)電壓，AGC電路就基本不起作用，中頻放大器的增益越大，喇叭里頭聽到的晶體管噪聲也就越大，收聽效果就較差。模擬式（線性）傳感器內(nèi)部不應(yīng)有AGC：某些模擬式（線性）傳感器被設(shè)計(jì)為調(diào)幅式時(shí)（線性傳感器多數(shù)是調(diào)幅式的，而不是調(diào)頻式的），是不允許采用AGC電路（會(huì)自動(dòng)改變傳感器的放大倍數(shù)，類似于對(duì)數(shù)壓縮），否則被測(cè)的非電量與傳感器輸出電壓就不成線性關(guān)系了。4）減小放大器的輸入電阻時(shí)，放大器受到的____各種干擾都會(huì)減小，但是，要求該放大器的前級(jí)電路必須是低輸出阻抗型的。也就是說(shuō)，需要考慮阻抗匹配。否則，當(dāng)放大器的輸入電阻較小時(shí)，例如75Ω時(shí)，可能會(huì)將前級(jí)電路的輸出電壓“拉低”，帶來(lái)非線性等等的問(wèn)題___。A．熱干擾減小，電磁干擾也減小B．熱干擾減小，電磁干擾增大C．熱干擾增大，電磁干擾也增大D．熱干擾增大，電磁干擾減小提示：阻抗：在具有電阻、電感和電容的電路里，對(duì)交流電所起的阻礙作用稱為阻抗。電路兩端的電壓與流過(guò)電路的電流（必須考慮相位關(guān)系）的比值稱為該電路的“復(fù)阻抗”。如果電阻與電感、電容串聯(lián)，當(dāng)流過(guò)各個(gè)元件中的電流為正弦量時(shí)，則串聯(lián)后的復(fù)阻抗Z=R+j(XL-XC)=R+[jωL-1(/jωC)]上式中的實(shí)部為串聯(lián)電路的電阻，虛部X為串聯(lián)電路的“電抗”。阻抗匹配：阻抗匹配是高頻和微波電子學(xué)中一個(gè)常用概念，主要用于高頻傳輸，使高頻信號(hào)能以純電阻性負(fù)載的形式傳輸至“負(fù)載點(diǎn)”，而不會(huì)有信號(hào)反射回到“源點(diǎn)”，減小了干擾。阻抗匹配也指負(fù)載阻抗與激勵(lì)源內(nèi)部阻抗互相適配，從而得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。在純電阻電路中，當(dāng)負(fù)載電阻等于激勵(lì)源內(nèi)阻時(shí)，負(fù)載得到的功率為最大，這種工作狀態(tài)稱為“匹配”，否則稱為“失配”。在阻抗失配的情況下，傳輸線上將同時(shí)存在入射波和反射波。在輸送功率較高、波長(zhǎng)較短的情況下，電壓或電流的“波腹”有可能損壞傳輸線的介質(zhì)。阻抗匹配的程度常用“電壓反射系數(shù)”來(lái)衡量。同軸電纜與有線電視信號(hào)分配器：有線電視信號(hào)的頻率可達(dá)1GHz，必須使用阻抗為75Ω同軸電纜來(lái)傳輸電視信號(hào)。電視機(jī)的輸入阻抗必須與同軸電纜的阻抗匹配（兩者均為75Ω，在200m內(nèi)基本與同軸電纜的線材長(zhǎng)度無(wú)關(guān)），信號(hào)衰減才最小。若想讓一根有線電視的同軸電纜接兩臺(tái)或更多臺(tái)電視，就需要在同軸電纜末端安裝“有線電視信號(hào)分配器”（“2分配器”的信號(hào)損耗大約為-4dB）。如果直接將兩臺(tái)或多臺(tái)電視機(jī)的輸入電纜并聯(lián)到同軸電纜末端，則阻抗不匹配，將產(chǎn)生電視信號(hào)的反射和畸變，多臺(tái)電視都會(huì)受到干擾（例如圖像有不規(guī)則條紋、畫面質(zhì)量下降等）。低頻電路的阻抗匹配：雖然阻抗匹配在高頻電路中非常重要，但是在低頻電路中，只有在信號(hào)源內(nèi)阻較大時(shí)，才需要考慮負(fù)載阻抗與信號(hào)源阻抗的匹配。當(dāng)功率放大器輸出電路的內(nèi)阻很低時(shí)，不必太在意阻抗匹配。例1：假如放大器的輸出電壓為10V，輸出級(jí)的內(nèi)阻是1Ω，則當(dāng)負(fù)載為1Ω時(shí)，負(fù)載得到的輸出功率為25W（P=I2R），但放大器內(nèi)阻上的功耗與負(fù)載上獲得的功率相等，亦為25W。阻抗是匹配了，但放大器可能會(huì)嚴(yán)重發(fā)熱。例2：假如放大器的輸出電壓仍為10V，負(fù)載大于1Ω（例如3Ω），則放大器輸出電流變小，導(dǎo)致負(fù)載得到的輸出功率下降到阻抗匹配時(shí)的75%（18.75W）。放大器內(nèi)阻上的功耗則下降到阻抗匹配時(shí)的25%（6.25W），功率放大器的發(fā)熱降低很多。例3：假如放大器的輸出電壓仍為10V，負(fù)載小于1Ω（例如0.25Ω），則放大器的輸出電流等于8A。但是，由于負(fù)載電阻較小，導(dǎo)致負(fù)載得到的輸出功率下降到阻抗匹配時(shí)的64%（16W）。放大器內(nèi)阻上的功耗則增大到阻抗匹配時(shí)的2.56倍（64W），發(fā)熱非常嚴(yán)重。例4：現(xiàn)代集成功率放大器的內(nèi)阻遠(yuǎn)小于1Ω（例如0.1Ω），若放大器的輸出電壓仍為10V，負(fù)載亦為1Ω，負(fù)載得到的輸出功率可高達(dá)為82.6W，而放大器內(nèi)阻上的功耗卻很?。?.26W）。將例1、2、3、4比較，可見阻抗匹配并非理想的接法，應(yīng)盡量使低頻信號(hào)源的內(nèi)阻降低。由于音頻信號(hào)電流的波長(zhǎng)的數(shù)值很大（例如，1kHz正弦信號(hào)電流的電磁波波長(zhǎng)為3×105m），可以不考慮電磁波的反射和畸變。在上個(gè)世紀(jì)70年代之前（例如玻璃管制作的“電子管”時(shí)代），放大器的內(nèi)阻很大，可能高達(dá)千歐數(shù)量級(jí)，負(fù)載（例如喇叭）只有幾個(gè)歐姆，所以必須利用“輸出變壓器”進(jìn)行“交流阻抗變換”。5）考核計(jì)算機(jī)的電磁兼容是否達(dá)標(biāo)是指____既不干擾別人，也不受別人干擾____。A．計(jì)算機(jī)能在規(guī)定的電磁干擾環(huán)境中正常工作的能力B．該計(jì)算機(jī)不產(chǎn)生超出規(guī)定數(shù)值的電磁干擾C．兩者必須同時(shí)具備D．兩者只要具備一種即可6）發(fā)現(xiàn)某檢測(cè)儀表機(jī)箱有麻電感，必須采取____將“絕緣漏電”引起的“漏電流"引導(dǎo)到earth__措施。A．接到“工作接地”或“配電系統(tǒng)接地”B．將機(jī)箱接大地（earth）C．抗電磁干擾D．將機(jī)箱接220V的零線（Neutral）7）發(fā)現(xiàn)某檢測(cè)緩變信號(hào)的儀表輸入端存在50Hz差模干擾，應(yīng)采取____與電源無(wú)關(guān)___措施。A．提高前置級(jí)的共模抑制比B．在輸入端串接高通濾波器C．在輸入端串接低通濾波器D．在電源進(jìn)線側(cè)串接電源濾波器提示：對(duì)于檢測(cè)緩變信號(hào)的儀表的輸入端而言，50Hz干擾信號(hào)屬于“高頻干擾”。8）檢測(cè)儀表附近存在一個(gè)漏感很大的50Hz電源變壓器（例如電焊機(jī)變壓器）時(shí)，該儀表的機(jī)箱和信號(hào)線必須采用___導(dǎo)磁的外殼，例如“鐵殼”___。A．靜電屏蔽B．低頻磁屏蔽C．電磁屏蔽D．機(jī)箱接大地提示：有的變壓器設(shè)計(jì)不合理，或者鐵心安裝不夠緊密，會(huì)有磁力線從鐵心的氣隙和一次側(cè)的沒有鐵心的側(cè)面泄漏出來(lái)，通過(guò)空氣形成閉合磁路。產(chǎn)生漏磁的電感稱為漏感。漏感會(huì)使得變壓器一次側(cè)的感抗減小，交流激磁電流增大，銅耗（也稱銅損）增大，變壓器發(fā)熱，而且交變磁場(chǎng)還會(huì)干擾其他帶有線圈的電路，包括印制電路板的半圓弧形走線，使之產(chǎn)生與漏感同頻率的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)干擾?？紤]到磁場(chǎng)的干擾，印制電路板不應(yīng)該有半圓弧形甚至環(huán)狀的走線。但是，在交通卡等非接觸卡中，需要設(shè)計(jì)出多圈印制電路，以便接收主機(jī)的問(wèn)答信號(hào)能量，整流之后，作為非接觸卡內(nèi)部芯片的電源。9）飛機(jī)上的儀表接地端必須___不可能接大地____。A．接大地B．接飛機(jī)的金屬構(gòu)架及蒙皮C．接飛機(jī)的天線D．接到計(jì)算機(jī)的外殼10）經(jīng)?？吹綌?shù)字集成電路的VDD端（或VCC端）與地線之間并聯(lián)一個(gè)0.01F的獨(dú)石電容器，這是為了___與IC電源有關(guān)的___A．濾除50Hz鋸齒波B．濾除模擬電路對(duì)數(shù)字電路的干擾信號(hào)C．濾除印制板數(shù)字IC電源走線上的的脈沖尖峰電流D．濾除50Hz交流電壓提示：數(shù)字電路的輸出電壓幅值較大，通?？蛇_(dá)3~5V，而且電壓的上升沿和下降沿很陡。上升和下降時(shí)間可小于1μs，可能形成很大的高頻干擾。上升沿和下降沿越陡，由傅立葉轉(zhuǎn)換可知，所包含的高次諧波就越多。高頻干擾會(huì)產(chǎn)生輻射電磁波，從而干擾距離較遠(yuǎn)的模擬電路。圖12-01多個(gè)奇次波與基波合成方波的示意圖（在偶次諧波的位置的直線代表零電壓）多個(gè)正弦波合成的動(dòng)態(tài)圖形鏈接：/wiki/File:Fourier_series_square_wave_circles_animation.gifCMOS數(shù)字集成電路的脈沖電流：CMOS數(shù)字集成電路在靜態(tài)時(shí)的電源電流是很微小的（微安數(shù)量級(jí)）。但是，在CMOS數(shù)字集成電路的輸出從低電平翻轉(zhuǎn)到高電平，或者從高電平翻轉(zhuǎn)到低電平的瞬間，CMOS數(shù)字集成電路末級(jí)的“推挽”N型和P型場(chǎng)效應(yīng)管可能在短暫時(shí)間（大約是納秒級(jí)）里同時(shí)導(dǎo)通，需要電源電路提供很大、持續(xù)時(shí)間很短的脈沖電流。該電流會(huì)在電源的內(nèi)阻上會(huì)產(chǎn)生電壓降，從而干擾其他電路。退耦：在數(shù)字集成電路（以下簡(jiǎn)稱數(shù)字IC）的輸出翻轉(zhuǎn)的瞬間，需要有很低內(nèi)阻的電源來(lái)提供瞬間大電流。最簡(jiǎn)單的方法是在電源兩端并聯(lián)電容器，利用電容器的放電特性來(lái)減小電源的內(nèi)阻，稱為“退耦”。電解電容：電解電容是由較長(zhǎng)的鋁箔繞制而成，所以有較大的電感量。在高頻段，電解電容呈現(xiàn)出較大的感抗，不能為集成電路提供瞬間大電流。電解電容還依靠電解液來(lái)減小正負(fù)極的極距（正負(fù)極板的絕緣厚度僅相當(dāng)于陽(yáng)極的氧化鋁膜），交流損耗較大，只適宜于工頻電路的鋸齒波退耦和濾波。在高頻電路（或者中頻逆變電路）中，多數(shù)情況下，在電解電容兩端并聯(lián)若干個(gè)高頻特性較好的“磁介電容器”（又稱獨(dú)石電容）來(lái)達(dá)到退耦的目的。磁介電容器不是繞制而成，而是采用平板多層燒結(jié)工藝，只有容抗，所包含的高頻感抗很小，可以為數(shù)字IC提供瞬間大電流。又由于數(shù)字IC的瞬間大電流持續(xù)的時(shí)間很短（小于10ns），只需要1000pF（0.001μF）的磁介電容就能滿足“退耦”的要求。由于脈沖電流是從數(shù)字IC的電源端流入，從數(shù)字IC的地線端流出，為了減小數(shù)字IC脈沖電流對(duì)外電路的影響，應(yīng)該在數(shù)字IC的電源端與地線端就近并聯(lián)磁介電容器，而不應(yīng)該將磁介電容器焊接在遠(yuǎn)離數(shù)字IC電源端的位置。如果數(shù)字IC的印刷電路板是“多層板”，需要將磁介電容器就近焊接在距離數(shù)字IC附近，盡量降低“電源層”和“接地層”的高頻阻抗。模擬電路對(duì)數(shù)字電路的干擾：除非是功率放大器，模擬電路的輸出電壓和電流均較小，不容易干擾輸入閾值大于1V的數(shù)字式集成電路。還因模擬電路的輸出多數(shù)是低頻信號(hào)，甚至是直流電，不太會(huì)產(chǎn)生高頻的高次諧波，因而不會(huì)產(chǎn)生輻射和干擾。11）光耦合器（也稱光電耦合器）是將__*__信號(hào)轉(zhuǎn)換為__*__信號(hào)再轉(zhuǎn)換為__*___信號(hào)的耦合器件。A．光→電壓→光B．電流→光→電流C．電壓→光→電壓提示：“光耦合器”也稱“光電耦合器”，簡(jiǎn)稱“光耦”。其本質(zhì)不是光學(xué)器件（光耦合的含義是：實(shí)現(xiàn)對(duì)同一波長(zhǎng)的光功率進(jìn)行“分路”或“合路”），也不是“光導(dǎo)纖維耦合器”，是一種依靠紅外LED將電流信號(hào)變成紅外線光信號(hào)，再由光敏晶體管變?yōu)榕c紅外LED“隔離”的電流信號(hào)電器元件（電→光→電轉(zhuǎn)換器件）。在工程中，常將這類電子器件稱為“光電耦合器”，而不稱其正規(guī)名稱——“光耦合器”（有可能與光導(dǎo)纖維的器件相混淆）。圖12-24光耦示意圖a）管形軸向封裝剖面圖b）貼片封裝剖面圖c）圖形符號(hào)d）雙列直插封裝外形1－發(fā)光二極管2－輸入引腳3－輸出引腳4－金屬外殼5－光敏元件6－不透明玻璃絕緣材料7－氣隙8－黑色不透光塑料外殼9－透明樹脂10－紅外線12）在圖12-25a中，流過(guò)R1、R2的電流較小，R1、R2的功耗小于1/4W。若將接在380V上的R1、R2換成1/4W，會(huì)出現(xiàn)______擊穿____問(wèn)題；若VD1開路，將使光耦中的VL1在電源的負(fù)半周_____擊穿______；圖12-25b中，若IC1的1、2腳與3、4腳走線靠得太近，會(huì)出現(xiàn)_______A．燒毀B．信號(hào)減小C．擊穿D．開路圖12-25光耦用于強(qiáng)電信號(hào)的檢測(cè)、隔離

a）電路b）對(duì)應(yīng)的印制電路板13）在圖13-9中（是第13章的圖），當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)S（例如行程開關(guān)）閉合時(shí)，___VL1、VL3有電流，V1導(dǎo)通，Ui為高電平，經(jīng)IC2翻轉(zhuǎn)為低電平，+5V電壓經(jīng)R4，流經(jīng)VL4，……_______。A．VL1亮，Ui為高電平，VL4亮B．VL1暗，Ui為高電平，VL4暗C．VL1亮，Ui為低電平，VL4亮D．VL1暗，Ui為低電平，VL4暗圖13-9開關(guān)量光耦輸入電路1－現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)盒2－傳輸線3－電源4－光耦提示：如果忽略5.1kΩ的旁路作用，流入光耦的紅外發(fā)光二極管的電流：ID=(Ui-UVL1-UVL2)÷(R1+R2)=(24V-1.7V-1.2V)÷(3kΩ+3kΩ)=3.5mA。如果光耦的光敏晶體管飽和，流過(guò)光敏晶體管V1的電流：IV1=(VCC-UV1CES)÷RE=(5V-0.3V)÷5.1kΩ≈0.9mA。2．在一個(gè)熱電動(dòng)勢(shì)放大器的輸入端，測(cè)得熱電勢(shì)為10mV，差模交流（50Hz）干擾信號(hào)電壓有效值為1mV。1）求施加在該輸入端信號(hào)的信噪比。2）要采取什么措施才能提高放大器輸入端的信噪比？提示：1）求施加在該輸入端信號(hào)的信噪比：S/N=10lgPS/PN=20loUS/UN，絕對(duì)不是等于“1:1”。2）要采取什么措施才能提高放大器輸入端的信噪比：由于該干擾屬于差模交流（50Hz）干擾（也稱“串模干擾”），所以無(wú)法利用“高抗共模抑制比放大器”來(lái)減小干擾，而應(yīng)該在放大器的輸入端串聯(lián)一個(gè)“低通濾波器”，其轉(zhuǎn)折截止頻率可以為50Hz的1/5（10Hz），甚至更低。如果被測(cè)熱電動(dòng)勢(shì)的變化非常緩慢，可以采用低于1Hz的低通濾波器。3．在圖12-27中，設(shè)光耦中的紅外發(fā)光二極管的管壓降為1.2V，即UVL1=1.2V，NPN晶體管輸出傳感器的飽和壓降UOUT=0.3V，光敏晶體管的飽和壓降UV1=0.3V，光敏晶體管的集電極電阻RC=1.2k，光耦的限流電阻R1=3k，求：在有金屬物體靠近接近開關(guān)時(shí)的IVL1、UC及IV1。圖12-27接近開關(guān)與光耦的連接電路提示：在有金屬物體靠近接近開關(guān)時(shí)，流過(guò)光耦中的紅外發(fā)光二極管的電流：IVL1=(VCC1-UVL1-UOUT)/R1=(24V-1.3V-0.3V)/3kΩ=……mA光耦中的光敏晶體管的集電極對(duì)地飽和壓降：UC=0.3V光耦中的光敏晶體管的集電極（或發(fā)射極）對(duì)地飽和電流：IV1=(VCC1-UC)/RC=(5V-0.3V)/1.2kΩ=3.9mA4．某檢測(cè)系統(tǒng)由熱電偶和放大器A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)顯表等組成，如圖12-28所示。請(qǐng)指出與接地有關(guān)的錯(cuò)誤之處并畫出正確的接線圖。圖12-28熱電偶測(cè)溫電路接線圖改錯(cuò)提示：圖12-28存在兩大錯(cuò)誤：1）共阻抗耦合干擾：圖12-28中，數(shù)碼顯示器的模擬量輸入U(xiǎn)i的負(fù)極屬于“模擬地線”（簡(jiǎn)稱模擬地），而電源5V的負(fù)極屬于“數(shù)字地線”（簡(jiǎn)稱數(shù)字地）。數(shù)字地有較大的電流“流出”，可能會(huì)在一小段“共用地線”的內(nèi)阻上產(chǎn)生微小的壓降，這個(gè)壓降“疊加”在數(shù)碼顯示器的模擬輸入U(xiǎn)i上，會(huì)造成所顯示的數(shù)字的“跳變”，稱為“共阻抗耦合干擾”。干擾的過(guò)程分析如下：由于數(shù)字地的電流與所顯示的“段”有較大的關(guān)系，而“段”是隨著所顯示的數(shù)字而變化的，所以“段電流”也是會(huì)隨機(jī)跳變的，“共用地線”的內(nèi)阻上產(chǎn)生的微小壓降也隨之跳變。圖12-28所示的數(shù)字顯示器的分辨率為1/999≈0.1%，只要“共用地線”內(nèi)阻上的壓降有千分之一的變化，數(shù)字顯示器所顯示的最后一位數(shù)字就會(huì)跳動(dòng)。而且段電流與Ui相互影響，會(huì)使顯示值跳動(dòng)不止。當(dāng)數(shù)碼管是LED時(shí)，“段電流”約有幾毫安以上，共阻抗耦合干擾會(huì)涉及數(shù)碼顯示器倒數(shù)第二位的示值，使數(shù)字顯示器失去實(shí)用價(jià)值。2）大地電位差干擾：大地電位：工業(yè)中，通常將大地的電位當(dāng)作零電位。這是因?yàn)閷?dǎo)電的地球質(zhì)量很大，相當(dāng)于一個(gè)很大的電容，即使外界（例如閃電）往地球加進(jìn)去很多電荷，也不會(huì)使大地的電位發(fā)生顯著的變化。雖然地球與月球或其他天體有不同的電位，但由于我們生活在地球上，我們可以將地球當(dāng)作參考物，視其為零電位。地殼表層（離地表幾百米以內(nèi)）有大量水的存在，很多可溶性鹽溶解在水里，就形成導(dǎo)體。從廣義看，地球的表層是一個(gè)等電位的導(dǎo)體。但是大地的導(dǎo)電性并不好。干燥的土壤、巖石都不是導(dǎo)體。從發(fā)電廠的地線和你家的地線之間不是以大地為導(dǎo)體連接的。接地電阻：工業(yè)中，要求設(shè)備的“接地電阻”等于零是不可能的。根據(jù)國(guó)家有關(guān)電氣規(guī)范，要求“交流工作地”、“安全保護(hù)地”、“邏輯工作地”、“電源避雷器接地”、“信號(hào)避雷器接地”、“靜電接地”、“屏蔽接地”、“天線基座接地”、“金屬屏蔽層接地”等的電阻小于4Ω，重要場(chǎng)合要求接地電阻小于1Ω。如果一個(gè)變電站的地基是一大塊花崗巖，就必須打井一百多米，到達(dá)地下水層，才能符合接地的電氣規(guī)范要求。大地電位差：如果某一電器設(shè)備對(duì)地有較大的漏電流，則以漏電點(diǎn)為圓心，在很大的一個(gè)范圍內(nèi)，電位沿半徑方向向外逐漸降低。圖12-17給出了漏電設(shè)備產(chǎn)生“跨步電壓”的示意圖。接地電阻越小，跨步電壓就越小。假設(shè)電氣設(shè)備A的“U相”對(duì)地漏電，而電氣設(shè)備B的“V相”對(duì)地漏電，則在它們附近的其他設(shè)備的接地棒之間就存在較大的電位差，我們將它稱為“大地電位差”。有的地方大地電位差只有幾十毫伏；而在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，由于電氣設(shè)備很多，大地電流十分復(fù)雜，所以大地電位差有時(shí)可能高達(dá)幾百毫伏，甚至幾伏。圖12-17跨步電壓及大地電位差若將傳感器及二次儀表的零電位參考點(diǎn)的安裝地點(diǎn)分別接各自的大地，則可能在二次儀表的輸入端測(cè)得較為可觀的50Hz干擾電壓。大地環(huán)流：在圖12-28中，熱電偶的接地點(diǎn)為G1，熱電動(dòng)勢(shì)放大器的接地點(diǎn)為G2，兩點(diǎn)之間就存在不穩(wěn)定的50Hz大地電位差。如果將G1接到屏蔽層（屏蔽線外層）的左端，將G2接到屏蔽層的右端，由于屏蔽層的電阻值很小，就會(huì)在屏蔽層上產(chǎn)生較大數(shù)值的“大地環(huán)流”，并在屏蔽層上產(chǎn)生降壓。這個(gè)降壓對(duì)放大器而言，相當(dāng)于在輸入端串聯(lián)了一個(gè)50Hz的差模干擾電壓，經(jīng)放大后得到一個(gè)相當(dāng)可觀的干擾，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)跳動(dòng)不止。屏蔽層正確的接地方法：屏蔽層可以接傳感器端的大地，也可以接儀表端的大地，但左右兩側(cè)不能夠同時(shí)接不同的大地（稱為“一點(diǎn)接地”）。在圖12-28中，由于“傳感器側(cè)”的屏蔽層已經(jīng)被傳感器生產(chǎn)商接到傳感器的外殼了，又由于多數(shù)傳感器的外殼是必須接大地的，為了防止屏蔽層“兩端接地”，“儀表側(cè)”的屏蔽層最好是什么也不接（俗稱“蕩空”）。5．圖12-30為電力助動(dòng)車充電電壓檢測(cè)電路，電路中的線性光耦既可以傳輸充電電壓信號(hào)，又能將220V有危險(xiǎn)性的強(qiáng)電回路與計(jì)算機(jī)回路隔離開來(lái)。請(qǐng)指出與接地有關(guān)的錯(cuò)誤，并畫出正確的接線圖。圖12-29電力助動(dòng)車充電電壓檢測(cè)電路改錯(cuò)提示：圖12-29存在兩大錯(cuò)誤：1）光耦的接地錯(cuò)誤：該電路的光耦輸入側(cè)（紅外發(fā)光二極管側(cè)）是與220V充電器連接的，有帶電的可能。利用光耦，既能夠?qū)⒄诔潆姷男铍姵囟穗妷喊丛O(shè)定的比例傳送到測(cè)量回路的單片機(jī)里，又能夠?qū)?20V強(qiáng)電回路與單片機(jī)弱電回路隔離開來(lái)，提高了測(cè)量的安全性。在圖12-29中，錯(cuò)誤地將弱電的地線GND3與強(qiáng)電的地線GND2連接在一起，就可能將強(qiáng)電引入到弱電回路，引起觸電事故。2）光耦的電源錯(cuò)誤：在圖12-29中，錯(cuò)誤地將弱電的電源VCC2與強(qiáng)電的電源VCC1連接在一起，就可能將強(qiáng)電引入到弱電回路，引起觸電事故。3）強(qiáng)電回路的外殼不能與零線短路：需要注意的還有，千萬(wàn)不能給將220V充電器的外殼（GND1）接到220V的零線，而需要真正地接大地，才能保證安全。如果存在外殼與零線短路，可能會(huì)造成“漏電保護(hù)器”跳閘。6．圖12-30a、b分別為三菱和西門子PLC的輸入接口電路示意圖，請(qǐng)回答以下問(wèn)題：1）無(wú)源輸入電路和有源輸入電路有何區(qū)別？2）請(qǐng)參考圖4-16、圖4-17，說(shuō)明什么是NPN常開、PNP常開和PNP常閉傳感器？3）分析開關(guān)S0閉合后，兩類PLC的電流途徑，以及X0或I0.0信號(hào)燈與輸入信號(hào)之間的關(guān)系。4）說(shuō)明光耦在PLC的輸入接口電路中使用的意義。圖12-30兩種PLC的傳感器輸入接口電路示意圖a）低電平有效無(wú)源輸入電路b）高電平有效有源輸入電路1）無(wú)源輸入電路和有源輸入電路的區(qū)別：電子學(xué)中的“有源元件”與“無(wú)源元件”：在電子學(xué)中，不需要外加電源就能正常工作的電子元件屬于無(wú)源元件，例如電阻、電容、電感、觸點(diǎn)開關(guān)等；需要外加電源才能正常工作的電子元件屬于有源元件，例如二極管、晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管以及由上述元件組成的集成電路等。電氣領(lǐng)域的“有源”與“無(wú)源”的含義：在電氣領(lǐng)域，“有源”與“無(wú)源”的含義與電子學(xué)不太一致。例如，具有“內(nèi)置放大器”，需要接220V電源（或12V蓄電池）才能工作的音箱稱為“有源音箱”；內(nèi)部有晶體管放大器的蜂鳴器稱為“有源蜂鳴器”；用集成電路與RC（或LC）元件組成的電子濾波器稱為“有源濾波器”；需要提供電源才能工作的隔離電路稱為“有源隔離電路”……綜上所述，有源的含義大都與“需要外界提供電源”有關(guān)。PLC簡(jiǎn)介：PLC（ProgrammableLogicController）是一種可編程邏輯控制器，專為在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用而設(shè)計(jì)。其內(nèi)部存儲(chǔ)有程序，能夠執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出，控制各類機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，平均無(wú)故障時(shí)間可達(dá)數(shù)萬(wàn)小時(shí)，可以直接用于有強(qiáng)烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，PLC已被廣大用戶公認(rèn)為最可靠的工業(yè)控制設(shè)備之一。PLC的輸入/輸出接口：PLC的輸入接口電路把外部設(shè)備（如開關(guān)、按鈕、傳感器）的狀態(tài)或信息讀入CPU，通過(guò)用戶程序的運(yùn)算與操作，把結(jié)果通過(guò)輸出接口，傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如電磁閥、繼電器、接觸器等）。在輸入接口電路中，一般均配有光耦和阻容濾波等電路，以實(shí)現(xiàn)外部現(xiàn)場(chǎng)的各種信號(hào)與系統(tǒng)內(nèi)部統(tǒng)一信號(hào)的匹配和電平轉(zhuǎn)換。PLC的輸出接口分為“交流輸出接口”（晶閘管型MT，1ms）、“直流輸出接口”（晶體管型MS，0.1ms）、“交直流輸出接口”（繼電器型MR，10ms）。PLC的“有源”、“無(wú)源”輸入：PLC的輸入電路有多種，例如“交流輸入電路”、“低電平有效無(wú)源輸入電路”、“低電平有效有源輸入電路”、“高電平有效無(wú)源輸入電路”、“高電平有效有源輸入電路”等。PLC輸入端的所謂“有源”和“無(wú)源”，是按照輸入元件是否需要接到外接電源來(lái)劃分的?！坝性措娐贰钡妮斎朐枰饨?4V電源，對(duì)于高電平有效的傳感器而言，+24V電源（M端）是輸入元件的公共端?！盁o(wú)源電路”不需要外接24V電源。對(duì)于低電平有效的傳感器而言，PLC的地線（COM端）是公共端。以上論述，這與電子學(xué)里面的“有源”、“無(wú)源”的概念有較大的不同。圖12-30a的輸入端電流流向分析：在圖12-30a中，NPN常開型傳感器（低電平有效）相當(dāng)于一個(gè)接地的“按鍵開關(guān)”。PLC內(nèi)部的24V電源經(jīng)過(guò)續(xù)流電阻以及PLC內(nèi)部的輸入光耦，再經(jīng)過(guò)PLC的輸入端子（接口），流到PLC外部的NPN常開型傳感器集電極，再到發(fā)射極，最終流入到PLC的公共地線COM端。如果該NPN常開型傳感器處于“有效狀態(tài)”，該傳感器的集電極對(duì)地導(dǎo)通，PLC輸入端子內(nèi)部的光耦就可以得到較大的電流（例如5mA以上），PLC就認(rèn)為這個(gè)接線端子處于“有效狀態(tài)”，PLC就按照程序設(shè)定的任務(wù)，完成設(shè)定的操作。在圖12-30a中，如果NPN常開型傳感器的集電極與發(fā)射極之間為高阻態(tài)，PLC內(nèi)部對(duì)應(yīng)的光耦就得不到驅(qū)動(dòng)電流，PLC就認(rèn)為該輸入端子處于“無(wú)效狀態(tài)”。圖12-30b的輸入端電流流向分析：在圖12-30b中，PNP常開型傳感器（高電平有效）相當(dāng)于一個(gè)接到外部+24V的“按鍵開關(guān)”。外部+24V電源經(jīng)過(guò)PNP常開型傳感器的集電極，再到發(fā)射極，流入到PLC接線端子，經(jīng)PLC內(nèi)部的限流電阻，再到PLC內(nèi)部的輸入光耦（如果是“雙向光耦”，就可以響應(yīng)“交流電流輸入”），流入PLC的COM端。如果該P(yáng)NP常開型傳感器處于“有效狀態(tài)”，該傳感器的集電極對(duì)發(fā)射極是導(dǎo)通的，PLC輸入端子內(nèi)部的光耦就可以得到較大的電流（例如5mA以上），PLC認(rèn)為這個(gè)接線端子處于“有效狀態(tài)”，PLC就按照程序設(shè)定的任務(wù)，完成設(shè)定的操作。如果PNP常開型傳感器的集電極與發(fā)射極之間為高阻態(tài)，PLC內(nèi)部對(duì)應(yīng)的光耦得不到驅(qū)動(dòng)電流，PLC就認(rèn)為該輸入端子處于“無(wú)效”狀態(tài)。總結(jié)：對(duì)于PLC的輸入端子，判斷PLC的輸入是“有源”、“無(wú)源”的最基本區(qū)別是：需要或不需要給傳感器提供額外的24V電源（不是指?jìng)鞲衅髯约号涮椎墓ぷ麟娫矗?，可以完全不理睬電子學(xué)中的有源、無(wú)源元件的定義。2）請(qǐng)參考圖4-16、圖4-17，說(shuō)明什么是NPN常開、PNP常開和PNP常閉傳感器：圖4-16典型三線制接近開關(guān)的原理、接線及特性a）三線制接近開關(guān)原理框圖b）NPN、OC門常開型繼電器輸出電路c）NPN型接近開關(guān)的遲滯特性圖4-17工件的定位與計(jì)數(shù)a）接近開關(guān)的安裝位置b）感辨頭及調(diào)幅式轉(zhuǎn)換電路c）PNP型接近開關(guān)的動(dòng)作滯差特性1－加工機(jī)床2－刀具3－導(dǎo)電工件4-加工位置5－減速接近開關(guān)6－定位接近開關(guān)7－傳送機(jī)構(gòu)8－計(jì)數(shù)器-位置控制器開關(guān)型傳感器按輸出方式的分類：開關(guān)型傳感器常見的輸出型式有4種：NPN常開型、NPN常閉型、PNP常開型、PNP常閉型。常開型傳感器：“常開”是指在“平常狀態(tài)”下，OUT端（信號(hào)的輸出端）為“斷開”；在“動(dòng)作狀態(tài)”下，信號(hào)的OUT端為“閉合”。NPN開關(guān)型傳感器：NPN開關(guān)型傳感器采用NPN晶體管作為傳感器的輸出級(jí)。其特征是：集電極相對(duì)于發(fā)射極為正電壓。多數(shù)NPN型晶體管是接成“共發(fā)射極”電路，也就是發(fā)射極接地，集電極通過(guò)負(fù)載電阻或繼電器接到正電源，所以NPN型晶體管組成的“共發(fā)射極”電路在“飽和狀態(tài)”時(shí)的輸出是低電平（相當(dāng)于對(duì)地短接），可以驅(qū)動(dòng)繼電器等負(fù)載。NPN開關(guān)型傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：即使將OUT端對(duì)地短路，也不會(huì)燒毀輸出級(jí)的晶體管。NPN常開型傳感器：NPN常開型傳感器也稱為“N