測控電路第五版李醒飛第五章習(xí)題答案

信號運(yùn)算電路5-1推導(dǎo)題圖5-43中各運(yùn)放輸出電壓，假設(shè)各運(yùn)放均為理想運(yùn)放。(a)該電路為同相比例電路，故輸出為：(b)該電路為反相比例放大電路，于是輸出為：(c)設(shè)第一級運(yùn)放的輸出為，由第一級運(yùn)放電路為反相比例電路可知：后一級電路中，由虛斷虛短可知，，則有：于是解得：(d)設(shè)第一級運(yùn)放的輸出為，由第一級運(yùn)放電路為同相比例電路可知：后一級電路中，由虛斷虛短可知，，則有：于是解得：Rui7ui8u-Rui7ui8u-u+∞-++N3RRui6RR∞-++NRui3ui4u-u+∞-++N5RRui2ui1ui5RR圖X5-1uo5-3由理想放大器構(gòu)成的反向求和電路如圖5-44所示。推導(dǎo)其輸入與輸出間的函數(shù)關(guān)系；如果有、、、、，輸入的范圍是0到4V，確定輸出的變化范圍，并畫出與輸入的變化曲線。由運(yùn)放的虛斷虛短特性可知，則有：于是有：將已知數(shù)據(jù)帶入得到表達(dá)式：函數(shù)曲線可自行繪制。5-4理想運(yùn)放構(gòu)成圖5-45a所示電路，其中、、。圖5-54b為輸入信號波形，分別畫出和的輸出波形。前一級電路是一個微分電路，故輸入已知，故曲線易繪制如圖X5-2所示。3535152535O5150.5.5Ot/sUo1/V-0.5圖X5-2后一級電路是一個積分電路，故

則曲線繪制如圖X5-3所示。3535152535O51510.5Ot/sUo/V圖X5-35-5理想運(yùn)算放大器構(gòu)成圖5-46所示電路，推導(dǎo)輸入/輸出關(guān)系，并說明電路作用。該電路為差分放大電路，故輸出為：（具體推導(dǎo)過程可參考教材）該電路為差分放大電路，可有效抑制電路中的共模信號，有較大的共模抑制比5-6理想單電源運(yùn)算放大器作為線路放大器使用時，經(jīng)常需要用減法器電路，實(shí)現(xiàn)電平遷移，如圖5-47所示為一理想運(yùn)算放大器構(gòu)成的電平遷移電路，試推導(dǎo)其輸入/輸出關(guān)系。該電路為差分放大電路，故電路的輸出為：5-7圖5-48為圖5-47所示的一種實(shí)用電路，根據(jù)電路所示參數(shù)，推導(dǎo)輸入/輸出關(guān)系，完成運(yùn)算，求其系數(shù)m、b?由：可得：由可得：由以上可得：5-8圖5-49為Pt100鉑電阻的三線測溫線路，TL431為2.5V的精密電壓基準(zhǔn)源，試分析線路工作原理，推導(dǎo)出與Pt100的關(guān)系，當(dāng)Pt100電阻值從100Ω到178.5Ω變化時，對應(yīng)溫度變化0到200℃，要求線路輸出0到2V的電壓輸出，說明和的作用。如何調(diào)整線路輸出零點(diǎn)和滿度？TL431提供電壓源，Rp1所在電路提供運(yùn)放的正相輸入電壓。根據(jù)運(yùn)放特性得到(2.5-U+)/2.4k=（U+-Uo1）/Rt式中的U+可以通過調(diào)節(jié)Rp1進(jìn)行調(diào)整。之后Uo1接一個反相放大器，得到最終的輸出。通過上述分析，通過調(diào)節(jié)Rp1可以調(diào)節(jié)輸出的零點(diǎn)，而調(diào)節(jié)Rp2則可以調(diào)節(jié)輸出的飽和度。5-9如何利用乘法器構(gòu)成立方運(yùn)算電路？圖X5-4如圖X5-4所示，首先經(jīng)過一個對數(shù)電路，然后經(jīng)過一個比例放大電路，最后接一個指數(shù)運(yùn)算電路，即可完成立方運(yùn)算電路。5-10將正弦信號加到圖5-50電路中，試分析電路的輸出，并畫出其波形。UUI15V-15V圖X5-5輸入信號波形UUZ-UZUo圖X5-6輸出信號波形5-11在圖5-35所示的調(diào)節(jié)器電路中為什么需要采用電平移動電路？調(diào)節(jié)器之所以要電平移位電路，是為了不要因?yàn)閱坞娫炊拗屏溯敵?，為了滿足放大器的共模電壓范圍的要求，解決輸出的直流偏置問題。5-12試說明圖5-35中輸入指示和給定指示中兩個電流表的工作原理。輸入顯示：利用開關(guān)S5可以選擇輸入信號。當(dāng)S5打下時，輸入信號為以0V為基準(zhǔn)的DC1~5V信號。當(dāng)S5往上打時，則輸入信號通過VS和電位器穩(wěn)壓在3V左右（在這一情況下，可配合開關(guān)S7進(jìn)行標(biāo)定功能）。但無論S5開關(guān)朝向，它們都送到N5的差動輸入端，然后面板上的電表A1指示輸入值。給定顯示：調(diào)節(jié)器的輸入信號與給定信號均是以0V為基準(zhǔn)的DC1~5V信號；利用開關(guān)S6可以選擇內(nèi)或外給定信號。在接外給定信號時，給定信號為DC4~20mA電流信號IR，通過250Ω精密電阻RR轉(zhuǎn)換為DC1~5V信號。在接內(nèi)給定信號時，給定信號由穩(wěn)壓管VS上取出6V的基準(zhǔn)電壓，經(jīng)電位器RPS分壓后形成DC1~5V信號。無論采用內(nèi)、外給定信號，它們都送到N6的差動輸入端，然后面板上的電表A2指示給定值。在外給定時，S6還將外給定指示燈點(diǎn)亮。開關(guān)S7用來選擇調(diào)節(jié)器的正、反作用。5-13在圖5-39所示的比例積分（PI）運(yùn)算電路中二極管VD起什么作用？VD管的作用是使運(yùn)算放大器輸出正向電壓，三極管正常工作，輸出反向電壓時，起到截止的作用。5-14圖5-51示為T型網(wǎng)絡(luò)微分電路，反饋網(wǎng)絡(luò)采用T型網(wǎng)絡(luò)可以使用小阻值的精密電阻模擬大阻值的積分電阻，實(shí)現(xiàn)長周期的微分電路，試分析圖示網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)。5-15圖5-52為一采用雙T型網(wǎng)絡(luò)的雙重積分電路，試推導(dǎo)輸入/輸出關(guān)系。5-16乘法器可以用于信號的調(diào)制解調(diào)，或者幅值調(diào)制及相位檢波。圖5-53為一信號倍頻電路，輸入正弦波，分析輸出波形，并給出輸入/輸出關(guān)系式。5-17圖5-54為模擬乘法器用于調(diào)制運(yùn)算，根據(jù)其運(yùn)算功能，分析輸出？5-18試設(shè)計一電能測量儀表，輸入0到10V交流50Hz電壓信號，0到1A交流電流信號，求其功率。分析題目要求，交流信號輸入，先設(shè)計整流電路，將交流信號整流為直流信號，在用乘法電路求取。習(xí)題參考答案（時間倉促，難免有誤，請指正，謝謝?。┰噺哪闶煜さ膸讉€例子說明測量與控制技術(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運(yùn)動。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)、冶煉時間等運(yùn)行規(guī)程。為了做到這些，必須對機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行精確檢測，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，控制它，使它按規(guī)定的要求運(yùn)行。計算機(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元件取決于光刻工藝能制作出多精細(xì)的圖案，而這依賴于光刻的精確重復(fù)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(zhǔn)確性。一部現(xiàn)代的汽車往往裝有幾十個不同傳感器，對點(diǎn)火時間、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，通過測量與控制使其能圓滿地完成規(guī)定的功能。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(zhuǎn)換、便于傳輸、便于適應(yīng)各種使用要求的特點(diǎn)。測控電路在整個測控系統(tǒng)中起著十分關(guān)鍵的作用，測控系統(tǒng)、乃至整個機(jī)器和生產(chǎn)系統(tǒng)的性能在很大程度是取決于測控電路。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：噪聲與干擾；失調(diào)與漂移，主要是溫漂；線性度與保真度；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，需要特別注意。為什么說測控電路是測控系統(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(jìn)行各種變換和對信號進(jìn)行各種處理與運(yùn)算的能力，這些工作通常由測控電路完成。它包括：模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)模轉(zhuǎn)換；直流與交流、電壓與電流信號之間的轉(zhuǎn)換。幅值、相位、頻率與脈寬信號等之間的轉(zhuǎn)換；量程的變換；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；對信號進(jìn)行處理與運(yùn)算，如求平均值、差值、峰值、絕對值，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。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(jìn)行測量，通過測量電路在設(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)的基本組成見圖X1-3。它的主要特點(diǎn)是用傳感器直接測量輸出量，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，進(jìn)行調(diào)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(shè)定信號之差不直接送到放大電路，而先經(jīng)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(yīng)速度常引入微分環(huán)節(jié)。另外，當(dāng)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(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?？刂齐娐吩O(shè)定電路比較電路控制電路設(shè)定電路比較電路校正電路轉(zhuǎn)換電路 給定機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象輸出傳感器擾動2-2什么是高共模抑制比放大電路？應(yīng)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(yīng)用于要求共模抑制比大于100dB的場合，例如人體心電測量。2-3圖2-13b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2-13b和題設(shè)可得u01=ui1(1+R2/R1)=2ui1,u0=ui2(1+R4/R3)–2ui1R4/R3=2ui2–2ui1=2(ui2-ui1)，所以其閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Kf=2。2-6何謂電橋放大電路？應(yīng)用于何種場合？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)常通過電橋轉(zhuǎn)換電路輸出電壓或電流信號，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。2-9什么是CAZ運(yùn)算放大器？它與自動調(diào)零放大電路的主要區(qū)別是什么？何種場合下采較為合適？CAZ運(yùn)算放大器是輪換自動校零集成運(yùn)算放大器的簡稱，它通過模擬開關(guān)的切換，使內(nèi)部兩個性能一致的運(yùn)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(diào)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(yùn)算放大器對輸入信號進(jìn)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(yùn)算放大器組成的自動調(diào)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(yīng)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。2-11何謂自舉電路？應(yīng)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(yīng)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(dá)108Ω以上）的測量放大電路中。圖2-23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?yàn)锳=0(開關(guān)A斷開)、B=0(開關(guān)B斷開)時，放大電路的電壓放大倍數(shù)為-R/R1；當(dāng)程序?yàn)锳=1(開關(guān)A閉合)、B=0(開關(guān)B斷開)時，放大倍數(shù)為-R2R/[R1（R2+R）]；當(dāng)程序?yàn)锳=0(開關(guān)A斷開)、B=1(開關(guān)B閉合)，放大倍數(shù)為–R3R/[R1（R3+R）]；當(dāng)程序?yàn)锳=1、B=1(開關(guān)A、B均閉合)，放大倍數(shù)為–R2R3R/[R1（R2R3+R3R+RR2）]。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。∞－++NR∞－++NRUoUiBAR1R2R3圖X2-2由圖X2-3可得：當(dāng)開關(guān)A閉合時，Uo=Ui；當(dāng)開關(guān)B閉合時，Uo=10Ui，當(dāng)開關(guān)C閉合時，Uo=100Ui。CR∞－++NCR∞－++NUoBAUi9R90R圖X2-3N=6: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(guān)RR/5R3RUi3R/10R/2取R1=R，則R6=3R，R5=R，Uo∞－++N5路摸擬開關(guān)RR/5R3RUi3R/10R/2圖X2-4圖X2-42-15什么是隔離放大電路？應(yīng)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器和某些測控系統(tǒng)（如生物醫(yī)學(xué)人體測量、自動化試驗(yàn)設(shè)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。什么是信號調(diào)制？在測控系統(tǒng)中為什么要采用信號調(diào)制？什么是解調(diào)？在測控系統(tǒng)中常用的調(diào)制方法有哪幾種？在精密測量中，進(jìn)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(xiàng)重要任務(wù)。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(diào)制的主要功用。調(diào)制就是用一個信號（稱為調(diào)制信號）去控制另一作為載體的信號（稱為載波信號），讓后者的某一特征參數(shù)按前者變化。在將測量信號調(diào)制，并將它和噪聲分離，放大等處理后，還要從已經(jīng)調(diào)制的信號中提取反映被測量值的測量信號，這一過程稱為解調(diào)。在信號調(diào)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(jìn)行調(diào)制，分別稱為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。也可以用脈沖信號作載波信號。可以對脈沖信號的不同特征參數(shù)作調(diào)制，最常用的是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，稱為脈沖調(diào)寬。什么是調(diào)制信號？什么是載波信號？什么是已調(diào)信號？調(diào)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(diào)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(diào)制信號。經(jīng)過調(diào)制的載波信號叫已調(diào)信號。什么是調(diào)幅？請寫出調(diào)幅信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并畫出它的波形。調(diào)幅就是用調(diào)制信號x去控制高頻載波信號的幅值。常用的是線性調(diào)幅，即讓調(diào)幅信號的幅值按調(diào)制信號x線性函數(shù)變化。調(diào)幅信號的一般表達(dá)式可寫為：式中──載波信號的角頻率；──調(diào)幅信號中載波信號的幅度；m──調(diào)制度。圖X3-1繪出了這種調(diào)幅信號的波形。c)a)b)tuxOc)a)b)tuxOtOucusOt調(diào)制信號b)載波信號c)雙邊帶調(diào)幅信號什么是調(diào)頻？請寫出調(diào)頻信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并畫出它的波形。調(diào)頻就是用調(diào)制信號x去控制高頻載波信號的頻率。常用的是線性調(diào)頻，即讓調(diào)頻信號的頻率按調(diào)制信號x的線性函數(shù)變化。調(diào)頻信號us的一般表達(dá)式可寫為：式中──載波信號的角頻率；──調(diào)頻信號中載波信號的幅度；m──調(diào)制度。圖X3-2繪出了這種調(diào)頻信號的波形。圖a為調(diào)制信號x的波形,它可以按任意規(guī)律變化;圖b為調(diào)頻信號的波形,它的頻率隨x變化。若x=XmcosΩt，則調(diào)頻信號的頻率可在范圍內(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。xtOOxtOOtusa)b)a)調(diào)制信號b)調(diào)頻信號為什么在測控系統(tǒng)中常常在傳感器中進(jìn)行信號調(diào)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(jīng)是已調(diào)信號，因此常常在傳感器中進(jìn)行調(diào)制。什么是雙邊帶調(diào)幅？請寫出其數(shù)學(xué)表達(dá)式，畫出它的波形。可以假設(shè)調(diào)制信號x為角頻率為Ω的余弦信號x=XmcosΩt，當(dāng)調(diào)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(diào)制中必須要求載波信號的頻率遠(yuǎn)高于調(diào)制信號的變化頻率。由式（3-1）調(diào)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Umcosωct和角頻率分別為ωc±Ω的上下邊頻信號。載波信號中不含調(diào)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(diào)制稱為雙邊帶調(diào)制，對于雙邊帶調(diào)制雙邊帶調(diào)制的調(diào)幅信號波形見圖X3-9。圖a為調(diào)制信號，圖b為載波信號，圖c為雙邊帶調(diào)幅信號。ttuxOtOucusOta)b)c)圖X3-9雙邊帶調(diào)幅信號a)調(diào)制信號b)載波信號c)雙邊帶調(diào)幅信號3-12測控系統(tǒng)中被測信號的變化頻率為0~100Hz，應(yīng)當(dāng)怎樣選取載波信號的頻率？應(yīng)當(dāng)怎樣選取調(diào)幅信號放大器的通頻帶？信號解調(diào)后，怎樣選取濾波器的通頻帶？為了正確進(jìn)行信號調(diào)制必須要求ωc>>Ω，通常至少要求ωc>10Ω。在這種情況下，解調(diào)時濾波器能較好地將調(diào)制信號與載波信號分開，檢出調(diào)制信號。若被測信號的變化頻率為0~100Hz，應(yīng)要求載波信號的頻率ωc>1000Hz。調(diào)幅信號放大器的通頻帶應(yīng)為900~1100Hz。信號解調(diào)后，濾波器的通頻帶應(yīng)>100Hz，即讓0~100Hz的信號順利通過，而將900Hz以上的信號抑制，可選通頻帶為200Hz。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)信號中檢出調(diào)制信號的過程稱為解調(diào)或檢波。幅值調(diào)制就是讓已調(diào)信號的幅值隨調(diào)制信號的值變化，因此調(diào)幅信號的包絡(luò)線形狀與調(diào)制信號一致。只要能檢出調(diào)幅信號的包絡(luò)線即能實(shí)現(xiàn)解調(diào)。這種方法稱為包絡(luò)檢波。從圖X3-10中可以看到，只要從圖a所示的調(diào)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(jīng)全波檢波也可)，再經(jīng)低通濾波，濾除高頻信號，即可獲得所需調(diào)制信號，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。usuo'Ousuo'OOtta)b)調(diào)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3-11b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)電壓超過一定值時才導(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(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，可寫出下列方程組：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(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)而進(jìn)入飽和，另一方面也使us在兩個半周期負(fù)載基本對稱。圖中N2與R3、R4、C等構(gòu)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?yàn)殡娙軨的左端接虛地，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(gòu)成全波精密檢波電路需要將us通過與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。在不加電容器C時，N2的輸出為：tuouausttoooa)c)b)圖X3-11a為輸入調(diào)幅信號us的波形，圖b為tuouausttoooa)c)b)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(diào)制信號相位的檢波電路。包絡(luò)檢波有兩個問題：一是解調(diào)的主要過程是對調(diào)幅信號進(jìn)行半波或全波整流，無法從檢波器的輸出鑒別調(diào)制信號的相位。如在圖1-3所示用電感傳感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(luò)檢波電路的輸出無法確定磁芯向上或向下移動。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(fù)調(diào)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(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)別是相敏檢波電路能夠鑒別調(diào)制信號相位，從而判別被測量變化的方向、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(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(yīng)與所需解調(diào)的調(diào)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。3-19什么是相敏檢波電路的鑒相特性與選頻特性？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(nèi)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(yīng)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(nèi)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。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(guān)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(guān)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(guān)系，這種特性稱為選頻特性。4-1簡述濾波器功能、分類及主要特性參數(shù)濾波器是具有頻率選擇作用的電路或運(yùn)算處理系統(tǒng)。按所處理信號形式不同，濾波器可分為模擬濾波器與數(shù)字濾波器兩類；按功能濾波器可分為低通、高通、帶通與帶阻四類。濾波器主要特性參數(shù)包括：1)特征頻率濾波器的頻率參數(shù)主要有：=1\*GB3①通帶截頻為通帶與過渡帶的邊界點(diǎn)，在該點(diǎn)信號增益下降到一個人為規(guī)定的下限。=2\*GB3②阻帶截頻為阻帶與過渡帶的邊界點(diǎn)，在該點(diǎn)信號衰耗(增益的倒數(shù))下降到一個人為規(guī)定的下限。=3\*GB3③轉(zhuǎn)折頻率為信號功率衰減到(約3dB)時的頻率，在很多情況下，也常以作為通帶或阻帶截頻。=4\*GB3④當(dāng)電路沒有損耗時，固有頻率，就是其諧振頻率，復(fù)雜電路往往有多個固有頻率。2)增益與衰耗濾波器在通帶內(nèi)的增益并非常數(shù)。=1\*GB3①對低通濾波器通帶增益一般指時的增益；高通指時的增益；帶通則指中心頻率處的增益。=2\*GB3②對帶阻濾波器，應(yīng)給出阻帶衰耗，衰耗定義為增益的倒數(shù)。=3\*GB3③通帶增益變化量指通帶內(nèi)各點(diǎn)增益的最大變化量，如果以dB為單位，則指增益dB值的變化量。3）阻尼系數(shù)與品質(zhì)因數(shù)阻尼系數(shù)是表征濾波器對角頻率為信號的阻尼作用，是濾波器中表示能量衰耗的一項(xiàng)指標(biāo)，它是與傳遞函數(shù)的極點(diǎn)實(shí)部大小相關(guān)的一項(xiàng)系數(shù)。它可由式（4-3）所示的傳遞函數(shù)的分母多項(xiàng)式系數(shù)求得:的倒數(shù)稱為品質(zhì)因數(shù)，是評價帶通與帶阻濾波器頻率選擇特性的一個重要指標(biāo)，Q為：式中的為帶通或帶阻濾波器的3dB帶寬，為中心頻率，在很多情況下中心頻率與固有頻率相等。4）靈敏度濾波電路由許多元件構(gòu)成，每個元件參數(shù)值的變化都會影響濾波器的性能。濾波器某一性能指標(biāo)對某一元件參數(shù)變化的靈敏度記作，定義為：靈敏度是濾波電路設(shè)計中的一個重要參數(shù)，可以用來分析元件實(shí)際值偏離設(shè)計值時，電路實(shí)際性能與設(shè)計性能的偏離；也可以用來估計在使用過程中元件參數(shù)值變化時，電路性能變化情況。該靈敏度與測量儀器或電路系統(tǒng)靈敏度不是一個概念，該靈敏度越小，標(biāo)志著電路容錯能力越強(qiáng)，穩(wěn)定性也越高。5）群時延函數(shù)當(dāng)濾波器幅頻特性滿足設(shè)計要求時，為保證輸出信號失真度不超過允許范圍，對其相頻特性也應(yīng)提出一定要求。在濾波器設(shè)計中，常用群時延函數(shù)評價信號經(jīng)濾波后相位失真程度。越接近常數(shù)，信號相位失真越小。4-4如果帶通濾波器可等效成低通與高通濾波電路的級聯(lián)，那么帶阻濾波器呢？試以式(4-18)證明之。帶阻濾波器可等效成低通與高通濾波電路的并聯(lián)，但是要求低通濾波器的通帶截頻低于高通濾波器的通帶截頻，并且相位相同。設(shè)電路原理框圖如下+++如果則4-10按圖4-11a二階巴特沃斯低通濾波器，，，其中無限增益多路反饋型電路按書中表4-2與表4-3設(shè)計。由表4-2確定圖4-14a電路電容，相應(yīng)的換標(biāo)系數(shù)，查表4-3得到，，，。然后可以得到電路實(shí)際參數(shù)，，，，，。最后選擇元件公稱值，，，，。5-1略。5-2試畫出一個能實(shí)現(xiàn)的加減混合運(yùn)算電路。5-3略5-4解：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)計其轉(zhuǎn)換電路。該轉(zhuǎn)換電路如圖X6-3所示。R3∞-+R3∞-++NuoR1R2R4iuiUb圖X6-3取R1=250Ω，當(dāng)i=4mA時，ui=1V，當(dāng)i=20mA時，ui=5V。因此要求有R3/R2=6/5，Ub=5/6(V)，取R2=10k，R3=12k，R4=R2//R3=5.45k，取R4=5.6k。6-5如果要求一個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，有：取n=11，即輸入端數(shù)字量要11位。6-6圖6-28所示為加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，若取n=8，UR=10V，R=2R1，試求Din=00110011時的值。根據(jù)公式當(dāng)Din=00110011時，輸出電壓為：6-7一個6bit的D/A轉(zhuǎn)換器，具有單向電流輸出，當(dāng)Din=110100時，io=5mA，試求Din=110011時的io值。當(dāng)Di