测控电路课后习题答案(修改)

1第二章信号放大电路2-1何谓测量放大电路？对其基本要求是什么？在测量控制系统中，用来放大传感器输出的微弱电压，电流或电荷信号的放大电路称为测量放大电路，亦称仪用放大电路。对其基本要求是：①输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；②一定的放大倍数和稳定的增益；③低噪声；④低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移；⑤足够的带宽和转换速率（无畸变的放大瞬态信号）；⑥高输入共模范围（如达几百伏）和高共模抑制比；⑦可调的闭环增益；⑧线性好、精度高；⑨成本低。2-2什么是高共模抑制比放大电路？应用何种场合？有抑制传感器输出共模电压（包括干扰电压）的放大电路称为高共模抑制比放大电路。应用于要求共模抑制比大于100dB的场合，例如人体心电测量。2-3图2-17b所示电路，N1、N2为理想运算放大器，R4=R2=R1=R3=R，试求其闭环电压放大倍数。由图2-17b和题设可得u01=ui1(1+R2/R1)=2ui1,u0=ui2(1+R4/R3)–2ui1R4/R3=2ui2–2ui1=2(ui2-ui1)，所以其闭环电压放大倍数Kf=2。2-4图2-18所示电路，N1、N2、N3工作在理想状态，R1=R2=100k，RP=10k，R3=R4=20k，R5=R6=60k，N2同相输入端接地，试求电路的差模增益？电路的共模抑制能力是否降低？为什么？由图2-18和题设可得uo=(uo2–uo1)R5/R3=3(uo2–uo1),uo1=ui1(1+R1/Rp)–ui2R1/Rp=11ui1,uo2=ui2(1+R2/Rp)–ui1R2/Rp=–10ui1,即uo=3（–10ui1–11ui1）=–63ui1，因此，电路的差模增益为63。电路的共模抑制能力将降低，因N2同相输入端接地，即ui2=0，ui1的共模电压无法与ui2的共模电压相抵消。2-5什么是有源屏蔽驱动电路？应用于何种场合？请举例说明之。将差动式传感器的两个输出经两个运算放大器构成的同相比例差动放大后，使其输入端的共模电压1∶1地输出，并通过输出端各自电阻（阻值相等）加到传感器的两个电缆屏蔽层上，即两个输入电缆的屏蔽层由共模输入电压驱动，而不是接地，电缆输入芯线和屏蔽层之间的共模电压为零，这种电路就是有源屏蔽驱动电路。它消除了屏蔽电缆电容的影响，提高了电路的共模抑制能力，因此经常使用于差动式传感器，如电容传感器、压阻传感器和电感传感器等组成的高精度测控系统中。2-6请参照图2-20，根据手册中LF347和CD4066的连接图（即引脚图），将集成运算放大器LF347和集成模拟开关CD4066接成自动调零放大电路。LF347和CD4066接成的自动调零放大电路如图X2-1。22-7什么是CAZ运算放大器？它与自动调零放大电路的主要区别是什么？何种场合下采用较为合适？CAZ运算放大器是轮换自动校零集成运算放大器的简称，它通过模拟开关的切换，使内部两个性能一致的运算放大器交替地工作在信号放大和自动校零两种不同的状态。它与自动调零放大电路的主要区别是由于两个放大器轮换工作，因此始终保持有一个运算放大器对输入信号进行放大并输出，输出稳定无波动，性能优于由通用集成运算放大器组成的自动调零放大电路，但是电路成本较高，且对共模电压无抑制作用。应用于传感器输出信号极为微弱，输出要求稳定、漂移极低，对共模电压抑制要求不高的场合。2-8请说明ICL7650斩波稳零集成运算放大器是如何提高其共模抑制比的？ICL7650的输出cc10s11i2'11o)(UKUKUKKKU（见式2－6），其共模信号误差项Kc1Uc相当于输入端的共模误差电压Ucˊ，即CMRRUCMRRKUKKUKKKKUKU'c12c21c1c211c1cc式中K1、Kc1分别为运算放大器N1的开环放大倍数和开环共模放大倍数；K1＇为运算放大器N1由侧向端A1输入时的放大倍数；K2为运算放大器N2的开环放大倍数。设计中可使K1＇≈K1，K21，所以12CMRRKCMRR，因此整个集成运算放大器的共模抑制比CMRR比运算放大器N1的共模抑制比CMRR1（一般可达80dB）提高了K2倍。2-9何谓自举电路？应用于何种场合？请举一例说明之。自举电路是利用反馈使输入电阻的两端近似为等电位，减小向输入回路索取电流，从而提高输入阻抗的电路。应用于传感器的输出阻抗很高（如电容式，压电式传感器的输出阻抗可达108Ω以上）的测量放大电路中。图2-7所示电路就是它的例子。2-10何谓电桥放大电路？应用于何种场合？CD4066uoui+5VV–V+R2R1LF347图X2-13由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路或由传感器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。应用于电参量式传感器，如电感式、电阻应变式、电容式传感器等，经常通过电桥转换电路输出电压或电流信号，并用运算放大器作进一步放大，或由传感器和运算放大器直接构成电桥放大电路，输出放大了的电压信号。2-11图2-32所示线性电桥放大电路中，若u采用直流，其值Ｕ＝10V，R1＝R3=R＝120Ω，ΔR＝0.24Ω时，试求输出电压Ｕo。如果要使失调电压和失调电流各自引起的输出小于1mV，那么输入失调电压和输入失调电流应为多少？由图2-14电路的公式（式2-24）：uRRRRuRRRRRRRu31231231312o))(1(并将题设代入，可得Uo=–UΔR/(2R)=10mV。设输入失调电压为u0s和输入失调电流为I0s，当输出失调电压小于1mV时，输入失调电压u0s﹤(1×10–3)/(1+R2/R1)=0.5mV；输入失调电流为I0s﹤(1×10–3)/[R1(1+R2/R1)]=4.17μA。2-12什么是可编程增益放大电路？请举例说明之。放大电路的增益通过数字逻辑电路由确定的程序来控制，这种电路称为可编程增益放大电路，亦称程控增益放大电路，简称PGA。例如图X2-2，程序为A=0(开关A断开)、B=0(开关B断开)时，放大电路的电压放大倍数为-R/R1；当程序为A=1(开关A闭合)、B=0(开关B断开)时，放大倍数为-R2R/[R1（R2+R）]；当程序为A=0(开关A断开)、B=1(开关B闭合)，放大倍数为–R3R/[R1（R3+R）]；当程序为A=1、B=1(开关A、B均闭合)，放大倍数为–R2R3R/[R1（R2R3+R3R+RR2）]。因此可编程增益放大电路的增益是通过数字逻辑电路由确定的程序来控制。2-13请根据图2-37b，画出可获得1、10、100十进制增益的电路原理图。由图X2-3可得：当开关A闭合时，Uo=Ui；当开关B闭合时，Uo=10Ui，当开关C闭合时，Uo=100Ui。∞－++NRUoUiBAR1R2R3图X2-242-14根据图2-37c，若采用6个电阻，请画出电路原理图，并计算电阻网络各电阻的阻值。N=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,取R1=R，则R6=3R，R5=R，R4=R/2，R3=3R/10，R2=R/5，R1=R。见图X2-4。2-15什么是隔离放大电路？应用于何种场合？隔离放大电路的输入、输出和电源电路之间没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。隔离放大电路主要用于便携式测量仪器和某些测控系统（如生物医学人体测量、自动化试验设备、工业过程控制系统等）中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。2-16试分析图2-41电路中的限幅电路是如何工作的？并写出Ｕo的计算公式。当输入过载时，即输入正向（或反向）电压突然很大时，低漂移斩波稳零运算放大器235L输出饱和电平，限幅电路的正向（或反向）二极管导通，使放大器的增益减小，输出从饱和状态迅速恢复。运算放大器235L的输出为U1=（R3+R4）R2Ui/（R4R1）=1000Ui,AD277隔离放大器的电压放大倍数约为196.078，所以Ｕo=196.078（R3+R4）RUi/（R4R1）=196078Ui。[雄：U1=（R3+R2+R3R2/R4）Ui/R1，196.078何处来]Uo∞－++N5路摸拟开关RR/5R3RUi3R/10R/2CR∞－++NUoBAUi9R90R图X2-3图X2-45第三章信号调制解调电路3-1什么是信号调制？在测控系统中为什么要采用信号调制？什么是解调？在测控系统中常用的调制方法有哪几种？在精密测量中，进入测量电路的除了传感器输出的测量信号外，还往往有各种噪声。而传感器的输出信号一般又很微弱，将测量信号从含有噪声的信号中分离出来是测量电路的一项重要任务。为了便于区别信号与噪声，往往给测量信号赋以一定特征，这就是调制的主要功用。调制就是用一个信号（称为调制信号）去控制另一作为载体的信号（称为载波信号），让后者的某一特征参数按前者变化。在将测量信号调制，并将它和噪声分离，放大等处理后，还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，这一过程称为解调。在信号调制中常以一个高频正弦信号作为载波信号。一个正弦信号有幅值、频率、相位三个参数，可以对这三个参数进行调制，分别称为调幅、调频和调相。也可以用脉冲信号作载波信号。可以对脉冲信号的不同特征参数作调制，最常用的是对脉冲的宽度进行调制，称为脉冲调宽。3-2什么是调制信号？什么是载波信号？什么是已调信号？调制是给测量信号赋以一定特征，这个特征由作为载体的信号提供。常以一个高频正弦信号或脉冲信号作为载体，这个载体称为载波信号。用需要传输的信号去改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位。这个用来改变载波信号的某一参数的信号称调制信号。在测控系统中需传输的是测量信号，通常就用测量信号作调制信号。经过调制的载波信号叫已调信号。3-3什么是调幅？请写出调幅信号的数学表达式，并画出它的波形。调幅就是用调制信号x去控制高频载波信号的幅值。常用的是线性调幅，即让调幅信号的幅值按调制信号x线性函数变化。调幅信号su的一般表达式可写为：tmxUucmscos)(式中c──载波信号的角频率；mU──调幅信号中载波信号的幅度；m──调制度。图X3-1绘出了这种调幅信号的波形。6图X3-1双边带调幅信号a)调制信号b)载波信号c)双边带调幅信号3-4什么是调频？请写出调频信号的数学表达式，并画出它的波形。调频就是用调制信号x去控制高频载波信号的频率。常用的是线性调频，即让调频信号的频率按调制信号x的线性函数变化。调频信号us的一般表达式可写为：tmxUu)cos(cms式中c──载波信号的角频率；mU──调频信号中载波信号的幅度；m──调制度。图X3-2绘出了这种调频信号的波形。图a为调制信号x的波形,它可以按任意规律变化;图b为调频信号的波形,它的频率随x变化。若x=XmcosΩt，则调频信号的频率可在mcmX范围内变化。为了避免发生频率混叠现象，并便于解调，要求mcmX。tuxOtOucusOta)b)c)7图X3-2调频信号的波形a)调制信号b)调频信号3-5什么是调相？请写出调相信号的数学表达式，并画出它的波形。调相就是用调制信号x去控制高频载波信号的相位。常用的是线性调相，即让调相信号的相位按调制信号x的线性函数变化。调相信号us的一般表达式可写为：)cos(cmsmxtUu式中c──载波信号的角频率；mU──调相信号中载波信号的幅度；m──调制度。图X3-3绘出了这种调相信号的波形。图a为调制信号x的波形，它可以按任意规律变化；图b为载波信号的波形，图c为调相信号的波形，调相信号与载波信号的相位差随x变化。当0x时，调相信号滞后于载波信号。0x时，则超前于载波信号。图X3-3调相信号的波形a)调制信号b)载波信号c)调相信号ttta)b)c)xucusφoooxtOOtusa)b)83-6什么是脉冲调宽？请写出脉冲调宽信号的数学表达式，并画出它的波形。脉冲调