測(cè)控電路課后答案(張國(guó)雄第四版)資料.doc

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)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)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，而這依賴于光刻的精確重復(fù)定位，依賴于定位系統(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，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？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（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)。電路圖X1-1傳 感 器量程切換電路放 大 器解 調(diào) 器信號(hào)分離電路運(yùn) 算 電 路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路計(jì) 算 機(jī)顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)振 蕩 器 電 源傳 感 器顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)計(jì) 算 機(jī)鎖 存 器計(jì) 數(shù) 器變換電路脈沖當(dāng)量放 大 器整形電路細(xì)分電路辨向電路指令傳感器電路手動(dòng)采樣鎖 存 令圖X1-2 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)插細(xì)分?？梢詫?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)姆椒ū鎰e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)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。 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(duì)象輸出傳感器擾動(dòng)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)的放大電路稱為測(cè)量放大電路，亦稱儀用放大電路。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。CD4066uoui+5VVV+R2R1LF347圖X2-12-4 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，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（見(jiàn)式26），其共模信號(hào)誤差項(xiàng)Kc1Uc相當(dāng)于輸入端的共模誤差電壓Uc，即式中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K1K1， K21，所以，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CMRR1（一般可達(dá)80dB）提高了K2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，壓電式傳感器的輸出阻抗可達(dá)108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，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2-8b和題設(shè)可得u01 =ui1 (1+R2 /R1) = 2ui1 , u0=ui2 (1+R4 /R3 )2ui1 R4/R3 =2ui22 ui1=2(ui2-ui1)，所以其閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Kf=2。2-9 圖2-9所示電路，N1、N2、N3工作在理想狀態(tài)，R1=R2=100kW，RP=10kW，R3=R4=20kW，R5=R6=60kW，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 = (uo2uo1) R5 / R3 =3(uo2uo1 ), uo1 = ui1 (1 + R1 /Rp)ui2 R1/Rp=11ui1, uo2= ui2(1+R2/Rp)ui1 R2/Rp=10ui1, 即uo=3（10ui111ui1）=63ui1，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，ui1的共模電壓無(wú)法與ui2的共模電壓相抵消。2-10 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11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/(2R+R)-uR/(2R)=uR/(4R+2R), 電路輸出電壓uo=(1+R2/R1)u+, 所以u(píng)o=(1+R2/R1)uR/(4R+2R), 將傳感器電阻的相對(duì)變化率=R/R代入，則得uo=(1+R2/R1)u/ (4+2)可見(jiàn)，同相輸入電橋放大電路，其輸出uo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uo與橋臂電阻的相對(duì)變化率是非線性關(guān)系，只有當(dāng)，通常至少要求c10。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c1000 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(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。usuoOOtta)b)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。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，ua0。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： 其中Kd為N1的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)。解以上聯(lián)立方程組得到通常，N1的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)Kd很大，這時(shí)上式可簡(jiǎn)化為：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(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。圖中N2與R3、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)成全波精密檢波電路需要將us通過(guò)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(shí)，N2的輸出為：tuouausttoooa)c)b)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。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(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)乘以幅值為1的載波信號(hào)就可以得到雙邊頻調(diào)幅信號(hào)。若將再乘以，就得到利用低通濾波器濾除頻率為和的高頻信號(hào)后就得到調(diào)制信號(hào)，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)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)，經(jīng)低通濾波后就可以得到調(diào)制信號(hào)ux。這就是相敏檢波電路在結(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)與高頻載波信號(hào)相乘，輸出為高頻調(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。在Uc=0的半周期，V1截止、V2導(dǎo)通，反相輸入端通過(guò)R3接地，us從同相輸入端輸入，放大倍數(shù)為。效果與圖a相同，實(shí)現(xiàn)了全波相敏檢波。R1= R2= R3= R4= R5= R6/2是阻值必須滿足的匹配關(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)于相位稱為鑒相，而對(duì)于頻率稱為選頻？相敏檢波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。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，即輸出信號(hào)隨相位差的余弦而變化。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)怎么選取？?jī)蓚€(gè)調(diào)諧回路的固有頻率f01、 f02 分別比載波頻率fc高和低f0。隨著輸入信號(hào)us的頻率變化，回路1的輸出us1和回路2的輸出us2如圖3-34d和e所示。回路1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V1、V2用作包絡(luò)檢波，電容C1、C2用于濾除高頻載波信號(hào)。RL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E0為常值。當(dāng)U1、U2的幅值增大時(shí)，通過(guò)二極管V1、V2向電容C3、C4、C5的充電電流增大。由于C5 C3、C5C4，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V1、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)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U1、U2的幅值趨向穩(wěn)定。另一方面的下降又導(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)饔茫贡壤b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路。一路經(jīng)耦合電容C0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，從而確定它的頻率。后一種方法可用于調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)。它的缺點(diǎn)是進(jìn)入計(jì)數(shù)器的脈沖數(shù)代表信號(hào)周期，它與頻率間的轉(zhuǎn)換關(guān)系是非線性的。3-24 為什么圖3-31所示電路實(shí)現(xiàn)的是調(diào)頻，而圖3-53所示電路實(shí)現(xiàn)的是脈沖調(diào)寬，它們的關(guān)鍵區(qū)別在哪里？圖3-31中，在兩個(gè)半周期是通過(guò)同一電阻通道R+Rw向電容C充電，兩半周期充電時(shí)間常數(shù)相同，從而輸出占空比為1: 1的方波信號(hào)。當(dāng)R或C改變時(shí)，振蕩器的頻率發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。圖3-53中，在兩個(gè)半周期通過(guò)不同的電阻通道向電容充電，兩半周期充電時(shí)間常數(shù)不同，從而輸出信號(hào)的占空比也隨兩支充電回路的阻值而變化。圖中R1、R2為差動(dòng)電阻傳感器的兩臂，R1+R2為一常量，輸出信號(hào)的頻率不隨被測(cè)量值變化，而它的占空比隨R1、R2的值變化，即輸出信號(hào)的脈寬受被測(cè)信號(hào)調(diào)制。3-25 試述用乘法器或開(kāi)關(guān)式相敏檢波電路鑒相的基本原理。 用乘法器實(shí)現(xiàn)鑒相時(shí)，乘法器的兩個(gè)輸入信號(hào)分別為調(diào)相信號(hào)與參考信號(hào)。乘法器的輸出送入低通濾波器濾除由于載波信號(hào)引起的高頻成分，低通濾波相當(dāng)于求平均值，整個(gè)過(guò)程可用下述數(shù)學(xué)式表示，輸出電壓 即輸出信號(hào)隨相位差的余弦而變化。 開(kāi)關(guān)式相敏檢波電路中采用歸一化的方波信號(hào)Uc作參考信號(hào)，用它與調(diào)相信號(hào)相乘。歸一化的方波信號(hào)Uc中除頻率為的基波信號(hào)外，還有頻率為3和5等的奇次諧波成分。但它們對(duì)輸出電壓uo沒(méi)有影響，因?yàn)楹偷仍诘囊粋€(gè)周期內(nèi)積分值為零。其輸出信號(hào)仍可用上式表示，只是取。在開(kāi)關(guān)式相敏檢波電路中參考信號(hào)的幅值對(duì)輸出沒(méi)有影響，但調(diào)相信號(hào)的幅值仍然有影響。3-26 為什么在用相加式相敏檢波電路鑒相時(shí)，常取參考信號(hào)的幅值等于調(diào)相信號(hào)的幅值？ 在用于調(diào)相信號(hào)的解調(diào)時(shí)常取=。作用在兩個(gè)二極管V1和V2的電壓分別為U1= Uc+Us和U2 =Uc-Us（這里設(shè)Us1= Us2= Us），當(dāng)=，上二式分別可簡(jiǎn)化為這種鑒相器的特性要比UcmUsm時(shí)要好，因?yàn)檎液瘮?shù)的自變量變化范圍減小了一半。因此，在用作鑒相器時(shí)，常取Ucm=Usm。 3-27 在本章介紹的各種鑒相方法中，哪種方法精度最高？