1第一章 绪论测控电路在整个测控系统中起着什么样的作用？传感器的输出信号一般很微弱，还可能伴随着各种噪声，需要用测控电路将它放大，剔除噪声、选取有用信号，按照测量与控制功能的要求，进行所需演算、处理与变换，输出能控制执行机构动作的信号。在整个测控系统中，电路是最灵活的部分，它具有便于放大、便于转换、便于传输、便于适应各种使用要求的特点。测控电路在整个测控系统中起着十分关键的作用，测控系统、乃至整个机器和生产系统的性能在很大程度是取决于测控电路。影响测控电路精度的主要因素有哪些，而其中哪几个因素又是最基本的，需要特别注意？影响测控电路精度的主要因素有：（1） 噪声与干扰；（2） 失调与漂移，主要是温漂；（3） 线性度与保真度；（4） 输入与输出阻抗的影响。其中噪声与干扰，失调与漂移（含温漂）是最主要的，需要特别注意。为什么说测控电路是测控系统中最灵活的环节，它体现在哪些方面？为了适应在各种情况下测量与控制的需要，要求测控系统具有选取所需的信号、灵活地进行各种变换和对信号进行各种处理与运算的能力，这些工作通常由测控电路完成。它包括：（1） 模数转换与数模转换；（2） 直流与交流、电压与电流信号之间的转换。幅值、相位、频率与脉宽信号等之间的转换；（3） 量程的变换；（4） 选取所需的信号的能力，信号与噪声的分离，不同频率信号的分离等；（5） 对信号进行处理与运算，如求平均值、差值、峰值、绝对值，求导数、积分等、非线性环节的线性化处理、逻辑判断等。第二章 信号放大电路何谓测量放大电路？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：输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；一定的放大倍数和稳定的增益；低噪声；低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移；足够的带宽和转换速率（无畸变的放大瞬态信号） ；高输入共模范围（如达几百伏）和高共模抑制比；可调的闭环增益；线性好、精度高；成本低。2什么是差动放大器？差动放大器:是把二个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反相二个输入端，然后在输出端取出二个信号的差模成分，而尽量抑制二个信号的共模成分。请参照图 2-19，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。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。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 108 以上）的测量放大电路中。图 2-7 所示电路就是它的例子。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。图 2-13b 所示电路，N 1、N 2为理想运算放大器， R4=R2=R1=R3=R，试求其闭环电压放大倍数。CD4066uoui+5VVV+ R2R1LF347图 X2-13由图题设可得 u01 =ui1 (1+R2 /R1) = 2ui1 , u0=ui2 (1+R4 /R3 )2ui1 R4/R3 =2ui22 ui1=2(ui2-ui1)，所以其闭环电压放大倍数 Kf=2。图示电路是什么电路？试述其工作原理。为使其具有所需性能，对电阻值有什么要求？是同相输入高共模抑制比差动放大电路。由电路可得， 1i21o)(uRu4o2i3i1oRu所以 1i34122i34o )()( uuu因输入共模电压 uic=(ui1 +ui2 ) / 2， 输入差模电压 uid = ui2u i1 ，可将上式改写为id314234ic3142o )()( RR为了获得零共模增益，上式等号右边第一项必须为零，可取 Rf3421此时，电路的差动闭环增益为RKf1d这种电路采用了二个同相输入的运算放大器，因而具有极高的输入阻抗。图 2-14 所示电路，N 1、N 2、N 3工作在理想状态， R1=R2=100k， R 0=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？4；01212R0 RuuI iioiio ； ； 2010o1)(iiu 10202o2)(iiuR； )(120112 iiouR； uo =(uO2uO1)R5 /R3021121)(uKiiod 350212Riiod 由图题设可得 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（10 ui111ui1）=63 ui1，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。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 11 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。何谓电桥放大电路？应用于何种场合？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。试推导图 2-16b 所示电路 uo的计算公式，并根据所推导的公式说明其特点。由图 2-16b 所示电路可得电桥输出电压 u+（即运算放大器 N 的同相端输入电压）为：u+= uR/(2R+ R)-uR/(2R)=u R/(4R+2 R), 电路输出电压 uo=(1+R2/R1)u+, 所以 uo=(1+R2/R1)u R/(4R+2 R), 将传感器电阻的相对变化率 = R/R 代入，则得uo=(1+R2/R1)u / (4+2 )可见，同相输入电桥放大电路，其输出 uo的计算公式与式（2-22）相同，只是输出符号相反。5其增益与桥臂电阻无关，增益比较稳定，但电桥电源一定要浮置，且输出电压 uo与桥臂电阻的相对变化率 是非线性关系，只有当 ，通常至少要求 c10 。在这种情况下，解调时滤波器能较好地将调制信号与载波信号分开，检出调制信号。若被测信号的变化频率为 0100Hz，应要求载波信号的频率 c1000 Hz。调幅信号放大器的通频带应为9001100 Hz。信号解调后，滤波器的通频带应100 Hz，即让 0100Hz 的信号顺利通过，而将 900 Hz 以上的信号抑制，可选通频带为 200 Hz。tuxOtOucusO ta)b)c)12什么是包络检波？试述包络检波的基本工作原理。从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波。幅值调制就是让已调信号的幅值随调制信号的值变化，因此调幅信号的包络线形状与调制信号一致。只要能检出调幅信号的包络线即能实现解调。这种方法称为包络检波。从图 X3-10 中可以看到，只要从图 a 所示的调幅信号中，截去它的下半部，即可获得图 b 所示半波检波后的信号 (经全波检波也可 )，再经低通滤波，滤除高频信号，即可获得所需调制信号，实现解调。包络检波就是建立在整流的原理基础上的。图 X3-10 包络检波的工作原理a)调幅信号 b) 半波检波后的信号为什么要采用精密检波电路？试述图 3-11 b 所示全波线性检波电路工作原理，电路中哪些电阻的阻值必须满足一定的匹配关系，并说明其阻值关系。二极管和晶体管 V 都有一定死区电压，即二极管的正向压降、晶体管的发射结电压超过一定值时才导通，它们的特性也是一根曲线。二极管和晶体管 V 的特性偏离理想特性会给检波带来误差。在一般通信中，只要这一误差不太大，不致于造成明显的信号失真。而在精密测量与控制中，则有较严格的要求。为了提高检波精度，常需采用精密检波电路，它又称为线性检波电路。图 3-11b 是一种由集成运算放大器构成的精密检波电路。在调幅波 us 为正的半周期，由于运算放大器 N1 的倒相作用， N1 输出低电平，因此 V1 导通、V 2 截止，A 点接近于虚地，ua0。在 us 的负半周，有 ua 输出。若集成运算放大器的输入阻抗远大于 R2，则 i- i1 。按图上所标注的极性，可写出下列方程组： 1s1s iuRis2aa sdK其中 Kd 为 N1 的开环放大倍数。解以上联立方程组得到 uRuRua)1()1( 2d2d21s 通常，N 1 的开环放大倍数 Kd 很大，这时上式可简化为：us uoO Ot ta) b)13auR21s或 s21ua二极管的死区和非线性不影响检波输出。图 3-11b 中加入 V1 反馈回路一是为了防止在 us 的正半周期因 V2 截止而使运放处于开环状态而进入饱和，另一方面也使 us 在两个半周期负载基本对称。图中N2 与 R3、R 4、 C 等构成低通滤波器。对于低频信号电容 C 接近开路，滤波器的增益为-R 4/R3。对于载波频率信号电容 C 接近短路，它使高频信号受到抑制。因为电容C 的左端接虚地，电容 C 上的充电电压不会影响二极管 V2 的通断，这种检波器属于平均值检波器。为了构成全波精密检波电路需要将 us 通过 与 ua 相加，图 3-11b 中 N2 组成相加放大3R器，为了实现全波精密检波必须要求 。在不加电容器 C 时，N 2 的输出为：32)(s34oa图 X3-11a 为输入调幅信号 us 的波形，图 b 为 N1 输出的反相半波整流信号 ua，图 c 为N2 输出的全波整流信号 uo。电容 C 起滤除载波频率信号的作用。图 X3-11 线性全波整流信号的形成a) 输入信号 b) 半波整流信号波形 c) 全波整流输出tuouausttooo a)c)b)14试述图 3-13 所示全波线性检波电路工作原理，电路中哪些电阻的阻值必须满足一定的匹配关系，并说明其阻值关系。全波精密检波电路，可用于包络检波和绝对值的计算。图中 N1 为反相放大器，N 2 为跟随器。u s0 时，VD