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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date上海海事大学测控电路考试资料淘宝店铺：资料汇第一章 绪论1.1测控电路功用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、
2、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。产品的质量和效率是衡量一切生产过程优劣的两项主要指标。智能化是能在复杂的、变化的环境下自行决策的自动化，决策的基础是对内部因素和外部环境条件的掌握，同样也离不开检测。测控系统的主要组成：传感器（测量装置，是敏感元件，功能是探测被测参数的变化）、测量控制电路（简称测控电路，用与处理和变换信号）和执行机构三部分组成。传感器测量控制电路执行机构1.2 测控电路的组要特点与要求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
3、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。测控电路的特点：精度高（低噪声与高抗干扰能力、低漂移，高稳定性、线性与保真度好、有合适的输入与输出阻抗）、动态性能好（响应快和动态失真小）、高的识别和分析能力（模数转换与数模转换、电量参数的转换、量程的变换、信号的处理与运算）、可靠性高、经济性好。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
4、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。1.3测控电路的输入与输出信号测控电路的输入信号是由传感器送来的，即传感器的输出信号为测控电路的输入信号，主要可分为模拟信号（已调制信号（可分为调幅、调频、调相信号）和非调信号（输入信号的参数与被测信号的参数相一致）、数字信号（
5、增量码信号（被测量值的增量与传感器输出信号的变化周期成正比，与模拟信号的主要区别是：其信号波形不由被测量值或其增量决定）、绝对码信号（一种与状态相对应的信号）和开关量信号。1.4 测控电路的类型与组成测量电路模拟式测量电路（需要模数（A/D）转换电路 ，方框图在书上P8）电路图X1-1传 感 器量程切换电路放 大 器解 调 器信号分离电路运 算 电 路模数转换电路计 算 机显示执行机构振 荡 器 电 源增量码数字式测量电路传 感 器显示执行机构计 算 机锁 存 器计 数 器变换电路脉冲当量放 大 器整形电路细分电路辨向电路指令传感器电路手动采样锁 存 令控制电路开环控制在开环系统中传递函数的任
6、何变化将引起输出的变化。其次，不可避免地会有扰动因素作用在被控对象上，引起输出的变化。利用传感器对扰动进行测量，通过测量电路在设定上引入一定修正，可在一定程度上减小扰动的影响，但是这种控制方式同样不能达到很高的精度。一是对扰动的测量误差影响控制精度。二是扰动模型的不精确性影响控制精度。比较好的方法是采用闭环控制。 控制电路设定电路比较电路校正电路转换电路给定机构执行机构被控对象输出传感器扰动闭环控制（书上更完整）第二章 信号放大电路放大电路的性能指标:输入阻抗RI 和输出阻抗RO输入失调电压U0s和输入失调电流I0s输入偏置电流 IIB（nA级）开环增益K和闭环增益Kf uo/ui 差模增益K
7、d和共模增益Kc共模抑制比CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc噪声的基础知识：通常传感器的输出信号只有几毫伏，甚至更小，而输入到放大器的噪声与放大器自身产生的噪声，往往就大于放大器的输入。噪声广义：干扰有用信号的某种不希望的扰动。内部的称为噪声，外部称为干扰。噪声可分为白噪声和色噪声白噪声：噪声的波形是随机的，即它的幅值、相位、频率都是随机的，其瞬时值不能预测，但每Hz带宽内包含的噪声功率从统计观点看是一个常数。色噪声：噪声的频率是固定的，是可以预测的，但幅值与相位有可能是随机的。例如接地噪声。固有噪声：热噪声（导体中电荷载流子的热激振动引起的）、低频噪声（低频噪声电压的方均值与频率大小成反比
8、，又称1/f 噪声）、散弹噪声（由于流过二极管、三极管位垒区的载流子不是连续的，显脉冲性质，这种脉冲电流的平均值为0，方均值不为0，白噪声）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： 入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配； 定的放大倍数和稳定的增益； 噪声； 的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移； 够的带宽和转换速率（无畸变的放大瞬态信号）； 输入共模范围（如达几百伏）和高共模抑制比； 调的闭环增益； 性好、精度高； 本低。差动放大电路 R1R2，R3R4 差模 共模 共模放
9、大为0反相放大电路 uo = （R2 / R1） uiuoR3uiR1R2-+N1典型电路uoR3uiR1R2-+N1R3uoR4ui2R1-+N1R2ui1基本电路同相放大电路 uo = (1+R2 / R1 ) ui 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。什么是高共模抑制比放大电路？ 应用于何种场合？用来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。一般的运放共模抑制比80db左右 所
10、以我们采用多运放组合而成的测量放大电路，共模抑制比100120dB反相串联结构型N1反相放大 可见当 ui1=ui2 时uo=0 共模抑制通常取R1=R5，R2=R4，共模抑制比与电阻精度有关系。双运放高共模抑制比放大电路ui2ui1R1R2R4R6R5R3=R1R2R7 =R4R5R6uo-+N1-+N2A同相串联结构型N1同相放大 N2同相放大，输出端有 共模电压： 差模电压： uid=ui2-ui1上式改为：如何得到零共模增益？等号右边第一项必须为零 差动闭环增益为 同时，两同相输入，输入阻抗很大uoui2ui1R4R3uo1R2R1+-+N2+-+N1什么是有源屏蔽驱动电路？应用于何种
11、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。高输入阻抗放大电路应用：用于作电容、压电式传感器的后继测量放大电路。实现方式： 同相放大器 电压跟随器（缓冲器）反相放大器 高输入阻抗集成芯片 自举式高
12、输入阻抗放大电路何谓自举电路？应用于何种场合 ？ 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。 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。应用：用于电参量式传感器的后级放大。如
13、：电感式、电阻应变式、电容式传感器等构成形式： 传感器电桥运放 传感器和运放共同构成电桥反相输入型如果Z1=Z2=Z4=R，Z3=R(1+），为传感器电阻的相对变化率非线性在1时，近似线性此时，输出电压与电桥电阻R无关，灵敏度不受R影响单端输入电桥放大电路Z1Z2Z4Z3R2R1bauoU-+Na) 反相输入同相输入型u+= uR/(2R+R)-uR/(2R)=uR/(4R+2R), 电路输出电压uo=(1+R2/R1)u+, uo=(1+R2/R1)uR/(4R+2R)=R/R代入，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，
14、只是输出符号相反。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。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
15、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。usuoOOtta)b)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？ 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
16、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。什么是相敏检波？ 为什么要采用相敏检波？相敏检波电路是能够鉴别调制信号相位的检波电路。包络检波有两个问题：一是解调的主要过程是对调幅信号进行半波或全波整流，无法从检波器的输出鉴别调制信号的相位。如在图1-3所示用电感传感器测量工件轮廓形状的例子中，磁芯3由它的平衡位置向上和向下移动同样的量，传感器的输出信号幅值相同，只是相位差180。从包络检波电路的输出无法确定磁芯向上或向下移动。第二，包络检波电路本
17、身不具有区分不同载波频率的信号的能力。对于不同载波频率的信号它都以同样方式对它们整流，以恢复调制信号，这就是说它不具有鉴别信号的能力。为了使检波电路具有判别信号相位和频率的能力，提高抗干扰能力，需采用相敏检波电路。相敏检波电路与包络检波电路在功能、性能与在电路构成上最主要的区别是什么？相敏检波电路与包络检波电路在功能上的主要的区别是：相敏检波电路能够鉴别调制信号相位，从而判别被测量变化的方向、在性能上最主要的区别是相敏检波电路具有判别信号相位和频率的能力，从而提高测控系统的抗干扰能力。 从电路结构上看，相敏检波电路的主要特点：是除了所需解调的调幅信号外，还要输入一个参考信号。有了参考信号就可以
18、用它来鉴别输入信号的相位和频率。参考信号应与所需解调的调幅信号具有同样的频率，采用载波信号作参考信号就能满足这一条件。叙述相加式相敏检波电路P68的工作原理什么是相敏检波电路的鉴相特性与选频特性？ 相敏检波电路的选频特性是：指它对不同频率的输入信号有不同的传递特性。以参考信号为基波，所有偶次谐波在载波信号的一个周期内平均输出为零，即它有抑制偶次谐波的功能。对于n=1,3,5等各次谐波，输出信号的幅值相应衰减为基波的1/ n等，即信号的传递系数随谐波次数增高而衰减，对高次谐波有一定抑制作用。对于频率不是参考信号整数倍的输入信号，只要二者频率不太接近，由于输入信号与参考信号间的相位差不断变化，在一
19、段时间内的平均输出接近为零，即得到衰减。如果输入信号us为与参考信号uc(或Uc)同频信号，但有一定相位差，这时输出电压，即输出信号随相位差的余弦而变化。为什么对于相位称为鉴相，而对于频率称为选频？由于在输入信号与参考信号同频，但有一定相位差时，输出信号的大小与相位差有确定的函数关系，可以根据输出信号的大小确定相位差的值，相敏检波电路的这一特性称为鉴相特性。而在输入信号与参考信号不同频情况下，输出信号与输入信号间无确定的函数关系，不能根据输出信号的大小确定输入信号的频率。只是对不同频率的输入信号有不同的传递关系，这种特性称为选频特性。举例说明相敏检波电路在测控系统中的应用。图3-25所示电感测
20、微仪电路中采用相敏检波器作它的解调电路，相敏检波器的输出指示电感传感器测杆的偏移量。图3-26所示光电显微镜中，利用相敏检波器的选频特性，当光电显微镜瞄准被测刻线时，光电信号中不含参考信号的基波频率和奇次谐波信号，相敏检波电路输出为零，确定显微镜的瞄准状态。什么是鉴频？对调频信号实现解调，从调频信号中检出反映被测量变化的调制信号称为频率解调或鉴频。微分鉴频数学模型： us=Umcos(wc+mx)t对时间t微分： -Um (wc+mx)sin(wc+mx)t微分电路包络检波0点灵敏度定标usUm (wc+mx)调制信号x窄脉冲鉴频 提高灵敏度的方法 采用窄脉冲鉴频usuoOc)tttOOb)a
21、)Us放大与电平鉴别器单稳态触发器 低通滤波器usUsUs调频信号经放大后，进入电平鉴频器，当输入信号超过一定电平，电平鉴别器翻转，推动单稳态触发器输出窄脉冲， us 的瞬时频率越高，窄脉冲越密，经低通滤波后输出电压越高。脉冲采样式调相电路U0门限检测电路脉冲发 生器载波频率锯齿波发生器输出调相脉冲ujux+a)UcususOttOujtOuj=kux+ujtOuxb)d)c)e)UcU0在用数字式频率计实现调频信号的解调中，为什么采用测量周期的方法，而不用测量频率的方法？采用测量周期的方法又有什么不足？ 测量频率有两种方法：一种是测量在某一时段内（例如1秒或0.1秒内）信号变化的周期数，即测
22、量频率的方法。这种方法测量的是这一时段内的平均频率，难以用于测量信号的瞬时频率，从而难以用于调频信号的解调；另一种方法基于测量信号的周期，根据在信号的一个周期内进入计数器的高频时钟脉冲数即可测得信号的周期，从而确定它的频率。后一种方法可用于调频信号的解调。它的缺点是进入计数器的脉冲数代表信号周期，它与频率间的转换关系是非线性的。什么是脉冲调宽？写出脉冲调宽信号的数学表达式，画出其波形。脉冲调制是指用脉冲作为载波信号的调制方法。在脉冲调制中具有广泛应用的一种方式是脉冲调宽。脉冲调宽的数学表达式为： B=b+mxUa) 调制信号b) 脉冲调宽信号txOxTBtOb常量 m调制度 B脉冲宽度周期T
23、占空比：B/T脉冲调制主要有哪些方式？为什么没有脉冲调幅？脉冲调制的方式有调频、调相和调宽。脉冲信号只有0、1两个状态，所以没有脉冲调幅。 脉冲调宽信号的解调主要有哪些方式？脉冲调宽信号的解调主要有两种方式。一种是将脉宽信号Uo 送入一个低通滤波器，滤波后的输出uo 与脉宽B成正比。另一种方法是Uo 用作门控信号，只有当Uo 为高电平时，时钟脉冲Cp才能通过门电路进入计数器。这样进入计数器的脉冲数N与脉宽B 成正比。两种方法均具有线性特性。试述用乘法器或开关式相敏检波电路鉴相的基本原理。 用乘法器实现鉴相时，乘法器的两个输入信号分别为调相信号与参考信号。乘法器的输出送入低通滤波器滤除由于载波信
24、号引起的高频成分，低通滤波相当于求平均值，整个过程可用下述数学式表示，输出电压 即输出信号随相位差的余弦而变化。 开关式相敏检波电路中采用归一化的方波信号Uc作参考信号，用它与调相信号相乘。归一化的方波信号Uc中除频率为的基波信号外，还有频率为3和5等的奇次谐波成分。但它们对输出电压uo没有影响，因为和等在的一个周期内积分值为零。其输出信号仍可用上式表示，只是取。在开关式相敏检波电路中参考信号的幅值对输出没有影响，但调相信号的幅值仍然有影响。总结：第四章 信号分离电路滤波器的功能：滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统，具有滤除噪声和分离各种不同信号的功能。1、滤除干扰（噪声）2、消除信
25、道传输不理想引起的失真3、滤除不需要的背景信息4、频谱的分割滤波器的分类：按所处理信号形式可分为：模拟滤波器与数字滤波器按功能分：低通、高通、带通、带阻按电路组成分：LC无源、RC无源、由特殊元件构成的无源滤波器、RC有源滤波器按传递函数的微分方程阶数分：一阶、二阶、高阶c)a)b)OOOA(w)d)O高通低通带通带阻rw通带通带通带通带通带阻带阻带阻带阻带阻带A(w)A(w)A(w)滤波器的主要特性指标(1) 特征频率：通带截止频率 f p = p/(2p)为通带与过渡带边界点的频率，在该点信号增益下降到一个人为规定的下限。阻带截频 fr= r/(2p)为阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号
26、衰耗(增益的倒数)下降到一人为规定的下限。转折频率 fc=c/(2p)为信号功率衰减到1/2(约3dB)时的频率，在很多情况下，常以fc作为通带或阻带截频。 固有频率f0=0/(2p)为电路没有损耗时，滤波器的谐振频率，复杂电路往往有多个固有频率。 增益与衰耗 滤波器在通带内的增益并非常数。 低通滤波器通带增益Kp一般指=0时的增益；高通指时的增益；带通则指中心 频率处的增益。 带阻滤波器，应给出阻带衰耗，其定义为增益的倒数。 带增益变化量Kp指通带内各点增益的最大变化量，如果Kp以dB为单位，则指增益dB值的变化量。 (3) 阻尼系数与品质因数阻尼系数 表征滤波器中能量衰耗的一项指标。阻尼系
27、数的倒数称为品质因数Q，是评价带通与带阻滤波器频率选择特性的一个重要指标式中 为带通或带阻滤波器的3dB带宽， 为中心频率，在很多情况下中心频率与固有频率相等。(4) 灵敏度滤波电路由许多元件构成，每个元件参数值的变化都会影响滤波器的性能。滤波器某一性能指标y对某一元件参数x变化的灵敏度记作 ，定义为：该灵敏度与测量仪器或电路系统灵敏度不是一个概念，该灵敏度越小，标志着电路容错能力越强，稳定性也越高。(5) 群时延函数当滤波器幅频特性满足设计要求时，为保证输出信号失真度不超过允许范围，对其相频特性 也应提出一定要求。在滤波器设计中，常用群时延函数评价信号经滤波后相位保真性能。群时延函数越接近常
28、数，信号相位失真越小。 基本滤波器一阶滤波器通式 一阶全通二阶滤波器通式 1）当bi取不同值时，得到不同功能的滤波器：b0b10、 b2Kp0时， 低通 b1b20、 b0Kp0时， 高通 b0b20、 b1Kp0时， 带通 b10、 b0Kp 、 b2Kp0时， 带阻二阶全通 滤波器特性的逼近理想滤波器要求幅频特性A()在通带内为一常数，在阻带内为零，没有过渡带，还要求群延时函数()在通带内为一常量，这在物理上是无法实现的。实践中往往选择适当逼近方法，实现对理想滤波器的最佳逼近。滤波器常用的三种逼近方法为： 巴特沃斯逼近、切比雪夫逼近、贝赛尔逼近巴特沃斯逼近：保持幅频特性单调变化的前提下，通
29、带内最为平坦 将具有欠阻尼和过阻尼的二阶环节组合在一起，以达到单调且最平坦要求。切比雪夫逼近：允许通带增益Kp有一定的波动量Kp，故在电路阶数一定的条件下，可使其过渡带更陡峭，幅频特性更接近矩形，但是其相频特性也变得更差。 常用的二阶低通滤波器，只要阻尼小于临界阻尼均属于切比雪夫逼近，不同的阻尼对应不同的Kp值。贝赛尔逼近：它主要侧重于相频特性，其基本原则是使通带内相频特性线性度最高，群时延函数()最接近于常量，从而使相频特性引起的相位失真最小。对于常用的二阶低通滤波器，取 能满足这一要求。 2）当ai取不同值时（即取不同值） ，得到不同逼近特性的滤波器：最大平坦型（巴特沃思逼近） 对于二阶， 2 逼近原则：使幅频特性在通带内最平坦，且单调变化； 但会造成在阻带内的衰减缓慢，频选性差。波纹型（切比雪夫逼近） 对于二阶， 2 逼近原则：允许通带内有一定波动量，在阻带有较陡的衰减，频选性