测控电路.docx
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测控电路
测控电路
[填空题]
1试从你熟悉的几个例子说明测量与控制技术在生产、生活与各种工作中的广泛应用。
参考答案:
为了加工出所需尺寸、形状的高精度零件,机床的刀架与主轴必须精确地按所要求的轨迹作相对运动。
为了炼出所需规格的钢材,除了严格按配方配料外,还必须严格控制炉温、送风、冶炼时间等运行规程。
为了做到这些,必须对机器的运行状态进行精确检测,当发现它偏离规定要求,或有偏离规定要求的倾向时,控制它,使它按规定的要求运行。
计算机的发展首先取决于大规模集成电路制作的进步。
在一块芯片上能集成多少个元件取决于光刻工艺能制作出多精细的图案,而这依赖于光刻的精确重复定位,依赖于定位系统的精密测量与控制。
航天发射与飞行,都需要靠精密测量与控制保证它们轨道的准确性。
一部现代的汽车往往装有几十个不同传感器,对点火时间、燃油喷射、空气燃料比、防滑、防碰撞等进行控制。
微波炉、照相机、复印机等中也都装有不同数量的传感器,通过测量与控制使其能圆满地完成规定的功能。
[填空题]
2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?
参考答案:
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。
[填空题]
3为什么要采用闭环控制系统?
试述闭环控制系统的基本组成及各组成部分的作用。
参考答案:
在开环系统中传递函数的任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。
闭环控制系统的基本组成见下图。
它的主要特点是用传感器直接测量输出量,将它反馈到输入端与设定值相比较,当发现它们之间有差异时,进行调节。
这里系统和扰动的传递函数对输出基本没有影响,影响系统控制精度的主要是传感器和比较电路的精度。
在下图中,传感器反馈信号与设定信号之差不直接送到放大电路,而先经过一个校正电路。
这主要考虑从发现输出量变化到执行控制需要一段时间,为了提高响应速度常引入微分环节。
另外,当输出量在扰动影响下作周期变化时,由于控制作用的滞后,可能产生振荡。
为了防止振荡,需要引入适当的积分环节。
在实际电路中,往往比较电路的输出先经放大再送入校正电路,然后再次放大。
下图为原理性构成。
[填空题]
4何谓电桥放大电路?
应用于何种场合?
参考答案:
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。
[填空题]
5什么是可编程增益放大电路?
请举例说明之。
参考答案:
[填空题]
6什么是信号调制?
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?
参考答案:
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。
[填空题]
7什么是调幅?
请写出调幅信号的数学表达式,并画出它的波形。
参考答案:
下图绘出了这种调幅信号的波形。
[填空题]
8什么是双边带调幅?
请写出其数学表达式,画出它的波形。
参考答案:
双边带调制的调幅信号波形见下图。
图a为调制信号,图b为载波信号,图c为双边带调幅信号。
[填空题]
9测控系统中被测信号的变化频率为0~100Hz,应当怎样选取载波信号的频率?
应当怎样选取调幅信号放大器的通频带?
信号解调后,怎样选取滤波器的通频带?
参考答案:
为了正确进行信号调制必须要求ωc>>Ω,通常至少要求ωc>10Ω。
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0~100Hz,应要求载波信号的频率ωc>1000 Hz。
调幅信号放大器的通频带应为900~1100 Hz。
信号解调后,滤波器的通频带应>100 Hz,即让0~100Hz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。
[填空题]
10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?
参考答案:
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。
[填空题]
11试画出一个能实现的加减混合运算电路。
参考答案:
[填空题]
12如果要求一个D/A转换器能分辨5mV的电压,设其满量程电压为10V,试问其输入端数字量要多少数字位。
参考答案:
取n=11,即输入端数字量要11位。
[填空题]
13一个6bit逐次逼近式A/D转换器,分辨率为0.05V,若模拟输入电压ui=2.2V,试求其数字输出量的数值。
参考答案:
根据逐次逼近式A/D转换器工作原理可得,
数字量100000对应的电压为1.6V,小于2.2V,则保留;
数字量110000对应的电压为2.4V,大于2.2V,则舍弃;
数字量101000对应的电压为2.0V,小于2.2V,则保留;
数字量101100对应的电压为2.2V,等于2.2V,则保留;比较结束。
2.2V的输入电压对应的数字量为101100。
[填空题]
14简述典型PWM控制电路的基本结构。
参考答案:
典型的PWM控制电路主要有模拟式PWM控制电路和数字式PWM控制电路。
模拟式PWM控制电路主要由脉冲频率发生器和电压比较器构成,脉冲频率发生器一般用锯齿波发生器或三角波发生器。
数字式PWM控制电路主要由计数器和数字比较器或由定时电路和触发器构成。
[填空题]
15何谓测量放大电路?
对其基本要求是什么?
参考答案:
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。
[填空题]
16何谓自举电路?
应用于何种场合?
参考答案:
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。
[填空题]
17简述乙类互补对称功率放大电路的输出波形出现交越失真的原因,并用波形图说明甲乙类互补对称功率放大电路是如何消除上述交越失真的。
参考答案:
乙类互补对称功率放大电路在静态时两功率三极管的发射结均处于零偏状态,工作点很低,三极管输入特性又是非线性的,因此当输入信号比较小时,在过零点附近将有一段交越失真。
甲乙类互补对称功率放大电路,能保证输入信号为零时两功率三极管有一定的静态电流,且静态电流相等,如图所示,当信号输入时,输出为两功率三极管电流的叠加,无交越失真。
[填空题]
18试述在功率放大电路中采用复合晶体管的原因。
并画出PNP、NPN各两种复合晶体管图。
参考答案:
在互补电路中,若要求其输出功率较大时,输出功率管要采用中功率管或大功率管。
但是,要使两个互补功率管性能一致,这对大功率管来说,很难选配。
若采用复合晶体管,其导电特性取决于第一只晶体管,且总的电流放大倍数等于两个晶体管各自的电流放大倍数的乘积,因此,能在一个信号作用下使同极性的两输出晶体管能交替导通,也可采用较易选配的小功率晶体管作为互补输出晶体管,而利用复合晶体管来得到较大的输出功率。
[填空题]
19为什么说信号调制有利于提高测控系统的信噪比,有利于提高它的抗干扰能力?
它的作用通过哪些方面体现?
参考答案:
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。
在将测量信号调制,并将它和噪声分离,再经放大等处理后,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。
通过调制,对测量信号赋以一定的特征,使已调信号的频带在以载波信号频率为中心的很窄的范围内,而噪声含有各种频率,即近乎于白噪声。
这时可以利用选频放大器、滤波器等,只让以载波频率为中心的一个很窄的频带内的信号通过,就可以有效地抑制噪声。
采用载波频率作为参考信号进行比较,也可抑制远离参考频率的各种噪声。
[填空题]
20从相敏检波器的工作机理说明为什么相敏检波器与调幅电路在结构上有许多相似之处?
它们又有哪些区别?
参考答案:
[填空题]
21为什么在用相加式相敏检波电路鉴相时,常取参考信号的幅值等于调相信号的幅值?
参考答案:
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[填空题]
22脉冲调宽信号的解调主要有哪些方式?
参考答案:
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。
[填空题]
23试说明串联电阻提高微分电路高频稳定性的原理。
参考答案:
电路在高频时,反馈网络产生了一个接近于90°相位滞后,它与运放的滞后结合在一起,很容易产生自激振荡,串联电阻在输入端,可以降低相移,从而提高微分电路高频稳定性。
[填空题]
24常用的信号转换电路有哪些种类?
试举例说明其功能。
参考答案:
常用的信号转换电路有采样/保持(S/H)电路、电压比较电路、V/f(电压/频率)转换器、f/V(频率/电压)转换器、V/I(电压/电流)转换器、I/V(电流/电压)转换器、A/D(模/数)转换器、D/A(数/模)转换器等。
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