測(cè)控電路課后習(xí)題答案(張國(guó)雄-第四版)

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)代的汽車往往裝有兒十個(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。

隨著傳感器類型的不同，輸入信號(hào)的類型也隨之而異。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)。

圖X1-1

增量碼數(shù)字式測(cè)量電路的基本組成見(jiàn)圖Xl-2o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

I--------------------------------------------1

￥

放

計(jì)

脈

變

鎖

整

細(xì)

計(jì)

不

大

傳數(shù)

換

存

沖

分

形

算

執(zhí)

器

器

器

感電

當(dāng)

電

電

機(jī)

行

路

量

路

器路

機(jī)

構(gòu)

辨向電路令指令傳感器

電路

圖X1-2手動(dòng)采樣

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Xl-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。

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：①輸入阻抗應(yīng)與傳感器輸出阻抗

相匹配：②一定的放大倍數(shù)和穩(wěn)定的增益；③低噪聲；④低的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電

流以及低的漂移；⑤足夠的帶寬和轉(zhuǎn)換速率（無(wú)畸變的放大瞬態(tài)信號(hào)）；⑥高輸入共模范圍

（如達(dá)幾百伏）和高共模抑制比；⑦可調(diào)的閉環(huán)增益；⑧線性好、精度高；⑨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，即尼、G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X2T。

O

1

I

X

V

圖X2-1

2-4什么是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)算放大器的筒稱，它通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)的切換，使

內(nèi)部?jī)蓚€(gè)性能?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a=（M+K；K2）U,+K1asl+KJ4（見(jiàn)式2—6）,其共模信號(hào)誤差

項(xiàng)自〃相當(dāng)于輸入端的共模誤差電壓〃'，即

U,一",_K—_5_5

c

K[+K；K]KtK2K2CMRRtCMRR

式中小、總分別為運(yùn)算放大器M的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)和開(kāi)環(huán)共模放大倍數(shù)；%為運(yùn)算放大器

M由側(cè)向端4輸入時(shí)的放大倍數(shù);及為運(yùn)算放大器用的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)。設(shè)計(jì)中可使《‘七4,

色>>1,所以CMRR=K2CMRR],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M的共模抑制比。倒（一般可達(dá)80dB）提高了用倍。

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)10"Q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lOOdB的場(chǎng)合，例如人體心電測(cè)量。

2-8圖2-8b所示電路，犯、用為理想運(yùn)算放大器，R『R產(chǎn)R、=RFR,試求其閉環(huán)電壓放大倍數(shù)。

由圖2-8b和題設(shè)可得如=如（1+尼/A）=2如，4刊2（1+兄/人）-2u?A/尼=2如-2

如=2（如-如），所以其閉環(huán)電壓放大倍數(shù)4=2。

2-9圖2-9所示電路，Ni、甌沖工作在理想狀態(tài)，Al=^=100kQ,而=10kC,用=吊=202，

^=^=60kQ,M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u,=（u,2~u,i）尼/Ri=3（14,2-u,i）,u>i=t/ii（1+K/?>）_un

//a=11如，&2=U2（l+兄/硝-%兄/E=-10如,即4=3（-10如-11如）=-63%,因此,

電路的差模增益為63。電路的共模抑制能力將降低，因N?同相輸入端接地，即方=0,如

的共模電壓無(wú)法與3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1：1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？

山傳感器電橋和運(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2T2b所示電路4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272b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：

“=0（2代△曲-曲（2而=-”必（4a2△心，電路輸出電壓4=（1+兆/a）4,所以

up-（1+必/石）uxR/（4^2△曲，將傳感器電阻的相對(duì)變化率6:△/A代入，則得

%=-（1+兄/A）u6/（4+2S'）

可見(jiàn)，同相輸入電橋放大電路，其輸出&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a.

與橋臂電阻的相對(duì)變化率5是非線性關(guān)系，只有當(dāng)（V?1時(shí);&與5才近似按線性變化。

2-13線性電橋放大電路中（見(jiàn)圖2-14）,若u采用直流，其值U=10V,而=%=#=120。，

△A=0.24Q時(shí)，試求輸出電壓.如果要使失調(diào)電壓和失調(diào)電流各自引起的輸出

小于ImV,那么輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流應(yīng)為多少？

由圖由14電路的公式（式2-24）：

并將題設(shè)代入，可得△脛（2心=10mV。設(shè)輸入失調(diào)電壓為必和輸入失調(diào)電流為九,

當(dāng)輸出失調(diào)電壓小于ImV時(shí),輸入失調(diào)電壓出＜（1X10*）/（1+用/%）=0.5mV；輸入失調(diào)電

流為九＜（1X1O_3）/［A（1+應(yīng)/冊(cè)）］=4.17UA。

2T4什么是可編程增益放大電路？請(qǐng)舉例說(shuō)明之。

放大電路的增益通過(guò)數(shù)字邏輯電路山確定的程序來(lái)控制，這種電路稱為可編程增益放

大電路，亦稱程控增益放大電路，簡(jiǎn)稱PGA。例如圖X2-2,程序?yàn)槠?（開(kāi)關(guān)力斷開(kāi)）、斤0（開(kāi)

關(guān)6斷開(kāi)）時(shí)，放大電路的電壓放大倍數(shù)為-必用；當(dāng)程序?yàn)閒1（開(kāi)關(guān)4閉合）、比0（開(kāi)關(guān)

6斷開(kāi)）時(shí)，放大倍數(shù)為-必必［兆（兄+冷］;當(dāng)程序?yàn)?=0（開(kāi)關(guān)/斷開(kāi)）、於1（開(kāi)關(guān)8閉合），

放大倍數(shù)為-尼必［用（尼+A）］；當(dāng)程序?yàn)?=1、尺1（開(kāi)關(guān)月、6均閉合），放大倍數(shù)為-凡尼必［A

（Ri兆+兆R(shí)+RRi'）］o

因此可編程增益放大電路的增益是通過(guò)數(shù)字邏輯電路由確定的程序來(lái)控制。

2T5請(qǐng)根據(jù)圖2-22b,畫出可獲得1、10、100卜進(jìn)制增益的電路原理圖。

由圖X2-3可得：當(dāng)開(kāi)關(guān)/閉合時(shí)，〃=如當(dāng)開(kāi)關(guān)6閉合時(shí)，〃=10〃，當(dāng)開(kāi)關(guān)C閉合時(shí),

"=100爆

2-16并計(jì)算電阻網(wǎng)絡(luò)

各電阻的阻值。

滬6:R?=4+尼+R+R'+R*Rs+Rs=2(A+公+兆+總)

旗?尼+兄二3(4+%+A)，屆+A+A+尼二4(Ri+R?),

Rd&+R+用+及=5用，

取尼二尼貝UR二3兄R護(hù)R,吊二般2,兄二3必10,上二必5,A二兄見(jiàn)圖X2-4。

隔離放大電路的輸入、輸出和電源電路之間沒(méi)有直接的電路耦合，即信號(hào)在傳輸過(guò)程

中沒(méi)有公共的接地端。隔離放大電路主要用于便攜式測(cè)量?jī)x器和某些測(cè)控系統(tǒng)(如生物醫(yī)

學(xué)人體測(cè)量、自動(dòng)化試驗(yàn)設(shè)備、工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)等)中，能在噪聲環(huán)境下以高阻抗、高

共模抑制能力傳送信號(hào)。

2-18試分析圖2-31b電路中的限幅電路是如何工作的？并寫出”的計(jì)算公式。

當(dāng)輸入過(guò)載時(shí)，即輸入正向（或反向）電壓突然很大時(shí)，低漂移斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器

235L輸出飽和電平，限幅電路的正向（或反向）二極管導(dǎo)通，使放大器的增益減小，輸出

從飽和狀態(tài)迅速恢復(fù)。

運(yùn)算放大器235L的輸出為4=（兄+吊）RM=1000〃，AD277隔離放大器的電

壓放大倍數(shù)約為196.078,所以t/?=196.078（后+兄）RUJ（R\?）=196078［雄：〃=（公+后+

尼RdR）〃/凡196.078何處來(lái)］

2-19請(qǐng)推導(dǎo)圖2-34c電路的最大輸出幅值，最大輸出功率以及最大效率。

由圖可知，電路的交流負(fù)載線與直流負(fù)載線重合，取其中點(diǎn)為工作點(diǎn)，因此電路的最

大不失真輸出幅值近似為反/2,最大輸出功率%=區(qū)7（8幾），最大效率n=PJ［￡7

（2兆）］=1/4=25%o

2-20簡(jiǎn)述乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路的輸出波形出現(xiàn)交越失真的原因，并用波形圖說(shuō)明甲

乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路是如何消除上述交越失真的。

乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路在靜態(tài)時(shí)兩功率三極管的發(fā)射結(jié)均處于零偏狀態(tài)，工作點(diǎn)

很低，三極管輸入特性又是非線性的，因此當(dāng)輸入信號(hào)比較小時(shí)，在過(guò)零點(diǎn)附近將有一段

交越失真。甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路，能保證輸入信號(hào)為零時(shí)兩功率三極管有一定的

靜態(tài)電流，且靜態(tài)電流相等，如圖X2-5,當(dāng)信號(hào)輸入時(shí)，輸出為兩功率三極管電流的疊加，

無(wú)交越失真。

2-21試述在功率放大電路中采用復(fù)合晶體管的原因。并畫出PNP、NPN各兩種復(fù)合晶體管

圖。

在互補(bǔ)電路中，若要求其輸出功率較大時(shí)，輸出功率管要采用中功率管或大功率管。

但是，要使兩個(gè)互補(bǔ)功率管性能一致，這對(duì)大功率管來(lái)說(shuō)，很難選配。若采用復(fù)合晶體管，

其導(dǎo)電特性取決于第一只晶體管，且總的電流放大倍數(shù)等于兩個(gè)晶體管各自的電流放大倍

數(shù)的乘積，因此，能在?個(gè)信號(hào)作用下使同極性的兩輸出晶體管能交替導(dǎo)通，也可采用較

易選配的小功率晶體管作為互補(bǔ)輸出晶體管，而利用復(fù)合晶體管來(lái)得到較大的輸出功率。

eoeoeQe

PNP復(fù)合晶體管NPN復(fù)合晶體管

圖X2-6

2-22試求圖2-36b所示OCL電路，靜態(tài)時(shí)流過(guò)負(fù)載幾的電流？若輸出波形有交越失真，應(yīng)

調(diào)整哪個(gè)電阻可加以消除？若幾，片或發(fā)中有一個(gè)元件開(kāi)路，將產(chǎn)生什么后果？

圖示電路，靜態(tài)時(shí)兩功率三極管因發(fā)射結(jié)有偏置電壓，所以有靜態(tài)電流流過(guò)，但由于

兩功率三極管的特性一致，靜態(tài)電流相等，因此靜態(tài)時(shí)流過(guò)負(fù)載面的電流為零。若輸出波

形有交越失真，應(yīng)調(diào)整用電阻可加以消除。若幾電阻開(kāi)路，那么電路在小信號(hào)輸入時(shí)其輸

出波形將有交越失真；若卡或尼中有一個(gè)電阻開(kāi)路，那么電路將不構(gòu)成互補(bǔ)對(duì)稱功率放大

電路，電路無(wú)法正常工作。

第三章信號(hào)調(diào)制解調(diào)電路

3-1什么是信號(hào)調(diào)制？在測(cè)控系統(tǒng)中為什么要采用信號(hào)調(diào)制？什么是解調(diào)？在測(cè)控系統(tǒng)中

常用的調(diào)制方法有哪幾種？

在精密測(cè)量中，進(jìn)入測(cè)量電路的除了傳感器輸出的測(cè)量信號(hào)外，還往往有各種噪聲。

而傳感器的輸出信號(hào)一般又很微弱，將測(cè)量信號(hào)從含有噪聲的信號(hào)中分離出來(lái)是測(cè)量電路

的一項(xiàng)重要任務(wù)。為了便于區(qū)別信號(hào)與噪聲，往往給測(cè)量信號(hào)賦以一定特征，這就是調(diào)制

的主要功用。調(diào)制就是用一個(gè)信號(hào)（稱為調(diào)制信號(hào)）去控制另一作為載體的信號(hào)（稱為載

波信號(hào)），讓后者的某一特征參數(shù)按前者變化。在將測(cè)量信號(hào)調(diào)制，并將它和噪聲分離，放

大等處理后，還要從已經(jīng)調(diào)制的信號(hào)中提取反映被測(cè)量值的測(cè)量信號(hào),這一過(guò)程稱為解調(diào)。

在信號(hào)調(diào)制中常以一個(gè)高頻正弦信號(hào)作為載波信號(hào)。個(gè)正弦信號(hào)有幅值、頻率、相

位三個(gè)參數(shù)，可以對(duì)這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)制，分別稱為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。也可以用脈沖信

號(hào)作載波信號(hào)?？梢詫?duì)脈沖信號(hào)的不同特征參數(shù)作調(diào)制，最常用的是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)

制，稱為脈沖調(diào)寬。

3-2什么是調(diào)制信號(hào)？什么是載波信號(hào)？什么是已調(diào)信號(hào)？

調(diào)制是給測(cè)量信號(hào)賦以一定特征，這個(gè)特征由作為載體的信號(hào)提供。常以一個(gè)高頻正

弦信號(hào)或脈沖信號(hào)作為載體，這個(gè)載體稱為載波信號(hào)。用需要傳輸?shù)男盘?hào)去改變載波信號(hào)

的某?參數(shù)，如幅值、頻率、相位。這個(gè)用來(lái)改變載波信號(hào)的某一參數(shù)的信號(hào)稱調(diào)制信號(hào)。

在測(cè)控系統(tǒng)中需傳輸?shù)氖菧y(cè)量信號(hào)，通常就用測(cè)量信號(hào)作調(diào)制信號(hào)。經(jīng)過(guò)調(diào)制的載波信號(hào)

叫已調(diào)信號(hào)。

3-3什么是調(diào)幅？請(qǐng)寫出調(diào)幅信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并畫出它的波形。

調(diào)幅就是用調(diào)制信號(hào)x去控制高頻載波信號(hào)的幅值。常用的是線性調(diào)幅，即讓調(diào)幅信

號(hào)的幅值按調(diào)制信號(hào)x線性函數(shù)變化。調(diào)幅信號(hào)外的一般表達(dá)式可寫為：

us=（Um+mx）coscoct

式中叫——載波信號(hào)的角頻率；

Um——調(diào)幅信號(hào)中載波信號(hào)的幅度；

m——調(diào)制度。

圖X3-1繪出了這種調(diào)幅信號(hào)的波形。

"x八

3-4什么是調(diào)頻？請(qǐng)寫出調(diào)頻信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并畫出它的波形。

調(diào)頻就是用調(diào)制信號(hào)x去控制高頻載波信號(hào)的頻率。常用的是線性調(diào)頻，即讓調(diào)頻信

號(hào)的頻率按調(diào)制信號(hào)x的線性函數(shù)變化。調(diào)頻信號(hào)us的一般表達(dá)式可寫為：

久=Umcos(tyc+mx)t

式中以一載波信號(hào)的角頻率；

Um——調(diào)頻信號(hào)中載波信號(hào)的幅度；

m——調(diào)制度。

圖X3-2繪出了這種調(diào)頻信號(hào)的波形。圖a為調(diào)制信號(hào)x的波形，它可以按任意規(guī)律變

化；圖b為調(diào)頻信號(hào)的波形，它的頻率隨x變化。若fnCosOf,則調(diào)頻信號(hào)的頻率可在

以土相X.范圍內(nèi)變化。為了避免發(fā)生頻率混疊現(xiàn)象，并便于解調(diào)，要求。,〉〉加X(jué)-

3-5什么是調(diào)相？請(qǐng)寫出調(diào)相信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并畫出它的波形。

調(diào)相就是用調(diào)制信號(hào)x去控制高頻載波信號(hào)的相位。常用的是線性調(diào)相，即讓調(diào)相信

號(hào)的相位按調(diào)制信號(hào)x的線性函數(shù)變化。調(diào)相信號(hào)人的一般表達(dá)式可寫為：

MS=Umcos(sJ+mx)

式中叫——載波信號(hào)的角頻率；

Um——調(diào)相信號(hào)中載波信號(hào)的幅度；

m——調(diào)制度。

圖X3-3繪出了這種調(diào)相信號(hào)的波形。圖a為調(diào)制信號(hào)x的波形，它可以按任意規(guī)律

變化：圖b為載波信號(hào)的波形，圖c為調(diào)相信號(hào)的波形，調(diào)相信號(hào)與載波信號(hào)的相位差隨

x變化。當(dāng)X<0時(shí)，調(diào)相信號(hào)滯后于載波信號(hào)。X>0時(shí)，則超前于載波信號(hào)。

3-6什么是脈沖調(diào)寬？請(qǐng)寫出脈沖調(diào)寬信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并畫出它的波形。

脈沖調(diào)制是指用脈沖作為載波信號(hào)的調(diào)制方法。在脈沖調(diào)制中具有廣泛應(yīng)用的一種方

式是脈沖調(diào)寬。脈沖調(diào)寬的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

B=b+mx(3-23)

式中6為常量，，〃為調(diào)制度。脈沖的寬度為調(diào)制信號(hào)x的線性函數(shù)。它的波形見(jiàn)圖X3-4,

圖a為調(diào)制信號(hào)x的波形，圖b為脈沖調(diào)寬信號(hào)的波形。圖中T為脈沖周期，它等于載波

頻率的倒數(shù)。

nn「「口口nn口

圖X3-4脈沖調(diào)寬信號(hào)的波形

a）調(diào)制信號(hào)波形b）調(diào)寬信號(hào)波形

3-7為什么說(shuō)信號(hào)調(diào)制有利于提高測(cè)控系統(tǒng)的信噪比，有利于提高它的抗干擾能力？它的

作用通過(guò)哪些方面體現(xiàn)？

在精密測(cè)量中，進(jìn)入測(cè)量電路的除了傳感器輸出的測(cè)量信號(hào)外，還往往有各種噪聲。

而傳感器的輸出信號(hào)一般又很微弱，將測(cè)量信號(hào)從含有噪聲的信號(hào)中分離出來(lái)是測(cè)量電路

的一項(xiàng)重要任務(wù)。為了便于區(qū)別信號(hào)與噪聲，往往給測(cè)量信號(hào)賦以一定特征，這就是調(diào)制

的主要功用。在將測(cè)量信號(hào)調(diào)制，并將它和噪聲分離，再經(jīng)放大等處理后，還要從已經(jīng)調(diào)

制的信號(hào)中提取反映被測(cè)量值的測(cè)量信號(hào)，這一過(guò)程稱為解調(diào)。

通過(guò)調(diào)制，對(duì)測(cè)量信號(hào)賦以一定的特征，使已調(diào)信號(hào)的頻帶在以載波信號(hào)頻率為中心

的很窄的范圍內(nèi)，而噪聲含有各種頻率，即近乎于白噪聲。這時(shí)可以利用選頻放大器、濾

波器等，只讓以載波頻率為中心的一個(gè)很窄的頻帶內(nèi)的信號(hào)通過(guò),就可以有效地抑制噪聲。

采用載波頻率作為參考信號(hào)進(jìn)行比較，也可抑制遠(yuǎn)離參考頻率的各種噪聲。

3-8為什么在測(cè)控系統(tǒng)中常常在傳感器中進(jìn)行信號(hào)調(diào)制？

為了提高測(cè)量信號(hào)抗干擾能力，常要求從信號(hào)一形成就已經(jīng)是已調(diào)信號(hào)，因此常常在

傳感器中進(jìn)行調(diào)制。

3-9請(qǐng)舉若干實(shí)例，說(shuō)明在傳感器中進(jìn)行幅值、頻率、相位、脈寬調(diào)制的方法。

圖X3-5為通過(guò)交流供電實(shí)現(xiàn)幅值調(diào)制的一例。這里用4個(gè)應(yīng)變片測(cè)量梁的變形，并由

此確定作用在梁上的力尸的大小。4個(gè)應(yīng)變片接入電橋，并采用交流電壓U供電。設(shè)4個(gè)

應(yīng)變片在沒(méi)有應(yīng)力作用的情況下它們的阻值&=&=火3=&=尺，電橋的輸出

\R.A/?,A/?,\R

----------1-------------------i-.-----I1-------------J--------------------?

RRRR

實(shí)現(xiàn)了載波信號(hào)U與測(cè)量信號(hào)的相乘，即幅值調(diào)缶h

圖X3-5應(yīng)變式傳感器輸出信號(hào)的調(diào)制

圖X3-6是在傳感器中進(jìn)行頻率調(diào)制的例子。這是一個(gè)測(cè)量力或壓力的振弦式傳感器,

振弦3的一端與支承4相連，另一端與膜片1相連接，振弦3的固有頻率隨張力7變化。

振弦3在磁鐵2形成的磁場(chǎng)內(nèi)振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，其輸出為調(diào)頻信號(hào)。

圖X3-6振弦式傳感器

////1/

1

圖X3-7是在傳感器中進(jìn)行相位調(diào)制的例子。在彈性軸1上裝有兩個(gè)相同的齒輪2與5。齒

輪2以恒速與軸1一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在感應(yīng)式傳感器3和4中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。由于扭矩M的作

用，使軸1產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，使傳感器4中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為一調(diào)相信號(hào)，它和傳感器3中產(chǎn)生

的感應(yīng)電勢(shì)的相位差與扭矩“成正比。

圖X3-8是在傳感器中進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制的例子。山激光器4發(fā)出的光束經(jīng)反射鏡5與6

反射后，照到掃描棱鏡2的表面。棱鏡2由電動(dòng)機(jī)3帶動(dòng)連續(xù)回轉(zhuǎn)，它使由棱鏡2表面反

射返回的光束方向不斷變化，掃描角，為棱鏡2中心角的2倍。透鏡1將這一掃描光束變

成一組平行光，對(duì)工件8進(jìn)行掃描。這一平行光束經(jīng)透鏡10匯聚，由光電元件11接收。7

和9為保護(hù)玻璃，使光學(xué)系統(tǒng)免受污染。當(dāng)光束掃過(guò)工件時(shí)，它被工件擋住，沒(méi)有光線照

到光電元件11上，對(duì)應(yīng)于“暗”的信號(hào)寬度與被測(cè)工件8的直徑成正比，即脈沖寬度受工

件直徑調(diào)制。

11

圖X3-8用激光掃描的方法測(cè)量工件直徑

3-10在電路進(jìn)行幅值、頻率、相位、脈寬調(diào)制的基本原理是什么？

在電路進(jìn)行調(diào)制的基本原理是用測(cè)量信號(hào)處去控制（改變）載波信號(hào)幅值、頻率、相

位或脈寬，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)制

只要用乘法器將測(cè)量信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）"x與載波信號(hào)人相乘，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)幅。用調(diào)

制信號(hào)去控制產(chǎn)生載波信號(hào)的振蕩器頻率，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。用調(diào)制信號(hào)與鋸齒波載波信

號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)它們的值相等時(shí)電壓比較器發(fā)生跳變，電壓比較器的輸出就是調(diào)相信號(hào)。

利用調(diào)制信號(hào)去改變方波發(fā)生器的脈寬就可以實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制。

3-11什么是雙邊帶調(diào)幅？請(qǐng)寫出其數(shù)學(xué)表達(dá)式，畫出它的波形。

可以假設(shè)調(diào)制信號(hào)x為角頻率為。的余弦信號(hào)x=XmcosCt,當(dāng)調(diào)制信號(hào)x不符合余弦

規(guī)律時(shí)，可以將它分解為一些不同頻率的余弦信號(hào)之和。在信號(hào)調(diào)制中必須要求載波信號(hào)

的頻率遠(yuǎn)高于調(diào)制信號(hào)的變化頻率。由式（3-1）調(diào)幅信號(hào)可寫為：

人=Umcos3J+mXmcos0/cosa）ct

=Umcos以/H———cos（＜yc+Q），H———cos（＜yc-Q）/

它包含三個(gè)不同頻率的信號(hào)：角頻率為4的我波信號(hào)UmCOS。/和角頻率分別為以土。的

上下邊頻信號(hào)。載波信號(hào)中不含調(diào)制信號(hào)，即不含被測(cè)量X的信息，因此可以取Um=0,即

只保留兩個(gè)邊頻信號(hào)。這種調(diào)制稱為雙邊帶調(diào)制，對(duì)于雙邊帶調(diào)制

ws=2mcos@+A）/H——cos（tyc-Q）t=mXmcosA/cos。/=Uxmcos/2/cos<yj

雙邊帶調(diào)制的調(diào)幅信號(hào)波形見(jiàn)圖X3-9。圖a為調(diào)制信號(hào)，圖b為載波信號(hào)，圖c為雙邊帶

調(diào)幅信號(hào)。

圖X3-9雙邊帶調(diào)幅信號(hào)

a）調(diào)制信號(hào)b）載波信號(hào)c）雙邊帶調(diào)幅信號(hào)

3-12在測(cè)控系統(tǒng)中被測(cè)信號(hào)的變化頻率為0?100Hz,應(yīng)當(dāng)怎樣選取載波信號(hào)的

頻率？應(yīng)當(dāng)怎樣選取調(diào)幅信號(hào)放大器的通頻帶？信號(hào)解調(diào)后，怎樣選取濾波器的通頻

帶？

為了正確進(jìn)行信號(hào)調(diào)制必須要求3c>>。，通常至少要求3c>100。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0700Hz,應(yīng)要求載波信號(hào)的頻率3c>1000Hz。調(diào)幅信號(hào)放大器的通頻帶應(yīng)為900-1100

Hz。信號(hào)解調(diào)后，濾波器的通頻帶應(yīng)>100Hz,即讓0~100Hz的信號(hào)順利通過(guò)，而將900Hz

以上的信號(hào)抑制，可選通頻帶為200Hz。

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。

只耍能檢出調(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。

“o

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-llb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-llb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％為正的半周期，

由于運(yùn)算放大器M的倒相作用，N,輸出低電平，因此V,導(dǎo)通、V2截止，A點(diǎn)接近于虛地，

"“^0。在心的負(fù)半周，有"“輸出。若集成運(yùn)算放大器的輸入阻抗遠(yuǎn)大于自，則%。

按圖上所標(biāo)注的極性，可寫出下列方程組：

Ms=+〃：=u：-iR、

/=〃+?<,=n+iR2+

uads

其中心為N1的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)。解以上聯(lián)立方程組得到

火1R1R、、

u=4------(1H——L)]w--------(14——-)u

sRK,凡K.R，

22d2d2

通常，N的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)Kd很大，這時(shí)上式可簡(jiǎn)化為：

u=---&--u

*/?,

-uR.

或"=一一-u,

"R2'

二極管的死區(qū)和非線性不影響檢波輸出。

圖3-llb中加入M反饋回路-是為了防止在人的正半周期因V2截止而使運(yùn)放處于開(kāi)

環(huán)狀態(tài)而進(jìn)入飽和，另一方面也使處在兩個(gè)半周期負(fù)載基本對(duì)稱。圖中N2與此、&、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-心限3。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以通過(guò)與"“相加，圖3-llb中用組成相加放大器，

為了實(shí)現(xiàn)全波精密檢波必須要求=27?3。在不加電容器C時(shí)，用的輸出為：

圖X3-lla為輸入調(diào)幅信號(hào)"s的波形，圖b為Ni輸出的反相半波整流信號(hào)〃”圖c為

電輸出的全波整流信號(hào)外。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)〃，=U,mCOS0/乘以幅值為1的載波信號(hào)COS0J就可以得到

雙邊頻調(diào)幅信號(hào)“SCOS0j=UxmCOS0/COS0J。若將/再乘以COS69J,就得到

2

uo=uscoscoJ-Uxmcos/2/coscoJ=UxmcosQ+；人cosQcos2q/

=~U*1ncos；U*m[cos(2以一+cos(2q+X2)r]

利用低通濾波器濾除頻率為2牡-。和2q+0的高頻信號(hào)后就得到調(diào)制信號(hào)

Uxmcos^t,只是乘上了系數(shù)1/2。這就是說(shuō)，將調(diào)制信號(hào)4乘以幅值為1的載波信號(hào)

COSC9J就可以得到雙邊頻調(diào)幅信號(hào)外，將雙邊頻調(diào)幅信號(hào)"s再乘以載波信號(hào)COS69J,經(jīng)

低通濾波后就可以得到調(diào)制信號(hào)公。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HI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&=1的半周期，同相輸入端被接地，人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)〃。如圖c和圖d中實(shí)線所示。在“=0的半周期，V截止，%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)％如圖c和圖d中虛

線所示。

圖b中，取&=&=&=&=&=在4=1的半周期，V1導(dǎo)通、V2截止，同相輸

入端被接地，人從反相輸入端輸入，放大倍數(shù)為一凡/(凡+凡)=-1。在4=0的半周期，

M截止、V2導(dǎo)通，反相輸入端通過(guò)必接地，"s從同相輸入端輸入，放大倍數(shù)為

RD1

------￡——(1+」)=一,3=1。效果與圖a相同，實(shí)現(xiàn)了全波相敏檢波。4=&=%=&=

凡+&+R,R、3

Rs=R(J2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〃=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/〃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)公為與參考信號(hào)/（或Q）同頻信號(hào)，但有一定相位差，這時(shí)輸出電壓

=QmCOsO/2,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?。?/p>

兩個(gè)調(diào)諧回路的固有頻率為|、兒2分別比載波頻率/高和低隨著輸入信號(hào)公的

頻率變化，回路1的輸出"si和回路2的輸出〃s2如圖3-34d和e所示?；芈?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AUm/A。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。總輸出為二者絕對(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G、用于濾除高頻載波信號(hào)。a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)小和5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瓦為常值。當(dāng)5、5的

幅值增大時(shí)，通過(guò)二極管V|、V2向電容G、C4、C5的充電電流增大。由于C5?C3、C5?C4,

增加的充電電流絕大部分流入Cs，使5、S基本保持不變。同時(shí)，二極管V1、V2的導(dǎo)通

角6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)02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5、。2的幅值趨向穩(wěn)定。

另一方面02的下降又導(dǎo)致廣義失調(diào)量4減小，使輸出〃。減小。正是由于這種負(fù)反饋?zhàn)饔茫?/p>

使比例鑒頻電路有抑制寄生調(diào)幅的能力，輸出信號(hào)”?；静皇茌斎胄盘?hào)幅值變化的影響。

在這兩個(gè)電路中，調(diào)頻信號(hào)外經(jīng)放大后分兩路加到相位鑒頻電路。一路經(jīng)耦合電容

Co加到扼流圈工3上，作為參考信號(hào)；另一路經(jīng)互感〃耦合到諧振回路上2、。2上，作為輸

入信號(hào)。隨著調(diào)頻信號(hào)外的瞬時(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)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01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)火或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R、4為差

動(dòng)電阻傳感器的兩臂，4+生為一常量，輸出信號(hào)的頻率不隨被測(cè)量值變化，而它的占空比

隨R、&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