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测控电路课后答案第六章李醒飞1. 简介本文档是为了解答测控电路第六章的课后习题而编写的答案。
本章主要探讨了放大电路和滤波器的相关知识。
通过学习本章内容，我们可以理解放大电路的基本原理和滤波器的工作原理，并能够应用这些知识解决测量和控制系统中的实际问题。
2. 放大电路放大电路是测控电路中常见的一种电路，它用于增加输入信号的幅度。
本章主要介绍了放大电路的基本原理以及常用的放大电路类型。
2.1 放大电路的基本原理放大电路的基本原理是利用放大器将输入信号的幅度增大，使得输出信号能够更好地被测量或控制。
放大电路通常由输入端、输出端和放大器三部分组成。
输入端接收输入信号，放大器对输入信号进行处理，然后将处理后的信号输出到输出端。
2.2 常用的放大电路类型本章介绍了两种常见的放大电路类型：电压放大电路和电流放大电路。
2.2.1 电压放大电路电压放大电路是将输入电压信号放大为更大幅度的输出电压信号。
常见的电压放大电路有共射放大电路、共基放大电路和共集放大电路。
2.2.2 电流放大电路电流放大电路是将输入电流信号放大为更大幅度的输出电流信号。
常见的电流放大电路有共射放大电路、共基放大电路和共集放大电路。
3. 滤波器滤波器是用于将输入信号中的某些频率成分滤去或抑制的电路。
本章主要介绍了滤波器的工作原理和常见的滤波器类型。
3.1 滤波器的工作原理滤波器通过选择适当的电路元件和参数来实现对输入信号的频率成分进行滤波。
根据需要滤除或保留的频率范围，可以设计出不同类型的滤波器。
3.2 常见的滤波器类型本章主要介绍了四种常见的滤波器类型：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。
3.2.1 低通滤波器低通滤波器用于将输入信号的高频成分滤除，只保留低频成分。
在测控系统中，低通滤波器常用于滤除噪声信号，使得测量结果更加准确。
3.2.2 高通滤波器高通滤波器用于将输入信号的低频成分滤除，只保留高频成分。
在某些应用中，需要滤除低频干扰信号，以保证测控系统的稳定性。
第二章信号放大电路2-1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：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。
2-2什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。
2-3图2-17b所示电路，N1、N2为理想运算放大器，R4=R2=R1=R3=R，试求其闭环电压放大倍数。
由图2-17b和题设可得u01 =u i1 (1+R2 /R1) = 2u i1 , u0=u i2 (1+R4 /R3 )–2u i1 R4/R3 =2u i2–2 u i1=2(u i2-u i1)，所以其闭环电压放大倍数K f=2。
2-4图2-18所示电路，N1、N2、N3工作在理想状态，R1=R2=100kΩ，R P=10kΩ，R3=R4=20kΩ，R5=R6=60kΩ，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？由图2-18和题设可得u o = (u o2–u o1) R5 / R3 =3(u o2–u o1 ), u o1 = u i1 (1 + R1 /R p)–u i2 R1/R p=11u i1, u o2= u i2(1+R2/R p)–u i1 R2/R p=–10u i1, 即u o=3（–10u i1–11u i1）=–63u i1，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u i2=0，u i1的共模电压无法与u i2的共模电压相抵消。
第一章绪论1、测控系统主要由传感器（测量装置）、测量控制电路（测控电路）、执行机构组成2、测控电路的主要要求：精、快、灵、可靠3、测控电路的特点：精度高、动态性能好、高的识别和分析能力、可靠性高、经济性好4、为了提高信号的抗干扰能力，往往需要对信号进行调制。
在紧密测量中希望从信号一形成就成为已调制信号，因此常在传感器中进行调制。
5用电感传感器测量工件轮廓形状时—这是一个幅值按被测轮廓调制的已调制信号---称为调幅信号6、用应变片测量梁的变形，并将应变片接入交流电桥。
这时电桥的输出也是调幅信号，载波信号的频率为电桥供电频率，电桥输出信号的幅值为应变片的变形所调制。
7、采用光栅、激光干涉法等测量位移时时传感器的输出为增量码信号。
8、增量码信号是一种反映过程的信号，或者说是一种反映变化增量的信号。
它与被测对象的状态并无一一对应的关系。
9、绝对码信号是一种与状态相对应的信号。
10、开关信号可视为绝对码信号的特例，当绝对码信号只有一位编码时，就成了开关信号。
开关信号只有0和1两个状态。
11、控制方式可分为开环控制与闭环控制。
12、闭环控制的特点：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电路的输出相比较，当发现他们之间有差异时，进行调节补充:1、信息时代的标志——高性能计算机的发展，速度和容量为其主要标志2、影响测控电路精度的主要因素有哪些？其中那几个因素是最基本的？（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第二章信号放大电路1、输入失调电压u0s：对于理想运算放大器，输入电压为零，输出电压也必然为零。
然而，实际运算放大器中，前置级的差动放大器并不一定完全对称，必须在输入端加上某一直流电压后才能使输出为零，这一直流电压称之。
2、零点漂移：失调电压随时间和温度而变化，即零点在变动，称之3、输出失调电压u0=(1+R2/R1)u0s4、输出端产生的失调电压u02=-R2I b1+(1+R2/R1)R3I b2若取R3=R1//R2,则u02=R2(I b2-I b1)=R2I0s I0s称为输入失调电流5、绝大部分的运算放大器都是用于反馈状态6、由于运算放大器通常使用在负反馈状态，本来就有1800的相位差，再加上外接和内部电路的RC网络，有可能出现3600的相位差，使电路振荡。
《测控电路》试题(A 卷)答案-第5套考试说明：本课程为闭卷考试，答案一律答在后面得答题纸上，答在其它地方无效，可携带 计算器 。
一、请写出二阶低通滤波器的传递函数式、频率特性、幅频特性和相频特性。
（15分） 答：二阶低通滤波器， 其传递函数的一般形式为12)(a s a s b s H ++=它的固有频率00a =ω，通带增益00p /a b K =，阻尼系数01/ωαa =，上式又可写为2022p )(ωαωω++=s s K s H其频率特性为 ωαωωωωω02202p )(j K H +-=其幅频特性与相频特性分别为2022022p )()()(ωαωωωωω+-=K A⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧>-+-≤-=0202002020arctg arctg )(ωωωωωαωπωωωωωαωωϕ二、如下图所示电路a ）、b)，问图a 、b 各表示什么电路，简述其原理。
（15分）u s >0u sR 2R 1R 3R 4u s∞-+ +N 1∞ -+ + N 2u s <0u o =-u su A R 2R 1R 3R 4u s ∞-+ +N 1∞ -+ + N 2b)a)答：图a 是峰值计算电路。
图中N 1工作在反相放大状态 ，当C U U ->i 时，U 1为负，二极管V D1导通，使C 迅速充电，U C 上升至输出电压i o U U -=。
二极管V D1的导通电压以及放大器N 2的输入失调电压的影响都被消除了。
当输入电压下降时，U 1上升，V D1截止，使N 1、N 2处于分离状态，U 1上升直到二极管V D2导通，放大器N 1构成负反馈，从而避免了过渡饱和。
U i 的反向峰值存于电容C 中，测量结束后，可以通过开关S 放电。
图b 是采样保持电路。
图中的V 为主开关，V 1为隔离开关。
当控制电压U c 为高电平时，NMOS 场效应晶体管V 和V 1导通，电路处于采样阶段。
当控制电压U c 为低电平时，V 和V 1关断，电路处于保持阶段。
试题一答案一、选择题1．右图所示电路为自举组合电路，其输入电流i 为 A. 0 B. u i /10kΩ C. u i /20kΩD. u i /30kΩ （ C ）2．右图所示电路的输出电压为 A. )1/(δδ+=i o u u B. )1/(δδ+-=i o u uC. )1/(δδ-=i o u uD. )1/(δδ--=i o u u （ D ）3．公式202202)()(ωαωω+++=S S S K S H P 为 A. 二阶有源低通滤波器的传递函数 B. 二阶有源高通滤波器的传递函数 C. 二阶有源带通滤波器的传递函数D. 二阶有源带阻滤波器的传递函数 （ D ）4．一个10bit 逐次逼近A/D 转换器，其满量程电压为10V , 若模拟输入电压V 1=i u ,其数字输出量的数值为 A. 0001100101 B. 0001100110 C. 0001000110D. 0001010101 ( B ) 5．在相位跟踪细分电路中，相位基准A. 既是反馈环节，又是细分机构，分频数等于细分数B. 是反馈环节，但不是细分机构C. 是细分机构，且分频数等于细分数，但不是反馈环节u iD. 既是反馈环节，又是细分机构，细分数是分频数的2倍( A ) 6．右图是晶体管三相桥式逆变器，对其特点的叙述哪一个是不正确的A. 每一相上桥臂晶体管与下桥臂晶体管各导通1200B. 上、下桥臂晶体管导通状态互相间隔600C. 各相之间相位差为1200D. 换流只能在上下桥臂间进行（ D ）7．在PWM功率转换电路中，有制动工作状态和不可逆的意思是A. 电路不能提供电动机电枢的反相电流和反相电压B. 电路能提供电动机电枢的反相电流但不能提供反相电压C. 电路不能提供电动机电枢的反相电流但能提供反向电压D. 电路既能提供电动机电枢的反相电流又能提供反相电压( B )8．晶闸管的关断条件是A. 阳极接低电平，阴极接高电平B. 阳极与阴极之间的电流小于其维持电流C. 阳极接低电平，阴极也接低电平D. 与阳极和阴极电压无关，仅需门极电压接低电平( B )二、简答题1．什么是隔离放大电路？画图并简述光电耦合隔离放大电路的基本工作原理。
第二章信号放大电路2-1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：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。
2-2什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。
2-3图2-17b所示电路，N1、N2为理想运算放大器，R4=R2=R1=R3=R，试求其闭环电压放大倍数。
由图2-17b和题设可得u01 =u i1 (1+R2 /R1) = 2u i1 , u0=u i2 (1+R4 /R3 )–2u i1 R4/R3 =2u i2–2 u i1=2(u i2-u i1)，所以其闭环电压放大倍数K f=2。
2-4图2-18所示电路，N1、N2、N3工作在理想状态，R1=R2=100kΩ，R P=10kΩ，R3=R4=20kΩ，R5=R6=60kΩ，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？由图2-18和题设可得u o = (u o2–u o1) R5 / R3 =3(u o2–u o1 ), u o1 = u i1 (1 + R1 /R p)–u i2 R1/R p=11u i1, u o2= u i2(1+R2/R p)–u i1 R2/R p=–10u i1, 即u o=3（–10u i1–11u i1）=–63u i1，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u i2=0，u i1的共模电压无法与u i2的共模电压相抵消。
第六章信号转换电路
6-1 常用的信号转换电路有哪些种类？试举例说明其功能。
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。
采样/保持（S/H）电路具有采集某一瞬间的模拟输入信号，根据需要保持并输出采集的电压数值的功能。
这种电路多用于快速数据采集系统以及一切需要对输入信号瞬时采样和存储的场合，如自动补偿直流放大器的失调和漂移、模拟信号的延迟、瞬态变量的测量及模数转换等。
模拟电压比较电路是用来鉴别和比较两个模拟输入电压大小的电路。
比较器的输出反映两个输入量之间相对大小的关系。
比较器的输入量是模拟量，输出量是数字量，所以它兼有模拟电路和数字电路的某些属性，是模拟电路和数字电路之间联系的桥梁，是重要的接口电路。
可用作鉴零器、整形电路，其中窗口比较电路的用途很广，如在产品的自动分选、质量鉴别等场合均用到它。
V/f（电压/频率）转换器能把输入信号电压转换成相应的频率信号，广泛地应用于调频、调相、模/数转换器、数字电压表、数据测量仪器及远距离遥测遥控设备中。
f/V（电压/频率）转换器把频率变化信号线性地转换成电压变化信号。
广泛地应用于调频、调相信号的解调等。
V/I（电压/电流）转换器的作用是将电压转换为电流信号。
例如，在远距离监控系统中，必须把监控电压信号转换成电流信号进行传输，以减少传输导线阻抗对信号的影响。
I/V（电流/电压）转换器进行电流、电压信号间的转换。
例如，对电流进行数字测量时，首先需将电流转换成电压，然后再由数字电压表进行测量。
在用光电池、光电阻作检测元件时，由于它们的输出电阻很高，因此可把他们看作电流源，通常情况下其电流的数值极小，所以是一种微电流的测量。
随着激光、光纤技术在精密测量仪器中的普及应用，微电流放大器越来越占有重要的位置。
在以微型计算机为核心组成的数据采集及控制系统中，必须将传感器输出的模拟信号转换成数字信号，为此要使用模/数转换器（简称A/D转换器或ADC）。
相反，经计算机处理后的信号常需反馈给模拟执行机构如执行电动机等，因此还需要数/模转换器（简称D/A转换器或DAC）将数字量转换成相应的模拟信号。
6-2 试述在S/H电路中对模拟开关、存储电容及运算放大器这三种主要元器件的选择有什么要求。
选择要求如下：
模拟开关：要求模拟开关的导通电阻小，漏电流小，极间电容小和切换速度快。
存储电容：要选用介质吸附效应小的和泄漏电阻大的电容。
运算放大器：选用输入偏置电流小、带宽宽及转换速率（上升速率）大的运算放大器；输入运放还应具有大的输出电流。
6-3 为了使NMOS 场效应晶体管工作在饱和区（或放大区），请写出U GS 、U DS
应有的极性和U DS 应有的大小范围。
u GS >U T >0, u DS > u GS - U T
6-4 试用多路模拟开关CD4051（参见图6-7）设计一程控放大电路
6-5 试分析图6-36中各电路的工作原理，并画出电压传输特性曲线。
此电路为一施密特电路。
比较器输出的高、低电压分别为稳压管稳压值U Z 、-U Z ，因此运算放大器同相端两个门限电压为：
当u i < U R 时，V D1截止，u o 输出为稳压管稳压值U Z ；当u i > U R 时，V D1导
通，运算放大器输出负向饱和电压-E ，V D2截止，u o =0，此时运算放大器同相端门限电压为：
R
2Z 22T U R
R R
U R R R U +++-
=图6-36 题6-5图
a)
o
u i U u o u U S
D2
,
R
3
23Z 322
1U R R R U R R R U +++=
R
3
23
Z 3222U R R R U R R R U +++-
=图X6-1
1
u i
当 u i 由大变小并小于U T 时，u o = U Z 。
其电压传输特性如图X6-2所示：
6-6 如果要将4～20mA 的输入直流电流转换为0～10V 的输出直流电压， 试设计其转换电路。
该转换电路如图X6-3所示。
根据图X6-3电路，有
取R 1=250Ω，当i =4mA 时，u i =1V ，当i =20mA 时，u i =5V 。
因此要求
有 R 3/ R 2=6/5，U b =5/6(V)，取R 2=10k ，R 3=12k ，R 4= R 2// R 3=5.45k ，取R 4=5.6k 。
6-7 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。
当满量程电压为U F =10V 时，有：
取n =11，即输入端数字量要11位。
6-8 图6-25所示为加权电阻网络D/A 转换器，若取n =8，U R =10V ， R =2R 1， 试
,mV 52
F
=n U 2000
2=n ,1b 2
3
=U R R 115)1(2
3
=⨯+
R R b 2
3123o )1(U R R iR R R u -+
=
u i
u i
a)
图X6-2
求D in =00110011时的值。
根据公式
当D in=00110011时，输出电压为：
6-9 一个6bit 的D/A 转换器，具有单向电流输出，当D in =110100时，i o =5mA ，
试求D in =110011时的i o 值。
当D in =110100时，k 值为：
因此当D in =110011时，i o 为：
6-10 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u i
=2.2V ，试求其数字输出量的数值。
根据题意可知，2.2V 的输入电压对应的数字量为101100。
6-11 试述双积分A/D 转换器的操作流程。
双积分A/D 转换器（见图6-30）的工作过程分为采样和比较两个阶段。
转换前，逻辑控制电路使计数器全部清零、积分电容C 放电至零。
采样脉冲到来时，转换开始，模拟开关使输入信号U i 加到反相积分器输入端，以)/(i RC U 速率在固定时间T 1内向电容器充电，使积分器输出端电压U C 从0开始增加（极性与U i 相反），同时启动计数器对时钟脉冲从零开始计数。
当到达预定时间T 1时，计数器的计数值表示为N 1，采样阶段结束。
此时计数器发出溢出脉冲使计数器复零，根据U i 的极性，电子开关将与U i 极性相反的基准电压U R 或-U R 加到反相积分器输入端，积分器对U R 或-U R 以固定速率反向积分，其输出端电压从U C (T 1)向零电平方向斜变，与此同时计数器重新开始计数，进入比较阶段。
当U C 下降到零，过零比较器输出端发出关门信号，关闭计数门停止计数，此时计数器值为N 2，对应时间间隔为T 2。
至此一次转换过程结束。
计数器记录的脉冲数N 2表示了被测电压U i 在T 1时间内的平均值U iav ，从而实现了A/D 转换。
i
n
i i
d
R
R
U R I u -=⨯-=-=∑221
1
R 1o o ()
8
76543211
1
o 21212020212120202102--------⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯⨯⨯-
=R R u 99
.1o -=u (),220055o D D k i +⋅⋅⋅+=525
22252
45=++=
k ()mA 904.4122252
5145
o =+++=
i。
