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《传感器原理及工程应用》第四版(郁有文)课后答案————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：第一章传感与检测技术的理论基础1．什么是测量值的绝对误差、相对误差、引用误差？答：某量值的测得值和真值之差称为绝对误差。
相对误差有实际相对误差和标称相对误差两种表示方法。
实际相对误差是绝对误差与被测量的真值之比；标称相对误差是绝对误差与测得值之比。
引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法，也用相对误差表示，它是相对于仪表满量程的一种误差。
引用误差是绝对误差（在仪表中指的是某一刻度点的示值误差）与仪表的量程之比。
2．什么是测量误差？测量误差有几种表示方法？它们通常应用在什么场合？答：测量误差是测得值与被测量的真值之差。
测量误差可用绝对误差和相对误差表示,引用误差也是相对误差的一种表示方法。
在实际测量中，有时要用到修正值，而修正值是与绝对误差大小相等符号相反的值。
在计算相对误差时也必须知道绝对误差的大小才能计算。
采用绝对误差难以评定测量精度的高低，而采用相对误差比较客观地反映测量精度。
引用误差是仪表中应用的一种相对误差，仪表的精度是用引用误差表示的。
3． 用测量范围为-50～+150kPa 的压力传感器测量140kPa 压力时，传感器测得示值为142kPa ，求该示值的绝对误差、实际相对误差、标称相对误差和引用误差。
解：绝对误差 2140142=-=∆kPa实际相对误差%43.1%100140140142=⨯-=δ 标称相对误差%41.1%100142140142=⨯-=δ 引用误差 %1%10050150140142=⨯---=）（γ 4． 什么是随机误差？随机误差产生的原因是什么？如何减小随机误差对测量结果的影响？答：在同一测量条件下，多次测量同一被测量时，其绝对值和符号以不可预定方式变化着的误差称为随机误差。
随机误差是由很多不便掌握或暂时未能掌握的微小因素（测量装置方面的因素、环境方面的因素、人员方面的因素），如电磁场的微变，零件的摩擦、间隙，热起伏，空气扰动，气压及湿度的变化，测量人员感觉器官的生理变化等，对测量值的综合影响所造成的。
实验B1 微波测量系统调试与频率测量【实验目的】1．了解微波测量系统的基本组成，学会一般的调试方法。
2．了解反射速调管微波信号源原理及特性，掌握调整参数使微波源实现最佳工作状态的方法。
3．了解微波谐振腔的基本特性，掌握测量谐振腔的谐振频率和品质因数的基本方法。
4．学会用谐振腔波长表测量微波频率。
【实验原理】一．微波测量系统微波测量系统通常由等效电源、测量装置、指示仪器三部分组成。
微波等效电源部分即微波发送器，包括微波信号源、工作状态（频率、功率等）监视单元、隔离器等。
测量装置部分也称测量电路，包括测量线、调配元件、待测元件、辅助器件（如短路器、匹配负载等）以及电磁能量检测器（如晶体检波架、功率插头等）。
测量指示仪器是显示测量信号特性的仪表，如直流电流表、测量放大器、选频放大器、功率计、示波器、数字频率计等。
二．反射速调管微波信号源微波信号源有许多类型，本实验中使用的是反射式速调管信号源1．反射速调管的工作原理反射式速调管有阴极、阳极（谐振腔）、反射极三个电极，结构原理如图2所示。
阴极发射电子；阳极利用耦合环和同轴线输出微波功率；反射极用以反射电子。
由阴极发出电子束，受直流电场加速后，进入谐振腔。
电子以不同的速度从谐振腔飞出来而进入反射极空间。
在谐振腔和反射极间的直流排斥电场，使电子未飞到反射极就停下来，反射回谐振腔。
2．反射式速调管的工作特性和工作状态在一定条件下，反射式速调管的功率和频率特性曲线如图3所示。
（1）反射式速调管只有在某些特定的反射极电压值才能振荡。
有振荡输出功率的区域叫做速调管的振荡模，用n 表示震荡模的序号。
（2）对于振荡模，当反射极电压V R 变化时，速调管的输出功率P 和振荡频率f 都随之变化。
（3）输出功率最大的振荡模叫最佳振荡模（图3中n ＝3的振荡模）。
（4）各个振荡模的中心频率f 0相同通常称为速调管的工作频率。
通常调整速调管的振荡频率有电子调谐和机械调谐两种方法。
变容二极管直接调频电路
变容二极管调频电路是一种经典的调频电路，主要使用半导体可控硅电子元件变容二极管作为控制元件。
它可以用来提供按需要调整的频率、振幅和相位，可以根据调频、接收和发射系统的需要以及信号源（如晶体振荡器）来调整调制频率、振幅和相位。
变容二极管作为调频控制元件，具有电容可变的特性，可实现电容的连续变化，从而实现调频电路的实现。
调频电路中的这种变容二极管可以用作一种稳定的控制元件，用来调整感应线圈的频率。
它还可以用来控制连接电路的相位和振幅，从而控制调频信号的相位和振幅，从而实现调频电路的频率、相位和振幅的调节。
变容二极管调频电路中，变容二极管通常是以受到外部射频电磁脉冲激励为基础，借助内部结构反馈成一种和射频电磁脉冲频率及相应振幅。
一般情况下，变容二极管的输出频率比其激励源的频率要低，因为变容二极管的内部的电容，本身也作为了频率的调节因素，当激励信号的频率发生变化时，变容二极管内部的电容也会发生变化，使输出频率存在随机的波动。
因此，为了完成调频功能，变容二极管需要通过外部的频率控制焊接引脚来实现控制，从而实现控制信号的稳定和调频功能。
变容二极管调频电路具有体积小、体积效率高、运行可靠性高等优点，被广泛应用在调频、中频、短波等信号处理的领域，如通讯系统、无线电测量设备、航空专业仪器、收音机等。
由于变容二极管的调频电路设计简单，采用变容二极管作为调频控制元件，它还能节省大量空间，可扩展性非常强，可用来编辑一个可编程的调频电路，从而可以实现多种功能，如调制、接收和发射等，广泛应用在电子设备和通讯产品以及其他相关产品中。
变容二极管调频电路工作原理一、调频原理调频（Frequency Modulation）是一种使载波信号的频率随调制信号的幅度变化而变化的一种调制方式。
在通信系统中，调频广泛应用于广播、电视、无线通信等领域。
调频的基本原理是通过改变振荡器的振荡频率来实现调制。
在变容二极管调频电路中，变容二极管作为可变电容元件，用于改变振荡回路的电容，从而改变振荡频率。
二、变容二极管变容二极管（Varactor Diode）是一种特殊的半导体二极管，其结电容可随外加电压的变化而变化。
变容二极管的电容变化范围较大，通常在几个皮法拉（pF）到几十皮法拉之间。
当变容二极管用于调频电路中时，其电容值的变化会导致电路的谐振频率发生变化，从而实现频率调制。
三、调频电路调频电路主要由振荡器、变容二极管和选频回路组成。
振荡器产生高频振荡信号，变容二极管作为可变电容元件，用于改变振荡回路的电容值，选频回路则负责选择和输出所需频率的信号。
在调频过程中，调制信号（例如音频信号）通过改变变容二极管的偏置电压，使其电容值发生变化，从而改变振荡频率，实现频率调制。
四、选频回路选频回路的作用是从多个频率分量中选出所需的频率分量。
在变容二极管调频电路中，选频回路通常由LC谐振回路构成。
通过调整LC回路的参数，可以选择出所需频率的信号。
同时，选频回路还能有效地滤除谐波和杂散分量，提高输出信号的质量。
五、输出信号经过调频的输出信号具有与调制信号相同的幅度和频率变化特性。
在变容二极管调频电路中，输出信号的频率随调制信号的幅度变化而变化，从而实现了频率调制。
输出信号的幅度和频率变化范围取决于变容二极管的电容变化范围和电路的参数设置。
六、应用场景变容二极管调频电路由于其结构简单、易于集成和调节方便等特点，在无线通信、卫星通信、雷达、电子对抗等领域得到广泛应用。
此外，在广播电视、遥控遥测、仪器仪表和测量设备中也有广泛应用。
通过将变容二极管调频电路与信号处理技术相结合，可以实现高性能的频率调制和解调，满足各种通信和测量需求。
一、实验目的1. 理解频率调制的原理及其在通信系统中的应用。
2. 掌握变容二极管调频器的工作原理和电路设计。
3. 学习使用示波器和频率计等仪器对调频信号进行观测和分析。
4. 熟悉调频信号的解调过程。
二、实验原理频率调制（Frequency Modulation，简称FM）是一种通过改变载波的频率来传递信息的调制方式。
在频率调制中，调制信号（信息信号）与载波信号相乘，得到调频信号。
调频信号的特点是频率随调制信号的变化而变化，而幅度保持不变。
变容二极管调频器是一种常用的调频电路，其工作原理如下：1. 调制信号通过电容C1加到变容二极管D1的结电容上，改变结电容C1的大小。
2. 变容二极管D1的结电容C1与外部LC振荡回路构成谐振回路，谐振频率f0由LC振荡回路的参数决定。
3. 当调制信号加到变容二极管D1上时，结电容C1的变化导致谐振频率f0的变化，从而实现频率调制。
三、实验仪器与设备1. 变容二极管调频器实验装置2. 示波器3. 频率计4. 信号发生器5. 调制信号发生器6. 信号源四、实验步骤1. 搭建变容二极管调频器电路：根据实验装置提供的设计图，连接变容二极管D1、电容C1、LC振荡回路等元件，并接入信号源。
2. 调节电路参数：调整LC振荡回路的参数，使谐振频率f0与信号源频率f0'相等。
3. 观察调频信号：使用示波器观察调制信号和调频信号的波形，分析调频信号的特点。
4. 测量调频信号频率：使用频率计测量调频信号的频率，并与理论计算值进行比较。
5. 解调调频信号：使用调制信号发生器产生与调制信号频率相同的本振信号，通过解调电路将调频信号还原为调制信号。
五、实验结果与分析1. 调频信号波形：通过示波器观察，调频信号的波形呈正弦波形，频率随调制信号的变化而变化。
2. 调频信号频率：使用频率计测量调频信号的频率，结果显示频率随调制信号的变化而变化，符合理论预期。
3. 解调信号波形：通过解调电路将调频信号还原为调制信号，解调信号的波形与原始调制信号基本一致。
目录摘要 01、方案选择 (1)2、变容二极管直接调频原理 (1)3、变容二极管直接调频 (3)3.1 变容二极管工作原理 (3)4、电路实现 (4)4.1课程设计指标 (4)4.2元件参数选择 (5)4.3电路设计仿真图 (5)4.4电路仿真结果 (6)4.5 PCB如图4.4所示 (7)总结与体会 (8)参考文献 (9)摘要调频电路具有抗干扰性能强、声音清晰等优点，获得了快速的发展。
主要应用于调频广播、广播电视、通信及遥控。
调频电台的频带通常大约是200～250kHz，其频带宽度是调幅电台的数十倍，便于传送高保真立体声信号。
由于调幅波受到频带宽度的限制，在接收机中存在着通带宽度与干扰的矛盾，因此音频信号的频率局限于30～8000Hz 的范围内。
在调频时，可以将音频信号的频率范围扩大至30～15000Hz，使音频信号的频谱分量更为丰富，声音质量大为提高。
变容二极管调频电路是一种常用的直接调频电路，广泛应用于移动通信和自动频率微调系统。
其优点是工作频率高，固有损耗小且线路简单，能获得较大的频偏，其缺点是中心频率稳定度较低。
较之中频调制和倍频方法，这种方法的电路简单、性能良好、副波少、维修方便，是一种较先进的频率调制方案。
本课题载波由LC电容反馈三端振荡器组成主振回路，振荡频率有电路电感和电容决定，当受调制信号控制的变容二极管接入载波振荡器的振荡回路，则振荡频率受调制信号的控制，从而实现调频。
关键词：变容二极管 LC电容反馈三端振荡器调频1、方案选择变容二极管调频方式有两种：间接调频和直接调频。
（1）间接调频先将调制信号进行积分处理，然后用它控制载波的瞬时相位变化，从而实现间接控制载波的瞬时频率变化的方法，称为间接调频法。
根据前述调频与调相波之间的关系可知，调频波可看成将调制信号积分后的调相波。
这样，调相输出的信号相对积分后的调制信号而言是调相波，但对原调制信号而言则为调频波。
这种实现调相的电路独立于高频载波振荡器以外，所以这种调频波突出的优点是载波中心频率的稳定性可以做得较高，但可能得到的最大频偏较小。
变容二极管调频实验一、实验目的1、掌握变容二极管调频电路的原理。
2、了解调频调制特性及测量方法。
3、观察寄生调幅现象，了解其产生及消除的方法。
二、实验内容1、测试变容二极管的静态调制特性。
2、观察调频波波形。
3、观察调制信号振幅时对频偏的影响。
4、观察寄生调幅现象。
三、实验仪器1、信号源模块1块2、频率计模块1块3、3号板1块4、双踪示波器1台5、万用表1块6、频偏仪（选用）1台四、实验原理及电路1、变容二极管工作原理调频即为载波的瞬时频率受调制信号的控制。
其频率的变化量与调制信号成线性关系。
常用变容二极管实现调频。
变容二极管调频电路如图1所示。
从P3处加入调制信号，使变容二极管的瞬时反向偏置电压在静态反向偏置电压的基础上按调制信号的规律变化，从而使振荡频率也随调制电压的规律变化，此时从P2处输出为调频波（FM ）。
C15为变容二级管的高频通路，L2为音频信号提供低频通路，L2可阻止外部的高频信号进入振荡回路。
本电路中使用的是飞利浦公司的BB910型变容二极管，其电压-容值特性曲线见图12-4，从图中可以看出，在1到10V的区间内，变容二极管的容值可由35P到8P左右的变化。
电压和容值成反比，也就是TP6的电平越高，振荡频率越高。
图2表示出了当变容二极管在低频简谐波调制信号作用情况下，电容和振荡频率的变化示意图。
在（a）中，U o是加到二极管的直流电压，当u = U o时，电容值为C o。
u◎是调制电压，当u^为正半周时，变容二极管负极电位升高，即反向偏压增大；变容二极管的电容减小; 当U Q为负半周时，变容二极管负极电位降低，即反向偏压减小，变容二极管的电容增大。
在图（b）中，对应于静止状态，变容二极管的电容为C o,此时振荡频率为f。
因为f1，所以电容小时，振荡频率咼，而电容大时，振荡频率低。
从图（a）2 二LC中可以看到，由于C-u曲线的非线性，虽然调制电压是一个简谐波，但电容随时间的变化是非简谐波形，1但是由于 f , f和C的关系也是非线性。
电容式传感器的测量转换电路电容式传感器把被测物理量转换为电容变化后，将电容量转换成电量的电路称作电容式传感器的转换电路。
目前较常采用的有电桥电路、调频电路、脉冲调宽电路和运算放大器式电路等，这里只介绍电桥电路和运算放大器电路。
一、电桥电路将电容传感器接入交流电桥作为电桥的一个或两个相邻臂，另外两臂可以是电阻、电容或电感，也可以是变压器的两个次级线圈，如图1所示。
图1电容式传感器的桥式转换电路a)单臂法b)差动接法在图1a单臂接法电桥电路中，电容C1、C2、C3、Cx构成电桥的四臂，CX为电容传感器，当Cx改变时，U0≠0，有输出电压。
在图1b差动接法电桥电路中，其输出电压可用下式表示：由于电桥输出电压与电源电压成比例，因此要求电源电压波动极小，需要采用稳幅、稳频等措施。
因此，在实际应用中，接有电容传感器的交流电桥输出阻抗很高（一般达几兆欧至几十兆欧），输出电压幅值又小，所以必须后接高输入阻抗放大器将信号放大后才能测量。
由电桥电路组成的系统原理框图如图2所示。
图2电桥电路系统原理框图二、调频电路将电容传感器接入高频振荡器的LC谐振回路中，作为回路的一部分。
当被测量变化使传感器电容改变时，振荡器的振荡频率随之改变，即振荡器频率受传感器电容所调制。
其电路组成原理框图如图3所示。
图3调频式测量电路原理框图调频振荡器的频率：特点：?转换电路生成频率信号，可远距离传输不受干扰。
?具有较高的灵敏度，可以测量高至0.01μm级位移变化量。
?但非线性较差，可通过鉴频器（频压转换）转化为电压信号后，进行补偿。
三、运算放大器式电路将电容传感器接入开环放大倍数为A的运算放大电路中，作为电路的反馈组件，如图4所示。
图中U是交流电源电压，C是固定电容，Cx是传感器电容，Uo是输出信号电压。
图4运算放大器电路原理图由理想放大器的工作原理得：。
实验六和七（调频及解调）实验六变容⼆极管调频器⼀、实验⽬的1．通过实验进⼀步掌握调频原理。
2．了解变容⼆极管调频器电路原理及电路中元器件的作⽤。
3．了解调频器调制特性及测量⽅法。
4．观察寄⽣调幅现象，了解其产⽣原因及消除⽅法.5．进⼀步掌握利⽤调制度测量仪测量频偏的技术。
⼆、预习内容1．复习频率调制的原理2．复习变容⼆极管的⾮线性特性，及变容⼆极管调频振荡器调制特性。
3．复习⾓度调制的原理和变容⼆极管调频电路有关资料。
4．复习调制度测量仪测量频偏的技术。
三、实验原理频率调制和相位调制是被⼴泛采⽤的两种基本调制⽅式。
其中，频率调制（Frequency Modulation）简称调频，它是使载波信号的频率按调制信号规律变化的⼀种调制⽅式；相位调制（Phase Modulation）简称调相，它是使载波信号的相位按调制信号的规律变化的⼀种调制⽅式。
两种调制⽅式都表现为载波信号的瞬时相位受到调变，故统称为⾓度调制（Angle Modulation），简称调⾓。
调⾓波包含调频波和调相波，它们都是等幅的⾼频振荡，要传送的信息分别反映在⾼频振荡的频率和相位变化上。
要从调⾓波中解调出原调制信号，必须采⽤频率检波器和相位检波器。
从调频中检出随⾓频率变化的调制信号的过程称为频率检波，简称鉴频。
从调相波中检出随相位变化的调制信号的过程称为相位检波，简称鉴相。
1．频率调制的基本原理：设⾼频载波为u c =U cm cosωc t,调制信号为U Ω(t),则调频信号的瞬时⾓频率瞬时相位Ω+==tf c t dtt u k t dt t t 0)()()(ωωφ)()(t u k t f c Ω+=ωω调频信号其中k f 为⽐例系数。
上式表明,调频信号的振幅恒定,瞬时⾓频率是在固定的载频上叠加⼀个与调制信号电压成正⽐的⾓频率偏移(简称⾓频偏)Δω(t)=k f u Ω(t),瞬时相位是在随时间变化的载波相位φc (t)=ωc t 上叠加了⼀个与调制电压积分成正⽐的相位偏移(简称相偏)Δφ(t)=k f ∫t 0u Ω(t)dt。
调频测量电路如图1所示。
该电路将电容传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量导致电容传感器的电容量发生变化时，振荡器的震荡频率发生变化。
将频率的变化在鉴频器中转换为振幅的变化，经放大后用仪表指示或记录下来。
调频接受系统可分为直放式和外差式调频。
图1（a ）为直放式调频电路，图1（b ）为外差式调频电路。
外差式调频的性能较直放式的要好，但其电路复杂。
调频 震荡器
限幅
鉴频
放大
电容传感器 （a ）
输出
①
②
③
④
C 0
调频 震荡器
电容传感器
缓冲 放大器
鉴频
放大
限幅
中频放大
变频 本机震荡
（b ）
输出
②
③
④
C 0
①
图1 调频测量电路框图
调频震荡器的振荡频率f为：
f=1/（2πLC）
C= C1 + C0±ΔC+ C2
式中：L为谐振回路的电感；C为总电容；C1为谐振回路的固有电容；C2为传感器引线的分布电容；C0±ΔC为传感器的电容。
当被测电容为零时，振荡器有一个固有频率。
当被测信号不为零时，振荡器的频率发生变化。
经鉴频器处理后，频率信号转换为振幅的变化，波形图如图2所示。
图2 调频测量电路的波形图
①
②
④
③ f
t
t
t
t
被测信号为0时，电容C= C 1 + C 0 +C 2
作用于电容的信号，此时使传感器电容±ΔC ，C= C 1 + C 0±ΔC+ C 2
此时振荡频率为
鉴频器输。
