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

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)代的汽車往往裝有幾十個(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？

傳感囂的輸出信號(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(huà)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X1-2。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。可以對(duì)交變信號(hào)直接處理進(jìn)行細(xì)分，也可

￥

放

脈

變

整

細(xì)

不

大

傳沖

換

分

形

執(zhí)

感器

電

電

電

行

路

路

器機(jī)

路

構(gòu)

鎖

存

令

辨向電路指令傳感器

圖X1-2手動(dòng)采樣

能需先將它整形成為方波后冉進(jìn)行細(xì)分。在有的情況

下，增量碼一個(gè)周期所對(duì)應(yīng)的量不是一人便于讀出的

量（例如，在激光干涉儀中反射鏡移動(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)?/p>

方法辨別被測(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)施的基本組成見(jiàn)圖X1-3。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）利高共模抑制比；⑦可調(diào)的閉環(huán)增益；⑧線性好、

精度局；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，即用、G組成的高頻通道和調(diào)

缶!）、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

X2-K

。

Mo

i

T

i

v

M

0

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

的簡(jiǎn)稱，它通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)的切換，使內(nèi)部?jī)蓚€(gè)性能一

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q=（（+K；KM+K4（見(jiàn)式2—6）,

其共模信號(hào)誤差項(xiàng)兒〃相當(dāng)于輸入端的共模誤差電

壓〃，由

c-K、+K；K,~K\K,一K,CMRR\一CMRR

式中4、￡分別為運(yùn)算放大器N的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)和開(kāi)

環(huán)共模放大倍數(shù)；片為運(yùn)算放大器M由側(cè)向端A1輸

入時(shí)的放大倍數(shù);及為運(yùn)算放大器附的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)。

設(shè)計(jì)中可使K\弋K\,北〉＞1,所以CMRR=K2cMRR,因

此整個(gè)集成運(yùn)算放大器的共模抑制比麗討匕運(yùn)算放

大器N的共模抑制比◎〃況（一般可達(dá)80dB）提高了

及倍。

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)IO'。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，N1、M為理想運(yùn)算放大器，

用二%二?二A二兄試耒其閉環(huán)電床放大倍數(shù)。

由圖2-8b和題設(shè)可得出二如（1+兄/"）=2如，

〃0=42（1+兄/x）-2如吊/兆二2如-26=2（%2-〃ii）,所

以其閉環(huán)電壓放大倍數(shù)4=2。

2-9圖2-9所示電路，N1、凡、M工作在理想狀態(tài)，

分二尼二100kQ,於二10kQ,小二吊二20kQ,花二兆二60kQ,

兒同相輸入端接地，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〃。=（〃。2-〃。1）R/A=3（〃。2

-41),Uoi=〃ii(1+A/硝-〃i2兆/a二42二

〃i2(l+%/&)-UwRi/~10〃“，即〃。=3(-10〃ii-

n〃“）二-636，因此，電路的差模增益為63。電路

的共模抑制能力將降低，因岫同相輸入端接地，即

如二0,小的共模電壓無(wú)法與此的共模電壓相抵消。

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？

由傳感器電橋和運(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2-12b所示電路〃。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2-12b所示電路可得電橋輸出電壓〃其即運(yùn)算

放大器N的同相端輸入電壓）為：〃+=uR/（2/?bA

心（2必二-〃A/（4於2△曲，電路輸出電壓

〃。二（1+%/兄）“，所以&二-（1+與/8）〃△,（4卅24

心，將傳感器電阻的相對(duì)變化率§八RIR代入，

則得

u0=~（1W/?I）u8/（4+26）

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〃。與橋臂電阻的相對(duì)變化率萬(wàn)是非

線性關(guān)系，只有當(dāng)內(nèi)〈〈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〃采用直

流，其值。=10V,A=&=7?=120Q,A7?=0.24

Q時(shí)，試求輸出電壓”。如果要使失調(diào)電壓和失

調(diào)電流各自弓起的輸出小于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2-14電盛的公式（式2-24）：

并將題設(shè)代入，可得〃二-〃△》（2必二10mV。設(shè)輸入

失調(diào)電壓為取和輸入失調(diào)電流為As,當(dāng)輸出失調(diào)電

壓小于ImV時(shí)，輸入失調(diào)電壓aw<（1X10'）/

（1+應(yīng)/7）=0.5mV；輸入失調(diào)電流為h<（1X10-3）/

（1+A/X）］=4.17口A。

2-14什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)字邏輯電路由確定的程序

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PGAo例如圖X2-2,程序?yàn)?/p>

/二0（開(kāi)關(guān)/斷開(kāi)）、后0（開(kāi)關(guān)夕斷開(kāi)）時(shí)，放大電路

的電壓放大倍數(shù)為一7心當(dāng)程序?yàn)槿?（開(kāi)關(guān)/閉合）、

戶0（開(kāi)關(guān)6斷開(kāi)）時(shí)，放大倍數(shù)為一兆物［丑（尼+A）］;

當(dāng)程序?yàn)?=0（開(kāi)關(guān)A斷開(kāi)）、廬1（開(kāi)關(guān)￡閉合），放大

倍數(shù)為-R?\_R\（圖而］；當(dāng)程序?yàn)?二1、斤1（開(kāi)

關(guān)/、￡均閉合），放大倍數(shù)為-私即?/［正（與R3+R3R

+RRD］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。

圖X2-2

2-15請(qǐng)根據(jù)圖2-22b,畫(huà)出可獲得1、10、100十進(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)，”二〃；當(dāng)開(kāi)關(guān)￡

閉合時(shí)，〃二10〃，當(dāng)開(kāi)關(guān)。閉合時(shí)，〃二100〃。

R9R90R

—~~~~H----------------------------

c/B/A/廠->8上。

L+N

圖X2-365

2-16根據(jù)圖2-22c和式（2-32）,若采用6個(gè)電阻,

請(qǐng)畫(huà)出電路原理圖，并計(jì)算電阻網(wǎng)絡(luò)各電阻的阻值。

A—6:7（6=R+&+R+兄+笈，R+R=2（7?i+尼+R+R）

屆+尼+兄=3（?+泥+兆），欣+R+吊+7（3=4（?+兆）,

兆+A+A+A+兆=5品

取分二兄貝IJ加二3七RFR,RLRIZ,凡=3必10,%二舷5,

RER。見(jiàn)圖X2-4。

2-11什么是隔離放大電路？應(yīng)用于何種場(chǎng)合？

隔離放大電路的輸入、簿改區(qū)和電源電路之間沒(méi)有直

接的電路耦合，即信號(hào)在信輜過(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(xiě)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〃=（R+兄）與〃/（用A）

二1000〃，AD277隔離放大器的電壓放大倍數(shù)約為

196.078,所以Uo=196.078（兄+兄）做/（兄7?,）=196078

［雄：〃=（兆+%+RRJ吊）〃/幾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

由耳窣以及最大效率。

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

近似為瓦/2,最大輸出功率幾二度/（8A）,最大效率

n=P°J［度/（2曲）］二1/4=25%。

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

?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(huà)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，能在一個(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。

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

而的電流？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？若自，而或此中有一個(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)載發(fā)

的電流為零。若輸出波形有交越失真，應(yīng)調(diào)整尼電阻

可加以消除。若瓜電阻開(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A或兆中有一個(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」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

為解痼。

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)。一個(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。

3一2什么是調(diào)制信號(hào)？什么是載波信號(hào)？什么是已調(diào)

彳言號(hào)？

露制.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?/p>

號(hào)去改變載波信號(hào)的某一參數(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(xiě)出調(diào)幅信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并畫(huà)

出它的波形。

調(diào)幅就是用調(diào)制信號(hào)%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)〃.的一般表達(dá)式可寫(xiě)

身：

〃s=(Um+WX)COS(Ot

式中以一載波信號(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。

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

3-4什么是調(diào)頻？請(qǐng)寫(xiě)出調(diào)頻信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并畫(huà)

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)%的線性函數(shù)變化。調(diào)頻信號(hào)內(nèi)的一般表達(dá)式可

寫(xiě)為：

us=Umcos（69c+mx）t

式中以——載波信號(hào)的角頻率；

U.——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X=XmCOSQt,則調(diào)頻信

號(hào)的頻率可在以±加九范由內(nèi)變化。為了避免發(fā)生頻窣

混疊現(xiàn)象，并便于解調(diào)，要求取>>唐招。

圖X3-2調(diào)頻信號(hào)的波形

a）調(diào)制信號(hào)b）調(diào)頻信號(hào)

3-5什么是調(diào)相？請(qǐng)寫(xiě)出調(diào)相信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并畫(huà)

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)%的線性函數(shù)變化。調(diào)相信號(hào)人的一般表達(dá)式可

寫(xiě)為：

us=Umcos(gf+mx)

式中g(shù)——載波信號(hào)的角頻率；

4—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)，＜。時(shí)，調(diào)相信號(hào)滯后

子載疲信號(hào)。x〉0時(shí)，則超前于載波信號(hào)。

3一6什么是脈沖調(diào)寬？請(qǐng)寫(xiě)出脈沖調(diào)寬信號(hào)的數(shù)學(xué)表

達(dá)式，并畫(huà)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b為常量，加為調(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)。

T

a)

B

nnz口「n口__n口口二：舟b）

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

3一7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

?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，乜可抑制

遠(yuǎn)離參考頻率的各種噪聲。

3一8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、

用位、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，并由此確定隹用在梁

上的力少的大小。4個(gè)應(yīng)變片接入電橋，并采用交流

電壓。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R=火2=火3=凡尸火，電橋的輸出

V上（竺L金+也一當(dāng)

°4RRRR

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

&網(wǎng)F

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

?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T變化。振弦3在磁鐵2形成的磁場(chǎng)內(nèi)振

///////////////

Z30-2

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

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)的相位差與扭矩又成正比。

圖X3-7感應(yīng)式扭矩傳感器

圖X3-8是在傳感器中進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制的例子。由

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),

它便由棱鏡2表面反射返回的無(wú)策方向不斷變化，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網(wǎng)上，對(duì)應(yīng)

于“暗”的信產(chǎn)與...被..測(cè)...工.件8的直徑成正比，一即

脈沖寬度（肛件直，迪期。I\V\

\\\

23

1

圖X3-8用激光掃描的方法測(cè)量工件直徑

3一10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)以去控制

（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)）以與載波信

號(hào)〃C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山什么是雙邊帶調(diào)幅？請(qǐng)寫(xiě)出其數(shù)學(xué)表達(dá)式，畫(huà)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=不1cos。工當(dāng)曲制信號(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(xiě)為：

us=Umcoscoj+mXmcos^/cos69c/

rrmXm/、mXm/小

=UmCOS69ZH?—廣cos^y+須H■―廣cos^y-9%

它包含三個(gè)不同頻率的信號(hào)：角頻馥為牡的載波信號(hào)

UmCOSG』和扁頻窣分現(xiàn)為3c土。的工卜邊頻信號(hào)。

載波信號(hào)中不含調(diào)制信號(hào)，即不含被測(cè)量%的信息,

因此可以取4=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

cosQ++cos@-0），=

=2m2mXgCOSQ/COSGJ=UxmcusOcus①J

雙邊帶調(diào)制的調(diào)幅信號(hào)波形見(jiàn)圖X3-9O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」2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>>0,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。?100Hz,應(yīng)要求載波信號(hào)的

頻率3；1000Hz。調(diào)幅信號(hào)放大器的通頻帶應(yīng)為

900-1100Hzo信號(hào)解調(diào)后，濾波器的通頻帶應(yīng)>100

Hz,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。

3一13什么是包絡(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。

只要能檢出調(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。

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)

3/4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3-11b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)幅波人為正的半周期，由于運(yùn)算放大器

電的倒相作用，Ni輸出低電平，因此Vi導(dǎo)通、V2截

止，A點(diǎn)接近于虛地，ua^0o在％的負(fù)半周，有ua

輸出。若集成運(yùn)算放大器的輸入阻抗遠(yuǎn)大于&,貝卜

--不按圖上所標(biāo)注的極性，可寫(xiě)出下列方程組：

4=匕8一陽(yáng)

%=〃+肛=u+iR2+《

ua——K.dus[

其中Kd為Ni的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)。解以上聯(lián)立方程組得

到

=一e+:0+*吐-J0+白"

火2*2Kd4

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：

一旦“

5A

R2

成R、

二極管的死區(qū)和非線性不影響檢波輸出O

圖3-llb中加入Vi反饋回路一是為了防止在外的

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〃s在兩個(gè)半周期負(fù)載基本對(duì)稱。圖

中N2與火3、&、C等構(gòu)成低通濾波器。對(duì)于低頻信

號(hào)電容。接近開(kāi)路，濾波器的增益為-&/尺3。對(duì)于載

波頻率信號(hào)電容。接近短路，它使高頻信號(hào)受到抑制。

因?yàn)殡娙荨５淖蠖私犹摰?，電容C上的充電電壓不會(huì)

影響二極管v的通斷，這種檢波器屬于平均值檢波

器。-2

為了構(gòu)成全波精密檢波電路需要將以通過(guò)底與以相加,

圖3-llb中N2組成相加放大器，為了實(shí)現(xiàn)全波精密檢

波必須要求％=24。在不加電容器。時(shí),N2的輸出為：

〃。=-瓢+9

圖X3-lla為輸入調(diào)幅信號(hào)人的波形，圖b為N1

輸出的反相半波整流信號(hào)ua,圖c為N2輸出的全波

整流信號(hào)〃。。電容。起濾除載波頻率信號(hào)的作用。

圖X3-U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°o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

電路具直判別信號(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。

3一16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。

3一17從相敏檢源器的工作機(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？一

只婪將輸入的i商制信號(hào)wcosQ乘以幅值為1

的載波信號(hào)COS^/就可必得到雙中頻調(diào)胭；1號(hào)

4=uxCOSGJ=SmCOS0/COS69Jo若將"s再乘以COScoj，就得到

2

="scosCOJ=UxmcosCtcosCDJ=|t/xmcos+|UxmcosQtcos2a)ct

=~^xmcosQ+；Uxm【cos(2Gc-0)/+cos(2以+。)〃

利用低通濾波器濾除頻率為肛-o和肛+c的高

頻信號(hào)后就得到調(diào)制信號(hào)d.cosQ,只是乘上了系數(shù)

l/2o這就是說(shuō)，將調(diào)制信號(hào)以乘以幅值為1的載波

信號(hào)cos卬就可以得到雙邊頻調(diào)幅信號(hào)/，將雙邊頻調(diào)

幅信號(hào)以再乘以載波信號(hào)COSW，經(jīng)低通濾波后就可以

得到調(diào)制信號(hào)/。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、輸出耦合回路與濾波器的結(jié)構(gòu)和參

數(shù)不同。

3一18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q=l的半周期，同相輸入端被接地，

以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Uc=0的半周

期,V截止,必同時(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，取火尸&=火3=火4=火5=&/2。在Uc=l的半周

期，V1導(dǎo)通、V2截止，同相輸入端被接地，從反相

輸入端輸入，放大倍數(shù)為-E/（為+&）=T。在Uc=O的半

周期，V］截止、V2導(dǎo)通，反相輸入端通過(guò)火3接地，

以從同相輸入端輸入，放大倍數(shù)為右外（】+%=打=1。

效果與圖a相同，實(shí)現(xiàn)了全波相敏檢波。尺1=&=火3=

氏尸號(hào)=&/2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)于片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。

如果蒯入信號(hào)/為與參考信號(hào)〃c（或G）同頻信號(hào),

但有一定相位差，這時(shí)輸出龜壓凡=an,cos°/2,艮口輸由

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。

3一20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)。

3⑵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1、分別比載波頻率

人高和低八名。隨著輸入信號(hào)的頻率變化，回跖1

的輸出藥和回路2的輸出/2如圖3-34d和e所示。

回路1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AU/AO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、G用于濾除高頻載波信

號(hào)。&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。

3一22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)4和G

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及為常值。當(dāng)5、

5的幅值增大時(shí)，通過(guò)二極管V］、V2向電容G、。4、

。5的充電電流增大。由于。5?。3、C5?c4,增加的

充電電流絕大部分流入。5,使。3、。4基本保持不變。

同時(shí).，二極管Vi、V2的導(dǎo)通角。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)3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。,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贡壤b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)/經(jīng)放大后分兩路加

到相位鑒頻電路。一路經(jīng)耦合電容。加到扼流圈L3

上，作為參考信號(hào)；另一路經(jīng)互感〃耦合到諧振回路

上2、G上，作為輸入信號(hào)。隨著調(diào)頻信號(hào)〃S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)人的瞬時(shí)頻率變化,

實(shí)現(xiàn)解調(diào)。

3一23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0.1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。

33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+&w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。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］、&為差動(dòng)電阻傳感

器的兩臂，尺+4為一常量，輸出信號(hào)的頻率不隨被

測(cè)量值變化，而它的占空比隨凡、&的值變化，即輸

出信號(hào)的脈寬受被測(cè)信號(hào)調(diào)制。一

3一25試述用乘法器或開(kāi)關(guān)式相敏檢波電路鑒相的基本

原

用兼徭兼o實(shí)現(xiàn)鑒相時(shí).，乘法器的兩個(gè)輸入信號(hào)分別為

調(diào)相彳百號(hào)=Gmcos(3/+O)寫(xiě)參考信號(hào)wc=Ucmcos。/o乘法器

的輸出送入低通濾波器濾除由于載波信號(hào)引起的高

頻成分，低通濾波相當(dāng)于求平均值，整個(gè)過(guò)程可用下

述數(shù)學(xué)式表示，輸出電壓

〃。=(f"Qmcos(w/+(p)Ucosojd(fyj)="七儂。

cm

即輸出信號(hào)隨相位差歐的余弦而變化。

開(kāi)關(guān)式相敏檢波電路中采用歸一化的方波信號(hào)q作

參考信號(hào)，用它與調(diào)相信號(hào)相乘。歸一化的方波信號(hào)

q中除頻率為牡的基波信號(hào)外，還有頻率為3a和5以

等的奇次諧波成分。但它們對(duì)輸即單壓出沒(méi)有電響,

因?yàn)閏os(<y./+0)cos3fyj和cos(0/+°)cos5<y/等在°/的一個(gè)周期

內(nèi)積分值為零。其輸出信號(hào)仍可用上式表示，只是取

4=1。在開(kāi)關(guān)式相敏檢波電路中參考信號(hào)的幅值對(duì)輸

出沒(méi)有影響，但調(diào)相信號(hào)的幅值仍然有影響。

3一26為什么在用相加式相敏檢波電路鑒相時(shí)，常取參考

信號(hào)的幅值等于調(diào)相信

號(hào)的幅值？

在用于調(diào)相信號(hào)的解調(diào)時(shí)常取人=4。作用在兩個(gè)

二極管V\和V2的電壓分別為。1=Uc+Us和u*Uc-Us

（6里設(shè)入=uS2=5）,

Gm=h+（"足。）2

3m=-Z?COS0『+"msM。）?

當(dāng)4=4,上二式分別可簡(jiǎn)化為

Gm=2UnCOS^

1mcm2

U=2Usin0

2m2mcmcm2

這種鑒相器的特性要比am?Usm時(shí)要好，因?yàn)檎?/p>

函數(shù)的自變量變化范圍減小了一半。因此，在用作鑒

相器時(shí)，常取Qm=Usm。

3一27在本章介紹的各種鑒相方法中，哪種方法精度最高?

主要有哪些因素影響

鑒相誤差？它們的鑒相范圍各為多少？

RS觸發(fā)器鑒相精度最高，因?yàn)樗€性好，并且對(duì)

q和a的占空比沒(méi)有要求。影響鑒相誤差的主要因

素有非線性誤差，信號(hào)幅值的影響，占空比的影響，

門(mén)電路與時(shí)鐘脈沖頻率影響等。用相敏檢波器或乘法

器鑒相從原理上說(shuō)就是非線性的，其輸出與相位差

（或其半角）的余弦成正比。脈沖采樣式鑒相中鋸齒

波的非線性也直接影響鑒相誤差。用相敏檢波器或乘

法器鑒相時(shí)信號(hào)的幅值也影響鑒相誤差。采用異或門(mén)

鑒相時(shí)占空比影響鑒相誤差。門(mén)電路的動(dòng)作時(shí)間與時(shí)

鐘脈沖頻率誤差對(duì)通過(guò)相位一脈寬變換鑒相方法精

度有影響，但一般誤差較小。用相敏檢波電路或乘法

器構(gòu)成的鑒相器鑒相范圍為±n/2,異或門(mén)鑒相器的鑒

相范圍為0?DRS觸發(fā)器鑒相和脈沖采樣式鑒相的

鑒相范圍接近2n。

33在圖3-47C所示數(shù)字式相位計(jì)中鎖存器的作用是什

么？為什么要將計(jì)數(shù)器

清零，并延時(shí)清零？延時(shí)時(shí)間應(yīng)怎樣選取？

圖3-47C所示數(shù)字式相位計(jì)中計(jì)數(shù)器計(jì)的脈沖數(shù)

是隨時(shí)變化的，當(dāng)a的下跳沿來(lái)到時(shí)，計(jì)數(shù)器計(jì)的

脈沖數(shù)N反映a和a的相位差。，為了記錄這一值，

需要將它送入鎖存器。為了在下一周期比相時(shí)，計(jì)的

是下一周期u和a的相位差。，要在鎖存后將計(jì)數(shù)

器清零，否則計(jì)數(shù)器計(jì)的是若干周期總共脈沖數(shù)，而

不是a和a到來(lái)之間的脈沖數(shù)。但是只有在鎖存后

才能將計(jì)數(shù)器清零，所以要延時(shí)片刻后才將計(jì)數(shù)器清

零。延時(shí)時(shí)間應(yīng)大于鎖存所需要的時(shí)間，但又應(yīng)小于

時(shí)鐘脈沖周期，以免丟數(shù)。

3一29脈沖調(diào)制主要有哪些方式？為什么沒(méi)有脈沖調(diào)

幅？

脈沖調(diào)制的方式有調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)寬。脈沖信號(hào)

只有0、1兩個(gè)狀態(tài)，所以沒(méi)有脈沖調(diào)幅。

3一30脈沖調(diào)寬信號(hào)的解調(diào)主要有哪些方式？

脈沖調(diào)寬信號(hào)的解調(diào)主要有兩種方式。一種是將脈

寬信號(hào)a送入一個(gè)低通濾波器，濾波后的輸出〃。與

脈寬B成正比。另一種方法是。。用作門(mén)控信號(hào)，只

有當(dāng)a為高電平時(shí)，時(shí)鐘脈沖cp才能通過(guò)門(mén)電路進(jìn)

入計(jì)數(shù)器。這樣進(jìn)入計(jì)數(shù)器的脈沖數(shù)N與脈寬B成

正比。兩種方法均具有線性特性。

第四章信號(hào)分離電路

4-1簡(jiǎn)述濾波器功能、分類及主要特性參數(shù)

濾波器是具有頻率選擇作用的電路或運(yùn)算處理系

統(tǒng)。按所處理信號(hào)形式不同，濾波器可分為模擬濾波

器與數(shù)字濾波器兩類；按功能濾波器可分為低通、高

通、帶通與帶阻四類。濾波器主要特性參數(shù)包括：

1）特征頻率濾波器的頻率參數(shù)主要有：①通帶截頻

人=限2n為通帶與過(guò)渡帶的邊界點(diǎn)，在該點(diǎn)信號(hào)增益下

降到一個(gè)人為規(guī)定的下限。②阻帶截頻工j為為阻帶

與過(guò)渡帶的邊界點(diǎn)，在該點(diǎn)信號(hào)衰耗（增益的倒數(shù)）下

降到一個(gè)人為規(guī)定的下限。③轉(zhuǎn)折頻率為信

號(hào)功率衰減到1/2（約3dB）時(shí)的頻率，在很多情況下，

也常以/;作為通帶或阻帶截頻。④當(dāng)電路沒(méi)有損耗時(shí),

固有頻率就是其諧振頻率，復(fù)雜電路往往有

多個(gè)固有頻率。

2）增益與衰耗濾波器在通帶內(nèi)的增益并非常數(shù)。①對(duì)

低通濾波器通帶增益降一般指。=0時(shí)的增益；高通指

時(shí)的增益；帶通則指中心頻率處的增益。②對(duì)帶

阻濾波器，應(yīng)給出阻帶衰耗，衰耗定義為增益的倒數(shù)。

③通帶增益變化量△勺指通帶內(nèi)各點(diǎn)增益的最大變化