《测控电路》课后答案+复习重点归纳+3套考题.docx

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。它及被测对象的状态并无一一对应的关系。9、绝对码信号是一种及状态相对应的信号。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及闭环控制。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，将它反馈到输入端及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）、噪声及干扰（2）、失调及漂移，主要是温漂（3）、线性度及保真度（4）、输入及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=-R2Ib1+(1+R2/R1)R3Ib2若取R3=R1/R2,则u02=R2(Ib2-Ib1)=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。7、在测量控制系统中，用来放大传感器输出的微弱电压、电流或电荷信号的电路称为测量放大电路，亦称为仪用放大电路。8、测量放大电路的基本要求：（1）输入阻抗应及传感器输出阻抗相匹配（2）稳定的放大倍数（3）低噪声，低漂移（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（6）高共模输入范围和高共模抑制比（7）可调的闭环增益（8）线性好、精度高（9）成本低、工艺性9、反相放大电路的特点：输入阻抗低、共模误差小设计公式Kf= uo / ui = R2 / R1=R2 / R（1+R4/R5）Zin = R1 R3= R1 / R2 10、同相放大电路的特点：高输入阻抗、共模误差大（常用于前置放大，和阻抗变换或隔离） 设计公式Kf= uo / ui = 1+R2 / R1Zin = Zi (1+ AF)+R3 及反相放大电路相比，通向放大电路具有高输入阻抗，但易受干扰。放大器都采用电压负反馈，电路的闭环输出阻抗都非常小，接近及零。11、为了避免放大器的输入阻抗对高通滤波器的截止频率的影响，采用同相放大器。 为了得到较低的低端截止频率和避免使用过大的电容，电路R1选用较大的阻止。 为了消除运算放大器的输入偏置电流的影响，反馈网络采用“Y”形网络，目的是是运算放两输入端的电阻尽可能相等。12、差动放大电路是把两个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反相输入端，然后在输出端取出两个信号的差模成分，而尽量抑制两个信号的共模成分的电力路。13、采用差动放大电路是为了抑制共模干扰（提高电路的共模抑制比）和减小温漂。14、对差动放大电路的基本要求：高共模抑制比、高输入阻抗15、为了减少器件品种和提高工艺性，电路只对差模信号进行放大（输出无共模信号成分）。一般来说电阻的误差越小、差动增益越大，共模抑制比越高。16、什么是高共模抑制比放大电路？用来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。17、应用于何种场合？应用于要求共模抑制比大于100dB的场合18、双运放高共模抑制比放大电路：反向串联结构型通向串联结构型19、三运放高共模抑制比放大电路具有增益调节能力，调节RO可以改变增益而不影响电路的 对称性。RP的作用：共模补偿，调节补偿电阻的不平衡性 RO的作用：调整放大倍数 这种电路具有增益调节能力，调节R0可以改变增益而不影响电路的对称性。通过调节RP，可补偿电阻的不对称，获得更高的共模抑制比。20、有源屏蔽驱动电路 电缆输入芯线和屏蔽层之间的共模电压为零消除了屏蔽电缆电容的影响。21、输入失调电压随时间和温度而变化，说明集成运算放大器的零点在变动，常称为零点漂移或温度漂移。22、为了减小集成运算放大器的失调和低频干扰引起的零点漂移，可采用有通用集成运算放大器组成的斩波稳零放大嗲路或自动调零放大嗲路，或低漂移单片集成运算放大器。23、高输入阻抗易受干扰所以设计高输入阻抗电路时，注意屏蔽接地。24、自举式高输入阻抗放大电路分析 线性电桥放大电路传递关系，分析，推到25、增益调整放大电路是既能方便的调整放大电路的增益，又不降低放大电路共模抑制比的专门电路。增益调整分类：手动、自动和程控。只要改变R就能改变电路增益，且不破坏原有的共模抑制比。26、可编程增益放大电路分为：通用运放可编程增益放大电路数字式可编程增益放大电路集成可编程增益放大电路27、隔离放大电路是一种特殊的测量放大电路其输入、输出和电源电路之间没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。 隔离放大电路：用于便携式测量仪器和某些测控系统中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。 隔离放大电路的组成：输入放大器、输出放大器、隔离器以及隔离电源第三章 信号调制解调电路1、采用信号调制的原因：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（含外界干扰）。而传感器的输出信号一般有很微弱，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。为了便于区别信号及噪声，往往给测量信号赋予一定特征，这就是调制的主要功用。2、解调：在将测量信号调制，再经放大，并于噪声分离等处理后，还要从已经调制的信号中提取反映北侧两只的测量信号，这一过程称解调。3、调制：就是用一个信号（调制信号）去控制另一作为载体的信号（载波信号），让后者的某一参数（幅值、频率、相位、脉冲宽度）按前者的值变化。4、常以一个高频正弦信号或脉冲信号作为载体，这个载体称为载波信号。用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位的信号称为调制信号。在测控系统中，通常就用测量信号作调制信号。经过调制的载波信号叫已调信号。5、调制方法：在信号调制中常以一个高频正线信号。一个正弦信号有幅值、频率、相位三个参数，可以用所需要传递的信号对这三个参数之一进行调制，分别称为调幅、调频、调相。也可以用脉冲信号作载波信号，并对脉冲信号的某一特征参数作调制，最常用的是对脉冲的宽度进行调制，称脉冲调宽.6、调幅就是用调制信号x去控制高频载波信号的幅值。常用的是线性调幅，即让调幅信号的幅值按调制信号x的线性函数变化。7、为了提高测量信号抗干扰能力，常要求从信号一形成就已经是已调信号，因此常常在传感器中进行调制。8、通过交流供电实现调制电感、电容、电阻式传感器采用 用机械或光学的方法实现调制光电等9、在测控系统中被测信号的变化频率为0100Hz，应怎样选取载波信号的频率？应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？ 为了正确进行信号调制必须要求c>>，通常至少要求c>10。这样，解调时滤波器能较好地将调制信号及载波信号分开，检出调制信号。若被测信号的变化频率为0100Hz，则载波信号的频率c>1000 Hz。调幅信号放大器的通频带应为9001100 Hz。信号解调后，滤波器的通频带应>100 Hz，即让0100Hz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。 10、从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波。幅值调制就是让已调信号的幅值随调制信号的值变化，因此调幅信号的包络线形状及调制信号一致。只要能检出调幅信号的包络线即能实现解调。这种方法称为包络检波。11、为什么要采用精密检波电路？二极管VD和晶体管V都有一定死区电压，即二极管的正向压降、晶体管的发射结电压超过一定值时才导通，它们的特性也是一根曲线。二极管VD和晶体管V的特性偏离理想特性会给检波带来误差。为了提高检波精度，常需采用精密检波电路，它又称为线性检波电路。12、（1）半波精密检波电路： （2）全波精密检波电路：13、相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。14、包络检波有两个问题：一是解调的主要过程是对调幅信号进行半波或全波整流，无法从检波器的输出鉴别调制信号的相位。第二，包络检波电路本身不具有区分不同载波频率的信号的能力。对于不同载波频率的信号它都以同样方式对它们整流，以恢复调制信号，这就是说它不具有鉴别信号的能力。为了使检波电路具有判别信号相位和频率的能力，提高抗干扰能力，需采用相敏检波电路。15、区别：相敏检波电路及包络检波电路在功能上的主要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，同时相敏检波电路还具有选频的能力，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。电路结构的主要特点：需要一个及调幅信号同频的参考信号。 （可用载波信号） 16、相敏检波电路的选频特性是指它对不同频率的输入信号有不同的传递特性。相敏检波电路具有一直各种高次谐波的能力17、当输入信号us及参考信号uc同频，但有一定相位差时，输出及Usm和 有关，可以根据输出信号的大小确定相位差的值，相敏检波电路的这一特性称为鉴相特性。18、相敏检波电路的鉴相特性有抑制零点残余电压影响的作用。19、振弦式传感器输出为调频信号 多普勒测速利用传感器实现调频 测量离面运动运动过程中反射面的位置发生变化20、电路调制分析 通过改变LC振荡器的C或L实现调频电路（80页）窄脉冲鉴频电路（82页）单稳触发器数字式频率计（83页）原理：直接测出调频信号的瞬时频率，即实现解调。脉冲调宽中PWM的含义21、鉴相就是从调相信号中将反映被测量变化的调制信号检出来，实现调相信号的解调，又称为相位检波。 22、脉冲调制是指用脉冲作为载波信号的调制方法。 脉冲调幅（PAM）：开关式相乘调幅电路 脉冲调频（PFM）：RC多谐振荡器调频电路 脉冲调相（PPM）：脉冲采样式调相电路 脉冲调宽（PWM）：PWM (Pulse Width Modulation)控制就是脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。第四章 信号分离电路1、信号分离电路：利用滤波器从频域中实现对噪声的抑制，提取所需的测量信号，是各种测量系统必不可少的组成部分。2、滤波器:具有频率选择作用的电路或运算处理系统，具有滤除噪声和分离各种不同信号的功能。 3、滤波器可以分为模拟和数字两大类。粉丝中基本类型：低通滤波器高通滤波器带通滤波器帯阻滤波器4、滤波器的主要特性指标：特征频率增益及衰耗阻尼系数及品质因数灵敏度群时延函数5、特征频率：通带截频fp=p/(2p)为通带及过渡带边界点的频率，在该点信号增益下降到一个人为规定的下限。阻带截频fr=r/(2p)为阻带及过渡带边界点的频率，在该点信号衰耗(增益的倒数)下降到一人为规定的下限。转折频率fc=c/(2p)为信号功率衰减到1/2(约3dB)时的频率，在很多情况下，常以fc作为通带或阻带截频。固有频率f0=0/(2p)为电路没有损耗时，滤波器的谐振频率，复杂电路往往有多个固有频率。 6、根据滤波器的电驴组成分为：LC无源滤波电路RC无源滤波电路由特殊元件构成的滤波电路RC有源滤波电路7、阻尼系数是表征滤波器对角频率为0信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰耗的一项指标。 阻尼系数的倒数称为品质因数，是评价带通及带阻滤波器频率选择特性的一个重要指标，Q= 0/。式中的为带通或带阻滤波器的3dB带宽， 0为中心频率，在很多情况下中心频率及固有频率相等。8、任何复杂的滤波网络，可由若干个一阶及二阶滤波电路级联构成9、增益及衰耗：对于低通滤波器通带增益一般指=0时的增益；高通滤波器指时的增益；带通滤波器则指中心频率处的增益。10、该灵敏度及测量仪器或电路系统灵敏度不是一个概念，该灵敏度越小，标志着电路容错能力越强，稳定性也越高。11、群延时函数 d()/d 越接近常数，信号相位失真越小。12、当ai取不同值时（即取不同值） ，得到不同逼近特性的滤波器：最大平坦型（巴特沃思逼近） 对于二阶，2 逼近原则：使幅频特性在通带内最平坦，且单调变化； 但会造成在阻带内的衰减缓慢，频选性差。波纹型（切比雪夫逼近） 对于二阶， 2 逼近原则：允许通带内有一定波动量，在阻带有较陡的衰减，频选性好； 且波纹越大，选择性就越好。恒延时型（贝塞尔逼近） 对于二阶,3 逼近原则：使相频特性在通带内有最高的线性度，即()最接近常量， 失真最小。 (* n越高，相频特性就越好） 13、无源滤波电路存在的问题：（1）电路的增益小，最大为1；（2）带负载能力差 14、有源滤波电路特点：(1)电路的增益得到提高 (2)运放本身对RC网络影响小 (3)带负载能力强 (4)运放工作在线性区 15、关于低通滤波器的结论：改变电阻Rf和R1的阻值可调节通带电压放大倍数 改变截止频率，应调整RC16、带通滤波器电路图带通滤波器只让某一频段的信号通过，而将此频段外的信号加以抑制或衰减Q值越大，带通滤波器通带宽度越窄，选择性越好。 17、带阻滤波器用来专门抑制某一频段的信号，而让此频段以外的所有信号通过18、带阻滤波器可由一个高通滤波器和一个低通滤波器并联而成。或由带通滤波器及一减法器相连而成。19、无限增益多路反馈型电路不存在不稳定的情况20、有源滤波器设计：确定传递函数、选择电路结构、选择有源器件、计算无源元件参数第五章 信号运算电路1、比例运算放大电路2、加减法运算电路3、4、由于其特性决定其仅对输入偏差信号的变化速度有调节作用，对一个固定不变的偏差，无论多大，军务输出，因此，纯微分电路无法克服静差。第六章 信号转换电路1、信号转换电路要求具有一定的输入阻抗和输出阻抗以及之相连接的器件或电路阻抗匹配2、采样保持电路：捕捉时间长，电路的跟踪特性差，关断时间长，电路的保持特性不好，它们限制了电路的工作速度。3、采样保持电路的组成：模拟开关模拟信号存储电容缓冲放大器4、电压比较电路的功能：比较和鉴别两个模拟输入电压的大小产生非正弦信号（方波、三角波）运算放大器必须工作在非线性区5、电压比较器的分类：电平比较电路（単限比较）滞回比较电路（単限比较）窗口比较电路（双限比较）6、滞回比较电路的优点：可以消除“振铃”现象。但是，回差电压要合理选取可以用作波形变换电路或整形电路。7、电平比较电路的优点：阈值可变，不会造成共模电压 缺点：振铃现象8、课后答案第一章 绪论测控电路在整个测控系统中起着什么样的作用？ 传感器的输出信号一般很微弱，还可能伴随着各种噪声，需要用测控电路将它放大，剔除噪声、选取有用信号，按照测量及控制功能的要求，进行所需演算、处理及变换，输出能控制执行机构动作的信号。在整个测控系统中，电路是最灵活的部分，它具有便于放大、便于转换、便于传输、便于适应各种使用要求的特点。测控电路在整个测控系统中起着十分关键的作用，测控系统、乃至整个机器和生产系统的性能在很大程度是取决于测控电路。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？ 影响测控电路精度的主要因素有：（1） 噪声及干扰；（2） 失调及漂移，主要是温漂；（3） 线性度及保真度；（4） 输入及输出阻抗的影响。其中噪声及干扰，失调及漂移（含温漂）是最主要的，需要特别注意。为什么说测控电路是测控系统中最灵活的环节，它体现在哪些方面？为了适应在各种情况下测量及控制的需要，要求测控系统具有选取所需的信号、灵活地进行各种变换和对信号进行各种处理及运算的能力，这些工作通常由测控电路完成。它包括：（1） 模数转换及数模转换；（2） 直流及交流、电压及电流信号之间的转换。幅值、相位、频率及脉宽信号等之间的转换；（3） 量程的变换；（4） 选取所需的信号的能力，信号及噪声的分离，不同频率信号的分离等；（5） 对信号进行处理及运算，如求平均值、差值、峰值、绝对值，求导数、积分等、非线性环节的线性化处理、逻辑判断等。第二章 信号放大电路何谓测量放大电路？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：输入阻抗应及传感器输出阻抗相匹配；一定的放大倍数和稳定的增益；低噪声；低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移；足够的带宽和转换速率（无畸变的放大瞬态信号）；高输入共模范围（如达几百伏）和高共模抑制比；可调的闭环增益；线性好、精度高；成本低。什么是差动放大器？差动放大器:是把二个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反相二个输入端，然后在输出端取出二个信号的差模成分，而尽量抑制二个信号的共模成分。CD4066uoui+5VVV+R2R1LF347图X2-1什么是CAZ运算放大器？它及自动调零放大电路的主要区别是什么？何种场合下采用较为合适？CAZ运算放大器是轮换自动校零集成运算放大器的简称，它通过模拟开关的切换，使内部两个性能一致的运算放大器交替地工作在信号放大和自动校零两种不同的状态。它及自动调零放大电路的主要区别是由于两个放大器轮换工作，因此始终保持有一个运算放大器对输入信号进行放大并输出，输出稳定无波动，性能优于由通用集成运算放大器组成的自动调零放大电路，但是电路成本较高，且对共模电压无抑制作用。应用于传感器输出信号极为微弱，输出要求稳定、漂移极低，对共模电压抑制要求不高的场合。何谓自举电路？应用于何种场合？请举一例说明之。 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108以上）的测量放大电路中。图2-7所示电路就是它的例子。 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。图2-13b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。由图题设可得u01 =ui1 (1+R2 /R1) = 2ui1 , u0=ui2 (1+R4 /R3 )2ui1 R4/R3 =2ui22 ui1=2(ui2-ui1)，所以其闭环电压放大倍数Kf=2。图示电路是什么电路？试述其工作原理。为使其具有所需性能，对电阻值有什么要求？是同相输入高共模抑制比差动放大电路。由电路可得所以 因输入共模电压uic=(ui1 +ui2 ) / 2， 输入差模电压uid = ui2ui1 ，可将上式改写为为了获得零共模增益，上式等号右边第一项必须为零，可取此时，电路的差动闭环增益为 这种电路采用了二个同相输入的运算放大器，因而具有极高的输入阻抗。 图2-14所示电路，N1、N2、N3工作在理想状态，R1=R2=100kW，R 0=10kW，R3=R4=20kW，R5=R6=60kW，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？； uo =(uO2uO1)R5 /R3由图题设可得uo = (uo2uo1) R5 / R3 =3(uo2uo1 ), uo1 = ui1 (1 + R1 /Rp)ui2 R1/Rp=11ui1, uo2= ui2(1+R2/Rp)ui1 R2/Rp=10ui1, 即uo=3（10ui111ui1）=63ui1，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ui2=0，ui1的共模电压无法及ui2的共模电压相抵消。何谓电桥放大电路？应用于何种场合？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。试推导图2-16b所示电路uo的计算公式，并根据所推导的公式说明其特点。 由图2-16b所示电路可得电桥输出电压u+（即运算放大器N的同相端输入电压）为：u+= uR/(2R+R)-uR/(2R)=uR/(4R+2R), 电路输出电压uo=(1+R2/R1)u+, 所以uo=(1+R2/R1)uR/(4R+2R), 将传感器电阻的相对变化率=R/R代入，则得uo=(1+R2/R1)u/ (4+2)可见，同相输入电桥放大电路，其输出uo的计算公式及式（2-22）相同，只是输出符号相反。其增益及桥臂电阻无关，增益比较稳定，但电桥电源一定要浮置，且输出电压uo及桥臂电阻的相对变化率是非线性关系，只有当<< 1时，uo及才近似按线性变化。线性电桥放大电路中（见图2-18），若u采用直流，其值10V，R1R3= R120，R0.24时，试求输出电压o 。如果要使失调电压和失调电流各自引起的输出小于1mV，那么输入失调电压和输入失调电流应为多少？由图2-14电路的公式（式2-24）：并将题设代入，可得Uo=UR/(2R)=10mV。设输入失调电压为u0s和输入失调电流为I0s，当输出失调电压小于1mV时，输入失调电压u0s(1×103)/ (1+R2/R1)=0.5mV；输入失调电流为I0s(1×103)/R1 (1+R2/R1)=4.17A。图X2-4什么是隔离放大电路？应用于何种场合？隔离放大电路的输入、输出和电源电路之间没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。隔离放大电路主要用于便携式测量仪器和某些测控系统（如生物医学人体测量、自动化试验设备、工业过程控制系统等）中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。第三章 信号调制解调电路什么是信号调制？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？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。为了便于区别信号及噪声，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。什么是调制信号？什么是载波信号？什么是已调信号？调制是给测量信号赋以一定特征，这个特征由作为载体的信号提供。常以一个高频正弦信号或脉冲信号作为载体，这个载体称为载波信号。用需要传输的信号去改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位。这个用来改变载波信号的某一参数的信号称调制信号。在测控系统中需传输的是测量信号，通常就用测量信号作调制信号。经过调制的载波信号叫已调信号。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。调幅就是用调制信号x去控制高频载波信号的幅值。常用的是线性调幅，即让调幅信号的幅值按调制信号x线性函数变化。调幅信号的一般表达式可写为： 式中 载波信号的角频率； 调幅信号中载波信号的幅度； m调制度。图X3-1绘出了这种调幅信号的波形。c)a)b)tuxOtOucusOt图X3-1 双边带调幅信号a) 调制信号 b) 载波信号 c) 双边带调幅信号什么是调频？请写出调频信号的数学表达式，并画出它的波形。调频就是用调制信号x去控制高频载波信号的频率。常用的是线性调频，即让调频信号的频率按调制信号x的线性函数变化。调频信号us的一般表达式可写为： 式中 载波信号的角频率； 调频信号中载波信号的幅度； m 调制度。 图X3-2绘出了这种调频信号的波形。图a为调制信号x的波形,它可以按任意规律变化; 图b为调频信号的波形,它的频率随x变化。若x=Xmcost，则调频信号的频率可在范围内变化。为了避免发生频率混叠现象，并便于解调，要求。xtOOtusa)b)图X3-2 调频信号的波形a) 调制信号 b) 调频信号什么是调相？请写出调相信号的数学表达式，并画出它的波形。调相就是用调制信号x去控制高频载波信号的相位。常用的是线性调相，即让调相信号的相位按调制信号x的线性函数变化。调相信号us的一般表达式可写为： 式中 载波信号的角频率； 调相信号中载波信号的幅度； m 调制度。图X3-3绘出了这种调相信号的波形。图a为调制信号x的波形，它可以按任意规律变化；图b为载波信号的波形，图c为调相信号的波形，调相信号及载波信号的相位差随x变化。当时，调相信号滞后于载波信号。时，则超前于载波信号。ttta)b)c)xucusooo图X3-3 调相信号的波形a) 调制信号 b) 载波信号 c) 调相信号什么是脉冲调宽？请写出脉冲调宽信号的数学表达式，并画出它的波形。脉冲调制是指用脉冲作为载波信号的调制方法。在脉冲调制中具有广泛应用的一种方式是脉冲调宽。脉冲调宽的数学表达式为： (3-23)式中b为常量，m为调制度。脉冲的宽度为调制信号x的线性函数。它的波形见图X3-4，图a为调制信号x的波形，图b为脉冲调宽信号的波形。图中T为脉冲周期，它等于载波频率的倒数。xBtta)b)xT图X3-4 脉冲调宽信号的波形a) 调制信号波形 b) 调宽信号波形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？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。为了便于区别信号及噪声，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。为什么在测控系统中常常在传感器中进行信号调制？为了提高测量信号抗干扰能力，常要求从信号一形成就已经是已调信号，因此常常在传感器中进行调制。在电路进行幅值、频率、相位、脉宽调制的基本原理是什么？ 在电路进行调制的基本原理是用测量信号ux去控制（改变）载波信号幅值、频率、相位或脉宽，就可以实现调制只要用乘法器将测量信号（调制信号）ux 及载波信号uc相乘，就可以实现调幅。用调制信号去控制产生载波信号的振荡器频率，就可以实现调频。用调制信号及锯齿波载波信号进行比较，当它们的值相等时电压比较器发生跳变，电压比较器的输出就是调相信号。利用调制信号去改变方波发生器的脉宽就可以实现脉宽调制。什么是双边带调幅？请写出其数学表达式，画出它的波形。可以假设调制信号x为角频率为的余弦信号x=Xmcost，当调制信号x不符合余弦规律时，可以将它分解为一些不同频率的余弦信号之和。在信号调制中必须要求载波信号的频率远高于调制信号的变化频率。由式（3-1）调幅信号可写为：它包含三个不同频率的信号: 角频率为的载波信号Umcosct和角频率分别为c±的上下边频信号。载波信号中不含调制信号，即不含被测量x的信息，因此可以取Um=0，即只保留两个边频信号。这种调制称为双边带调制，对于双边带调制tuxOtOucusOta) b)c) 双边带调制的调幅信号波形见图X3-9。图a为调制信号，图b为载波信号，图c为双边带调幅信号。图X3-9 双边带调幅信号a) 调制信号 b) 载波信号 c) 双边带调幅信号在测控系统中被测信号的变化频率为0100Hz，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？为了正确进行信号调制必须要求c>>，通常至少要求c>10。在这种情况下，解调时滤波器能较好地将调制信号及载波信号分开，检出调制信号。若被测信号的变化频率为0100Hz，应要求载波信号的频率c>1000 Hz。调幅信号放大器的通频带应为9001100 Hz。信号解调后，滤波器的通频带应>100 Hz，即让0100Hz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。什么是包络检波？试述包络检波的基本工作原理。从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波。幅值调制就是让已调信号的幅值随调制信号的值变化，因此调幅信号的包络线形状及调制信号一致。只要能检出调幅信号的包络线即能实现解调。这种方法称为包络检波。从图X3-10中可以看到，只要从图a所示的调幅信号中，截去它的下半部，即可获得图b所示半波检波后的信号 (经全波检波也可)，再经低通滤波，滤除高频信号，即可获得所需调制信号，实现解调。包络检波就是建立在整流的原理基础上的。usuo'OOtta)b)图X3-10 包络检波的工作原理a) 调幅信号 b) 半波检波后的信号为什么要采用精密检波电路？试述图3-11 b所示全波线性检波电路工作原理，电路中哪些电阻的阻值必须满足一定的匹配关系，并说明其阻值关系。二极管和晶体管V都有一定死区电压，即二极管的正向压降、晶体管的发射结电压超过一定值时才导通，它们的特性也是一根曲线。二极管和晶体管V的特性偏离理想特性会给检波带来误差。在一般通信中，只要这一误差不太大，不致于造成明显的信号失真。而在精密测量及控制中，则有较严格的要求。为了提高检波精度，常需采用精密检波电路，它又称为线性检波电路。图3-11b是一种由集成运算放大器构成的精密检波电路。在调幅波us为正的半周期，由于运算放大器N1的倒相作用，N1输出低电平，因此V1导通、V2截止，A点接近于虚地，ua0。在us的负半周，有ua输出。若集成运算放大器的输入阻抗远大于R2，则i- i1 。按图上所标注的极性，可写出下列方程组： 其中Kd为N1的开环放大倍数。解以上联立方程组得到通常，N1的开环放大倍数Kd很大，这时上式可简化为：或 二极管的死区和非线性不影响检波输出。 图3-11b中加入V1反馈回路一是为了防止在us的正半周期因V2截止而使运放处于开环状态而进入饱和，另一方面也使us在两个半周期负载基本对称。图中N2及R3、R4、C等构成低通滤波器。对于低频信号电容C接近开路，滤波器的增益为-R4/R3。对于载波频率信号电容C接近短路，它使高频信号受到抑制。因为电容C的左端接虚地，电容C上的充电电压不会影响二极管V2的通断，这种检波器属于平均值检波器。 为了构成全波精密检波电路需要将us通过及ua相加，图3-11b中N2组成相加放大器，为了实现全波精密检波必须要求。在不加电容器C时，N2的输出为：tuouausttoooa)c)b)图X3-11a为输入调幅信号us的波形，图b为N1输出的反相半波整流信号ua，图c为N2输出的全波整流信号uo。电容C起滤除载波频率信号的作用。图X3-11 线性全波整流信号的形成a) 输入信号 b) 半波整流信号波形 c) 全波整流输出