测控电路复习提纲.ppt

“测控电路”复习提纲,复习要求,结合课堂讲授、平时作业以及实验，系统地复习本学期所学内容,弄清楚每一个电路，不遗留问题。,2.考试中严格遵守考场纪律，认真答题，对推导和计算题要求写清楚每一个过程和步骤。,3.成绩评定：,学时：38/32/6；学分:2;实际课堂讲授32学时；成绩评定比例：期末考试（70%）+平时（30%）考勤10%；作业10%；实验10%；,“测控电路”复习提纲,第一章 绪论第二章 信号放大电路 第三章 信号调制解调电路第四章 信号分离电路第五章 信号运算电路第六章 信号转换电路,第一章 绪论,第一节 测控电路的功用第二节 对测控电路的主要要求第三节 测控电路的输入信号与输出信号第四节 测控电路的类型与组成第五节 测控电路的发展趋势,对测控电路的主要要求（精度高；高的输入阻抗和低的输出阻抗；响应速度快和动态失真小；转换灵活；可靠性与经济性）；影响测控电路精度的主要因素（噪声与干扰；失调与漂移，主要是温漂；线性度与保真度；输入与输出阻抗的影响）；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？（模数转换与数模转换；信号形式的转换；量程的变换；信号的选取；信号处理与运算等）；,本章基本概念,4.测控电路的输入信号与输出信号类型 模拟信号(非调制信号,已调制信号）；数字信号(增量码信号；绝对码信号；开关信号）,5.测控电路中的信号制,电模拟信号种类：直流电压(电流)，交流电压(电流)；国际统一信号：过程控制系统的模拟直流电流信号为420mA，模拟直流电压信号为15V；国内统一信号：420mA，15V；010mA，010V，05V。,信号制是在成套系列仪器仪表测控电路中，各个单元的输入、输出信号采用何种统一的联络信号问题。,信号的传输方式有三种：两线制、三线制和四线制,6.模拟式测量电路和数字式测量电路的基本组成,7.控制电路的基本组成（开环控制；闭环控制）,第一章 绪论,第二章 信号放大电路,要掌握的主要内容：运算放大器的误差及其补偿;典型测量放大电路:隔离放大电路.,反相放大电路交流放大电路同相放大电路差动放大电路高共模抑制比放大电路电桥放大电路高输入阻抗放大电路,第一节 运算放大器的误差及其补偿,一、运算放大器输入失调及其补偿,输入失调电压定义和表述；输入失调电流定义和表述；零点漂移定义；,输入失调电压和输入失调电流的调整（p.16-17:外部调 整法和内部调整法),三、运算放大器的振荡与相位补偿（p.18-20）：,二、转换速率和最大不失真频率,转换速率；最大不失真频率；,第二节 典型测量放大电路,1.何谓测量放大电路？对其基本要求是什么(p.21)？,一、基本概念,2.何谓差动放大电路(p.24)？,3.差模信号的定义；共模信号的定义；共模抑制比的定义。,4.什么是高共模抑制比放大电路？应用何种场合？5.何谓电桥放大电路？应用于何种场合？6.ICL7650斩波稳零集成运算放大器是如何提高其共模抑制比的？7.何谓高输入阻抗放大电路？应用于何种场合？8.何谓自举电路？应用于何种场合？,二、输入输出关系推导和分析,1.基本差动电路输入输出关系推导；2.双运放高共模抑制比放大电路（同相串联结构型）输入输出关 系推导；3.三运放高共模抑制比放大电路特点和输入输出关系推导；,4.差动输入电桥放大电路和线性电桥放大电路的特点和分析；5.自动稳零放大电路特点和工作原理分析；6.斩波稳零集成运算放大器电路特点及其工作原理分析。7.在实验一中，如图1所示，当电位器POT2的滑动触头滑至最上端 时，试推导差动放大器输出uo与电桥输出v1和v2之间的关系并回答 下列问题：(1)试分析该电路如何抑制共模电压；(2)试分别说明电位 器WD和POT2的作用；(3)该电路如何实现调零？,第二节 典型测量放大电路,图1 温度测量放大电路实验原理图,第二节 典型测量放大电路,三、计算和分析,如图2-13b所示同相串联结构电路（p.26)，N1、N2为理想运算放大器，R1=R2=R3=R4=R，试求其闭环电压放大倍数。图2-14所示三运放高共模抑制比放大电路(p.27)，N1、N2、N3工作在理想状态，R1=R2=100k，R0=10k，R3=R4=20k，R5=R6=60k，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？线性电桥放大电路中（见p.31,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？,第三节 隔离放大电路,三、互补式光电耦合隔离放大电路工作原理分析。,一、什么是隔离放大电路？应用于何种场合？,二、隔离放大电路的基本类型和基本组成。,变压器耦合；光电耦合,主要内容：调制解调的功用与类型调幅式测量电路传感器调制和电路调制；精密检波电路和相敏检波电路及应用调频式测量电路传感器调制和电路调制；鉴频电路（解调）脉冲调制式测量电路传感器调制和电路调制；脉冲调制信号的解调,第三章 信号调制解调电路,第一节 调制解调的功用与类型,1.什么是信号调制？2.什么是解调？3.在测控系统中为什么要采用信号调制？4.在测控系统中常用的调制方法5.什么是调制信号？什么是载波信号？什么是已调信号？,幅值调制（AM）,频率调制（FM),相位调制（PM),脉冲调宽(PWM),第二节 调幅式测量电路,一、基本概念,1.什么是调幅？写出调幅信号的数学表达式并解释各项参数的物 理意义；画出调制信号、载波和已调信号的波形。2.确保信号调制正常进行的条件是什么？3.信号调制的时域和频域描述分别是什么？4.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？5.为什么在测控系统中常常在传感器中进行信号调制？6.应变片接入交流电桥（p.57 图3-3）组成应变测量，它如何实现调制？7.什么是双边带调幅？试写出其数学表达式，并画出它的波形。8.试分析信号相加式调幅电路（p.59图3-7）的工作原理。9.什么是包络检波和精密检波方法？10.什么是相敏检波？在功能上和结构上具有什么特点？,第二节 调幅式测量电路,11.什么是相敏检波？为什么要采用相敏检波？12.相敏检波电路与包络检波电路在功能、性能与在电路构成上最 主要的区别是什么？13.从相敏检波器的工作机理说明为什么相敏检波器与调幅电路在 结构上有许多相似之处？它们又有哪些区别？14.什么是相敏检波电路的鉴相特性与选频特性？为什么对于相位 称为鉴相，而对于频率称为选频？15.举例说明相敏检波电路在测控系统中的应用。,二、输入输出关系推导和分析,第二节 调幅式测量电路,1.如图3-14（p.65)所示是高输入阻抗全波精密检波电路，试分别画 出等效电路图，并推导当输入us0和us0时输出uo的表达式，并说明该电路如何实现全波检波。2.相加式相敏检波电路的结构和工作原理。3.结合实验二的原理图，进一步理解相敏检波电路的选频和鉴相特 性并回答下列问题：从改变参考电压的极性观察到的输入、输 出波形的相位和幅值关系中，你能得出输入、输出关系的什么结 论？从相敏检波器端口(2)和(5)观察到的波形变化中分析相敏 检波器中整形电路的作用；从相敏检波器输入信号与参考信号（端口(6)相位关系中能得出相敏检波器的什么工作特性？4.调制信号、载波和调幅信号的时域波形和频域波形。,三、计算和分析 1.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？,第二节 调幅式测量电路,2.如图2所示为实验二开关式相敏检波电路，已知R1=Rf，C=0.1F，R=30K；频率为5KHz的音频（正弦）电压信号分别由信号输入端（1）和（2）输入，作为已调信号和参考信号，试计算RC环节的截止频率，并说明其作用；试推导开关式相敏检波电路的输入输出关系，说明其工作原理；试分别画出信号端（1）、（4）、（5）和（3）等各点的波形；如果参考信号与已调信号反相，试画出信号输出端（3）的波形。,第二节 调幅式测量电路,图2 开关式相敏检波电路,解：根据已知条件，高通RC环节的低频截止频率如下计算，其主要作用是隔直。,根据电路结构和已知条件，首先考虑输入信号（已调信号）和参考信号同相的情形。当输入信号为正半周时，比较器U3A输出为负，二极管导通，结型场效应管V截止，输入信号同时从反相端和同相端进入运放U4A，此时运放U4A构成一个双端输入放大器，有:,，,对理想运放，放大器输出Uwi与输入us之间的关系为,第二节 调幅式测量电路,；,而当输入信号为负半周时，比较器U3A输出为正，二极管截止，结型场效应管V导通，运放U4A同相端通过场效应管V的导通电阻（很小）接地，此时运放U4A构成一个反相放大器，因此,所以，无论输入信号为正半周或负半周，开关式相敏检波电路输出,参考信号与已调信号同相，信号端（1）、（4）、（5）、（6）和（3）等各点的波形如左下图所示；,。综上所述，开关式相敏检波电路实现了全波检波。,所以，,第二节 调幅式测量电路,参考信号与已调信号反相，信号端（1）、（4）、（5）、（6）和（3）等各点的波形如右下图所示。,第三节 调频式测量电路,什么是调频？写出调频信号的数学表达式并解释各项 参数的物理意义；画出调制信号、载波和已调信号的波形。2.通过改变多谐振荡器的C或R实现调频的电路(p.81图3-32)结构和原理。3.窄脉冲鉴频的基本原理和相应波形。4.斜率鉴频电路的基本结构、基本原理和相应波形。5.试述p.83图3-35所示双失谐回路鉴频电路的工作原理，工作点应怎么选取？,一、基本概念,第四节 脉冲调宽式测量电路,一、基本概念,什么是脉冲调宽？写出脉冲调宽信号的数学表达式并解释各项参数的物理意义；画出调制信号、载波和已调信号的波形。2.比较p.81图3-32和p.93图3-52电路结构,说明电路功能有何不同？用电阻变化实现脉宽调制的电路中(p.93图3-52），为什么输出信号的频率不随被测量值变化？3.用电压变化实现脉宽调制的电路中，放大器同相端电压u+变化将会对脉冲调宽产生什么影响？,二、输入输出关系推导和分析,用电阻变化实现脉宽调制的电路中(p.93图3-52），试推导占空比与差动电阻之间的关系。2.根据p.94图3-54的应用电路，试分析脉宽调制式电容测量电路的工作原理，并指出影响脉宽的主要因素。,第四章 信号分离电路,主要内容：第一节 滤波器基本知识滤波器的功用和类型模拟滤波器的传递函数与频率特性(传递函数、频率特性、特性指标及二阶滤波器）第二节 RC有源滤波电路一阶RC低通滤波电路一阶RC有源滤波电路压控电压源型滤波电路无限增益多路反馈型滤波电路有源滤波器设计第三节 集成有源滤波器开关电容滤波原理集成有源滤波芯片介绍,简述滤波器功能、分类及主要特性参数(包括特征频率，增益与衰耗，阻尼系数与品质因数，灵敏度，群时延函数，波纹幅度d和带宽B等)；试画出各种滤波器频率特性的通带、过渡带与阻带，并指出各自的-3dB点，该点所对应的是什么频率？对二阶滤波器的标准传递函数而言，不同功能的滤波器（低通、高通、带通和带阻）主要取决于标准传递函数的什么参数？不同逼近滤波器的特性主要取决于标准传递函数的什么参数？如图4-3(p.102)所示为二阶低通滤波器的频率特性，试分析当，和 时，二阶低通滤波器的特征。5.什么是三种不同逼近滤波器的主要特点？,第一节 滤波器基本知识,一、基本概念,二、推导和证明,第一节 滤波器基本知识,证明二阶电路传递函数分母系数均为正时电路是稳定的(提示：极点位置均位于平面左半部分)；如果带通滤波器可等效成低通与高通滤波电路的级联，那么带阻滤波器呢？试证明之。,三、计算和分析,1.具有图4-8(p.108)所示特性的通带波动为0.5dB的五阶切比雪 夫低通滤波器可由一个一阶基本节与两个二阶基本节等效级联成。试求两个二阶基本节的品质因数，并确定通带内增益相对直流增益的最大偏离为百分之几。,二、有源滤波器设计步骤,第二节 RC有源滤波电路,1.压控电压源型RC有源滤波器的结构和特点。无限增益多路反馈型RC有源滤波器的结构和特点。为什么压控电压源电路构成的二阶滤波器增益过大很容易导致自激震荡？为什么无限增益多路反馈型电路构成的二阶滤波器电路总是稳定的？,一、基本概念,传递函数的确定；电路结构选择；有源器件的选择；有源元件参数计算。,三、计算和分析,第二节 RC有源滤波电路,1.一电路结构如图所示。试确定当电阻 断开与接入时电路功能分别是什么？并计算相应的电路参数、与。,其中：,当电阻R0断开时，前级电路与图4-17c（p.113）完全一样，是一个无限增益多路反馈型二阶带通滤波器，后级是一个增益为 的反相放大器，这时电路功能为带通滤波器。,第二节 RC有源滤波电路,令R0断路，N1输出,，故,令R1断路，N1输出,由于R0=R1,所以，,，,第二节 RC有源滤波电路,当电阻R0接入时，可得到电路的传递函数：,在选定参数情况下，此电路仍为带通滤波器，电路参数：,不变;,减小5%时,与 变为多少？,求电路品质因数 与通带中心频率。,当外界条件使电容C2增大或减小1%时，,变为多少？当电阻 增大或减小1%，或当电阻,2.要求按照图4-14 a）与图4-17 a）设计两个二阶巴特沃斯低通 滤波器，其中无限增益多路反馈型 电路按课本p.118表4-2与表4-3设计，压控电压源电路则要求C1 参考表4-2选择，并要求。,第二节 RC有源滤波电路,3.一个二阶带通滤波器电路如图4-14c所示，其中：,与,主要内容：第一节 加法、减法运算电路 一、加法运算电路 二、减法运算电路（一）利用加法运算电路实现减法运算（二）用单一运算放大器实现减法运算第二节 对数、指数和乘、除运算电路 一、对数运算电路（一）采用二极管的对数运算电路（二）利用三极管的数运算电路 二、指数运算电路第三节 微分积分运算电路 一、积分运算电路（一）无源积分运算电路（二）有源积分运算电路（三）增量积分电路（四）实用积分电路,二、微分运算电路（一）基本微分电路（二）实际微分电路三、PID运算电路（一）什么是PID运算？（二）调节规律的一般表示方式（三）串联PID电路的组成（四）并联PID电路的组成,第五章 信号运算电路,第一节 加法、减法运算电路,加、减法运算电路的构成和输入输出关系的推导；,第二节 对数、指数运算电路,第五章 信号运算电路,1.怎样利用PN结伏安特性实现对数运算和指数运算？2.为什么利用二极管或三极管PN结伏安特性实现对数运算和 指数运算，其运算精度易受温度的影响？3.为了提高运算精度，如何进行温度补偿？4.试分析具有温度补偿的对数运算和指数运算电路的工作原 理和特点。,第三节 积分微分运算电路,1.基本积分电路的微分方程、积分器的阶跃相应曲线；2.什么是积分器的积分时间常数？积分时间常数和积分强弱 的对应关系是什么？3.积分器的重要特征是什么？4.理想积分器和实际积分器的区别是什么？5.基本微分电路的微分方程、微分器的阶跃相应和斜坡相应曲线；6.什么是微分器的微分时间常数？微分时间常数和微分强弱 的对应关系是什么？7.微分器的重要特征是什么？8.理想微分器和实际微分器的区别是什么？,一、积分和微分运算电路的基本概念,第三节 积分微分运算电路,二、PID运算电路,什么是PID调节器特性或调节规律？2.什么是PID调节器的功用？PID运算电路的构成和传递函数；什么是串联结构中的互相干扰系数F？什么是串联结构和并联结构的特点？实际PI调节器的积分时间常数如何通过对阶跃相应的测量获得？实际PD调节器的微分时间常数如何通过对阶跃相应的测量获得？实际PID运算电路的阶跃响应如何？,三、推导、分析和计算,练习：P.144和145：5-1，5-2，5-3，5-4,三、推导、分析和计算,第五章 信号运算电路,5-2.试设计一个能实现加减混合运算的电路。,该加减混合运算电路如图所示。,u01,对运放N1，,N1,N2,对理想运放，,所以，,第五章 信号运算电路,对运放N2，,对理想运放，,所以，,5-3.由理想运算放大器构成的反相求和电路如图所示。(1)推导其输出与输入的函数关系u0=f（u1，u2，u3，u4);(2)如果有R2=2R1,R3=4R1,R4=8R1,R1=10K,Rf=20K,输入u1 u4范围为04V，试确定输出的变化范围。,第五章 信号运算电路,三、推导、分析和计算,解：（1）对运放N，,对理想运放，,所以，代入电路参数，有,（2）当输入信号u1 u4变化范围为04V时，输出变化范围：0-15V。,对运放节点V-，,第五章 信号运算电路,三、推导、分析和计算,5-4.由理想运算放大器构成如图所示电路。其中有R2=R1=100K,C1=10F,C2=5F。输入信号如图所示，试分别画出u01和u0的波形。,解：微分时间常数TD=R1C1=105*10*10-6 所以，TD=1s，微分器输出幅值u01：,积分时间常数TI=R2C2=105*5*10-6 所以，TI=0.5s，积分器输出幅值u0：,第五章 信号运算电路,图5-9 指数运算电路,指数运算。将对数运算电路中的电阻和三极管互换，便可得到指数运算电路，如图5-9所示。,输出电压:,为使晶体管导通，UI 应大于零，且只能在发射结导通电压范围内，故其变化范围很小。由于运算结果与受温度影响较大的 有关，因而指数运算的精度也与温度有关。,UT:热电压，UT=kT/q；,Is:PN结的反向饱和电流；,第六章 信号转换电路,本章主要内容：6.1 模拟开关6.1.1 模拟开关的分类6.1.2 模拟开关的性能参数6.1.5 多路模拟开关6.2 采样保持电路6.2.1 基本原理6.2.2 主要参数6.2.3 采样保持电路的作用6.2.4 单片集成采样保持器6.3 电压比较器6.3.1 基本原理6.3.2 电平比较电路6.3.3 滞回比较电路6.3.4 窗口比较电路,6.4 电压频率转换电路6.4.1 V/f转换器（一）通用运放V/f转换电路 1.积分复原式V/f转换电路 2.电荷平衡式V/f转换电路（二）集成V/f转换电路6.4.2 f/V转换电路6.5 电压电流转换电路6.5.1 电流电压转换电路6.5.2 电压电流转换电路,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。,答：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。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。,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。,V/I（电压/电流）转换器的作用是将电压转换为电流信号。,模/数转换器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）。,第六章 信号转换电路,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。,第六章 信号转换电路,6-3 一电荷平衡式V/f转换电路如图所示。已经知道ui0，Isi。（1）试分析推导电荷平衡式V/f转换电路输出频率f与输入电压ui的关系；（2）转换电路输出f与ui的关系是否线性？（3）试分析哪些因素将影响输出频率？（4）试画出uc和uo的波形图，并在图中分别标出充放电时间。,解：（1）已知ui0，Isi，在每一个充放电周期，由电流i产生的充电电荷与（Is-i）产生的放电电荷应该平衡相等，在充电时间t1内的电荷量为it1：Q1=it1 在放电时间t0内的电荷量为：Q0=（Is-i）t0,根据电荷平衡原理，Q0=Q1，得：,输出脉冲频率为：,第六章 信号转换电路,（2）如果能够保证恒流源输出电流Is、单稳定时器输出及输入电阻R的精度和稳定性，转换电路输出f与ui的关系是线性关系的。（3）恒流源输出电流Is、单稳定时器输出及输入电阻R的精度和稳定性将影响输出频率。（4）电容两端的压降uc和电荷平衡式V/f转换电路输出uo的波形如右图所示，电容充放电时间已分别在图中标出。,充电时间,放电时间,取R1=250，当i=4mA时，ui=1V；u0=0V；当i=20mA时，ui=5V；u0=10V；,第六章 信号转换电路,6-4 如果要将420mA的输入直流电流转换为010V的输出直流电压，试设计其转换电路。解：设计的转换电路如图所示。其输入输出关系有：,根据输入输出关系，有下列式子成立:,因此要求R3/R2=3/2，Ub=5/3(V)，取R2=10k，R3=15k，R4=R2/R3=6k。,第六章 信号转换电路,图6-14 窗口比较电路,a)电路原理,上限比较器,与非门,下限比较器,窗口比较电路分析：,下限比较器N2反相输入端的基准电压为：,基准电压电路,上限比较器N1同相输入端的基准电压为：,当uI UR2，,当UR2uI UR1，,当uI UR1，,b)传输特性,给出输入信号，根据窗口比较电路的传输特性确定输出信号波形。,第六章 信号转换电路,b)传输特性,给出输入信号，根据窗口比较电路的传输特性确定输出信号波形。,第六章 信号转换电路,4-20mA/0-5V I/V转换电路,uN=uP=iSR,I/V转换电路分析：,if,i1,i5,取，,调RP使Uf=7.53V，则 uo=312.5426iS-1.250 05V,当i=4mA时，u0=0V；当i=20mA时，u0=5V；,Thanks for listeningQuestion,please,