测控电路06信号转换电路
测控电路习题详解
测控电路习题详解第一章绪论 (2)第二章信号放大电路 (7)第四章信号分离电路 (14)第五章信号运算电路 (25)第六章信号转换电路 (29)第七章信号细分与辨向电路 (34)第一章绪论1-1为什么说在现代生产中提高产品质量与生产效率都离不开测量与控制技术？为了获得高质量的产品，必须要求机器按照给定的规程运行。
例如，为了加工出所需尺寸、形状的高精度零件，机床的刀架与主轴必须精确地按所要求的轨迹作相对运动。
为了炼出所需规格的钢材，除了严格按配方配料外，还必须严格控制炉温、送风、冶炼时间等运行规程。
为了做到这些，必须对机器的运行状态进行精确检测，当发现它偏离规定要求，或有偏离规定要求的倾向时，控制它，使它按规定的要求运行。
为了保证产品质量，除了对生产过程的检测与控制外，还必须对产品进行检测。
这一方面是为了把好产品质量关，另一方面也是为了检测机器与生产过程的模型是否准确，是否在按正确的模型对机器与生产过程进行控制，进一步完善对生产过程的控制。
生产效率一方面与机器的运行速度有关，另一方面取决于机器或生产系统的自动化程度。
为了使机器能在高速下可靠运行，必须要求机器本身的质量高，其控制系统性能优异。
要做到这两点，还是离不开测量与控制。
产品的质量离不开测量与控制，生产自动化同样一点也离不开测量与控制。
特别是当今时代的自动化已不是本世纪初主要靠凸轮、机械机构实现的刚性自动化，而是以电子、计算机技术为核心的柔性自动化、自适应控制与智能化。
越是柔性的系统就越需要检测。
没有检测，机器和生产系统就不可能按正确的规程自动运行。
自适应控制就是要使机器和系统能自动地去适应变化了的内外部环境与条件，按最佳的方案运行，这里首先需要的是对外部环境条件的检测，检测是控制的基础。
智能化是能在复杂的、变化的环境条件下自行决策的自动化，决策的基础是对内部因素和外部环境条件的掌握，它同样离不开检测。
1-2试从你熟悉的几个例子说明测量与控制技术在生产、生活与各种工作中的广泛应用。
测控电路第六章信号转换电路
a)
b)
图 6-9 电压比较器及其特性
一般运放工作在开环状态下，就是电压比较器。
比较器用通用运算放大器和专用集成比较器的区别？ （1）比较器的一个重要指标是它的响应时间，它一般低于10-20ns。响应时间与放 大器的上升速率和增益-带宽积有关。因此，必须选用这两项指标都高的运算放大 器作比较器，并在应用中减小甚至不用相位补偿电容，以便充分利用通用运算放大 器本身的带宽来提高响应速度。 （2）当在比较器后面连接数字电路时，专用集成比较器无需添加任何元器件，就 可以直接连接，但对通用运算放大器而言，必须对输出电压采取嵌位措施，使它的 高，彽输出电位满足数字电路逻辑电平的要求。
滞后电平：
ΔU
=U2
−U1
=
R2 R1 + R2
(U oH
− U oL )
可见，滞后电压可用R1或R2来调节，合理选择其大小， 使之稍大于预计的干扰信号，就可消除上述“振铃”现象。
计量测试工程学院 朱维斌
6.4 电压频率转换电路
V/f 转换器 定义：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，即它的输出信号频率与输入信号电压值 成比例，故又称为电压控制(压控)振荡器(VCO)。
干簧继电器
开关元件
机械触点式 水银继电器
模拟开关 电子式
机械振子式继电器
二极管 双极型晶体管 场效应管（JFET、MOSFET） 集成模拟开关
控制电路
主要是MOSFET构成的模拟开关
计量测试工程学院 朱维斌
（一）增强型MOSFET构成的模拟开关
1、N沟道增强型MOSFET开关电路
工作条件 uGS － uT>0，uT为开启电压。
应用：在调频，锁相和A/D变换等许多技术领域得到非 常广泛的应用。
《测控电路》PPT课件
7
-E2
S1
S2
S3
S4
S5
输出/输入
S6
S7
S8
图 6-7 CD4051 原理图
CD4051多路模拟开关
元件性能的影响和要求
存储电容
选用介质吸附效应小和泄漏电阻大的电容器，如聚苯乙烯，钽电容和聚碳酸脂 电容器等。
原因：
当电路从采样转到保持，介质的吸附效应会使电容器上的电压下降，被保 持的电压低于采样转保持瞬间的输入电压，峰值检波器复位时，电容放电， 介质吸附效应会使放电后的电容电压回升，引起小信号峰值的检波误差。
➢ 为了使所采集的信号能够正确反映输入模拟信号，除保证采 样/保持器精度要求外，还必须符合采样定理。
➢ 采样过程：当模拟信号ui=f(t)通过一个受采样脉冲信号 fs(t)控制的开关电路时，开关输出端的信号是时间离散信 号。不难看出，采样脉冲的重复周期Ts愈小，采样时间间隔 愈短，获得的离散信号亦愈多。
（3）高速S/H电路
用开环式采样/保持电路方案，选用高速元件，并通过扩增驱动电流来减小存储 电容的充电时间。
Uc
VD1
VD2 V2
V1
∞
-
ui
+
+ N1
R1
R2
V
∞
-
uo
+
+ N2
C
（3）高速S/H电路
在采样期间，Uc为正，V与V2导通，V1截止。
V1的导通将使V和C置于N1的闭环回路中，C上的电压将等于 输入电压而不受V的导通电阻的影响，另外，由于N1反相端 的偏置电流和V1的漏电流都很小，
由此可见，这个电路的速度提高是靠牺牲精度换来的。
《测控电路》课后答案+复习重点归纳+3套考题
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(第7版)课件：信号转换电路
指标：额定工作频率和动态范围，灵敏度或变换系数，非线性误差，灵敏度 误差和温度系数等
信号转换电路
32
7.4.1 V/f 转换电路
积分复原型
复原开关
V
R3
R1 ui
积分器
R2
C
∞ -
+ + N1
uC
R4
∞
-
uP
+ + N2
7.1 模拟开关
模拟开关是在电路中用于实现模拟信号通与断的电子开关器件，它的作用类 似于机械式转换开关，信号电流从输入端流到输出端，其信号传送方向可以 是双向的.
模拟开关通常有三个端子：控制端C、信号输入端I及输出端O。I/O可以互 换的为“双向开关”。
常用的模拟开关元件包括二极管开关、双极型晶体管开关、结型场效应晶体 管（JFET）开关、MOS型场效应晶体管（MOSFET）开关等
在导通状态下，该电路的传递函数为：
开关的极点影响电路的带宽，为了使带宽最大化，开关应具有低输入电容、
低输出电容和低导通电阻。在关断状态下CDS会把输入信号耦合至输出端， 导致开关隔离性能劣化，关断隔离度随输入频率增大而下降。就此误差源而
言，解决方法是选择CDS尽量小的开关。
CDS
S
D
uo
ui
Ron
CD
ui
+
uo
UR
-
阈值电压： UT =UR
即ui
UT
U
时，输出电压翻转
R
uo
ui U R ui U R
uP uN ui U R 0 uP uN ui U R 0
《测控电路》复习题
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？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?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？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？什么是差动放大器？何谓自举电路？应用于何种场合？请举一例说明之。
什么是高共模抑制比放大电路？应用何种场合？图2-13b所示电路，N、Na为理想运算放大器, 试求其闭环电压放大倍数。
图2-14所示电路，N、N2、Z工作在理想状态，R=R2=1OOk0，R o=1Ok0，F3=RF20kO ，图2-13b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? F5=F6=60k」Nz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？试求增益可调式差动比例放大电路的电压放大倍数何谓电桥放大电路？应用于何种场合?试推导图2-16b所示电路u o的计算公式，并根据所推导的公式说明其特点。
图示电路是什么电路？图中R I=R2 >>R，试述其工作原理，写出其输出表达式（8分）线性电桥放大电路中（见图2-18 ）,若u采用直流，其值U = 10V, R= R= R= 120 Q ,请根据图2-29b ，画出可获得1、10、100十进制增益的电路原理图。
由图X2-3可得：当开关 A 闭合时，U 0=U i ;当开关B 闭合时，U =10U ，当开关C 闭合时,U =100U 。
根据图2-29c 和其增益表达式，若采用 6个电阻，请画出电路原理图，并计算电阻网络各电阻的阻值。
+R+ R 3+R>=5R ,什么是隔离放大电路？应用于何种场合?试分析图2-33b 电路中的限幅电路是如何工作的？并写出U o 的计算公式。
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？什么是调制信号？什么是载波信号？什么是已调信号？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。
测试信号转换处理电路
2.2.6 可变增益放大器
2.2.6 可变增益放大器
2.2.6 可变增益放大器
2.2.7 隔离放大电路
什么是隔离放大电路？
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。
应用于何种场合？
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。
过载保护 使用运放时要注意，不能超过其性能参数的极限值，如最大输入电压范围等。特别是在有强干扰源的场合更要注意。
2.2.2 同相放大器 闭环增益：
集成运算放大器可以作为一个器件构成各种基本功能的电路。这些基本电路又可以作为单元电路组成电子应用电路。
01
同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。
7
信号放大 概述 什么是测量放大电路？ 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。 工程测试中所遇到的信号，多为100kHz以下的低频信号，在大多数的情况下，都可以用放大器集成芯片来设计放大电路。
输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；
01
2.2.3 反相放大器 闭环增益： 反馈电阻R2值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。R1的取值应远大于信号源U / R1 R3= R2 C1：隔直电容 C3：旁路电容，防止振荡
基本差动（差分）放大器
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。
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对采样保持电路的 主要要求：
精度和速度，充 电快、放电慢
导通电阻、截止电 阻、延迟时间
为提高实际电路的 精度和速度，需同
∞
-
+
ui
+ N1
∞
-
S
+
+
C UC
时从元件和电路两 方面着手解决。
uo
带宽，上升速 率、最大输出 电流和漂移
漏电流
输入阻抗、上升速 率、漂移
22
6.4 采样保持电路
17
6.3 电压频率转换电路
6.3.1 f/V转换电路
集成f/V转换器
无信号输入： U1＝0， U2＝0
保持Q=0，S1接地， V2导通
ui前沿负脉冲： U1＝1， U2＝0
置位Q=1，S1接通， CL充电，V2截 止， Ct充电, u5=uCt≥U-=2U /3, U2＝ 1 , u6>U7, U1=0, Q=0
测量与控制电路
6 2021/3/8 6
6.1 电压比较电路
6.1.2 滞回比较电路
R ui
R2 UR
-1
#
Uo
+1
VS2
R1
VS3
电压比较器是一种带正反馈的运算放大器，以提高转 换速率，消除振铃现象，可以通过钳位以获得所需电 平开关信号
7
6.1 电压比较电路
6.1.3 窗口比较电路
R1 VS UR1
ui
+E
u N2
R1 R1 R3
io RL
ui Ub
R1
uN
-
∞
+ uP + N R2
R6 R5
V1
R4
V2
uP1
R2 R2 R4
io (RL
R7 )
R4R7+RL
R3
R7
uP2
R2 R2 R4
Ub
R1=R2，R3=R4
RL
io
io
R4 R2 R7
ui
Ub
11
6.2 电压电流转换电路
6.2.2 电压/电流转换电路
将P沟道与N沟道MOSFET并联
Ron Ron(P)
Ron(N)
ui
+E
uo
-E
uGN a）CMOS开关
Ron(C) O
b）Ron- ui特性
ui
29
6.4 采样保持电路
6.4.2 模拟开关
巡回采样：8路输入、1路输出 1路输入、8路输出
（三）模拟多路开关电路
输入/输出
+E
7 6 54 3 2 10
测控电路
张国雄
天津大学精密仪器与光电子工程学院 精密测试技术及仪器国家重点实验室
电子邮件：gxzhang@
测量与控制电路
1 2021/3/8
6. 信号转换电路
灵：可以根据信号处理、使用、控制的要 求转换成所需形式：电压、电流；幅值、 频率；连续信号的离散化；模拟、数字、 开关信号等形式。
测量与控制电路
5 2021/3/8 5
6.1 电压比较电路
6.1.2 滞回比较电路
R ui
R2 UR
-1
#
+1
Uo
R1
Uo
O
U1 U2 ui
a) 电路原理图
b) 传输特性
不同方向变化不同阈值
U1
UR
R1 R1 R2
U oL
R2 R1 R2
U2
UR
R1 R1 R2
U oH
R2 R1 R2
23
6.4 采样保持电路
6.4.2 模拟开关 模拟开关
模拟开关是一种在数字信号控制下将模拟信 号接通或断开的元件或电路。该开关由开关元 件和控制（驱动）电路两部分组成。
开关元件
控制电路
24
6.4 采样保持电路
6.4.2 模拟开关
模拟开关的分类 机械触点式：干簧继电器，水银继电器
及机械振子继电器等。 动作时间长、体积大、耗蚀 电子式开关：双极性晶体管、场效应晶 体管、光耦合器件及集成模拟开关等。 应用广泛
ui
U2
uo
T2 T1
f0
1 T
1 R1C (U 1
U2 ) ui
测量与控制电路
15 2021/3/8 15
6.3 电压频率转换电路 uC
6.3.1 V/f 转换电路
O
t
(二）电荷平衡型
uo
C
O
t0
t1
t
i
ui
R
∞ -
uC
+
+ N1
∞ -
+
+ N2
单稳 定时器
Q1 it1
uo
Q0 Is it0 Q1
+U
8
Rd
R1
3
S1
2
ui
Cd u6 U7
6 7
- 输入 + 比较器 U1
V1 Q
Is
RS
Rt
R2
R
U-
- 定时
S RS R触发器
S1
Q
1
uo
Ct u5
5
比较器 +
U2
V2
RL
CL
4
2R
测量与控制电路
18 2021/3/8 18
6.3 电压频率转换电路
6.3.1 f/V转换电路
每输入一个脉冲，is对CL充电一次 充电时间等于Ct电压uCt从零上升到 U- =2U/3所需时间
充电过程中的电容器吸附效应
S
i1
i2
i3
C0 快
R0
R1 C1
慢
S
i1Biblioteka i2i3C0
R1
R0
C1
a) 充电开始S闭合
b) 充电结束S断开后
介质内部 向C1放电
UC0 C1
U
C0
S
i1
i2
i3
C0
R1
R0
C1
c) 充电结束达到平衡 泄漏
33
6.4 采样保持电路
6.4.3 存储电容
放电过程中的电容器的吸附效应
S
IS
（1）线性好；（2）易于集成
UR
t1
Is i
1t 0
f 1 1 i ui t0 t1 Ist0 Ist0 R
测量与控制电路
16 2021/3/8 16
6.3 电压频率转换电路
6.3.2 f/V转换电路
许多频率解调电路都属于f/V 转换电路
单稳态
低通
ui
触发器 Uˊs 滤波器 uo
测量与控制电路
2 2021/3/8 2
6. 信号转换电路
电压比较电路：模拟-开关信号的转换 电压电流转换电路 电压频率转换电路 采样保持电路 模拟数字转换电路
3
6.1 电压比较电路
6.1.1 电平比较电路 一种将电压信号离散化电路
（一）差动比较电路
Uo
ui
-1
#
ui<UR
ui>UR
UR
+1
Uo
O UR
∞ -
S
+#
+ N1
10
9
8
∞
-
+ + N2
uo
1
2
ui
3
4
5
偏移调节
6
7
C
状态
模拟量输入
∩/# AD571
37
6.5 模拟数字转换电路
传感器输出的信号多为模拟信号，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等， 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。
ui
a）电压比较器符号
b）电压比较器特性
电压比较器是一种电压-开关信号转换器。
测量与控制电路
4 2021/3/8 4
6.1 电压比较电路
6.1.1 电平比较电路 （二）求和比较电路 （阈值可变）
UR
R1 R2
U
优点：阈值可变
缺点：振铃现象
ui
R1
∞ Σ-
U R2
+
Uo
+
R
un
UR ui Uo
电平比较器的“振铃”现象
集成f/V转换器 U U (1 e-t/T ) t1 RtCt ln 3 1.1RtCt
QS
Ist1
1.9
t1 Rs
QR
iLTi
uo RL
Ti
Q s
uo
1.9t1 Ti
RL Rs
2.09 RL Rs
RtCt fi
+U
8
Rd
R1
ui
Cd u6 U7
6 7
- 输入 + 比较器 U1
Rt
R2
6.3.1 V/f 转换电路
(一）积分复原型
复原开关
V
R3
R1 ui
积分器
R2
C
∞ -
+ + N1
uC
R4
∞
-
uP
+ + N2
R9
R8 uo
R5
R6
VS2
R7
VS3
-E
-U 比较器 VS1