測控電路第二篇答案

1、第二章 信號放大電路2-1 何謂測量放大電路？對其基本要求是什么？ 在測量控制系統(tǒng)中，用來放大傳感器輸出的微弱電壓，電流或電荷信號的放大電路稱為測量放大電路，亦稱儀用放大電路。對其基本要求是：輸入阻抗應與傳感器輸出阻抗相匹配；一定的放大倍數(shù)和穩(wěn)定的增益；低噪聲；低的輸入失調電壓和輸入失調電流以及低的漂移；足夠的帶寬和轉換速率（無畸變的放大瞬態(tài)信號）；高輸入共模范圍（如達幾百伏）和高共模抑制比；可調的閉環(huán)增益；線性好、精度高；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、低頻兩個通道，即R3、C3組成的高頻通道和調制、解調、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

2、放大電路能在較寬的頻率范圍內工作，而采用低頻通道則能對微弱的直流或緩慢變化的信號進行低漂移和高精度的放大。2-3 請參照圖2-3，根據(jù)手冊中LF347和CD4066的連接圖（即引腳圖），將集成運算放大器LF347和集成模擬開關CD4066接成自動調零放大電路。LF347和CD4066接成的自動調零放大電路如圖X2-1。CD4066uoui+5VVV+R2R1LF347圖X2-12-4 什么是CAZ運算放大器？它與自動調零放大電路的主要區(qū)別是什么？何種場合下采用較為合適？CAZ運算放大器是輪換自動校零集成運算放大器的簡稱，它通過模擬開關的切換，使內部兩個性能一致的運算放大器交替地工作在信號放大和

3、自動校零兩種不同的狀態(tài)。它與自動調零放大電路的主要區(qū)別是由于兩個放大器輪換工作，因此始終保持有一個運算放大器對輸入信號進行放大并輸出，輸出穩(wěn)定無波動，性能優(yōu)于由通用集成運算放大器組成的自動調零放大電路，但是電路成本較高，且對共模電壓無抑制作用。應用于傳感器輸出信號極為微弱，輸出要求穩(wěn)定、漂移極低，對共模電壓抑制要求不高的場合。2-5 請說明ICL7650斬波穩(wěn)零集成運算放大器是如何提高其共模抑制比的？ICL7650的輸出（見式26），其共模信號誤差項Kc1Uc相當于輸入端的共模誤差電壓Uc，即式中K1、Kc1分別為運算放大器N1的開環(huán)放大倍數(shù)和開環(huán)共模放大倍數(shù)；K1為運算放大器N1由側向端A1

4、輸入時的放大倍數(shù)；K2為運算放大器N2的開環(huán)放大倍數(shù)。設計中可使K1K1， K2>>1，所以，因此整個集成運算放大器的共模抑制比CMRR比運算放大器N1的共模抑制比CMRR1（一般可達80dB）提高了K2倍。2-6 何謂自舉電路？應用于何種場合？請舉一例說明之。 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108以上）的測量放大電路中。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？應用何種場合？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

5、高共模抑制比放大電路。應用于要求共模抑制比大于100dB的場合，例如人體心電測量。2-8 圖2-8b所示電路，N1、N2為理想運算放大器，R4=R2=R1=R3=R，試求其閉環(huán)電壓放大倍數(shù)。由圖2-8b和題設可得u01 =ui1 (1+R2 /R1) = 2ui1 , u0=ui2 (1+R4 /R3 )2ui1 R4/R3 =2ui22 ui1=2(ui2-ui1)，所以其閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Kf=2。2-9 圖2-9所示電路，N1、N2、N3工作在理想狀態(tài)，R1=R2=100kW，RP=10kW，R3=R4=20kW，R5=R6=60kW，如N2同相輸入端接地，試求電路的差模增益？電路的共模抑

6、制能力是否降低？為什么？由圖2-9和題設可得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，電路的差模增益為63。電路的共模抑制能力將降低，因N2同相輸入端接地，即ui2=0，ui1的共模電壓無法與ui2的共模電壓相抵消。2-10 什么是有源屏蔽驅動電路？應用于何種場合？請舉例說明之。 將差動式傳感器的兩個輸出經(jīng)兩個運算放大器構成的同相比例差動放大后，使其輸入端的共模電壓11

7、地輸出，并通過輸出端各自電阻（阻值相等）加到傳感器的兩個電纜屏蔽層上，即兩個輸入電纜的屏蔽層由共模輸入電壓驅動，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動電路。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控系統(tǒng)中。2-11 何謂電橋放大電路？應用于何種場合？由傳感器電橋和運算放大器組成的放大電路或由傳感器和運算放大器構成的電橋都稱為電橋放大電路。應用于電參量式傳感器，如電感式、電阻應變式、電容式傳感器等，經(jīng)常通過電橋轉換電路輸出電壓或電流信號，并用運算放大器作進一步放大，

8、或由傳感器和運算放大器直接構成電橋放大電路，輸出放大了的電壓信號。2-12 試推導圖2-12b所示電路uo的計算公式，并根據(jù)所推導的公式說明其特點。 由圖2-12b所示電路可得電橋輸出電壓u+（即運算放大器N的同相端輸入電壓）為：u+= uR/(2R+R)-uR/(2R)=uR/(4R+2R), 電路輸出電壓uo=(1+R2/R1)u+, 所以uo=(1+R2/R1)uR/(4R+2R), 將傳感器電阻的相對變化率=R/R代入，則得uo=(1+R2/R1)u/ (4+2)可見，同相輸入電橋放大電路，其輸出uo的計算公式與式（2-22）相同，只是輸出符號相反。其增益與橋臂電阻無關，增益比較穩(wěn)定，

9、但電橋電源一定要浮置，且輸出電壓uo與橋臂電阻的相對變化率是非線性關系，只有當<< 1時，uo與才近似按線性變化。2-13 線性電橋放大電路中（見圖2-14），若u采用直流，其值10V，R1R3= R120，R0.24時，試求輸出電壓o 。如果要使失調電壓和失調電流各自引起的輸出小于1mV，那么輸入失調電壓和輸入失調電流應為多少？由圖2-14電路的公式（式2-24）：并將題設代入，可得Uo=UR/(2R)=10mV。設輸入失調電壓為u0s和輸入失調電流為I0s，當輸出失調電壓小于1mV時，輸入失調電壓u0s(1×103)/ (1+R2/R1)=0.5mV；輸入失調電流為I

10、0s(1×103)/R1 (1+R2/R1)=4.17A。2-14 什么是可編程增益放大電路？請舉例說明之。放大電路的增益通過數(shù)字邏輯電路由確定的程序來控制，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，簡稱PGA。例如圖X2-2，程序為A=0(開關A斷開) 、B=0(開關B斷開)時，放大電路的電壓放大倍數(shù)為-R/R1；當程序為A=1(開關A閉合) 、B=0(開關B斷開)時，放大倍數(shù)為- R2R/R1（R2+R）；當程序為A=0(開關A斷開)、B=1(開關B閉合)，放大倍數(shù)為 R3R/R1（R3+R）；當程序為A=1、B=1(開關A、B均閉合)，放大倍數(shù)為R2R3R/R1（R

11、2 R3+R3 R +R R2）。因此可編程增益放大電路的增益是通過數(shù)字邏輯電路由確定的程序來控制。+NRUoUiBAR1R2R3圖X2-22-15 請根據(jù)圖2-22b，畫出可獲得1、10、100十進制增益的電路原理圖。 由圖X2-3可得：當開關A閉合時，Uo=Ui；當開關B閉合時，Uo=10Ui，當開關C閉合時，Uo=100Ui。CR+NUoBAUi9R90R圖X2-32-16 根據(jù)圖2-22c和式（2-32），若采用6個電阻，請畫出電路原理圖，并計算電阻網(wǎng)絡各電阻的阻值。 N=6 : R6 =R1 +R2 + R3 +R4 +R5 , R6 +R5 =2（R1 +R2 + R3 +R4）

12、R6 +R5 +R4=3（R1 +R2 + R3）, R6 +R5 +R4+ R3=4（R1 +R2）, R6 +R5 +R4+ R3+R2=5R1,Uo+N5路摸擬開關RR/5R3RUi3R/10R/2取R1=R，則R6=3R，R5=R，R4=R/2，R3=3R/10，R2=R/5，R1=R。見圖X2-4。圖X2-42-17 什么是隔離放大電路？應用于何種場合？隔離放大電路的輸入、輸出和電源電路之間沒有直接的電路耦合，即信號在傳輸過程中沒有公共的接地端。隔離放大電路主要用于便攜式測量儀器和某些測控系統(tǒng)（如生物醫(yī)學人體測量、自動化試驗設備、工業(yè)過程控制系統(tǒng)等）中，能在噪聲環(huán)境下以高阻抗、高共模

13、抑制能力傳送信號。2-18 試分析圖2-31b電路中的限幅電路是如何工作的？并寫出o的計算公式。當輸入過載時，即輸入正向（或反向）電壓突然很大時，低漂移斬波穩(wěn)零運算放大器235L輸出飽和電平，限幅電路的正向（或反向）二極管導通，使放大器的增益減小，輸出從飽和狀態(tài)迅速恢復。運算放大器235L 的輸出為U1=（R3+R4）R2Ui/（R4R1）=1000Ui, AD277隔離放大器的電壓放大倍數(shù)約為196.078，所以o=196.078（R3+R4）RUi/（R4 R1）=196078 Ui。雄：U1=（R3+R2+ R3 R2/ R4）Ui/R1，196.078何處來2-19 請推導圖2-34c

14、電路的最大輸出幅值，最大輸出功率以及最大效率。由圖可知，電路的交流負載線與直流負載線重合，取其中點為工作點，因此電路的最大不失真輸出幅值近似為Ec/2, 最大輸出功率Pom= Ec2/(8RL), 最大效率=Pom/ Ec2/（2RL）=1/4=25% 。2-20 簡述乙類互補對稱功率放大電路的輸出波形出現(xiàn)交越失真的原因，并用波形圖說明甲乙類互補對稱功率放大電路是如何消除上述交越失真的。 乙類互補對稱功率放大電路在靜態(tài)時兩功率三極管的發(fā)射結均處于零偏狀態(tài)，工作點很低，三極管輸入特性又是非線性的，因此當輸入信號比較小時，在過零點附近將有一段交越失真。甲乙類互補對稱功率放大電路，能保證輸入信號為零

15、時兩功率三極管有一定的靜態(tài)電流，且靜態(tài)電流相等，如圖X2-5，當信號輸入時，輸出為兩功率三極管電流的疊加，無交越失真。IcIcUbE2ic1UbE1ic2QQtOioX 2-52-21 試述在功率放大電路中采用復合晶體管的原因。并畫出PNP、NPN各兩種復合晶體管圖。在互補電路中，若要求其輸出功率較大時，輸出功率管要采用中功率管或大功率管。但是，要使兩個互補功率管性能一致，這對大功率管來說，很難選配。若采用復合晶體管，其導電特性取決于第一只晶體管，且總的電流放大倍數(shù)等于兩個晶體管各自的電流放大倍數(shù)的乘積，因此，能在一個信號作用下使同極性的兩輸出晶體管能交替導通，也可采用較易選配的小功率晶體管作為互補輸出晶體管，而利用復合晶體管來得到較大的輸出功率。PNP復合晶體管NPN復合晶體管ebcebcebcebc圖X2-62-22試求圖2-36b所示OCL電路，靜態(tài)時流過負載RL