測(cè)控電路第二篇答案

1、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(chēng)為測(cè)量放大電路，亦稱(chēng)儀用放大電路。對(duì)其基本要求是：輸入阻抗應(yīng)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(diào)電壓和輸入失調(diào)電流以及低的漂移；足夠的帶寬和轉(zhuǎn)換速率（無(wú)畸變的放大瞬態(tài)信號(hào)）；高輸入共模范圍（如達(dá)幾百伏）和高共模抑制比；可調(diào)的閉環(huán)增益；線(xiàn)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(gè)通道，即R3、C3組成的高頻通道和調(diào)制、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

2、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X2-1。CD4066uoui+5VVV+R2R1LF347圖X2-12-4 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(chēng)，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

3、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（見(jiàn)式26），其共模信號(hào)誤差項(xiàng)Kc1Uc相當(dāng)于輸入端的共模誤差電壓Uc，即式中K1、Kc1分別為運(yùn)算放大器N1的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)和開(kāi)環(huán)共模放大倍數(shù)；K1為運(yùn)算放大器N1由側(cè)向端A1

4、輸入時(shí)的放大倍數(shù)；K2為運(yùn)算放大器N2的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)。設(shè)計(jì)中可使K1K1， K2>>1，所以，因此整個(gè)集成運(yùn)算放大器的共模抑制比CMRR比運(yùn)算放大器N1的共模抑制比CMRR1（一般可達(dá)80dB）提高了K2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)108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(chēng)為

5、高共模抑制比放大電路。應(yīng)用于要求共模抑制比大于100dB的場(chǎng)合，例如人體心電測(cè)量。2-8 圖2-8b所示電路，N1、N2為理想運(yùn)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(shè)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(shè)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(wú)法與ui2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11

7、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(xiàn)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(chēng)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，

8、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uo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u+（即運(yùn)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u(píng)o=(1+R2/R1)uR/(4R+2R), 將傳感器電阻的相對(duì)變化率=R/R代入，則得uo=(1+R2/R1)u/ (4+2)可見(jiàn)，同相輸入電橋放大電路，其輸出uo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，

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(duì)變化率是非線(xiàn)性關(guān)系，只有當(dāng)<< 1時(shí)，uo與才近似按線(xiàn)性變化。2-13 線(xiàn)性電橋放大電路中（見(jiàn)圖2-14），若u采用直流，其值10V，R1R3= R120，R0.24時(shí)，試求輸出電壓o 。如果要使失調(diào)電壓和失調(diào)電流各自引起的輸出小于1mV，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電路的公式（式2-24）：并將題設(shè)代入，可得Uo=UR/(2R)=10mV。設(shè)輸入失調(diào)電壓為u0s和輸入失調(diào)電流為I0s，當(dāng)輸出失調(diào)電壓小于1mV時(shí)，輸入失調(diào)電壓u0s(1×103)/ (1+R2/R1)=0.5mV；輸入失調(diào)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(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(chēng)為可編程增益放大電路，亦稱(chēng)程控增益放大電路，簡(jiǎn)稱(chēng)PGA。例如圖X2-2，程序?yàn)锳=0(開(kāi)關(guān)A斷開(kāi)) 、B=0(開(kāi)關(guān)B斷開(kāi))時(shí)，放大電路的電壓放大倍數(shù)為-R/R1；當(dāng)程序?yàn)锳=1(開(kāi)關(guān)A閉合) 、B=0(開(kāi)關(guān)B斷開(kāi))時(shí)，放大倍數(shù)為- R2R/R1（R2+R）；當(dāng)程序?yàn)锳=0(開(kāi)關(guān)A斷開(kāi))、B=1(開(kāi)關(guān)B閉合)，放大倍數(shù)為 R3R/R1（R3+R）；當(dāng)程序?yàn)锳=1、B=1(開(kāi)關(guān)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(guò)數(shù)字邏輯電路由確定的程序來(lái)控制。+NRUoUiBAR1R2R3圖X2-22-15 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)A閉合時(shí)，Uo=Ui；當(dāng)開(kāi)關(guān)B閉合時(shí)，Uo=10Ui，當(dāng)開(kāi)關(guān)C閉合時(shí)，Uo=100Ui。CR+NUoBAUi9R90R圖X2-32-16 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。 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(kāi)關(guān)RR/5R3RUi3R/10R/2取R1=R，則R6=3R，R5=R，R4=R/2，R3=3R/10，R2=R/5，R1=R。見(jiàn)圖X2-4。圖X2-42-17 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、輸出和電源電路之間沒(méi)有直接的電路耦合，即信號(hào)在傳輸過(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

13、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o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(lái)2-19 請(qǐng)推導(dǎo)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(fù)載線(xiàn)與直流負(fù)載線(xiàn)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Ec/2, 最大輸出功率Pom= Ec2/(8RL), 最大效率=Pom/ Ec2/（2RL）=1/4=25% 。2-20 簡(jiǎn)述乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)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(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路是如何消除上述交越失真的。 乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)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(xiàn)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(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路，能保證輸入信號(hào)為零

15、時(shí)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(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。IcIcUbE2ic1UbE1ic2QQtOioX 2-52-21 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ebcebcebcebc圖X2-62-22試求圖2-36b所示OCL電路，靜態(tài)時(shí)流過(guò)負(fù)載RL