测控电路 第三版 (张国雄 主编) 机械工业出版社 完整答案版习题参考

1第二章信号放大电路2-1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：①输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；②一定的放大倍数和稳定的增益；③低噪声；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（无畸变的放大瞬态信号）；⑥高输入共模范围（如达几百伏）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。2-2图2-2a所示斩波稳零放大电路中，为什么采用高、低频两个通道，即R3、C3组成的高频通道和调制、解调、交流放大器组成的低频通道？采用高频通道是为了使斩波稳零放大电路能在较宽的频率范围内工作，而采用低频通道则能对微弱的直流或缓慢变化的信号进行低漂移和高精度的放大。2-3请参照图2-3，根据手册中LF347和CD4066的连接图（即引脚图），将集成运算放大器LF347和集成模拟开关CD4066接成自动调零放大电路。LF347和CD4066接成的自动调零放大电路如图X2-1。2-4什么是CAZ运算放大器？它与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。它与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。CD4066uoui+5VV–V+R2R1LF347图X2-122-5请说明ICL7650斩波稳零集成运算放大器是如何提高其共模抑制比的？ICL7650的输出cc10s11i2'11o)(UKUKUKKKU+++=（见式2－6），其共模信号误差项Kc1Uc相当于输入端的共模误差电压Ucˊ，即CMRRUCMRRKUKKUKKKKUKU'c12c21c1c211c1cc==≈+=′式中K1、Kc1分别为运算放大器N1的开环放大倍数和开环共模放大倍数；K1＇为运算放大器N1由侧向端A1输入时的放大倍数；K2为运算放大器N2的开环放大倍数。设计中可使K1＇≈K1，K21，所以12CMRRKCMRR=，因此整个集成运算放大器的共模抑制比CMRR比运算放大器N1的共模抑制比CMRR1（一般可达80dB）提高了K2倍。2-6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108Ω以上）的测量放大电路中。图2-7所示电路就是它的例子。2-7什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。2-8图2-8b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2-8b和题设可得u01=ui1(1+R2/R1)=2ui1,u0=ui2(1+R4/R3)–2ui1R4/R3=2ui2–2ui1=2(ui2-ui1)，所以其闭环电压放大倍数Kf=2。2-9图2-9所示电路，N1、N2、N3工作在理想状态，R1=R2=100kΩ，RP=10kΩ，R3=R4=20kΩ，R5=R6=60kΩ，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？由图2-9和题设可得uo=(uo2–uo1)R5/R3=3(uo2–uo1),uo1=ui1(1+R1/Rp)–ui2R1/Rp=11ui1,uo2=ui2(1+R2/Rp)–ui1R2/Rp=–10ui1,即uo=3（–10ui1–11ui1）=–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的共模电压无法与ui2的共模电压相抵消。2-10什么是有源屏蔽驱动电路？应用于何种场合？请举例说明之。将差动式传感器的两个输出经两个运算放大器构成的同相比例差动放大后，使其输入端的共模电压1∶1地输出，并通过输出端各自电阻（阻值相等）加到传感器的两个电缆屏蔽层上，即两个输入电缆的屏蔽层由共模输入电压驱动，而不是接地，电缆输入芯线和屏蔽层之间的共模电压为零，这种电路就是有源屏蔽驱动电路。它消除了屏蔽电缆电容的影响，提3高了电路的共模抑制能力，因此经常使用于差动式传感器，如电容传感器、压阻传感器和电感传感器等组成的高精度测控系统中。2-11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。2-12试推导图2-12b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2-12b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+ΔR)-uR/(2R)=–uΔR/(4R+2ΔR),电路输出电压uo=(1+R2/R1)u+,所以uo=–(1+R2/R1)uΔR/(4R+2ΔR),将传感器电阻的相对变化率δ=ΔR/R代入，则得uo=–(1+R2/R1)uδ/(4+2δ)可见，同相输入电桥放大电路，其输出uo的计算公式与式（2-22）相同，只是输出符号相反。其增益与桥臂电阻无关，增益比较稳定，但电桥电源一定要浮置，且输出电压uo与桥臂电阻的相对变化率δ是非线性关系，只有当δ1时，uo与δ才近似按线性变化。2-13线性电桥放大电路中（见图2-14），若u采用直流，其值Ｕ＝10V，R1＝R3=R＝120Ω，ΔR＝0.24Ω时，试求输出电压Ｕo。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）：uRRRRuRRRRRRRu31231231312o))(1(+−=⎥⎦⎤⎢⎣⎡−++=并将题设代入，可得Uo=–UΔR/(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﹤(1×10–3)/(1+R2/R1)=0.5mV；输入失调电流为I0s﹤(1×10–3)/[R1(1+R2/R1)]=4.17μA。2-14什么是可编程增益放大电路？请举例说明之。放大电路的增益通过数字逻辑电路由确定的程序来控制，这种电路称为可编程增益放大电路，亦称程控增益放大电路，简称PGA。例如图X2-2，程序为A=0(开关A断开)、B=0(开关B断开)时，放大电路的电压放大倍数为-R/R1；当程序为A=1(开关A闭合)、B=0(开关B断开)时，放大倍数为-R2R/[R1（R2+R）]；当程序为A=0(开关A断开)、B=1(开关B闭合)，放大倍数为–R3R/[R1（R3+R）]；当程序为A=1、B=1(开关A、B均闭合)，放大倍数为–R2R3R/[R1（R2R3+R3R+RR2）]。因此可编程增益放大电路的增益是通过数字逻辑电路由确定的程序来控制。42-15请根据图2-22b，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，Uo=Ui；当开关B闭合时，Uo=10Ui，当开关C闭合时，Uo=100Ui。2-16根据图2-22c和式（2-32），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。N=6:R6=R1+R2+R3+R4+R5,R6+R5=2（R1+R2+R3+R4）R6+R5+R4=3（R1+R2+R3）,R6+R5+R4+R3=4（R1+R2）,R6+R5+R4+R3+R2=5R1,取R1=R，则R6=3R，R5=R，R4=R/2，R3=3R/10，R2=R/5，R1=R。见图X2-4。2-17什么是隔离放大电路？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。Uo∞－++N5路摸拟开关RR/5R3RUi3R/10R/2∞－++NRUoUiBAR1R2R3图X2-2CR∞－++NUoBAUi9R90R图X2-3图X2-452-18试分析图2-31b电路中的限幅电路是如何工作的？并写出Ｕo的计算公式。当输入过载时，即输入正向（或反向）电压突然很大时，低漂移斩波稳零运算放大器235L输出饱和电平，限幅电路的正向（或反向）二极管导通，使放大器的增益减小，输出从饱和状态迅速恢复。运算放大器235L的输出为U1=（R3+R4）R2Ui/（R4R1）=1000Ui,AD277隔离放大器的电压放大倍数约为196.078，所以Ｕo=196.078（R3+R4）RUi/（R4R1）=196078Ui。[雄：U1=（R3+R2+R3R2/R4）Ui/R1，196.078何处来]2-19请推导图2-34c电路的最大输出幅值，最大输出功率以及最大效率。由图可知，电路的交流负载线与直流负载线重合，取其中点为工作点，因此电路的最大不失真输出幅值近似为Ec/2,最大输出功率Pom=Ec2/(8RL),最大效率η=Pom/[Ec2/（2RL）]=1/4=25%。2-20简述乙类互补对称功率放大电路的输出波形出现交越失真的原因，并用波形图说明甲乙类互补对称功率放大电路是如何消除上述交越失真的。乙类互补对称功率放大电路在静态时两功率三极管的发射结均处于零偏状态，工作点很低，三极管输入特性又是非线性的，因此当输入信号比较小时，在过零点附近将有一段交越失真。甲乙类互补对称功率放大电路，能保证输入信号为零时两功率三极管有一定的静态电流，且静态电流相等，如图X2-5，当信号输入时，输出为两功率三极管电流的叠加，无交越失真。2-21试述在功率放大电路中采用复合晶体管的原因。并画出PNP、NPN各两种复合晶体管图。在互补电路中，若要求其输出功率较大时，输出功率管要采用中功率管或大功率管。但是，要使两个互补功率管性能一致，这对大功率管来说，很难选配。若采用复合晶体管，其导电特性取决于第一只晶体管，且总的电流放大倍数等于两个晶体管各自的电流放大倍数的乘积，因此，能在一个信号作用下使同极性的两输出晶体管能交替导通，也可采用较易选配的小功率晶体管作为互补输出晶体管，而利用复合晶体管来得到较大的输出功率。IcIcUbE2ic1UbE1ic2QQtOioX2-562-22试求图2-36b所示OCL电路，静态时流过负载RL的电流？若输出波形有交越失真，应调整哪个电阻可加以消除？若Rc1，R1或R2中有一个元件开路，将产生什么后果？图示电路，静态时两功率三极管因发射结有偏置电压，所以有静态电流流过，但由于两功率三极管的特性一致，静态电流相等，因此静态时流过负载RL的电流为零。若输出波形有交越失真，应调整R2电阻可加以消除。若Rc1电阻开路，那么电路在小信号输入时其输出波形将有交越失真；若R1或R2中有一个电阻开路，那么电路将不构成互补对称功率放大电路，电路无法正常工作。PNP复合晶体管NPN复合晶体管ebcebcebcebc图X2-6