测控电路习题集.docx
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测控电路习题集
试题三
一、图1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?
(16分)
二、图2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?
(17分)
三、图3是什么电路?
试述其工作原理。
(16分)
四、图4是什么电路?
试述其工作原理。
为使其具有所需性能,对电阻、电容值有什么要求?
写出其传递函数、品质因数、固有频率、通带增益。
(16分)
五、图5是什么电路?
试述其工作原理,写出其特性参数,说明其调整步骤。
(17分)
六、图6是什么电路?
试述其工作原理。
(16分)
试题三答案
一、图1是同相输入高共模抑制比差动放大电路。
由电路可得
,
所以
因输入共模电压uic=(ui1+ui2)/2,输入差模电压uid=ui2-ui1,可将上式改写为
为了获得零共模增益,上式等号右边第一项必须为零,可取
此时,电路的差动闭环增益为
这种电路采用了二个同相输入的运算放大器,因而具有极高的输入阻抗。
二、图2是一种由集成运算放大器构成的全波精密检波电路。
在调幅波us为正的半周期,由于运算放大器N1的倒相作用,N1输出低电平,因此VD1导通、VD2截止,A点接近于虚地,uA≈0。
在us的负半周,有uA输出。
若集成运算放大器的输入阻抗远大于R2,则i≈-i1。
按图上所标注的极性,可写出下列方程组:
其中Kd为N1的开环放大倍数。
解以上联立方程组得到
通常,N1的开环放大倍数Kd很大,这时上式可简化为:
或
二极管的死区和非线性不影响检波输出。
图中加入VD1反馈回路一是为了防止在us的正半周期因VD2截止而使运放处于开环状态而进入饱和,另一方面也使us在两个半周期负载基本对称。
图中N2与R3、R4、C等构成低通滤波器。
对于低频信号电容C接近开路,滤波器的增益为-R4/R3。
对于载波频率信号电容C接近短路,它使高频信号受到抑制。
因为电容C的左端接虚地,电容C上的充电电压不会影响二极管VD2的通断,这种检波器属于平均值检波器。
为了构成全波精密检波电路需要将us通过
与uA相加,图2中N2组成相加放大器,取
。
在不加电容器C时,N2的输出为:
三、图3是脉宽调制电路。
靠稳压管VS将输出电压uo稳定在
。
若输出电压为
,则它通过VD2和RP1+RP3向电容C充电,当电容C上的充电电压
时[其中
],N的状态翻转,使
。
通过VD1和RP1+RP2对电容C反向充电,当电容C上的充电电压
时,N再次翻转,使
。
这样就构成一个在
间来回振荡的多谐振荡器。
由于在两个半周期通过不同的电阻通道向电容充电,那么两半周期充电时间常数不同,从而输出信号的占空比也随两支充电回路的阻值而变化。
图3中RP2、RP3为差动电阻传感器的两臂,RP2+RP3为一常量,输出信号的频率不随被测量值变化,而它的占空比随RP2、RP3的值变化,即输出信号的脉宽受被测信号调制。
四、图4是一种基于
双T网络的二阶带阻滤波电路,为使其传递函数为
双T网络必须具有平衡式结构,
,或
=
//
,
=
//
。
一般实用时,电容取值为
,在上述条件下,滤波器参数为
五、图5是参数独立可调PID调节器电路,所有的参数都可以独立地调整。
由于R1很小,可忽略不计,它的复放大倍数为
调节数据为
电路的调整和校准如下。
首先,闭合开关S,使积分电容CI充分放电;调整
,使微分器无输出,此时电路相当于纯比例调节器。
然后在输入端加入方波信号,调节RP,使AP从零逐渐增大,直到产生如下图上方曲线所示的有轻度衰减的振荡,这相当于无微分环节时,相位裕度
。
再通过逐步增加RD来降低微分临界频率fD,使其从无穷大下降,直到出现下图中下部曲线。
最后,调节偏差W-X的过渡状态,这时断开开关S,调节RI使积分临界频率fI增加,直到过渡状态持续时间最小。
六、图6是高速采样/保持电路。
在采样期间,Uc为正,V与V2导通,V1截止。
V2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,V2导通电阻的压降极小,其影响可以略去不计,所以C上的电压仍能非常精确地等于N1反相端的电压。
由于N2未在反馈回路中,虽然N2使电路工作速度得以提高,但它的漂移和共模误差在采样期间得不到校正,使采样误差增大。
在保持期,V、V2截止。
除了V外,V2也将产生漏电流。
所以保持精度较差。
电路的速度提高是靠牺牲精度换来的。
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。
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。
计算机的发展首先取决于大规模集成电路制作的进步。
在一块芯片上能集成多少个元件取决于光刻工艺能制作出多精细的图案,而这依赖于光刻的精确重复定位,依赖于定位系统的精密测量与控制。
航天发射与飞行,都需要靠精密测量与控制保证它们轨道的准确性。
一部现代的汽车往往装有几十个不同传感器,对点火时间、燃油喷射、空气燃料比、防滑、防碰撞等进行控制。
微波炉、照相机、复印机等中也都装有不同数量的传感器,通过测量与控制使其能圆满地完成规定的功能。
1-3测控电路在整个测控系统中起着什么样的作用?
传感器的输出信号一般很微弱,还可能伴随着各种噪声,需要用测控电路将它放大,剔除噪声、选取有用信号,按照测量与控制功能的要求,进行所需演算、处理与变换,输出能控制执行机构动作的信号。
在整个测控系统中,电路是最灵活的部分,它具有便于放大、便于转换、便于传输、便于适应各种使用要求的特点。
测控电路在整个测控系统中起着十分关键的作用,测控系统、乃至整个机器和生产系统的性能在很大程度是取决于测控电路。
1-4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?
影响测控电路精度的主要因素有:
(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。
其中噪声与干扰,失调与漂移(含温漂)是最主要的,需要特别注意。
1-5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?
为了适应在各种情况下测量与控制的需要,要求测控系统具有选取所需的信号、灵活地进行各种变换和对信号进行各种处理与运算的能力,这些工作通常由测控电路完成。
它包括:
(1)模数转换与数模转换;
(2)直流与交流、电压与电流信号之间的转换。
幅值、相位、频率与脉宽信号等之间的转换;
(3)量程的变换;
(4)选取所需的信号的能力,信号与噪声的分离,不同频率信号的分离等;
(5)对信号进行处理与运算,如求平均值、差值、峰值、绝对值,求导数、积分等、非线性环节的线性化处理、逻辑判断等。
1-6测量电路的输入信号类型对其电路组成有何影响?
试述模拟式测量电路与增量码数字式测量电路的基本组成及各组成部分的作用。
随着传感器类型的不同,输入信号的类型也随之而异。
主要可分为模拟式信号与数字式信号。
随着输入信号的不同,测量电路的组成也不同。
图X1-1是模拟式测量电路的基本组成。
传感器包括它的基本转换电路,如电桥,传感器的输出已是电量(电压或电流)。
根据被测量的不同,可进行相应的量程切换。
传感器的输出一般较小,常需要放大。
图中所示各个组成部分不一定都需要。
例如,对于输出非调制信号的传感器,就无需用振荡器向它供电,也不用解调器。
在采用信号调制的场合,信号调制与解调用同一振荡器输出的信号作载波信号或参考信号。
利用信号分离电路(常为滤波器),将信号与噪声分离,将不同成分的信号分离,取出所需信号。
有的被测参数比较复杂,或者为了控制目的,还需要进行运算。
对于典型的模拟式电路,无需模数转换电路和计算机,而直接通过显示执行机构输出,因此图中将模数转换电路和计算机画在虚线框内。
越来越多的模拟信号测量电路输出数字信号,这时需要模数转换电路。
在需要较复杂的数字和逻辑运算、或较大量的信息存储情况下,采用计算机。
增量码数字式测量电路的基本组成见图X1-2。
一般来说增量码传感器输出的周期信号也是比较微小的,需要首先将信号放大。
传感器输出信号一个周期所对应的被测量值往往不够小,为了提高分辨力,需要进行内插细分。
可以对交变信号直接处理进行细分,也可能需先将它整形成为方波后再进行细分。
在有的情况下,增量码一个周期所对应的量不是一个便于读出的量(例如,在激光干涉仪中反射镜移动半个波长信号变化一个周期),需要对脉冲当量进行变换。
被测量增大或减小,增量码都作周期变化,需要采用适当的方法辨别被测量变化的方向,辨向电路按辨向结果控制计数器作加法或减法计数。
在有的情况下辨向电路还同时控制细分与脉冲当量变换电路作加或减运行。
采样指令到来时,将计数器所计的数送入锁存器,显示执行机构显示该状态下被测量量值,或按测量值执行相应动作。
在需要较复杂的数字和逻辑运算、或较大量的信息存储情况下,采用计算机。
1-7为什么要采用闭环控制系统?
试述闭环控制系统的基本组成及各组成部分的作用。
在开环系统中传递函数的任何变化将引起输出的变化。
其次,不可避免地会有扰动因素作用在被控对象上,引起输出的变化。
利用传感器对扰动进行测量,通过测量电路在设定上引入一定修正,可在一定程度上减小扰动的影响,但是这种控制方式同样不能达到很高的精度。
一是对扰动的测量误差影响控制精度。
二是扰动模型的不精确性影响控制精度。
比较好的方法是采用闭环控制。
闭环控制系统的的基本组成见图X1-3。
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值相比较,当发现它们之间有差异时,进行调节。
这里系统和扰动的传递函数对输出基本没有影响,影响系统控制精度的主要是传感器和比较电路的精度。
在图X1-3中,传感器反馈信号与设定信号之差不直接送到放大电路,而先经过一个校正电路。
这主要考虑从发现输出量变化到执行控制需要一段时间,为了提高响应速度常引入微分环节。
另外,当输出量在扰动影响下作周期变化时,由于控制作用的滞后,可能产生振荡。
为了防止振荡,需要引入适当的积分环节。
在实际电路中,往往比较电路的输出先经放大再送入校正电路,然后再次放大。
图X1-3为原理性构成。
图X1-3闭环控制系统的基本组成
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