测控电路总复习2009-12

1、 测控电路总复习提纲第1章 绪论1测控电路的功用测控系统由那几部分组成？测控电路在整个测控系统中的作用？2测控电路的要求：精、快、灵、可靠l 精度高l 动态性能好（响应快、动态失真小,良好频率特性）l 识别和分辨能力高(转换灵活)l 可靠性l 经济性好如何保证测量电路精度高?l 低噪声与高抗干扰 (短时稳定性) 方法：（1）低噪声器件、合理安排电路合理布线与接地 适当隔离与屏蔽等。特别传感器与第一级电路连线要短。 （2）对信号进行调制，合理安排通频带 （3）采用高共模抑制比电路l 低漂移、高稳定性 (长期稳定性) （1）放大器失调电压与失调电流 （2）晶体管、二极管漏电流等 （3）元器件老化、

2、插接件氧化等方法：选温漂小的元器件、减少关键部分的温度变化。l 线性与保真度好衡量仪器或控制系统精度的重要指标。 信号频带内有良好频率特性l 合适的输入输出阻抗 影响精度最基本的因素？u 噪声与干扰u 失调与漂移(主要是温漂)3测控电路类型与组成一、测量电路的基本组成1.模拟式测量电路2.数字式测量电路二、控制电路的基本组成1.开环控制2.闭环控制第2章 信号放大电路2.1 测量放大电路基本概念 用来将传感器输出的微弱电压、电流或电荷信号放大的电路，亦称仪用放大电路。 测量放大电路结构形式：由传感器的类型决定。 电阻应变式-电桥放大电路； 光电池、光敏电阻-微电流放大电路 测量放大电路频带宽度

3、：由被测参数的频率范围和载波频率决定（直流1011Hz）1. 基本要求测量放大电路输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；稳定放大倍数；低噪声；低输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移；足够的带宽和转换速率； 高共模输入范围和高共模抑制比；可调的闭环增益；线性好、精度高；成本低。结论：测量放大电路是一种综合指标很好的高性能放大电路。2.基本类型1）按结构原理l 差动直接耦合式（单端输入运放 电桥放大电路电荷放大电路）l 调制式l 自动稳定式2）按元件制造方式l 分立结构l 通用集成运放l 单片集成测量放大器1. 输入失调电压：实际放前置级的差动放大器不一定完全对称，必须在输入端加上某一直流电压后才能

4、使输出为零-u0s随时间和温度变化-零点漂移 结论：失调电压的调整很重要 2. 输入失调电流：输入端直流偏置电流引起的I0s。测量达电路主要误差来源：噪声、干扰和漂移。2.2 典型测量放大器的设计一、反相放大器二、同相放大器三、交流放大器四、差动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。有利于抑制共模干扰和减少温度漂移。五、高共模抑制比放大电路什么是高共模抑制比放大电路？ 应用于何种场合？ 用来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

5、要求共模抑制比大于100dB的场合，例如人体心电测量。 （一）双运放高共模抑制比放大电路1、反相串联结构型2、同相串联结构型（二）三运放高共模抑制比放大电路（三）有源屏蔽驱动电路什么是有源屏蔽驱动电路？ 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11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。应用于何种场合? 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。（ 三运放

6、结构集成：AD612AD614LH0036、AD521、AD522等） 六、低漂移放大电路1.斩波稳零放大电路 (又叫调制式放大电路) 2.自动调零放大电路3.低漂移单片集成放大电路 解决的失调（电压漂移）和低频干扰引起的零点漂移。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1） 轮换自动校零集成运算放大器（CAZ运算放大器） 什么是CAZ运算放大器？ 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。 2） 斩波稳零集成运算放大器（ICL7650)ICL7650优点： 高增益、高输入电

7、阻（1011）、高共模抑制比 失调小、漂移低等应用：常常用在热电偶、电阻应变电桥、电荷传感器等测量微弱信号的前置放大器中。 一种近似理想的直流集成运算放大器。七、电桥放大电路何谓电桥放大电路？ 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。应用于何种场合？ 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（一）单端输入电桥放大电路（二）差动输入电桥放大电路（三）线性电桥放大电路八、高输入阻抗放大电路1 问题的提出： 电容式传感

8、器、压电式传感器等具有很高输出阻抗（可达108以上），要求测量放大电路须有很高的输入阻抗匹配。2 解决方法：通用集成运算放大器组成自举电路高输入阻抗集成运算放大器3 应用场合: 常应用于传感器的输出阻抗很高的测量放大电路中。如电容式、压电式传感器等电荷式传感器的测量放大电路。4 何谓自举电路?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。5 自举式高输入阻抗放大电路：1）同相交流放大电路2）交流电压跟随电路3）自举组合电路九、电荷放大电路一种输出电压与输入电荷成比例关系的测量放大电路。用于放大来自压电器件的电荷信号的放大电路。比如：压电传感器或电容式传

9、感器等。十、增益调整放大电路既能方便调整放大电路的增益，又不降低放大电路共模抑制比的专门电路。10.1 手动增益调整放大电路10.2 自动增益调整放大电路10.3 可编程增益调整放大电路2.3 隔离放大电路1 什么是隔离放大电路？ 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，一种特殊的测量电路。 隔离包括：   （1）. 电源隔离     （2）. 地网络隔离    （3 ）信号线隔离主要的隔离方式？ § 电磁耦合（变压器） ：用以实现载波

10、调制。 线性度好，隔离性能好，共模抑制比高，技术成熟。 缺点：带宽较窄（1kHz),体积大，工艺复杂，应用不便。§ 光电耦合：结构简单，成本低，重量轻，线性度好，有一定转换速率，带宽较宽，与TTL电路兼容。2、组成及符号3、原理框图4 光电耦合隔离放大电路（1）AD277变压器耦合隔离放大器（2）互补式光电耦合放大电路2.3 噪声基本知识1 什么是噪声？ 噪声(音)是指从设备内和设备外发出的一种不和谐的声音，它与该设备必须的操作信号混合在一起，是一种有害的成分，所以称之为噪声(音)。 n 干扰有用信号的某种不希望的扰动。n 在运放的输出端包含有与输入信号无关的随机信号，而且它不能从已

11、知的闭环传输函数中精确预测，这些不需要的信号即是噪声。n 干扰和噪声无本质区别。外部来的扰动称为干扰；内部产生的称为噪声。2. 分类：白噪声/色噪声n 白噪声（white noise）:是指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声。所有频率具有相同能量的随机噪声称为白噪声.是一种功率频谱密度为常数的随机信号或随机过程。 噪声的波形是随机的（幅值、相位、频率），瞬时值无法预测，但每赫带宽内包含的噪声功率从统计观点来看是一个常量。n 色噪声-噪声的频率固定，可以预测，而幅值、相位可能是随机的。通常接地噪声是一种色噪声。粉红色噪音又被称做频率反比 (1/f) 噪音，因为它的能量分布与频率成反比，或者说是

12、每一个八度音程 (Octave) 能量就衰退 3 dB。 第3章 信号调制解调电路3.1 调制解调的功用与类型q 调制的主要功用:为了便于区别信号与噪声，往往给测量信号赋予一定特征 解调的主要功用:从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号q 什么是信号调制？ 调制就是用一个信号（称为调制信号）去控制另一个作为载体的信号（称为载波信号），让后者的某一特征参数（幅值、频率、相位、脉冲宽度）按前者变化。 q 什么是解调？（在将测量信号调制，并将它和噪声分离，放大等处理后，还要）从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号的过程称为解调q 什么是调制信号、载波信号、已调信号？（1）调制是给测量信号

13、赋予一定特征，这个特征由作为载体的信号提供，常以一个高频正弦信号或脉冲信号作为载体，这个载体称为载波信号。（2）用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位的信号称为调制信号。（3）在测控系统中，通常就用测量信号作调制信号，经过调制的载波信号叫已调信号。 3.2 调幅式测量电路一、调幅原理与方法1一般表达式v 什么是调幅？ -用调制信号（代表测量值的信号）x去控制高频载波信号的幅值，使载波信号的幅值随x变化。 线性调幅-让调幅信号的幅值按调制信号x的线性函数变化。 us=(Um0+mx) coswct m-调制度 Um0-调幅信号中，载波信号的幅值 wc-载波信号频率特点：调制方法和电路简单

14、。v 何谓双边带调幅？ 假设调制信号x是角频率为的余弦信号 x =Xmcost 则有: us=Um0cosct + mXmcos(c+)t + mXmcos(c-)t /2 它包含三个不同频率的信号: 角频率为c的载波信号和角频率分别为c±的上、下边频信号。载波信号中不含调制信号x 的信息，因此可以取Um0=0，只保留两个边频信号。这种调制称为双边带调制。双边带调制可用调制信号与载波信号相乘实现.v 思考题：在测控系统中被测信号的变化频率为0100Hz，应怎样选取载波信号的频率？应怎样选取调幅信号放大器的通频带？信号解调后，怎样选取滤波器的通频带？ 为了正确进行信号调制必须要求c&g

15、t;>，通常至少要求c>10。这样，根据香农定理，防止产生混叠现象，解调时滤波器能较好地将调制信号与载波信号分开，检出调制信号。 若被测信号的变化频率为0100Hz，则载波信号的频率c>1000 Hz。调幅信号放大器的通频带应为9001100 Hz。信号解调后，滤波器的通频带应>100 Hz，即让0100Hz的信号顺利通过，而将900 Hz以上的信号抑制，可选通频带为200 Hz。 2为什么在测控系统中常常在传感器中进行信号调制？ 为了提高测量信号抗干扰能力，常要求从信号形成开始就已经是已调信号，因此常常在传感器中进行调制。 1）通过交流供电实现调制 电阻式传感器、电感

16、式传感器和电容式传感器。2) 用机械或光学的方法实现调制为了减少杂散光的影响，采用多孔盘或多槽（或频闪灯）调制盘2使光信号得到调指，以提高信噪比。3.电路调制q 乘法器调制q 开关电路调制q 信号相加调制调制信号ux=Uxmcos与 uc=Ucmcosct 载波信号相加减后去控制开关器件，选Ucm>> Uxm 实际起控制作用的是载波信号uc两个信号相加不能实现调制，只有通过控制开关电路获得乘积项实现调制。二、包络检波电路1什么是包络检波？ 从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波。幅值调制就是让已调信号的幅值随调制信号的值变化，因此调幅信号的包络线形状与调制信号一致。只要能检出

17、调幅信号的包络线即能实现解调。这种方法称为包络检波。特点：原理简单、电路简单，在通信中广泛应用。包络检波的基本工作原理是什么？包络检波输出不完全是调制信号，还含有直流分量，大小由载波信号幅值Um决10定。 在测控系统中包络检波输出直流成分与交 流成分具有不同的含义是什么？ 2为什么要采用精密检波电路？为了提高检波精度，常需采用精密检波电路，它又称为线性检波电路。l 二极管VD和晶体管V都有一定死区电压，即二极管的正向压降、晶体管的发射结电压超过一定值时才导通，l 它们的特性也是一根曲线。二极管VD和晶体管V的特性偏离理想特性会给检波带来误差。 (1) 半波精密检波电路(2) 全波精密检波电路3

18、 包络检波存在问题： 第一，解调的主要过程是对调幅信号进行半波或全波整流，无法从检波器的输出鉴别调制信号的相位。第二，不具有区分不同载波频率的信号的能力，即电路本身无法区分信号与噪声。三、 相敏检波电路（一）相敏检波的功用和原理1、相敏检波电路特点：l 鉴别调制信号相位l 选频能力l 需要输入一个参考信号（与载波信号同频）又称为同步检波电路。 实现方法：将双边带调幅信号us再乘以coswct，经低通滤波后就可以得到调制信号ux2、为什么要采用相敏检波？ (1)包络检波有两个问题： 一是解调的主要过程是对调幅信号进行半波或全波整流，无法从检波器的输出鉴别调制信号的相位。 二是包络检波电路本身不具

19、有区分不同载波频率的信号的能力。对于不同载波频率的信号它都以同样方式对它们整流，以恢复调制信号，这就是说它不具有鉴别信号与噪声的能力。 为了使检波电路具有判别信号相位和频率的能力，提高抗干扰能力，需采用相敏检波电路。 3、相敏检波电路与包络检波电路在功能与电路构成上最主要的区别 (1)功能上的主要区别：相敏检波电路能够鉴别调制信号相位，从而判别被测量变化的方向，同时相敏检波电路还具有选频的能力，从而提高测控系统的抗干扰能力。 (2)相敏检波电路的主要特点: 输入一个参考信号。有了参考信号就可以用它来鉴 别输入信号的相位和频率。4、相敏检波电路与调幅电路在结构上有哪些相似之处？它们又有哪些区别？

20、 （1）相似之处：将调制信号ux乘以幅值为1的载波信号就可以得到双边带调幅信号us，将双边带调幅信号us再乘以载波信号，经低通滤波后就可以得到调制信号ux。这就是相敏检波电路在结构上与调制电路相似的原因。 （2）二者主要区别：是调幅电路实现低频调制信号与高频载波信号相乘，输出为高频调幅信号；而相敏检波器实现高频调幅信号与高频载波信号相乘，经滤波后输出低频解调信号。这使它们的输入、输出耦合回路与滤波器的结构和参数不同。 （二）常用相敏检波电路1、乘法器式相敏检波电路2、开关式相敏检波电路（1）开关式半波相敏检波电路（2）开关式全波相敏检波电路3、相加式相敏检波电路半波相敏检波电路：全波相敏检波电

21、路：图3-204、精密整流型全波相敏检波电路5、脉冲箝位式相敏检波电路（三）相敏检波电路的选频与鉴相特性: 相敏检波电路也具有抑制干扰的功能。1、选频特性 1)什么是相敏检波电路的选频特性？ 2)相敏检波电路基本工作机理：将输入信号与载波频率为wc的单位参考信号相乘，再通过滤波将高频载波滤除 。 选频特性：对不同频率的输入信号有不同的传递特性。2、 相敏检波电路的鉴相特性的作用：l 作相位计l 有利于提高电路抑制干扰信号的能力 只要干扰频率与参考信号略有差别，它与参考信号的相位差就不断变化，经低通滤波后平均输出接近零。l 抑制零点残余电压影响。b)a)c)usustOuotO+UctOuotO

22、+tO+tUcO+ustOuotO+tO+Uc3.3 调频式测量电路一、调频原理与方法（一）什么是调频？写出调频信号的数学表达式，画出其波形。 调频就是用调制信号x去控制高频载波信号的频率。常用的是线性调频，即让调频信号的频率按调制信号x的线性函数变化。 调频信号us的一般表达式可写为：us=Umcos(wc+mx)t （二）传感器调制（三）电路调制1、电容三点式LC振荡器调频电路2、多谐振荡器调频电路3、压控振荡器二、鉴频电路 什么是鉴频？对调频信号实现解调，从调频信号中检出反映被测量变化的调制信号称为频率解调或鉴频。（一）微分鉴频（二）窄脉冲鉴频电路（三）斜率鉴频：双失谐回路鉴频电路（四）

23、比例鉴频（五）数字式频率计测量频率的两种方法： 1 测量在某一时段内信号变化的周期数。2 基于测量信号的周期，根据在信号的一个周期内进入计数器的高频时钟脉冲数即可测得信号周期，从而确定它的频率。 应用：适合被测频率较低场合3.4 调相式测量电路一、调相原理与方法（一）什么是调相？写出调相信号的数学表达式，画出其波形。 调相就是用调制信号x去控制高频载波信号的相位。常用的是线性调相，即让调相信号的相位按调制信号x的线性函数变化。调相信号us的一般表达式可写为： us=Umcos(wct +mx)（二）传感器调制（1）扭矩测量（2）莫尔条纹信号的调制（三）电路调制1、调相电桥2、脉冲采样式调相电路

24、二、鉴相电路鉴相就是从调相信号中将反映被测量变化的调制信号检出来，实现调相信号的解调，又称为相位检波。（一）用相敏检波器或乘法器鉴相（二）通过相位脉宽变换鉴相1、异或门鉴相2、RS触发器鉴相（三）脉冲采样式鉴相三、各种鉴相方法比较 （精度、误差因素、鉴相范围）影响鉴相误差的主要因素有： 非线性、信号幅值、占空比、门电路与时钟脉冲频率等。n 相敏检波器或乘法器鉴相 ：原理上有非线性，信号幅值影响鉴相误差。鉴相范围为±p/2 。n 脉冲采样鉴相 ：锯齿波的非线性影响鉴相误差。鉴相范围接近2p。n 异或门鉴相：占空比影响鉴相误差。鉴相范围为0-p。要求US，UC的占空比为1：1n RS触发

25、器鉴相 ：精度最高，线性好，对Us和Uc的占空比没有要求。鉴相范围接近2p。/ 相位脉宽变换鉴相：时钟门电路的动作时间与时钟脉冲频率误差对精度有影响，但一般误差较小。3.5 脉冲调制式测量电路一、脉冲调制原理与方法（一）什么是脉冲调宽？写出脉冲调宽信号的数学表达式，画出其波形。 脉冲调制是指用脉冲作为载波信号的调制方法。脉冲调宽的数学表达式：B=b+mx（二）传感器调制用激光扫描的方法测量工件直径（三）电路调制1、参量调宽2、电压调宽二、脉冲调制信号的解调(脉冲调宽信号的解调主要有哪些方式？) 脉冲调宽信号的解调两种方式：1将脉宽信号Uo 送入一个低通滤波器，滤波后的输出uo 与脉宽B成正比。

26、2 Uo 用作门控信号，只有当Uo 为高电平时，时钟脉冲Cp才能通过门电路进入计数器。这样进入计数器的脉冲数N与脉宽B 成正比。两种方法均具有线性特性。 第4章 信号分离电路利用滤波器从频率域中实现对噪声抑制，提取所需要的测量信号，是测控系统中必不可少的组成部分/4.1 滤波器的基本知识n 滤波器：是具有频率选择作用的电路或运算处理系统。具有滤除噪声和分离各种不同频率信号的功能。n 工作原理：当噪声与信号分布在不同频带中时，可以在频率域中实现信号与噪声分离。（1）利用滤波器有效抑制噪声功率，提高测精度 测量精度很大程度上由信噪比决定。即测量信号频带内有用功率与噪声功率之比。 （2）分离各种不同

27、信号n 三种选择作用：带通、带阻、过度渡带4.1.1滤波器类型p 信号形式：模拟滤波器和数字滤波器p 按功能分：低通、高通、带通、带阻、全通p 电路器件：LC无源、特殊元件构成的无源滤波器（机械滤波器、压电陶瓷滤波器、晶体滤波器、声表面滤波器等）、 RC无源、RC有源滤波器p 按传递函数的微分方程阶数分：一阶、二阶、高阶4.1.2模拟滤波器的传递函数与频率特性（一）模拟滤波器的传递函数 模拟滤波电路为线性四端网络的特性可由传递函数来描述。传递函数是输出与输入信号电压或电流拉氏变换之比。线性网络理论：任意个互相隔离的线性网络级联后，总的传递函数等于各网络传递函数的乘积。 结论：任何复杂的滤波网络

28、，可由若干简单的一阶与二阶滤波电路级联构成。（二） 模拟滤波器的频率特性§ 模拟滤波器的传递函数H(s)表达了滤波器的输入与输出间的传递关系。§ 若滤波器的输入信号Ui是角频率为w的单位信号，滤波器的输出Uo(jw)=H(jw)表达了在单位信号输入情况下的输出信号随频率变化的关系，称为滤波器的频率特性函数，简称频率特性。§ 幅频特性：频率特性H(jw)是一个复函数，其幅值A(w)= H(jw) 。滤波器的选频特性主要由其幅频特性决定§ 幅角j(w)：表示输出信号的相位相对于输入信号相位的变化j(w) = arctanH(jw) ，称为相频特性。 （三）滤

29、波器的主要特性指标1、特征频率：（1）通带截频: fp=wp/(2p)为通带与过渡带边界点的频率，在该点信号增益下降到一个人为规定的下限-通带截止频率。（2）阻带截频: fr=wr/(2p)为阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号衰耗(增益的倒数)下降到一人为规定的下限-阻带截止频率。（3）转折频率: fc=wc/(2p)工程中以信号功率衰减到1/2(约3dB)时的频率作为通带与阻带的边界点。在很多情况下，常以fc作为通带或阻带截频。（4）固有频率: f0=w0/(2p)为电路没有损耗时，滤波器的谐振频率(二阶而言)，复杂电路往往有多个固有频率。 2、增益与衰耗 滤波器在通带内的增益Kp并非常数

30、。低通滤波器通带增益指w=0时的增益； 高通滤波器指w时的增益； 带通则指中心频率（f0）处的增益。带阻滤波器阻带衰耗(减） 衰耗定义：增益的倒数或通带与阻带中心频率处增益之差。通带增益变化量Kp 指通带内各点增益的最大变化量，如果Kp以dB为单位，则指增益dB值的变化量。 3、阻尼系数与品质因数 阻尼系数:是表征滤波器对角频率为0 信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰耗的一项指标。品质因数Q: 阻尼系数的倒数，是评价带通与带阻滤波器频率选择特性的一个重要指标。 Q= 0/ 为带通或带阻滤波器的 3dB 绝对带宽， 1/Q = . /0 相对带宽 Q值越大，相对带宽越小，选频性能越强。 0为中

31、心频率，很多情况下中心频率与固有频率相等。 4、灵敏度 滤波电路由许多元件构成，每个元件参数值的变化都会影响滤波器的性能。滤波器某一性能指标y对某一元件参数x变化的灵敏度记作Sxy，定义为： Sxy=(dy/y)/(dx/x) 该灵敏度与测量仪器或电路系统灵敏度不是一个概念，该灵敏度越小，标志着电路容错能力越强，稳定性也越高。 5、群时延函数 当滤波器幅频特性满足设计要求时，为保证输出信号失真度不超过允许范围，对其相频特性j(w)也应提出一定要求。 作用：评价信号经滤波后相位失真程度。 群时延函数dj (w) /dw越接近常数，信号相位失真越小。4.1.3 基本滤波器1、一阶滤波器2、二阶低通

32、滤波器三、滤波器特性的逼近理想滤波器:要求幅频特性A(w)在通带内为一常数，在阻带内为零，没有过渡带，还要求群延时函数在通带内为一常量.理想滤波器在物理上是无法实现的. 实践选择适当逼近方法实现对理想滤波器的最佳逼近。 测控系统中常用的三种逼近方法： 巴特沃斯逼近 切比雪夫逼近 贝赛尔逼近（一）巴特沃斯逼近 逼近的基本原则：使幅频特性在通带内最为平坦，并且单调变化。幅频特性：（二）切比雪夫逼近逼近的基本原则是允许通带内有一定的波动量Kp。 特点：电路阶数一定情况下，幅频特性更接近矩形；阻带内有较陡的衰减特性，且波动越大，选择性越好。（三）贝赛尔逼近§ 这种逼近与前两种不同，它主要侧重

33、于相频特性，基本原则是使通带内相频特性线性度最高，群时延函数最接近于常量，从而使相频特性引起的相位失真最小。§ 对二阶低通滤波器贝赛尔滤波器§ 适用：信号失真小，信号频率较高的场合。4.2 RC有源滤波电路421一阶低通滤波电路； 简单RC网络和运放构成，如图所示。该电路具有滤波功能还有放大作用，带负载能力较强。电路简单、阻带衰减太慢、选择性差4.2.2 压控电压源型滤波电路uo(t)Y2Y1Y4Y3Y5R0Rui(t)-+N4.2.3 无限增益多路反馈型滤波电路-+NY4Y1Y3Y2Y5Rui(t)uo(t)4.2.4 双二阶环滤波电路4.2.5有源滤波器设计设计包括四个

34、过程：w 确定传递函数w 选择电路结构w 选择有源器件w 计算无源元件参数w 电路装配和调试第5章 信号运算电路5.1 加减运算电路5.2 微分积分运算电路5.3 PID电路PID（比例积分微分）电路又称为PID调节器，是一种常见的控制电路。调节器的任务是将一定的物理量（被调节参数X）调节到预先给定的理论值（或称额定值W），并克服干扰的影响保持这一值。PID控制器（比例-积分-微分控制器），由比例单元 P、积分单元 I 和微分单元 D 组成。通过Kp， Ki和Kd三个参数的设定。PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。 5.3 常用特征值运算电路一、绝对值运算电路二、峰值检

35、测电路三、平均值运算电路（低通滤波器实现）四、有效值运算电路(方均根值RMS)第6章 信号转换电路6.1 采样保持电路功能：采集某一瞬间的模拟输入信号，根据需要保持并输出采集的电压数制值。采样/保持电路原理§ 模拟开关§ 模拟信号存储电容§ 输出缓冲放大器采样频率符合采样定理：什么是模拟开关: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。6.2 电压比较电路用来鉴别和比较两个模拟输入电压大小的电路。 是模拟电路和数字电路之间联系的桥梁。 设计成专用集成电路集成电压比较器（LM339等）。一 、电平比较

36、电路（单阈值比较器）（a）差动型动比较电路 注意：做毫伏级微弱信号比较，须在UR中消除u0sUR=0 鉴零器（b）求和型电平比较电路（阈值可变）运放输出应加钳位电压 优点：克服共模误差、阈值可变缺点：振铃现象二 、滞回比较电路（正反馈阈值） 两个阈值： a) b) ui Uo U1 O U2 -1 +1 # ui Uo UR R R2 R1 作用：（1）合理选择滞后电压大小，消除振铃现象,大大提高抗干扰能力；滞后电压U取得过大，会加大检测误差 （2）慢速变化信号（正弦波、积分信号等）整形快速上升脉冲性方波（3）整形电路,消除干扰注意: U滞后电平大小三、 窗口比较电路 -1 +1 # &

37、; -1 +1 # ui VS E R1 RP R2 Uo1 Uo2 Uo UZ N2 N1 UR2 UR1 6.3 电压频率转换电路定义：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)。定义：f/V 转换器 把频率变化信号线性地转换成电压变化信号的转换器。6.4电压电流转换电路6.6 模拟数字转换电路一、AD转换器（一）基本原理 采样-量化-编码1采样：将模拟信号按照一定的时间间隔从连续的模拟信号中抽取一系列的时间离散值。-关键是采样频率满足采样定律。2 量化和量化误差：将幅度连续取值的模拟

38、信号变为只能取有限个某一最小当量的整数倍数值的过程称为量化。 通过量化将离散模拟量转换离散的数字量，必然存在类似于四舍五入产生的误差，最大误差可达到LSB的1/2。此误差叫做量化误差。3 编码：将数字信号最终表示成数字系统所能接受的形式，符合计算机有限编码方式的数值处理。4 转换精度：实际ADC在量化值上与理想ADC进行模数转换的差值（是指不含量化误差以外的误差），是由于使用的元件和噪声等产生各种误差。转换精度是表示所含误差的比例，刻度的百分比或PPM表示。精度分为绝对精度和相对精度。非线性误差、零点误差、满量程误差等作为精度指标。5 分辨率：对应一个数字输出的模拟输入电压有一定的幅度范围，若

39、超过这个幅度范围，数字输出就会发生变化，这样能分辨的电压范围叫做分辨率。通常用二进制位数或BCD码位数表示。具体值为 LSB（Least Significant Bit) 。l 转换时间：指完成一次从模拟到数字的转换所需的时间。它的倒数为转换速率.l 也有用采样速率反映A/D转换速率，是采样时间（指两次转换的间隔）的倒数，单位：SPS（Sample Per Second）。（二） AD转换技术1并行比较型2逐次比较型3积分型4-型5流水线型6压频变换型二、DA转换器主要技术指标：分辨率：当输入数字发生数码变化时（LSB产生一次变化），所对应输出模拟量的变化量。实际使用中用位数表示分辨率。精度：

40、加给数字代码时测得的实际模拟输出量和对应这个代码的理论模拟输出量之差。非线性误差、增益误差、失调误差等直接影响其精度。建立时间：输入数字变化后，输出模拟量稳定到相应数值范围（1/2LSB）所需时间。单片D/A转换器的基本组成:l 基准电压源（温度补偿的稳压管）l 电阻解码网络l 电子开关阵列l 相加运算放大器核心：电阻解码网络类型：加权电阻网络电路 R-2R梯形电阻网络1 加权电阻网络电路2 R-2R梯形电阻网络第7章 信号细分与辨向电路n 信号细分电路概念： 信号细分电路又称插补器，是采用电路的手段对周期性的测量信号进行插值, 提高仪器分辨力。/ 测控系统的线性位移信号和转动信号（光栅、感应

41、同步器、磁栅、容栅和激光干涉仪等）信号的共同特点： 信号具有周期性，信号每变化一个周期就对应着空间上一个固定位移量。细分的基本原理： 根据周期性测量信号的波形、振幅或者相位的变化规律，在一个周期内进行插值，从而获得优于一个信号周期的更高的分辨力。辨向电路： 由于位移传感器一般允许在正、反两个方向移动，在进行计数和细分电路的设计时往往要综合考虑辨向的问题。细分电路分类：n 按工作原理，可分为直传式细分和平衡补偿式细分。n 按所处理的信号可分为调制信号细分电路和非调制信号细分电路。7.1 直传式细分电路直传式细分电路若干串联环节组成.电路的结构属于开环系统，系统总的灵敏度（也可称传递函数）Ks为各

42、个环节灵敏度Kj (j=1m)之积n 典型的细分电路 四细分辨向电路 电阻链分相细分 微型计算机细分 只读存储器细分 一、四细分辨向电路n 输入信号：具有一定相位差(通常为90°)的两路方波信号。n 细分的原理：基于两路方波在一个周期内具有两个上升沿和两个下降沿，通过对边沿的处理实现四细分n 辨向：根据两路方波相位的相对导前和滞后的关系作为判别依据 单稳四细分辨向电路 n 原理：利用单稳提取两路方波信号的边沿实现四细分二、电阻链分相细分电阻链分相细分是应用很广的细分技术n 主要实现对正余弦模拟信号的细分 n 工作原理：将正余弦信号施加在电阻链两端，在电阻链的接点上得到幅值和相位各不相

43、同的电信号。这些信号经整形、脉冲形成后，就能在正余弦信号的一个周期内获得若干计数脉冲，实现细分 三、微型计算机细分利用微型计算机进行数值计算来进行细分，数字计算机代替硬件电路对模拟量进行计算达到细分的目的。n 与硬件细分结合技术n 时钟脉冲细分技术n 量化细分技术四、只读存储器细分 X、Y的每一个组合都对应着只读存储器的一个16位地址，在不同地址的内存单元上，固化着0255的每一个二进制数字信号值，固化值为X、Y对应的q值再乘以256/2p，经取整后得到的整数值。7.2 平衡补偿式细分 n KF是F的倒数，系统的细分数就等于分频器的分频数，分频数比较容易做得大，因而系统能实现高的细分数。反馈环

44、节就是细分机构。n 比较器是另一重要环节，其分辨力（门槛）决定系统的分辨力，但门槛不能太小，太小要引起系统在平衡点附近振摆，显示数值来回跳动。一、相位跟踪细分 1相位跟踪细分l 当被测量发生变化，相移角qj随之变化。l uj经放大、整形为方波后送入鉴相电路，使其与相对相位基准分频器输出的补偿信号qd进行比较。l 当偏差信号qj-qd超过门槛时，移相脉冲门打开，输出移相脉冲。此脉冲改变相对相位基准的输出qd，使qd跟踪qj，当qd=qj时，系统平衡，关闭移相脉冲门，停发移相脉冲。l 移相脉冲同时输入显示电路，此时显示电路显示的示值代表被测量。2. 鉴相电路 确定偏差信号qj-qd是否超过门槛；

45、输出与偏差信号相对应的方波脉宽信号 确定qj与qd的导前、滞后关系，以确定滑尺移动方向，也就是辨向 有门槛的鉴相电路l 加有两个RC延时回路起门槛的作用l 在Uj超前时（图7-19b），只有DG1有可能输出低电平、Uj¢的上升要滞后于Uj的上升。若Uj与Ud的相位差很小，在Uj¢到达开门电平前，Ud已经上跳，就不会发生Ux为高电平的相位差信号，l 当Uj滞后Ud时（图7-19c），只有DG2有可能输出低电平,Ud¢是Ud的延时信号，也可起门槛作用。调节电阻R和电容C可改变门槛的大小 3.相对相位基准和移相脉冲门l 相对相位基准是产生相位跟踪信号qd的机构，同时也是

46、细分机构。它有两个输入： 一个来自时钟，经分频产生原始的相位跟踪信号Ud； 另一个来自移相脉冲门，实现加减进入相对相位基准的脉冲数，达到改变Ud相位角qd的目的。 图7-20为利用加减脉冲变动qd的原理图l 当qj滞后于qd，为把qd拉后，就要扣除部分进入相对相位基准的脉冲（图7-20c），使Ud延后翻转，qd滞后；l 当qj超前qd，就要增加进入相对相位基准的脉冲（图7-20e），使Ud提前翻转，qd移前。l 图7-21是相对相位基准与移相脉冲门的结构原理图。 4测量速度 个载波周期只有一次比相，对测量速度有一定要求。动态测量：（指在部件移动过程中就要读出它的位移），为使测量速度引起的误差不

47、超过一个细分脉冲当量，要求在一个载波周期内相位角的变化不超过一个细分脉冲当量v-测量速度；f -载波信号频率； n-细分数；W-标尺节距。v 值一般较小, 若载波频率f=2kHz，节距W=2mm, 细分数n=200，则v <1.2m/min。u 静态测量:（指移动部件停止运动后才读数），也要限制测量速度。传感器最大位移速度取决于系统的跟踪能力，只要不超过这个最大位移速度，尽管在传感器位移时会发生超过一个脉冲当量的误差，但是，一旦传感器在测量位置停下，经过一段时间，就能读得合乎精度要求的测量数据。第8章 连续信号控制电路 连续信号控制电路含义：将交流信号连续变换成直流信号，或者将直流信号连

48、续变换成交流信号来达到控制的目的，实现这种控制的电路称为连续信号控制电路。连续信号控制电路主要是指：（1）直流电动机调速（2）交流电动机调速（3）功率电源控制中的导电角控制电路（4）脉宽调制控制电路（5）变频控制电路（6）电源程控电路等。 8.1 导电角控制逆变器§ 逆变：是整流的逆变换，就是把直流电变成交流电，常用于交流电动机的调速系统和不间断电流装置中。在交流电动机的调速系统中，需要用导电角控制电路来控制逆变器晶闸管或功率晶体管的开关顺序和导通时间。§ 导通角或导电角：晶闸管或功率晶体管在一个变化周期中导通时间对应的相位角。§ 换流：电流从一个支路向另一个支路

49、转移的过程，也称为换相120°导电角控制逆变器 电路特点： （1）六个大功率晶体管 （2）六个功率二极管 （3）每一相上桥臂与下桥臂各导通120° （4）上桥臂与下桥臂导通状态相互间隔60° （5）各相之间的相位差120°特点： 120°导通型的工作方式对换流的安全有利；上下桥臂之间不进行换流。 功率晶体管的利用率较低； 120°导通型逆变器始终有一相绕组断开，若电动机采用星形接法，在换流时该相绕组中会引起较高的感应电动势，应采用过电压保护措施。 电压波形因负载性质不同。二、180°导电角控制逆变器n 180°导通型的开关状态有12个，即每周6个工作导通状态和6个换流状态，但逆变器输出电压波形仍是六拍。180°导通方式工作的三相桥式逆变器按输出周期每隔60°换流一次，每一工作导通状态都有三个主晶闸管同时导通。n 电路特点：n （1）每个桥臂导通角度180°n （2）同一相上下两个臂交替导通角度180°n （3）各相开始导通的角度依次相差10°这样：在任一瞬间，将有三