测控习题答案

1、第六章信号转换电路6-1信号转换电路有哪些类型？试举例说明其功能。常用的信号转换电路有采样/保持（S/H）电路、电压比较电路、V/f （电压/ 频率）转换器、f/V （频率/电压）转换器、V/I （电压/电流）转换器、I/V （电 流/电压）转换器、A/D （模/数）转换器、D/A （数/模）转换器等。采样/保持（S/H）电路具有采集某一瞬间的模拟输入信号， 根据需要保持并 输出采集的电压数值的功能。这种电路多用于快速数据采集系统以及一切需要对 输入信号瞬时采样和存储的场合，如自动补偿直流放大器的失调和漂移、 模拟信 号的延迟、瞬态变量的测量及模数转换等。模拟电压比较电路是用来鉴别和比较两个模

2、拟输入电压大小的电路。比较器的输出反映两个输入量之间相对大小的关系。比较器的输入量是模拟量，输出量是数字量,所以它兼有模拟电路和数字电路的某些属性,是模拟电路和数字电路之间联系的桥梁，是重要的接口电路。可用作鉴零器、整形电路，其中窗口比较 电路的用途很广，如在产品的自动分选、质量鉴别等场合均用到它。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，广泛地应用于调频、调相、模/数转换器、数字电压表、数据测量仪器及远距离遥测遥 控设备中。f/V （电压/频率）转换器把频率变化信号线性地转换成电压变化信号。 广泛地应用于调频、调相信号的解调等。V/I （电压/电流）转换器的作用是将电

3、压转换为电流信号。例如，在远距离 监控系统中，必须把监控电压信号转换成电流信号进行传输，以减少传输导线阻抗对信号的影响。I/V （电流/电压）转换器进行电流、电压信号间的转换。例如， 对电流进行数字测量时，首先需将电流转换成电压，然后再由数字电压表进行测 量。在用光电池、光电阻作检测元件时，由于它们的输出电阻很高，因此可把他 们看作电流源，通常情况下其电流的数值极小， 所以是一种微电流的测量。随着 激光、光纤技术在精密测量仪器中的普及应用， 微电流放大器越来越占有重要的 位置。在以微型计算机为核心组成的数据采集及控制系统中，必须将传感器输出的模拟信号转换成数字信号，为此要使用模/数转换器（简称

4、A/D转换器或AD（Jo 相反，经计算机处理后的信号常需反馈给模拟执行机构如执行电动机等，因此还需要数/模转换器（简称D/A转换器或DAC将数字量转换成相应的模拟信号。6-2试述在S/H电路中对模拟开关、存储电容及运算放大器这三种主要元器件 的选择有什么要求。选择要求如下：模拟开关：要求模拟开关的导通电阻小，漏电流小，极间电容小和切换速度166快。存储电容：要选用介质吸附效应小的和泄漏电阻大的电容。运算放大器：选用输入偏置电流小、 带宽宽及转换速率（上升速率）大的运 算放大器；输入运放还应具有大的输出电流。6-3采样/保持器外接存储电容，当电路从采样转到保持，其介质吸附效应会使 电容器上的电压

5、下降，被保持的电压低于采样转保持瞬间的输入电压，试分析 原因。在实际电容器中，电容器介质的偶极子及其界面极化的形成和消失都不可能 瞬时实现，往往需要一定的时间，可用一阶惯性阻容环节来描述。实际电容器的 仿真模型如图X6-1所示，图中C为理想电容，R为电容器的泄漏电阻，Ri-Ci 阻容网络为介质吸附效应的仿真。当电容器C在充电时，Ci也在充电，但是由于阻容网络的延时， Ci充电比 C的滞后，使得Ci的电压VC1低于C的电压Vco停止充电过程后，电容C向Ci继续充电，电路趋于平衡。这个充电过程使 得VC下降。 TOC o 1-5 h z CiC，RTRi图 X6-i6-4电容的介质吸附效应在采样/

6、保持器和峰值检波器中对输出的影响不同，为什么？当电路从采样转到保持，介质的吸附效应会使电容器的电压下降， 被保持的 电压低于采样转保持瞬间的输入电压。峰值检波器复位时，电容放电，介质吸附效应会使放电后的电容电压回升，引起小信号峰值的检波误差。电容上的泄漏电阻引起电容上的保持电压随时间逐渐减小，降低保持精度。6-5试用多路模拟开关CD4051 （参见图6-5）设计一程控放大电路。i67图 X6-2图 X6-26-6试分析图6-47中各电路的工作原理，并画出电压传输特性曲线。此电路为一施密特电路。比较器输出的高、低电压分别为稳压管稳压值Uz、 -Uz,因此运算放大器同相端两个门限电压为：R2R3R

7、RUiUz Ur , U2 Uz UrR2 R3R2 R3R2 RR2 R3当Ui Ur时，Vdi导 通，运算放大器输出负向饱和电压-E, VD2截止，Uo=0,此时运算放大器同相端 门限电压为：R2r2R2r2rUzuR2R当Ui由大变小并小于Ut时，Uo = Uz。 其电压传输特性如图X6-3所示：168UoUoAUoUz-*1l fUt - Ur A uib)图 X6-36-7 如图 6-48,已知 R2=10 kC, Rs=20kQ, Uom=12V, Ur=6V。当输入 ui 为 如图所示的波形时，画出输出 Uo的波形。当比较器分别输出+12V和-12V时，电路产生的两个阈值电压分别

8、为6-8某汽车空调电子温控器如图 6-49所示，试分析该电路工作原理。Rp、R2和R3在比较器N2的同相端建立单值比较电平；同时由 R4引入的正 反馈，在N2的同相端形成了所谓的滞回比较器的阈值电压，且调节 Rp可改变 阈值电压的值；Ri和NTC温度传感器Rt构成温度测量支路，Rt上的电压连接到N2的反相169 端，该电压随温度升高而降低，反之则升高；开机接通电源，由于 Ci的作用，N2输出低电平，N2的比较电平是滞回比 较器的下限阈值；当温度较低不需要开启空调时，Rt上的电压大于N2的下限阈值，N2维持 低电平，该电平作用于N1的同相端，N1输出低电平，V1截止，空调离合器未 接通；当温度逐

9、渐升高到使得 Rt上的电压小于N2的下限比较电平时，N2输出高 电平，N1输出也变为高电平，V2导通，离合器接通吸合，制冷剂获动力制冷， 温度将降低；同时，N2的比较电平由于其输出为高而变为滞回比较器的上限阈 值；温度因制冷而降低，Rt上的电压也逐渐升高，其制冷期将延续到 Rt上的电 压高于上限阈值电压而终止，N2输出由高变低，比较电平又变成下限比较电平， 离合器松开制冷停止。6-9为保障一定的转换精度，V/I转换器应具有高的输入阻抗及输出阻抗，为 什么？V/I转换器需与输入端仪表（电路）的输出阻抗匹配；输出阻抗则需与接在 输出端的仪表（电路）的输入阻抗匹配。如果 V/I转换器输入阻抗小，使得

10、被转 换的电压源接到该电路时的电压会较理想值小（电压源内阻和V/I转换电路输入电阻分压）；同样V/I转换器做电流源，等效电路为理想电流源和等效电阻（输 出电阻）并联，阻抗匹配时则要求输出电阻高。6-10如果要将420mA的输入直流电流转换为15V的输出直流电压，试设计其转换电路。该转换电路如图X6-5所示。图 X6-5170根据图X6-5电路，有=(1、)=(1、)iRiR2RR2取 Ri =250Q,当 i=4mA 时，Ui=1V,当 i=20mA 时，Ui=5V。因此要求r3r3-Ub=1 ,(13) 5=11R2R2有 R3/ R2=6/5,Ub=5/6(V)，取 R2=10k,R3=1

11、2k,R4= R2/ R3=5.45k,取 R4=5.6k 。6-11查阅LM324数据手册的输出电流和输出电压范围的关系，分析 V/I转换 器的驱动能力。查阅数据手册，得到输出电压与输出电流的最大值， 相乘即可得到最大输出 功率，最大输出功率标志着驱动能力。6-12 设计一单电源供电情况下 05V至420mA的转换电路如图6-50所示, 分析该电路并确定电路参数。第一个放大器用做减法器，第二个放大器用做V/I转换器。如果令N1的输出电压为Uo1,有三极管V的发射级电压同样为Uo1 ,输出电流iL即为流过R3的电流，为上式第一项与输入电压成比例，第二项为常量。可选择 R3使得第一项在输 入电压

12、范围内提供016mA电流，然后通过选择 R1和R2使第二项提供4mA的 恒定电流。按题意，输入电压范围为 05V,经理论计算，R3-312Q, Ub=5.38V0如取 R2=10kQ,则R1=12.3kQ （鉴于电阻阻值的分散性，更实用的方法是Ub通过调节 电位器得到）。6-13如果要求一个D/A转换器能分辨5mV的电压，设其满量程电压为 10V, 试问其输入端数字量要多少数字位？当满量程电压为Uf =10V时，有：Uf2n =2000彳=5mV , 取n=11,2n =20001716-14 图6-33所示为T形R-2R电阻网络D/A转换器，若取n=8, Ur=10V , R=2Ri, 试求

13、Din=00110011时的值。根据公式2U r R J ,Uo = -10R1 = - di 2R -当Din=00110011时，输出电压为：Uo - - 2 10 R 02-02J12-120 2 021 2 122Ru0 = -1.996-15 一个6bit的D/A转换器，具有单向电流输出，当Din=110100时，io=5 mA, 试求Din=110011时的io值。当 io=k, Din=110100时，k 值为：55k 22252因止匕当Din =110011时，io为：6-16试用D/A转换器和AD694设计一数字电流转换器控制一调节阀，要求输 出电流420mA,调节阀死区为0

14、.25%。AD694的2V FS引脚接地，选择输入电压量程为02V; 4mA ON/OFF引脚 接地，选才 420mA输出；10V FC和2V SEN两引脚相连，可输出2V参考电压。AD7541A为12位DAC ,在此例中，它工作在电压开关模式， AD694输出 的2V参考电压接到 OUT1上，OUT2接地。当DAC输入数字量000HFFFH, Vref输出02V电压。AD694将此电压转换为420mA电流，用于控制调节阀。调节阀有0.25%的死区，对应要求驱动它的电流至少4.04mA才能开启阀门， 对应数字量为102H。172+ 15V6-17 一个6bit逐次逼近式 A/D转换器，分辨率为

15、 0.05V,若模拟输入电压 ui=2.2V,试求其数字输出量的数值。根据题意可知，2.2V的输入电压对应的数字量为101100。6-18 对一位移测量系统，测量范围 0200小，要求分辨率为0.2岬需AD 转换器最小多少位？为什么？需AD转换器至少10位。根据题意，2n200/0.2=1000 ,而210=1024。6-19请对比几种不同工作原理的模/数转换器的特点，并分别给出应用实例。双积分式AD转换器对叠加在输入信号的交流干扰有很强的抑制能力，简单 电路就能获得较高分辨率，但转换速度慢，广泛用于各类数字式仪表及低速数据 采集系统中。逐次逼近式AD转换器电路规模有较高的转换速度， 而且其精度较高，电路 结构较简单