測(cè)控電路 課后答案 第三章new

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1、第三章 信號(hào)調(diào)制解調(diào)電路 3-1 什么是信號(hào)調(diào)制？在測(cè)控系統(tǒng)中為什么要采用信號(hào)調(diào)制？什么是解調(diào)？在測(cè)控系統(tǒng)中常用的調(diào)制方法有哪幾種？ 在精密測(cè)量中，進(jìn)入測(cè)量電路的除了傳感器輸出的測(cè)量信號(hào)外，還往往有各種噪聲。而傳感器的輸出信號(hào)一般又很微弱，將測(cè)量信號(hào)從含有噪聲的信號(hào)中分離出來(lái)是測(cè)量電路的一項(xiàng)重要任務(wù)。為了便于區(qū)別信號(hào)與噪聲，往往給測(cè)量信號(hào)賦以一定特征，這就是調(diào)制的主要功用。調(diào)制就是用一個(gè)信號(hào)（稱(chēng)為調(diào)制信號(hào)）去控制另一作為載體的信號(hào)（稱(chēng)為載波信號(hào)），讓后者的某一特征參數(shù)按前者變化。在將測(cè)量信號(hào)調(diào)制，并將它和噪聲分離，放大等處理后，還要從已經(jīng)調(diào)制的信號(hào)中提取反映被測(cè)量值的測(cè)量信號(hào)，這一過(guò)程

2、稱(chēng)為解調(diào)。 在信號(hào)調(diào)制中常以一個(gè)高頻正弦信號(hào)作為載波信號(hào)。一個(gè)正弦信號(hào)有幅值、頻率、相位三個(gè)參數(shù)，可以對(duì)這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)制，分別稱(chēng)為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。也可以用脈沖信號(hào)作載波信號(hào)?？梢詫?duì)脈沖信號(hào)的不同特征參數(shù)作調(diào)制，最常用的是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，稱(chēng)為脈沖調(diào)寬。 3-2 什么是調(diào)制信號(hào)？什么是載波信號(hào)？什么是已調(diào)信號(hào)？ 調(diào)制是給測(cè)量信號(hào)賦以一定特征，這個(gè)特征由作為載體的信號(hào)提供。常以一個(gè)高頻正弦信號(hào)或脈沖信號(hào)作為載體，這個(gè)載體稱(chēng)為載波信號(hào)。用需要傳輸?shù)男盘?hào)去改變載波信號(hào)的某一參數(shù)，如幅值、頻率、相位。這個(gè)用來(lái)改變載波信號(hào)的某一參數(shù)的信號(hào)稱(chēng)調(diào)制信號(hào)。在測(cè)控系統(tǒng)中需傳輸?shù)氖菧y(cè)量信號(hào)，通常就

3、用測(cè)量信號(hào)作調(diào)制信號(hào)。經(jīng)過(guò)調(diào)制的載波信號(hào)叫已調(diào)信號(hào)。 3-3 什么是調(diào)幅？請(qǐng)寫(xiě)出調(diào)幅信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并畫(huà)出它的波形。 調(diào)幅就是用調(diào)制信號(hào)x去控制高頻載波信號(hào)的幅值。常用的是線性調(diào)幅，即讓調(diào)幅信號(hào)的幅值按調(diào)制信號(hào)x線性函數(shù)變化。調(diào)幅信號(hào)的一般表達(dá)式可寫(xiě)為： 式中 ──載波信號(hào)的角頻率； ──調(diào)幅信號(hào)中載波信號(hào)的幅度； m──調(diào)制度。 圖X3-1繪出了這種調(diào)幅信號(hào)的波形。 c) a) b) t ux O t O uc us O t 圖X3-1 雙邊帶調(diào)幅信號(hào) a) 調(diào)制信號(hào) b) 載波信號(hào) c) 雙邊帶調(diào)幅信號(hào)

4、 3-4 什么是調(diào)頻？請(qǐng)寫(xiě)出調(diào)頻信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并畫(huà)出它的波形。 調(diào)頻就是用調(diào)制信號(hào)x去控制高頻載波信號(hào)的頻率。常用的是線性調(diào)頻，即讓調(diào)頻信號(hào)的頻率按調(diào)制信號(hào)x的線性函數(shù)變化。調(diào)頻信號(hào)us的一般表達(dá)式可寫(xiě)為： 式中 ── 載波信號(hào)的角頻率； ── 調(diào)頻信號(hào)中載波信號(hào)的幅度； m ── 調(diào)制度。 圖X3-2繪出了這種調(diào)頻信號(hào)的波形。圖a為調(diào)制信號(hào)x的波形,它可以按任意規(guī)律變化; 圖b為調(diào)頻信號(hào)的波形,它的頻率隨x變化。若x=XmcosΩt，則調(diào)頻信號(hào)的頻率可在范圍內(nèi)變化。為了避免發(fā)生頻率混疊現(xiàn)象，并便于解調(diào)，要求。

5、 x t O O t us a) b) 圖X3-2 調(diào)頻信號(hào)的波形 a) 調(diào)制信號(hào) b) 調(diào)頻信號(hào) 3-5 什么是調(diào)相？請(qǐng)寫(xiě)出調(diào)相信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并畫(huà)出它的波形。 調(diào)相就是用調(diào)制信號(hào)x去控制高頻載波信號(hào)的相位。常用的是線性調(diào)相，即讓調(diào)相信號(hào)的相位按調(diào)制信號(hào)x的線性函數(shù)變化。調(diào)相信號(hào)us的一般表達(dá)式可寫(xiě)為： 式中 ── 載波信號(hào)的角頻率； ── 調(diào)相信號(hào)中載波信號(hào)的幅度； m ── 調(diào)制度。 t t t a) b) c) x uc us φ o o o 圖X3-3繪出了這種調(diào)

6、相信號(hào)的波形。圖a為調(diào)制信號(hào)x的波形，它可以按任意規(guī)律變化；圖b為載波信號(hào)的波形，圖c為調(diào)相信號(hào)的波形，調(diào)相信號(hào)與載波信號(hào)的相位差隨x變化。當(dāng)時(shí)，調(diào)相信號(hào)滯后于載波信號(hào)。時(shí)，則超前于載波信號(hào)。 圖X3-3 調(diào)相信號(hào)的波形 a) 調(diào)制信號(hào) b) 載波信號(hào) c) 調(diào)相信號(hào) b) 3-6 什么是脈沖調(diào)寬？請(qǐng)寫(xiě)出脈沖調(diào)寬信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并畫(huà)出它的波形。 脈沖調(diào)制是指用脈沖作為載波信號(hào)的調(diào)制方法。在脈沖調(diào)制中具有廣泛應(yīng)用的一種方式是脈沖調(diào)寬。脈沖調(diào)寬的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： (3-23) 式中b為常量，m為調(diào)制度。脈沖的寬度為調(diào)制

7、信號(hào)x的線性函數(shù)。它的波形見(jiàn)圖X3-4，圖a為調(diào)制信號(hào)x的波形，圖b為脈沖調(diào)寬信號(hào)的波形。圖中T為脈沖周期，它等于載波頻率的倒數(shù)。 x B t t a) b) x T 圖X3-4 脈沖調(diào)寬信號(hào)的波形 a) 調(diào)制信號(hào)波形 b) 調(diào)寬信號(hào)波形 3-7 為什么說(shuō)信號(hào)調(diào)制有利于提高測(cè)控系統(tǒng)的信噪比，有利于提高它的抗干擾能力？它的作用通過(guò)哪些方面體現(xiàn)？ 在精密測(cè)量中，進(jìn)入測(cè)量電路的除了傳感器輸出的測(cè)量信號(hào)外，還往往有各種噪聲。而傳感器的輸出信號(hào)一般又很微弱，將測(cè)量信號(hào)從含有噪聲的信號(hào)中分離出來(lái)是測(cè)量電路的一項(xiàng)重要任務(wù)。為了便于區(qū)別信號(hào)與噪聲，往往給測(cè)量信號(hào)賦以一定特征，這

8、就是調(diào)制的主要功用。在將測(cè)量信號(hào)調(diào)制，并將它和噪聲分離，再經(jīng)放大等處理后，還要從已經(jīng)調(diào)制的信號(hào)中提取反映被測(cè)量值的測(cè)量信號(hào)，這一過(guò)程稱(chēng)為解調(diào)。 通過(guò)調(diào)制，對(duì)測(cè)量信號(hào)賦以一定的特征，使已調(diào)信號(hào)的頻帶在以載波信號(hào)頻率為中心的很窄的范圍內(nèi)，而噪聲含有各種頻率，即近乎于白噪聲。這時(shí)可以利用選頻放大器、濾波器等，只讓以載波頻率為中心的一個(gè)很窄的頻帶內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，就可以有效地抑制噪聲。采用載波頻率作為參考信號(hào)進(jìn)行比較，也可抑制遠(yuǎn)離參考頻率的各種噪聲。 3-8 為什么在測(cè)控系統(tǒng)中常常在傳感器中進(jìn)行信號(hào)調(diào)制？ 為了提高測(cè)量信號(hào)抗干擾能力，常要求從信號(hào)一形成就已經(jīng)是已調(diào)信號(hào)，因此常常在傳感器中進(jìn)行調(diào)

9、制。 3-9 請(qǐng)舉若干實(shí)例，說(shuō)明在傳感器中進(jìn)行幅值、頻率、相位、脈寬調(diào)制的方法。 圖X3-5為通過(guò)交流供電實(shí)現(xiàn)幅值調(diào)制的一例。這里用4個(gè)應(yīng)變片測(cè)量梁的變形，并由此確定作用在梁上的力F的大小。4個(gè)應(yīng)變片接入電橋，并采用交流電壓U供電。設(shè)4個(gè)應(yīng)變片在沒(méi)有應(yīng)力作用的情況下它們的阻值R1=R2=R3=R4=R，電橋的輸出 實(shí)現(xiàn)了載波信號(hào)U與測(cè)量信號(hào)的相乘，即幅值調(diào)制。 l R1 R3 R2 R4 F R1 R2 U0 U R3 R4 h 圖X3-5 應(yīng)變式傳感器輸出信號(hào)的調(diào)制 4 2 1 T N S 3 圖X3-6是在傳

10、感器中進(jìn)行頻率調(diào)制的例子。這是一個(gè)測(cè)量力或壓力的振弦式傳感器，振弦3的一端與支承4相連，另一端與膜片1相連接，振弦3的固有頻率隨張力T變化。振弦3在磁鐵2形成的磁場(chǎng)內(nèi)振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，其輸出為調(diào)頻信號(hào)。 圖X3-6 振弦式傳感器 圖X3-7是在傳感器中進(jìn)行相位調(diào)制的例子。在彈性軸1上裝有兩個(gè)相同的齒輪2與5。齒輪2以恒速與軸1一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在感應(yīng)式傳感器3和4中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。由于扭矩M的作用，使軸1產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，使傳感器4中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為一調(diào)相信號(hào)，它和傳感器3中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)的相位差與扭矩M成正比。 1 3 2 4 5 M 圖X3-7 感應(yīng)式扭矩傳感器 1

11、2 4 3 5 6 7 9 10 11 8 M θ 圖X3-8是在傳感器中進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制的例子。由激光器4發(fā)出的光束經(jīng)反射鏡5與6反射后，照到掃描棱鏡2的表面。棱鏡2由電動(dòng)機(jī)3帶動(dòng)連續(xù)回轉(zhuǎn)，它使由棱鏡2表面反射返回的光束方向不斷變化，掃描角θ為棱鏡2中心角的2倍。透鏡1將這一掃描光束變成一組平行光，對(duì)工件8進(jìn)行掃描。這一平行光束經(jīng)透鏡10匯聚，由光電元件11接收。7和9為保護(hù)玻璃，使光學(xué)系統(tǒng)免受污染。當(dāng)光束掃過(guò)工件時(shí)，它被工件擋住，沒(méi)有光線照到光電元件11上，對(duì)應(yīng)于“暗”的信號(hào)寬度與被測(cè)工件8的直徑成正比，即脈沖寬度受工件直徑調(diào)制。 1 2 4 3 5 6

12、 7 9 10 11 8 M θ 圖X3-8 用激光掃描的方法測(cè)量工件直徑 3-10 在電路進(jìn)行幅值、頻率、相位、脈寬調(diào)制的基本原理是什么？ 在電路進(jìn)行調(diào)制的基本原理是用測(cè)量信號(hào)ux去控制（改變）載波信號(hào)幅值、頻率、相位或脈寬，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)制 只要用乘法器將測(cè)量信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）ux 與載波信號(hào)uc相乘，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)幅。用調(diào)制信號(hào)去控制產(chǎn)生載波信號(hào)的振蕩器頻率，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。用調(diào)制信號(hào)與鋸齒波載波信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)它們的值相等時(shí)電壓比較器發(fā)生跳變，電壓比較器的輸出就是調(diào)相信號(hào)。利用調(diào)制信號(hào)去改變方波發(fā)生器的脈寬就可以實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制。 3-11 什么是雙

13、邊帶調(diào)幅？請(qǐng)寫(xiě)出其數(shù)學(xué)表達(dá)式，畫(huà)出它的波形。 可以假設(shè)調(diào)制信號(hào)x為角頻率為Ω的余弦信號(hào)x=XmcosΩt，當(dāng)調(diào)制信號(hào)x不符合余弦規(guī)律時(shí)，可以將它分解為一些不同頻率的余弦信號(hào)之和。在信號(hào)調(diào)制中必須要求載波信號(hào)的頻率遠(yuǎn)高于調(diào)制信號(hào)的變化頻率。由式（3-1）調(diào)幅信號(hào)可寫(xiě)為： 它包含三個(gè)不同頻率的信號(hào): 角頻率為的載波信號(hào)Umcosωct和角頻率分別為ωcΩ的上下邊頻信號(hào)。載波信號(hào)中不含調(diào)制信號(hào)，即不含被測(cè)量x的信息，因此可以取Um=0，即只保留兩個(gè)邊頻信號(hào)。這種調(diào)制稱(chēng)為雙邊帶調(diào)制，對(duì)于雙邊帶調(diào)制 t ux O t O uc us O t a)

14、 b) c) 雙邊帶調(diào)制的調(diào)幅信號(hào)波形見(jiàn)圖X3-9。圖a為調(diào)制信號(hào)，圖b為載波信號(hào)，圖c為雙邊帶調(diào)幅信號(hào)。 圖X3-9 雙邊帶調(diào)幅信號(hào) a) 調(diào)制信號(hào) b) 載波信號(hào) c) 雙邊帶調(diào)幅信號(hào) 3-12 在測(cè)控系統(tǒng)中被測(cè)信號(hào)的變化頻率為0~100Hz，應(yīng)當(dāng)怎樣選取載波信號(hào)的 頻率？應(yīng)當(dāng)怎樣選取調(diào)幅信號(hào)放大器的通頻帶？信號(hào)解調(diào)后，怎樣選取濾波器的通頻帶？ 為了正確進(jìn)行信號(hào)調(diào)制必須要求ωc>>Ω，通常至少要求ωc>10Ω。在這種情況下，解調(diào)時(shí)濾波器能較好地將調(diào)制信號(hào)與載波信號(hào)分開(kāi)，檢出調(diào)制信號(hào)。若被測(cè)信號(hào)的變化頻率為0~100Hz，應(yīng)要求載波信

15、號(hào)的頻率ωc>1000 Hz。調(diào)幅信號(hào)放大器的通頻帶應(yīng)為900~1100 Hz。信號(hào)解調(diào)后，濾波器的通頻帶應(yīng)>100 Hz，即讓0~100Hz的信號(hào)順利通過(guò)，而將900 Hz以上的信號(hào)抑制，可選通頻帶為200 Hz。 3-13 什么是包絡(luò)檢波？試述包絡(luò)檢波的基本工作原理。 從已調(diào)信號(hào)中檢出調(diào)制信號(hào)的過(guò)程稱(chēng)為解調(diào)或檢波。幅值調(diào)制就是讓已調(diào)信號(hào)的幅值隨調(diào)制信號(hào)的值變化，因此調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)線形狀與調(diào)制信號(hào)一致。只要能檢出調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)線即能實(shí)現(xiàn)解調(diào)。這種方法稱(chēng)為包絡(luò)檢波。 從圖X3-10中可以看到，只要從圖a所示的調(diào)幅信號(hào)中，截去它的下半部，即可獲得圖b所示半波檢波后的信號(hào) (經(jīng)全波檢波

16、也可)，再經(jīng)低通濾波，濾除高頻信號(hào)，即可獲得所需調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)解調(diào)。包絡(luò)檢波就是建立在整流的原理基礎(chǔ)上的。 us uo O O t t a) b) 圖X3-10 包絡(luò)檢波的工作原理 a) 調(diào)幅信號(hào) b) 半波檢波后的信號(hào) 3-14 為什么要采用精密檢波電路？試述圖3-11 b所示全波線性檢波電路工作原 理，電路中哪些電阻的阻值必須滿足一定的匹配關(guān)系，并說(shuō)明其阻值關(guān)系。 二極管和晶體管V都有一定死區(qū)電壓，即二極管的正向壓降、晶體管的發(fā)射結(jié)電壓超過(guò)一定值時(shí)才導(dǎo)通，它們的特性也是一根曲線。二極管和晶體管V的特性偏離理想特性會(huì)給檢波帶來(lái)誤差。在一般通信中，只要這一

17、誤差不太大，不致于造成明顯的信號(hào)失真。而在精密測(cè)量與控制中，則有較嚴(yán)格的要求。為了提高檢波精度，常需采用精密檢波電路，它又稱(chēng)為線性檢波電路。 圖3-11b是一種由集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的精密檢波電路。在調(diào)幅波us為正的半周期，由于運(yùn)算放大器N1的倒相作用，N1輸出低電平，因此V1導(dǎo)通、V2截止，A點(diǎn)接近于虛地，ua≈0。在us的負(fù)半周，有ua輸出。若集成運(yùn)算放大器的輸入阻抗遠(yuǎn)大于R2，則i≈- i1 。按圖上所標(biāo)注的極性，可寫(xiě)出下列方程組： 其中Kd為N1的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)。解以上聯(lián)立方程組得到 通常，N1的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)Kd很大，這時(shí)上式可簡(jiǎn)化為： 或

18、 二極管的死區(qū)和非線性不影響檢波輸出。 圖3-11b中加入V1反饋回路一是為了防止在us的正半周期因V2截止而使運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)而進(jìn)入飽和，另一方面也使us在兩個(gè)半周期負(fù)載基本對(duì)稱(chēng)。圖中N2與R3、R4、C等構(gòu)成低通濾波器。對(duì)于低頻信號(hào)電容C接近開(kāi)路，濾波器的增益為-R4/R3。對(duì)于載波頻率信號(hào)電容C接近短路，它使高頻信號(hào)受到抑制。因?yàn)殡娙軨的左端接虛地，電容C上的充電電壓不會(huì)影響二極管V2的通斷，這種檢波器屬于平均值檢波器。 為了構(gòu)成全波精密檢波電路需要將us通過(guò)與ua相加，圖3-11b中N2組成相加放大器，為了實(shí)現(xiàn)全波精密檢波必須要求。在不

19、加電容器C時(shí)，N2的輸出為： t uo ua us t t o o o a) c) b) 圖X3-11a為輸入調(diào)幅信號(hào)us的波形，圖b為N1輸出的反相半波整流信號(hào)ua，圖c為N2輸出的全波整流信號(hào)uo。電容C起濾除載波頻率信號(hào)的作用。 圖X3-11 線性全波整流信號(hào)的形成 a) 輸入信號(hào) b) 半波整流信號(hào)波形 c) 全波整流輸出 3-15 什么是相敏檢波？為什么要采用相敏檢波？ 相敏檢波電路是能夠鑒別調(diào)制信號(hào)相位的檢波電路。包絡(luò)檢波有兩個(gè)問(wèn)題：一是解調(diào)的主要過(guò)程是對(duì)調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行半波或全波整流，無(wú)法從檢波器的輸出鑒別調(diào)制信號(hào)的相位。如在

20、圖1-3所示用電感傳感器測(cè)量工件輪廓形狀的例子中，磁芯3由它的平衡位置向上和向下移動(dòng)同樣的量，傳感器的輸出信號(hào)幅值相同，只是相位差180。從包絡(luò)檢波電路的輸出無(wú)法確定磁芯向上或向下移動(dòng)。第二，包絡(luò)檢波電路本身不具有區(qū)分不同載波頻率的信號(hào)的能力。對(duì)于不同載波頻率的信號(hào)它都以同樣方式對(duì)它們整流，以恢復(fù)調(diào)制信號(hào)，這就是說(shuō)它不具有鑒別信號(hào)的能力。為了使檢波電路具有判別信號(hào)相位和頻率的能力，提高抗干擾能力，需采用相敏檢波電路。 3-16 相敏檢波電路與包絡(luò)檢波電路在功能、性能與在電路構(gòu)成上最主要的區(qū)別 是什么？ 相敏檢波電路與包絡(luò)檢波電路在功能上的主要的區(qū)別是相敏檢波電路能夠鑒別調(diào)制

21、信號(hào)相位，從而判別被測(cè)量變化的方向、在性能上最主要的區(qū)別是相敏檢波電路具有判別信號(hào)相位和頻率的能力，從而提高測(cè)控系統(tǒng)的抗干擾能力。從電路結(jié)構(gòu)上看，相敏檢波電路的主要特點(diǎn)是，除了所需解調(diào)的調(diào)幅信號(hào)外，還要輸入一個(gè)參考信號(hào)。有了參考信號(hào)就可以用它來(lái)鑒別輸入信號(hào)的相位和頻率。參考信號(hào)應(yīng)與所需解調(diào)的調(diào)幅信號(hào)具有同樣的頻率，采用載波信號(hào)作參考信號(hào)就能滿足這一條件。 3-17 從相敏檢波器的工作機(jī)理說(shuō)明為什么相敏檢波器與調(diào)幅電路在結(jié)構(gòu)上有許 多相似之處？它們又有哪些區(qū)別？ 只要將輸入的調(diào)制信號(hào)乘以幅值為1的載波信號(hào)就可以得到雙邊頻調(diào)幅信號(hào)。若將再乘以，就得到 利用低通濾波器濾除頻率為和的

22、高頻信號(hào)后就得到調(diào)制信號(hào)，只是乘上了系數(shù)1/2。這就是說(shuō)，將調(diào)制信號(hào)ux乘以幅值為1的載波信號(hào)就可以得到雙邊頻調(diào)幅信號(hào)us，將雙邊頻調(diào)幅信號(hào)us再乘以載波信號(hào)，經(jīng)低通濾波后就可以得到調(diào)制信號(hào)ux。這就是相敏檢波電路在結(jié)構(gòu)上與調(diào)制電路相似的原因。 相敏檢波器與調(diào)幅電路在結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別是調(diào)幅電路實(shí)現(xiàn)低頻調(diào)制信號(hào)與高頻載波信號(hào)相乘，輸出為高頻調(diào)幅信號(hào)；而相敏檢波器實(shí)現(xiàn)高頻調(diào)幅信號(hào)與高頻載波信號(hào)相乘，經(jīng)濾波后輸出低頻解調(diào)信號(hào)。這使它們的輸入、輸出耦合回路與濾波器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不同。 3-18 試述圖3-17開(kāi)關(guān)式全波相敏檢波電路工作原理，電路中哪些電阻的阻值必須滿足一定的匹配關(guān)系？并說(shuō)明其阻

23、值關(guān)系。 圖a中，在Uc=1的半周期，同相輸入端被接地，us只從反相輸入端輸入，放大器的放大倍數(shù)為-1，輸出信號(hào)uo如圖c和圖d中實(shí)線所示。在Uc=0的半周期，V截止，us同時(shí)從同相輸入端和反相輸入端輸入，放大器的放大倍數(shù)為+1，輸出信號(hào)uo如圖c和圖d中虛線所示。 圖b中，取R1= R2= R3= R4= R5= R6/2。在Uc=1的半周期，V1導(dǎo)通、V2截止，同相輸入端被接地，us從反相輸入端輸入，放大倍數(shù)為。在Uc=0的半周期，V1截止、V2導(dǎo)通，反相輸入端通過(guò)R3接地，us從同相輸入端輸入，放大倍數(shù)為。效果與圖a相同，實(shí)現(xiàn)了全波相敏檢波。R1= R2= R3= R4= R

24、5= R6/2是阻值必須滿足的匹配關(guān)系。 3-19 什么是相敏檢波電路的鑒相特性與選頻特性？為什么對(duì)于相位稱(chēng)為鑒相，而對(duì)于頻率稱(chēng)為選頻？ 相敏檢波電路的選頻特性是指它對(duì)不同頻率的輸入信號(hào)有不同的傳遞特性。以參考信號(hào)為基波，所有偶次諧波在載波信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)平均輸出為零，即它有抑制偶次諧波的功能。對(duì)于n=1,3,5等各次諧波，輸出信號(hào)的幅值相應(yīng)衰減為基波的1/ n等，即信號(hào)的傳遞系數(shù)隨諧波次數(shù)增高而衰減，對(duì)高次諧波有一定抑制作用。對(duì)于頻率不是參考信號(hào)整數(shù)倍的輸入信號(hào)，只要二者頻率不太接近，由于輸入信號(hào)與參考信號(hào)間的相位差不斷變化，在一段時(shí)間內(nèi)的平均輸出接近為零，即得到衰減。 如果輸入

25、信號(hào)us為與參考信號(hào)uc(或Uc)同頻信號(hào)，但有一定相位差，這時(shí)輸出電壓，即輸出信號(hào)隨相位差的余弦而變化。 由于在輸入信號(hào)與參考信號(hào)同頻，但有一定相位差時(shí)，輸出信號(hào)的大小與相位差有確定的函數(shù)關(guān)系，可以根據(jù)輸出信號(hào)的大小確定相位差的值，相敏檢波電路的這一特性稱(chēng)為鑒相特性。而在輸入信號(hào)與參考信號(hào)不同頻情況下，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)間無(wú)確定的函數(shù)關(guān)系，不能根據(jù)輸出信號(hào)的大小確定輸入信號(hào)的頻率。只是對(duì)不同頻率的輸入信號(hào)有不同的傳遞關(guān)系，這種特性稱(chēng)為選頻特性。 3-20 舉例說(shuō)明相敏檢波電路在測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。 圖3-25所示電感測(cè)微儀電路中采用相敏檢波器作它的解調(diào)電路，相敏檢波器的輸出指示電感

26、傳感器測(cè)桿的偏移量。圖3-26所示光電顯微鏡中，利用相敏檢波器的選頻特性，當(dāng)光電顯微鏡瞄準(zhǔn)被測(cè)刻線時(shí)，光電信號(hào)中不含參考信號(hào)的基波頻率和奇次諧波信號(hào)，相敏檢波電路輸出為零，確定顯微鏡的瞄準(zhǔn)狀態(tài)。 3-21 試述圖3-34所示雙失諧回路鑒頻電路的工作原理，工作點(diǎn)應(yīng)怎么選取？ 兩個(gè)調(diào)諧回路的固有頻率f01、 f02 分別比載波頻率fc高和低Δf0。隨著輸入信號(hào)us的頻率變化，回路1的輸出us1和回路2的輸出us2如圖3-34d和e所示?；芈?的輸出靈敏度，即單位頻率變化引起的輸出信號(hào)幅值變化隨著頻率升高而增大，而回路2的輸出靈敏度隨著頻率升高而減小?？傒敵鰹槎呓^對(duì)值之和，采用雙失諧回路

27、鑒頻電路不僅使輸出靈敏度提高一倍，而且使線性得到改善。圖a中二極管V1、V2用作包絡(luò)檢波，電容C1、C2用于濾除高頻載波信號(hào)。RL為負(fù)載電阻。濾波后的輸出如圖f所示。工作點(diǎn)應(yīng)選在圖b中回路1和回路2幅頻特性線性段中點(diǎn)，也即斜率最大、線性最好的點(diǎn)上。 3-22 圖3-37所示比例鑒頻電路與圖3-35所示相位鑒頻電路主要的區(qū)別在哪里？在這兩個(gè)電路中相敏檢波電路的參考電壓與信號(hào)電壓間的相位差是怎樣形成的？其輸出與輸入信號(hào)的頻率有什么樣的關(guān)系？ 圖3-37所示比例鑒頻的電路和圖3-35所示相位鑒頻電路的主要區(qū)別是在ab兩點(diǎn)上并一個(gè)大電容C5，它的功用是抑制寄生調(diào)幅，即減小輸入信號(hào)us和U1的

28、幅值對(duì)輸出信號(hào)的影響。它對(duì)寄生調(diào)幅呈惰性，即在輸入信號(hào)幅值變化情況下保持E0為常值。當(dāng)U1、U2的幅值增大時(shí)，通過(guò)二極管V1、V2向電容C3、C4、C5的充電電流增大。由于C5 >>C3、C5>>C4，增加的充電電流絕大部分流入C5，使U3、U4基本保持不變。同時(shí)，二極管V1、V2的導(dǎo)通角增大（參看圖3-10），它導(dǎo)致二次側(cè)的電流消耗增大、品質(zhì)因數(shù)下降；二次側(cè)的電流消耗增大又反映到一次側(cè)，使放大器的放大倍數(shù)減小，從而使U1、U2的幅值趨向穩(wěn)定。另一方面的下降又導(dǎo)致廣義失調(diào)量減小，使輸出uo減小。正是由于這種負(fù)反饋?zhàn)饔?，使比例鑒頻電路有抑制寄生調(diào)幅的能力，輸出信號(hào)uo基本不受輸入信號(hào)幅值變化的影

29、響。 在這兩個(gè)電路中，調(diào)頻信號(hào)us經(jīng)放大后分兩路加到相位鑒頻電路。一路經(jīng)耦合電容C0加到扼流圈L3上，作為參考信號(hào)；另一路經(jīng)互感M耦合到諧振回路L2、C2上，作為輸入信號(hào)。隨著調(diào)頻信號(hào)us的瞬時(shí)頻率變化，這路信號(hào)相位差不同，相敏檢波電路檢出它們的相位差，從而檢出調(diào)頻信號(hào)us的瞬時(shí)頻率變化，實(shí)現(xiàn)解調(diào)。 3-23 在用數(shù)字式頻率計(jì)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)中，為什么采用測(cè)量周期的方法，而不用測(cè)量頻率的方法？采用測(cè)量周期的方法又有什么不足？ 測(cè)量頻率有兩種方法：一種是測(cè)量在某一時(shí)段內(nèi)（例如1秒或0.1秒內(nèi)）信號(hào)變化的周期數(shù)，即測(cè)量頻率的方法。這種方法測(cè)量的是這一時(shí)段內(nèi)的平均頻率，難以用于測(cè)量信

30、號(hào)的瞬時(shí)頻率，從而難以用于調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)；另一種方法基于測(cè)量信號(hào)的周期，根據(jù)在信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)入計(jì)數(shù)器的高頻時(shí)鐘脈沖數(shù)即可測(cè)得信號(hào)的周期，從而確定它的頻率。后一種方法可用于調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)。它的缺點(diǎn)是進(jìn)入計(jì)數(shù)器的脈沖數(shù)代表信號(hào)周期，它與頻率間的轉(zhuǎn)換關(guān)系是非線性的。 3-24 為什么圖3-31所示電路實(shí)現(xiàn)的是調(diào)頻，而圖3-53所示電路實(shí)現(xiàn)的是脈沖 調(diào)寬，它們的關(guān)鍵區(qū)別在哪里？ 圖3-31中，在兩個(gè)半周期是通過(guò)同一電阻通道R+Rw向電容C充電，兩半周期充電時(shí)間常數(shù)相同，從而輸出占空比為1: 1的方波信號(hào)。當(dāng)R或C改變時(shí)，振蕩器的頻率發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。圖3-53中，在兩個(gè)半周期通過(guò)不同的電

31、阻通道向電容充電，兩半周期充電時(shí)間常數(shù)不同，從而輸出信號(hào)的占空比也隨兩支充電回路的阻值而變化。圖中R1、R2為差動(dòng)電阻傳感器的兩臂，R1+R2為一常量，輸出信號(hào)的頻率不隨被測(cè)量值變化，而它的占空比隨R1、R2的值變化，即輸出信號(hào)的脈寬受被測(cè)信號(hào)調(diào)制。 3-25 試述用乘法器或開(kāi)關(guān)式相敏檢波電路鑒相的基本原理。 用乘法器實(shí)現(xiàn)鑒相時(shí)，乘法器的兩個(gè)輸入信號(hào)分別為調(diào)相信號(hào)與參考信號(hào)。乘法器的輸出送入低通濾波器濾除由于載波信號(hào)引起的高頻成分，低通濾波相當(dāng)于求平均值，整個(gè)過(guò)程可用下述數(shù)學(xué)式表示，輸出電壓 即輸出信號(hào)隨相位差的余弦而變化。 開(kāi)關(guān)式相敏檢波電路中采用歸一化的方

32、波信號(hào)Uc作參考信號(hào)，用它與調(diào)相信號(hào)相乘。歸一化的方波信號(hào)Uc中除頻率為的基波信號(hào)外，還有頻率為3和5等的奇次諧波成分。但它們對(duì)輸出電壓uo沒(méi)有影響，因?yàn)楹偷仍诘囊粋€(gè)周期內(nèi)積分值為零。其輸出信號(hào)仍可用上式表示，只是取。在開(kāi)關(guān)式相敏檢波電路中參考信號(hào)的幅值對(duì)輸出沒(méi)有影響，但調(diào)相信號(hào)的幅值仍然有影響。 3-26 為什么在用相加式相敏檢波電路鑒相時(shí)，常取參考信號(hào)的幅值等于調(diào)相信 號(hào)的幅值？ 在用于調(diào)相信號(hào)的解調(diào)時(shí)常取=。作用在兩個(gè)二極管V1和V2的電壓分別為U1= Uc+Us和U2 =Uc-Us（這里設(shè)Us1= Us2= Us）， 當(dāng)=，上二式分別可簡(jiǎn)化為 這種鑒相

33、器的特性要比Ucm>>Usm時(shí)要好，因?yàn)檎液瘮?shù)的自變量變化范圍減小了一半。因此，在用作鑒相器時(shí)，常取Ucm=Usm。 3-27 在本章介紹的各種鑒相方法中，哪種方法精度最高？主要有哪些因素影響 鑒相誤差？它們的鑒相范圍各為多少？ RS觸發(fā)器鑒相精度最高，因?yàn)樗€性好，并且對(duì)Us和Uc的占空比沒(méi)有要求。影響鑒相誤差的主要因素有非線性誤差，信號(hào)幅值的影響，占空比的影響，門(mén)電路與時(shí)鐘脈沖頻率影響等。用相敏檢波器或乘法器鑒相從原理上說(shuō)就是非線性的，其輸出與相位差（或其半角）的余弦成正比。脈沖采樣式鑒相中鋸齒波的非線性也直接影響鑒相誤差。用相敏檢波器或乘法器鑒相時(shí)信號(hào)的幅值也影響

34、鑒相誤差。采用異或門(mén)鑒相時(shí)占空比影響鑒相誤差。門(mén)電路的動(dòng)作時(shí)間與時(shí)鐘脈沖頻率誤差對(duì)通過(guò)相位—脈寬變換鑒相方法精度有影響，但一般誤差較小。用相敏檢波電路或乘法器構(gòu)成的鑒相器鑒相范圍為，異或門(mén)鑒相器的鑒相范圍為0~，RS觸發(fā)器鑒相和脈沖采樣式鑒相的鑒相范圍接近2。 3-28 在圖3-47c所示數(shù)字式相位計(jì)中鎖存器的作用是什么？為什么要將計(jì)數(shù)器 清零，并延時(shí)清零？延時(shí)時(shí)間應(yīng)怎樣選??？ 圖3-47c所示數(shù)字式相位計(jì)中計(jì)數(shù)器計(jì)的脈沖數(shù)是隨時(shí)變化的，當(dāng)Uo 的下跳沿來(lái)到時(shí)，計(jì)數(shù)器計(jì)的脈沖數(shù)N反映Us和Uc的相位差，為了記錄這一值，需要將它送入鎖存器。為了在下一周期比相時(shí)，計(jì)的是下一周期Us和U

35、c的相位差，要在鎖存后將計(jì)數(shù)器清零，否則計(jì)數(shù)器計(jì)的是若干周期總共脈沖數(shù)，而不是Us和Uc到來(lái)之間的脈沖數(shù)。但是只有在鎖存后才能將計(jì)數(shù)器清零，所以要延時(shí)片刻后才將計(jì)數(shù)器清零。延時(shí)時(shí)間應(yīng)大于鎖存所需要的時(shí)間，但又應(yīng)小于時(shí)鐘脈沖周期，以免丟數(shù)。 3-29 脈沖調(diào)制主要有哪些方式？為什么沒(méi)有脈沖調(diào)幅？ 脈沖調(diào)制的方式有調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)寬。脈沖信號(hào)只有0、1兩個(gè)狀態(tài)，所以沒(méi)有脈沖調(diào)幅。 3-30 脈沖調(diào)寬信號(hào)的解調(diào)主要有哪些方式？ 脈沖調(diào)寬信號(hào)的解調(diào)主要有兩種方式。一種是將脈寬信號(hào)Uo 送入一個(gè)低通濾波器，濾波后的輸出uo 與脈寬B成正比。另一種方法是Uo 用作門(mén)控信號(hào)，只有當(dāng)Uo 為高電平時(shí)，時(shí)鐘脈沖Cp才能通過(guò)門(mén)電路進(jìn)入計(jì)數(shù)器。這樣進(jìn)入計(jì)數(shù)器的脈沖數(shù)N與脈寬B 成正比。兩種方法均具有線性特性。 15