《测控系统原理与设计》（第3版）习题解答
本习题解答是普通高等教育“十一五”国家级规划教材《测控系统原理与设计》第3版（孙传友、李涛编著，北京航空航天大学出版社2014年8月出版）全书各章习题的参考答案。
第1章
1、为什么说仪器技术是信息的源头技术? 答：
信息技术由测量技术、计算机技术、通讯技术三部分组成。测量技术则是关键和基础。仪器是一种信息的工具。如果没有仪器，就不能获取生产、科学、环境、社会等领域中全方位的信息，进入信息时代将是不可能的。仪器是信息时代的信息获取——处理——传输的链条中的源头。因此说，仪器技术是信息的源头技术。
2、为什么现代测控系统一般都要微机化? 答：
将微型计算机技术引入测控系统中，不仅可以解决传统测控系统不能解决的问题，而且还能简化电路、增加或增强功能、提高测控精度和可靠性，显著增强测控系统的自化化、智能化程度，而且可以缩短系统研制周期、降低成本、易于升级换代等等。
3、微机测控系统有哪几种类型?画出它们的组成框图 答：
测控仪器或系统可分为三大类——单纯以测试或检测为目的的“测试(检测)仪器或系统”，单纯以控制为目的的“控制系统”和测控一体的“测控系统”。
微机化检测系统框图
微机化控制系统框图
微机化测控系统框图
第2章
1、模拟输入通道有哪几种类型?各有何特点?
答：
按照系统中数据采集电路是各路共用一个还是每路各用一个，多路模拟输入通道可分为集中采集式(简称集中式)和分散采集式(简称分布式)两大类型。
集中式的特点是多路信号共同使用一个S/H和A/D电路，模拟多路切换器MUX对多路信号分时切换、轮流选通到S/H和A/D进行数据采集。
分布式的特点是每一路信号都有一个S/H和A/D，因而也不再需要模拟多路切换器MUX。每一个S/H和A/D只对本路模拟信号进行数字转换即数据采集，采集的数据按一定顺序或随机地输入计算机。
2、什么情况下需要设置低噪声前置放大器?为什么? 答：
由于电路内部有这样或那样的噪声源存在，使得电路在没有信号输入时，输出端仍输出一定幅度的波动电压，这就是电路的输出噪声。把电路输出端测得的噪声有效值折算到该电路的输入端即除以该电路的增益K，得到的电平值称为该电路的等效输入噪声。
如果加在该电路输入端的信号幅度小到比该电路的等效输入噪声还要低，那么这个信号就会被电路的噪声所“淹没”。为了不使小信号被电路噪声所淹没，就必须在该电路前面加一级放大器——“前置放大器”。只要前置放大器本身的等效输入噪声比其后级电路的等效输入噪声低，加入前置放大器后，整个电路的等效输入噪声就会降低，因而，输入信号就不会再被电路噪声所淹没。
3、图2-1-14(a)所示采集电路结构只适合于什么情况?为什么? 答:
图2-1-14(a) 所示采集电路仅由A/D转换器和前面的模拟多路切换器MUX构成，只适合于测量恒定的各点基本相同的信号。因为恒定信号不随时间变化，无须设置S/H, 各点基本相同的信号无需设置PGA。
4、DFS-V数字地震仪属于集中采集式数据采集系统。2ms采样48道时去混淆滤波器截止频为125Hz。为提高勘探分辨率欲将采样周期改为1ms。试问：地震仪的信号道数和去混淆滤波器截止频率要不要改变?怎样改变?为什么?
答：
据题知，TS?2ms，N?48，代入公式(2－1－38)计算得该地震仪的A/D转换器的转换周期为TA/D?TS2ms?，为提高勘探分辨率欲将采样周期改为1ms，则信号道数应减小N48为N?TS1mS??24，否则A/D转换器就转换不过来。 TA/D2mS/48据题知，TS?2ms，fh?125Hz，代入公式(2－1－17)计算得C=5，将C=5和TS=1ms代入公式(2-1-17)计算得，抗混叠滤波器截止频率应减小为fh?250Hz，将fh?250Hz代入公式(2－1－18)计算得fmax?fh?250Hz，这将使地震仪可记录的最高地震信号频率达到
250Hz，因而，可使地震仪的勘探分辨率提高一倍。如果只是减少采样周期而不改变抗混叠滤波器截止频率，将fh?125Hz代入公式(2－1－18)计算得fmax?fh?125Hz，使地震仪可记录的最高地震信号频率仍然被限制在125Hz，因而地震仪的勘探分辨率仍然不能提高，这就使减少采样周期的优越性发挥不出来。
5、多路测试系统什么情况下会出现串音干扰?怎样减少和消除? 答：
多路测试系统由于模拟开关的断开电阻Roff不是无穷大和多路模拟开关中存在寄生电容的缘故，每当某一道开关接通时，其它被关断的各路信号也出现在负载上，对本来是唯一被接通的信号形成干扰，这种干扰称为道间串音干扰，简称串音。
为减小串音干扰，应采取如下措施：
①减小Ri,为此模拟多路切换器MUX前级应采用电压跟随器； ②MUX选用Ron极小、Roff极大的开关管； ③选用寄生电容小的MUX。 ④据公式（2-1-51），减少MUX输入端并联的开关数N，可减小串音。若采用分布式数据采集，则可从根本上消除串音干扰。因N=1代入公式（2-1-51）计算得VN?0。
6、主放大器与前置放大器有什么区别?设置不设置主放大器、设置哪种主放大器依据是什么?
答：
测控系统的模拟输入通道一般包括模拟调理电路和数据采集电路两部分。前置放大器设置在模拟调理电路前端，它是为减小模拟输入通道的等效输入噪声提高系统接收弱信号的能力而设置的，放大的是连续电信号。主放大器设置在数据采集电路的MUX与S/H之间，放大的是经模拟多路切换器采样或选通的离散信号，它是为了提高数据采集电路的数据转换精度和数据转换范围而设置的。
如果被测量的多路模拟信号都是恒定或变化缓慢的信号，而且多路信号的幅度也相差不大，也就是Vij随i和j变化不大，那就没有必要在采集电路中设置主放大器，只要使各路信号调理电路中的前置放大器增益满足(2-1-54)式即可。
如果被测量的多路模拟信号都是恒定或变化缓慢的信号，但是各路信号的幅度相差很大，也就是说Vij不随j变化，但随i变化很大，那就应在采集电路中设置程控增益放大器作为主放大器。程控增益放大器的特点是每当多路开关MUX在对第i道信号采样时，放大器就采用预先按(2-1-54)式选定的第i道的增益Ki进行放大。
如果被测量的多路模拟信号是随时间变化的信号，而且各路信号的幅度也不一样。也就是说，Vij既随i变化，也随j变化，那就应在采集电路中设置瞬时浮点放大器作为主放大器。
7、模拟输出通道有哪几种基本结构?各有何特点? 答：
微机化测控系统的模拟信号输出通路的基本结构按信号输出路数来分，有单通道输出和多通道输出两大类，多通道的输出结构主要有以下三种：
一、数据分配分时转换结构。它的特点是每个通道配置一套输入寄存器和D/A转换器，经微型计算机处理后的数据通过数据总线分时地选通至各通道输入寄存器，当数据Dij选通至第i路输入寄存器的同时，第i路D/A即实现数字Dij到模拟信号幅值的转换。
二、数据分配同步转换结构。它的特点是在各路数据寄存器R1与D/A转换器之间增设了