智能仪器课后答案

常用元件封装

1）电阻：

最为常见的有0805、0603两类，不同的是，它可以以排阻的身份出现，四位、八位都有， 具体封装样式可参照MD16仿真版，也可以到设计所内部PCB 库查询。

注：

ABCD

四类型的封装形式则为其具体尺寸, 标注形式为L X S X H

1210具体尺寸与电解电容B 类3528类型相同

0805具体尺寸：2.0 X 1.25 X 0.5（公制表示法）

1206具体尺寸：3.0 X 1.5 0X 0.5（公制表示法）

3）电容：

可分为无极性和有极性两类: 无极性电容下述两类封装最为常见，即0805、0603；有极性电容也就是我们平时所称的电解电容，一般我们平时用的最多的为铝电解电容，由于其电解质为铝，所以其温度稳定性以及精度都不是很高，而贴片元件由于其紧贴电路版，所以要求温度稳定性要高，所以贴片电容以钽电容为多，根据其耐压不同，贴片电容又可分为A 、B 、

C 、D 四个系列，具体分类如下：

类型 封装形式 耐压

A 3216 10V

B 3528 16V

C 6032 25V

D 7343 35V

贴片钽电容的封装是分为

A 型（3216），

B 型（3528），

C 型（6032），

D 型（7343），

E 型（7845）。有斜角的是表示正极

1、标准电阻：RES1、RES2；封装：AXIAL-0.3到AXIAL-1.0

两端口可变电阻：RES3、RES4；封装：AXIAL-0.3到AXIAL-1.0

三端口可变电阻：RESISTOR TAPPED，POT1，POT2；封装：VR1-VR5

2、电容：CAP （无极性电容）、ELECTRO1或ELECTRO2（极性电容）、可变电容CAPVAR 封装：无极性电容为RAD-0.1到RAD-0.4，有极性电容为RB.2/.4到RB.5/1.0.

3、双列直插元件原理图中常用的名称为根据功能的不同而不同，引脚封装形式DIP 系列， 不如40管脚的单片机封装为DIP40。

谐波电流的测试，需要专业的测试仪器来完成，一般的电流表是不具备这个功能的。 专业的仪器：fulke 、日置等公司都有类似的测试仪器。

电压波动和闪烁的测试，主要测量 EUT 引起的电网电压的变化。电压变化产生的干扰影响不仅仅取决于电压变化的幅度，还取决于它发生的频度，电压变化通常用二类指标来评价，即电压波动和闪烁。电压波动指标反映了突然的较大的电压变化程度，

而闪烁指标则反映了一段时间内连续的电压变化情况。

TTL 标准：

TTL 集成电路的全名是晶体管-晶体管逻辑集成电路（Transistor-Transistor Logic), 主要有54/74系列标准TTL 、高速型TTL （H-TTL ）、低功耗型TTL （L-TTL ）、肖特基型TTL （S-TTL ）、低功耗肖特基型TTL （LS-TTL ）五个系列。标准TTL 输入高电平最小2V ，输出高电平最小2.4V, 典型值3.4V, 输入低电平最大0.8V ，输出低电平最大0.4V ，典型值0.2V 。S-TTL 输入高电平最小2V ，输出高电平最小Ⅰ类2.5V ，Ⅱ、Ⅲ类2.7V, 典型值3.4V, 输入低电平最大0.8V ，输出低电平最大0.5V 。LS-TTL 输入高电平最小2V ，输出高电平最小Ⅰ类2.5V ，Ⅱ、Ⅲ类2.7V, 典型值

3.4V, 输入低电平最大Ⅰ类0.7V ，Ⅱ、Ⅲ类0.8V ，输出低电平最大Ⅰ类0.4V ，Ⅱ、Ⅲ类0.5V ，典型值0.25V 。”

比较标准信号4~20mA和0~20mA

4-20mA.DC(1-5V.DC)信号制是国际电工委员会(IEC):过程控制系统用模拟信号标准。我国从DDZ-Ⅲ型电动仪表开始采用这一国际标准信号制，仪表传输信号采用4-20mA.DC, 联络信号采用1-5V.DC ，即采用电流传输、电压接收的信号系统。最大电流20MA 的选择是基于:安全、实用、功耗、成本的考虑。安全火花仪表只能采用低电压、低电流；综合考虑生产现场仪表之间的连接距离，所带负载等因素；还有就是功耗及成本问题，对电子元件的要求, 供电功率的要求等因素。4-20MA 变送器两线制的居多，两线制即电源、负载串联在一起，有一公共点，而现场变送器与控制室仪表之间的信号联络及供电仅用两根电线。为什么起点信号不是0MA? 这是基于两点:1．变送器电路没有静态工作电流将无法工作，信号起点电流4mA.DC 就是变送器的静态工作电流。2．同时仪表电气零点为4mA.DC ，不与机械零点重合，这种“活零点”有利于识别断电和断线等故障。

在工业现场，用一个仪表放大器来完成信号的调理并进行长线传输，会产生以下问题：1、由于传输的信号是电压信号，传输信号就会受到噪声的干扰而不纯洁；2、传输线的电阻会产生电压降，那么接收端的信号就会产生误差；3、在现场如何提供仪表放大器的不同的工作电压也是个问题。为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，我们用电流来传输信号，因为电流对噪声并不敏感。 4～20mA 的电流环便是用4mA 表示零信号，用20mA 表示信号的满刻度，而电流最小时仍能给仪表放大器供电（0mA 不可以！）。

什么是智能仪器？智能仪器的主要特点。

智能仪器是含有微型计算机或微处理器的测量仪器，由于它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，具有一定智能的作用，因而被称作智能仪器。主要特点：仪器的功能强、性能优越、操作自动化、具有友好的人-机对话能力、具有可程控操作能力。

Protel2004的安装较为简单，它要求一般的计算机操作系统为Windows XP硬件配置：CPU P4，3GHz 或更高处理器。硬盘空间要求2GB 以上。在双击源文件中Protel DXP Setup.exe文件之后出现对话框，输入注册码之后等待安装完毕获取授权，按照对话框提示，可以很简单的进行安装。安装完成后，对该软件进行了大致的熟悉，了解了菜单栏及工具栏等，明白大概的

功能。之后对Protel 工作面板，新项目及文件的建立和保存有了一定的认识 ，再者，简单熟悉了系统参数的设置，原理图编辑器及参数的启动和设置，在这之中，清晰了编辑器界面配置、图纸参数配置、系统参数设置等。最后，对Protel2004元件库的加载进行了练习。然后根据课本的示例进行了练习，明白了在绘制原理图时应先将所需要元件一并放置所处位置后再进行连线，学会了对元件基本的操作如翻转、设值等等。通过一节课的学习，基本认识了Protel2004，希望在以下的课程中能通过理论知识和实践操作的有机结合，熟练掌握这一门课程，对今后的业务知识有一定的促进作用。

检测电磁干扰仪器强弱的名称：

1、 电波暗室 2、接收机 3、接收天线 4、人工电源网络5、功率吸收嵌转台、升降台 7、

转台、升降台控制器。

无线电范围？管制信号。

长波(包括超长波) 是指频率为300kHz 以下的无线电波。中波是指频率为300kHz ～3MHz 的无线电波。短波是指频率为3～30MHz 的无线电波。超短波是指波长为1～10m(频率为30～300MHz) 的无线电波。

1. 口述智能仪器（定义）的发展过程，要求：年代，分界点，模拟、数字、MPU 答：

定义：一般来说，智能仪器指的是含有微型计算机或者微型处理器的测量仪器，

拥有对数据的存储运算逻辑判断及自动化操作等功能。是计算机与测量仪器相结合的产物。

发展：在微处理器出现之前，电子仪器发展分为两代：第一代为50年代，出现了模拟式仪器，如指针式电压表，电流表；

第二代为60年代，出现数字式仪器，如数字电压表，数字功率计。

随着微电子技术的发展，

70年代，世界上出现了第一个微处理器芯片，并被用到仪器中，仪器前面板开始朝

键盘化方向发展，诞生独立式智能仪器，一般都配有GP-IB 通信接口。

80年代，随着个人计算机的发展，美国NIS 公司首先提出出个人仪器的概念。 80年代后期，美国HP 和泰克等五家有影响的仪器公司联合提出了适合于个人仪器系统标准

的VXI 总线标准; 同时美国国家仪器公司研制成功了虚拟仪器.

当今时代，将智能仪器接入Internet ，形成网络化仪器。

2. 有哪些标准化组织，指明全称及缩写。

答：

标准化组织可以分为国际标准化组织、区域标准化组织、行业标准化组织、国家标准化组织。

国际标准化组织：英语全称为INTERNATIONAL ORGANIGATION FOR STANDRDSIGATION，简称ISO ；

区域标准化组织：如有欧洲标准化委员会（CEN ）、欧洲电工标准化委员会（CENELEC ）、太平洋地区标准大会（ETSI ）等；

行业标准化组织：如美国电气电子工程师学会（IEEE ）、美国国防部（DOD ）以及我国国防科学技术工业委员会（GJB ）等；

国家标准化组织：如美国国家标准学会、英国标准学会、德国标准化学会、法国标准化学会、日本工业标准调查会等。

3. 了解产品标识，执行情况。

答：

产品标识是指用于识别产品极其质量、数量、特征、特性和使用方法所做的各种表示的统称。

产品标识可以用文字、符号、数字、图案以及其它说明物等表示。

产品标识是表明产品的名称、产地、质量状况等信息的表述和指示，产品标识是生产者提供的，属于明示担保的范围。

产品标识必须真实，有产品质量检验合格证明，有中文标明的产品名称、生产厂厂名和厂址。

其中电子产品大都需要经过一系列的产品认证之后才能进行上市，一般的电子产品认证有:

EMC 认证:电磁兼容标志，Electro Magnetic Compatibility

CCC 认证：中国强制性产品认证，China Compulsory Certification

CCEE 产品认证：长城标志中国电工产品认证委员会China Commission for Conformity Certification of Electrical Equipment

CCIB 认证：中国国家进出口商品检验局China Commodity Inspection Bureau

CE 认证：欧洲统一CONFORMITE EUROPEENNE

CQC 产品质量认证：中国质量认证中心

FCC ：美国联邦通信委员会

GS 认证：德国产品安全法（SGS ）为依据，按照欧盟统一标准EN 或德国工业标准DIN 进行 检测的一种自愿性认证，是欧洲市场公

认的德国安全认证标志。

4. 三种基本元件的封装。

1、标准电阻：RES1、RES2；封装：AXIAL-0.3到AXIAL-1.0

两端口可变电阻：RES3、RES4；封装：AXIAL-0.3到AXIAL-1.0

三端口可变电阻：RESISTOR TAPPED，POT1，POT2；封装：VR1-VR5

2、电容：CAP （无极性电容）、ELECTRO1或ELECTRO2（极性电容）、可变电容CAPVAR 封装：无极性电容为RAD-0.1到RAD-0.4，有极性电容为RB.2/.4到RB.5/1.0.

3、双列直插元件原理图中常用的名称为根据功能的不同而不同，引脚封装形式DIP 系列， 不如40管脚的单片机封装为DIP40。

5. 单片机主要厂家和型号

答：1.ATMEL 公司单片机：ATMEL 公司的8位单片机有AT89和AVR 两个系列。

2.Motorola 公司单片机：Motorola 公司的8位单片机有两个典型的、应用广泛的系列单片机，一个是MC68HC05系列，另一个是MC68HC08系列。

3. NS 公司的单片机：有价格最低的四位单片机MOP400系列；有性能佳且性能价格比高的8位单片机MOP800系列；

也有世界上性能最先进、速度最快的16位HPC 系列高性能单片机。

4.Microchip 公司的单片机：Microchip 公司的PIC 系列单片

5.Zilog 公司：单片机Z8系列单片机是美国Zilog 公司推出的8位高性能多用途的单片机

6.TI 公司的单片机：美国TI （Texas Instrument ，德州仪器）公司为用户提供了TMS370和MSP430两大系列通用单片机。

7.Scenix 单片机：SX 系列8位单片机

信号完整信

信号完整性是指信号在传输路径上的质量，传输路径可以是普通的金属线，可以是光学器件，也可以是其他媒质。信号具有良好的信号完整性是指当在需要的时候，具有所必需达到的电压电平数值。差的信号完整性不是由某一单一因素导致的，而是板级设计中多种因素共同引起的。

目前一般讨论的信号完整性基本上以研究数字电路为基础，研究数字电路的模拟特性。主要包含两个方面：信号的幅度(电压) 和信号时序。

与信号完整性噪声问题有关的四类噪声源：

1、单一网络的信号质量

2、多网络间的串扰

3、电源与地分配中的轨道塌陷

4、来自整个系统的电磁干扰和辐射

当电路中信号能以要求的时序、持续时间和电压幅度到达接收芯片管脚时，该电路就有很好的信号完整性。当信号不能正常响应或者信号质量不能使系统长期稳定工作时，就出现了信号完整性问题。信号完整性主要表现在延迟、反射、串扰、时序、振荡等几个方面。一般认为，当系统工作在50MHz 时，就会产生信号完整性问题，而随着系统和器件频率的不断攀升，信号完整性的问题也就愈发突出。元器件和PCB 板的参数、元器件在PCB 板上的布局、高速信号的布线等这些问题都会引起信号完整性问题，导致系统工作不稳定，甚至完全不能正常工作。 信号完整性和低功耗在

蜂窝电话设计中是特别关键的考虑因素。EP 谐波吸收装置有助三阶谐波频率轻易通过，并将失真和抖动减小至几乎检测不到的水平。 随着集成电路输出开关速度提高以及PCB 板密度增加，信号完整性已经成为高速数字PCB 设计必须关心的问题之一。元器件和PCB 板的参数、元器件在PCB 板上的布局、高速信号的布线等因素，都会引起信号完整性问题，导致系统工作不稳定，甚至完全不工作。 如何在PCB 板的设计过程中充分考虑到信号完整性的因素，并采取有效的控制措施，已经成为当今PCB 设计业界中的一个热门课题。

为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。

光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。光耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离 、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。

一、信号隔离：

其目的在于从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使测控装置与现场仅保持信号联系，而不直接发生电的联系。隔离的实质是把引进的干扰通道切断，从而达到隔离现场干扰的目的。测控装置与现场信号之间、弱电和强电之间，常用的隔离方式有光电隔离、继电器隔离、变压器隔离、隔离放大器等。另外，在布线上也应该注意隔离。

二、光电耦合器：

将发光元件和受光元件组合在一起，通过电-光-电这种转换，利用“光”这一环节完成隔离功能，使输入和输出在电气上是完全隔离的。根据受光元件的不同可分为晶体管输出型和晶闸管输出型两类。

光电耦合器具有三个特点：①信号传递采取电-光-电的形式，发光部分和受光部分不接触，能够避免输出端对输入端可能产生的反馈和干扰，②抑制噪声干扰能力强；③具有耐用、可靠性高和速度快等优点，响应时间一般为数 以内，高速型光电耦合器的响应时间有的甚至小于10ns 。

三、固态继电器:

固态继电器按使用场合可以分为交流型(AC-SSR) 和直流型(DC-SSR)两类，它们分别在交流或直流电源上做负载的开关，不能混用。

四、隔离放大器：

为完成地线隔离，将放大器加上静电和电磁屏蔽浮置起来，这种放大器叫隔离放大器，或叫隔离器，其输入和输出电路与电源没有直接的电路耦合关系。常用的隔离放大器有Analog Devices公司的AD277J 、AD202、AD204、AD289、AD290、AD210、AD281等。

五、线性光电隔 离放大器：

利用发光二极管的光反向送回输入端，正向送至输出端，从而提高了放大器的精度和线性度。放大器的输入端和输出端是用光隔离的，所以不存在电气连接。常见的线性光电隔离放大器有Burr-Brown 公司的ISO100、3650和3652。

晶振是电路中常用用的时钟元件, 全称是叫晶体震荡器，在单片机系统里晶振的作用非常大，他结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振的提供的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快。

晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO ）。

晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。

晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。 下面我就具体的介绍一下晶振的作用以及原理，晶振一般采用如图1a 的电容三端式(考毕兹) 交流等效振荡电路；实际的晶振交流等效电路如图1b ，其中Cv 是用来调节振荡频率，一般用变容二极管加上不同的反偏电压来实现，这也是压控作用的机理；把晶体的等效电路代替晶体后如图1c 。其中Co ，C1，L1，RR 是晶体的等效电路。

晶振电路图

分析整个振荡槽路可知，利用Cv 来改变频率是有限的：决定振荡频率的整个槽路电容C=Cbe,Cce,Cv三个电容串联后和Co 并联再和C1串联。可以看出：C1越小，Co 越大，Cv 变化时对整个槽路电容的作用就越小。因而能“压控”的频率范围也越小。实际上，由于C1很小(1E-15量级) ，Co 不能忽略(1E-12量级，几PF) 。所以，Cv 变大时，降低槽路频率的作用越来越小，Cv 变小时，升高槽路频率的作用却越来越大。这一方面引起压控特性的非线性，压控范围越大，非线性就越厉害；另一方面，分给振荡的反馈电压(Cbe上的电压) 却越来越小，最后导致停振。通过晶振的原理图你应该大致了解了晶振的作用以及工作过程了吧。采用泛音次数越高的晶振，其等效电容C1就越小；因此频率的变化范围也就越小。

微控制器的时钟源可以分为两类：基于机械谐振器件的时钟源，如晶振、陶瓷谐振槽路；RC （电阻、电容）振荡器。一种是皮尔斯振荡器配置，适用于晶振和陶瓷谐振槽路。另一种为简单的分立RC 振荡器。

用万用表测量晶体振荡器是否工作的方法：测量两个引脚电压是否是芯片工作电压的一半，比如工作电压是51单片机的+5V则是否是2.5V 左右。另外如果用镊子碰晶体另外一个脚，这个电压有明显变化，证明是起振了的。

晶振的类型有SMD 和DIP 型，即贴片和插脚型 。

先说DIP ：常用尺寸有HC-49U/T，HC-49S ，UM-1，UM-5，这些都是MHZ 单位的。

再说SMD ：有0705，0603，0503，0302，这里面又分四个焊点和二个焊点的。不过越小越贵, 而且很小的话，做不出频率较高的晶振。

晶振作用：给单片机正常工作提供稳定的时钟信号。原理：在石英晶体的两个极板上加一个电场，晶片会产生机械变形，对极板施加机械力使其变形，又会在极板上产生相应的电荷，这叫压电效应。如果在两个极板上加上交变的电压，晶片便会产生机械变形震荡，同时这种机械震荡还会产生交变的电场（比较的微小）但是当外加交变的电压的频率与晶片固有的频率（由其形状和尺寸决定）相等时，机械振动的幅度会加剧，产生交变电场也增大。叫做压电谐波。

SPI 总线是Motorola 公司推出的三线同步接口，同步串行3线方式进行通信:一条时钟线SCK ，一条数据输入线MOSI ，一条数据输出线MISO; 用于CPU 与各种外围器件进行全双工、同步串行通讯。SPI 主要特点有:可以同时发出和接收串行数据; 可以当作主机或从机工作; 提供频率可编程时钟; 发送结束中断标志; 写冲突保护; 总线竞争保护等。

当电路中激励的频率等于电路的固有频率时，电路的电磁振荡的振幅也将达到峰值。实际上，共振和谐振表达的是同样一种现象。这种具有相同实质的现象在不同的领域里有不同的叫法而已。

由电感L 和电容C 组成的，可以在一个或若干个频率上发生谐振现象的电路，统称为谐振电路。在电子和无线电工程中，经常要从许多电信号中选取出我们所需要的电信号，而同时把我们不需要的电信号加以抑制或滤出，为此就需要有一个选择电路，即谐振电路。另一方面，在电力工程中，有可能由于电路中出现谐振而产生某些危害，例如过电压或过电流。所以，对谐振电路的研究，无论是从利用方面，或是从限制其危害方面来看，都有重要意义。

电路中的谐振有线性谐振、非线性谐振和参量谐振。前者是发生在线性时不变无源电路中的谐振，以串联谐振电路中的谐振为典型。非线性谐振发生在含有非线性元件电路内。由铁心线圈和线性电容器串联（或并联）而成的电路（习称铁磁谐振电路 ）就能发生非线性谐振 。在正弦激励作用下，电路内会出现基波谐振、高次谐波谐振、分谐波谐振以及电流（或电压）的振幅和相位跳变的现象。这些现象统称铁磁谐振。参量谐振是发生在含时变元件电路内的谐振。一个凸极同步发电机带有容性负载的电路内就可能发生参量谐振。

所谓谐振，按电路理论，它是正弦电压加在理想的(无寄生电阻) 电感或电容串联电路上。当正弦频率为某一值时，容抗与感抗相等，电路的阻抗为零，电路电流达到无穷大；如果正弦电压加在电感和电容并联电路上，当正弦电压频率为某一值时，电路的总导纳(导纳是阻抗的倒数) 为零, 电感、电容元件上电压为无穷大。前者称为串联谐振，后者称为并联谐振。

谐振电路

由电感L 和电容C 组成的，可以在一个或若干个频率上发生谐振现象的电路，统称为谐振电路。在电子和无线电工程中，经常要从许多电信号中选取出我们所需要的电信号，而同时把我们不需要的电信号加以抑制或滤出，为此就需要有一个选择电路，即谐振电路。另一方面，在电力工程中，有可能由于电路中出现谐振而产生某些危害，例如过电压或过电流。所以，对谐振电路的研究，无论是从利用方面，或是从限制其危害方面来看，都有重要意义。

§9.1 串联谐振的电路

一． 谐振与谐振条件

二． 电路的固有谐振频率

三． 谐振阻抗，特征阻抗与品质因数

一．谐振与谐振条件

由电感L 和电容C 串联而组成的谐振电路称为串联谐振电路，如图9-1-1所示。其中R 为电路的总电阻，即R=RL+RC，RL 和RC 分别为电感元件与电容元件的电阻；Us 为电压源电压，ω为电源角频率。该电路的输入阻抗为

其中X=ωL-1/ωC 。故得Z 的模和幅角分别为

由式（9-1-2）可见，当X=ωL-1/ωC=0时，即有φ=0，即Xl 与Xc 相同。此时我们就说电路发生了谐振。而电路达到谐振的条件即为

X=ωL-1/ωC=0 （9-1-3）

图9-1-1 串联谐振电路

演示器

二．电路的固有谐振频率

由式（9-1-3）可得

ω0称为电路的固有，简称谐振角频率，因为它只由电路本身的参数L ，C 所决定。电路的谐振频率则为X=1/2π√LC

三．谐振阻抗，特征阻抗与品质因数

电路在谐振时的输入阻抗称为谐振阻抗，用Z0表示。由于谐振时的电抗X=0，故由式（9-1-1）得谐振阻抗为

Z0=R

可见Z0为纯电阻，其值为最小。

谐振时的感抗XL0和容抗XC0称为电路的特征阻抗，用ρ表示。即

可见ρ只与电路参数L ，C 有关，而与ω无关，且有XL0=XC0。

品质因数用Q 表示，定义为特征阻抗ρ与电路的总电阻R 之比，即

Q=ρ/R=XL0/R=XC0/R

在电子工程中，Q 值一般在10-500之间。由上式可得

ρ=XL0=XC0=QR

故可得谐振阻抗的又一表示式为

Z0=R=ρ/Q

在电路分析中一般多采用电路元件的品质因数。电感元件与电容元件的品质因数分别定义为

即电路的品质因数Q ，实际上可认为就是电感元件的品质因数QL 。以后若提到品质因数Q ，今指QL 。

四． 谐振时电路的特性

谐振电路在谐振时的特性有

1． 谐振阻抗Z0为纯电阻，其值为最小，即Z0=R。

2． 电流与电源电压同相位，即φ=ψu-ψi=0。

3． 电流的模达到最大值，即I=I0=US/R0 ，I0称为谐振电流。

4． L和C 两端均可能出现高电压，即

UL0=I0XL0=US/R XL0=QUS

UC0=I0XC0=US/R XC0=QUS

可见当Q?1时，即有UL0=UCO?US，故串联谐振又称为电压谐振。这种出现高电压的现象，在无线电和电子工程中极为有用，但在电力工程中却表现为有害，应予以防止。

由上两式，我们又可得到Q 的另一表示式和物理意义，即

Q=UL0/US=UC0/US

5． 谐振时电路的向量图如图9-1-2所示。由图可见，L 和C 两端的电压大小相等，相位相反，互相抵消了。故有 。

五． 电路的频率特性

电路的各物理量随电源频率ω而变化的函数关系称为电路的频率特性。研究电路频率特性的目的在于进一步研究谐振电路的选择性与通频带问题。

1．阻抗的模频特性与相频特性 电路的感抗XL ，容抗XC ，电抗X ，阻抗的模 分别为

它们的频率特性如图9-1-3(a)所示，统称为阻抗的模频特性。由图可见，当ω=0时， ，当00，电路呈感性；当ω→∞时， 。

阻抗的相频特性就是阻抗角φ随ω变化关系，即

当ω=0时，φ=-π/2；当ω=ω0时，φ=0；当ω=∞时，φ=π/2。其曲线如图9-1-3(b)所示，称为相位频率特性。

2．电流频率特性

当ω=0时，I=0；当ω=ω0时，I=I0=US/R；当ω=∞时，I=0。其曲线如图9-1-3（c ）所示，称为电流频率特性

3 ．电压频率特性 电容和电感电压的有效值分别为

UC=I/ωC

UL=IωL

由于在电子工程中总是Q?1，ω0很高，且ω又是在ω0附近变化，故有1/ωC≈1/ω0C ，ωL≈ω0L 。故上两式可写为

UC=UL≈I/ω0C=Iω0L

即UC 和UL 均近似与电流I 成正比。UC ，UL 的频率特性与电流I 的频率特性相似，如图9-1-3(d)所示。图中UL0=UCO=I0X=I0XC0。

电路图

六．选择性与通频带

4. 相对频率特性

由式（9-1-5）看出，电流I 不仅与R ，L ，C 有关，且与US 有关，这就使我们难以确切的比较电路参数对电路频率特性曲线的影响。为此我们来研究对相对电流频率特性。

上式描述的相对电流值I/I0与ω/ω0（或f/f0）的函数关系，即为相对电流频率特性。可见上式右端与US 无关，其频率特性如图9-1-4所示。

图9-1-4 相对频率特性

5．Q 值与频率特性的关系

根据式（9-1-6）可画出不同Q 值时的相对电流频率特性曲线，如图9-1-5所示。从图中看出，Q 值高，曲线就尖锐；Q 值低，曲线就平坦。即曲线的锐度；与Q 值成正比。

图9-1-5 Q值与频率特性的关系

六．选择性与通频带

1．选择性

谐振电路的选择性就是选择有用的电信号的能力。如图9-1-6所示，当R ，L ，C 串联电路中接入许多不同频率的电压信号时，今如调节电路的固有谐振频率 ω0（在此是调节电容C ），就能使我们所需要的频率信号（例如ω2）与电路达到谐振，即使ω0=ω2，从而电路中的 电流达到最大值（谐振电流），当电路的Q 值很高时，从C 两端（或L 两端）输出的电压UC （或UL ）也就最大；而我们不需要的电信号（例如ω1和ω3的电压）在电路中产生的电流很小，其输出电压当然也小。这就达到了选择有用电信号ω2的目的。显然，电路的Q 值越高，频率特性就越尖锐，因而选择性也就越好。

图9-1-6 串联谐振电路的选择性

2．通频带

（1）. 定义：当电源的ω（或f ）变化时，使电流 （或使 ）的频率范围称为电路的通频带，如图9-1-7所示。通频带用Δω或Δf 表示，即

ω=ω2-ω1

或 f=f2-f1

（2） .计算公式

可见，Δω（或Δf ）与Q 值成反比，亦即与选择性相矛盾。

定义相对通频带为

Δω/ω0=Δf/f0=1/Q

图9-1-7 电路通频带的定义

（3）. 半功率点频率

我们称f1（或ω1）为下边界频率，f2（或ω2）为上边界频率。由于谐振时电路中消耗的功率为P0=I02R，而在f1和f2时，电路中消耗的功率 。可见在上，下边界频率f1和f2处，电路中消耗的功率是等于P0的一半，故又称上，下边界频率为半功率点频率。

在正弦激励下对于同时含有L 和C 的一段无源电路，如果它的入端电压和入端电流同相位，则称这样一种特定的电路工作状态为谐振。 通常把电压超前电流的正弦交流电路称为感性电路，这时电路吸收的无功功率反映了外电源和电路之间磁场能量交换的速率。反之，如果电压滞后电流则无功功率反映的是外电源和电路之间电场能量交换的速率，电路呈容性。在谐振状态下，电压与电流同相位，无功功率为零，表明电路和外电源之间没有电场能或磁场能的交换。当然，这并不是说电路中不含电场能或磁场能，只是表明，在揩振时，电路L 中的磁场能和C 中的电场能恰好自成系统，在电路内部进行交换。

编辑本段谐振解析

特点

谐振电路都有一个特点，容抗等于感抗，电路呈阻性：

那么就有ωL=1/ωC

因为LC 都是有知条件，那么可以把谐振的频率点算出来。

品质因数Q=ωL/R，所谓品质因数如果为28, 那么并联的谐振电路就是电流增大了28倍; 如果是串联的谐振电路, 那么就是电压增加了28倍。

那么现在串联谐振点下的电压为施加的电压乘以品质因数。

如果已知条件告诉你的施加电压为峰值, 那么就直接相乘; 如果已知条件告诉你的施加电压为有效值, 那么还需要将算出来的电压再乘以1.414得出峰值。 补充回答

：

你想想看，因为有个前提条件ωL=1/ωC

品质因数Q=ωL/R，我考虑了电感，那么电容不是也考虑进去了吗？ 首先你要清楚串联谐振实际应用中会用到哪些设备：

要谐振，当然要满足ωL=1/ωC ，这其中我们可以改变三个参数来实现谐振，电容C 电感L 和频率ω ，那么现实应用中被试品是电容，电容的大小是固定的，我们可以通过串并联电容改变电容的大小，但很麻烦；那么我们可以改变电感L ，以前也使用过可调电感，但实际应用很不方便，体积也比较庞大，所以后来使用最多的也就是改变频率，也就是调频电源。

谐振回路中首先将电源接至可调电源，由可调电源输入电压到励磁变压器的二次端，由励磁变压器变压到一次高压再串联电感，将电感的另一头接到被试品上。这里品质因数Q 增大电压的倍数指的是实际加到被试品上的电压也就是电感另一头的电压除以励磁变的高压侧电压。

谐振变压器当然也会饱和，励磁变就是一个变压器，只要是个变压器它就存在铁芯饱和问题，我们实际应用中要计算一下这个变压器的额定电流，看看会不会超过实际容量。如果超过了电感或者励磁变的额定电流就不光是饱和的问题了，就存在损坏试验设备的问题了。

如被试品的电容是0.24μF ，电感是500H ，励磁变的一次额定电流为2A ，电感的额定电流也是2A ，那么我们算一下，ωL=1/ωC ，那么谐振频率就是91.28HZ ，算一下，如果我在被试品上加17.4KV 电压，那么一次电流就等于

I=ωCU=2πf CU=2*3.14*91.28*0.24*0.000001*17400=2.39A

这个时候电流就超过了试验设备的额定电流，这个时候我们可以算一下，再串联一个同样的电感，电感变为1000H ，谐振频率变为64.55HZ ，一次电流就变为1.69A 就可以了。

我们实际应用中如果电流肯定大于2A ，那么一般我们可以这样做，再并联一个电抗器，这个时候电抗器就可以承受4A ，当然电感也变小一倍，再将励磁变的一次电流改为4A 的。（励磁变的一次电流是可以通过串并联绕组改变的）这个时候如果谐振频率不能达到你的要求，可以并联电容等等方法来实现。§12－3 谐振电路含有电感、电容和电阻元件的单口网络，在某些工作频率上，出现端口电压和电流波形相位相同的情况时，称电路发生谐振。能发生谐振的电路，称为

谐振电路。谐振电路在电子和通信工程中得到广泛应用。本节讨论最基本的RLC 串联和并联谐振电路谐振时的特性。一、RLC 串联谐振电路

图12－15(a)表示RLC 串联谐振电路，图12－15(b)是它的相量模型，由此求出驱动点阻抗为

用公式表示

Z=R+j(XL-XC) 其中，Z 为阻抗，R 为电阻，XL-XC=X为感抗+容抗=电抗。从公式中间可以清晰的看出：当感抗XL 与容抗XC 相等的时候，Z 中间只包含实分量R ，即纯电阻。此时即为谐振。

编辑本段谐振子

把振动物体看作不考虑体积的微粒（或质点，点电荷）的时候，该振动物体就叫谐振子。

所谓谐振，在运动学就是简谐振动，该振动是物体在一个位置附近往复偏离该振动中心位置（即平衡位置）进行运动，在这个振动形式下，物体受力的大小总是和他偏离平衡位置的距离成正比，并且受力方向总是指向平衡位置。

电学谐振指的是电磁学物理量的强度在一个中值上下进行波动，也是类似运动学的谐振。

振动是粒子运动的另一种形式，谐振子（harmonic oscillator) 的振动，是最简单的理想振动模型。这里将把定态薛定谔方程应用于一维谐振子和三维谐振子系统，求解得到其波函数和能量。

编辑本段谐振器

石英晶体谐振器[1]

1. 概念

石英晶体谐振器

石英晶体谐振器又称为石英晶体，俗称晶振. 是利用石英晶体的压电效应而制成的谐振元件。与半导体器件和阻容元件一起使用，便可构成石英晶体振荡器。石英晶振电路在51系列单片机中应用广泛。

压电效应

对某些电介质施加机械力而引起它们内部正负电荷中心相对位移，产生极化，从而导致介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。在一定应力范围内，机械力与电荷呈线性可逆关系。这种现象称为压电效应。

作用：提供系统振荡脉冲，稳定频率，选择频率。

2. 主要参数

a. 标称频率：在规定条件下, 晶振的谐振中心频率。

b. 调整频差：在规定条件下, 基准温度时的工作频率相对标称频率的最大偏离值.(ppm) 。

c. 温度频差：在规定条件下, 在整个工作温度范围内, 相对于基准温度时工作频率的允许偏离值。

d. 负载谐振电阻：晶振与指定外部电容相串联, 在负载谐振频率时的电阻值。 e. 负载电容： 是指与晶振一起决定负载谐振频率的有效外界电容。常用标准值有:12pF 、 16pF 、 20pF 、 30pF。

谐振器就起谐振的作用. 它能和容性或感性负载一起呈纯阻性作用。

第八章

1. 智能仪器的设计原则

答：（1）从整体到局部的原则：在进行仪器的软硬件设计时，应遵循从整体到局部，也就是“自上向下”的设计原则。也是就说，把复杂的、难处理的问题，分为若干个较简单、容易处理的问题，然后再逐个地加以解决。开始设计时，设计人员根据仪器功能和设计要求提出仪器设计的总任务，然后将总任务分解成一批相互独立的子任务。这些子任务还可以再细分，直到每个子任务足够简单，可以容易地实现为上。子任务完成后，将所有的结果汇总起来，必要时做些调整，即可完成整体设计任务。（2）软件、硬件协调原则：智能仪器的硬件和软件各有特点 ，使用硬件，可以提高仪器的工作速度，减轻软件编程任务，。但仪器成本增加，结构较复杂，出现故障的机会增多。一般的原则是，如果仪器的生产批量较大，应该尽可能压缩硬件投入，用“以软代硬”的办法降低生产成本。此外，凡简单的硬件电路能解决的问题不必用复杂的软件取代；反之，简单的软件能完成的任务也不必去设计复杂的硬件。（3）开放式与组合化设计原则：针对不同的用户系统要求，选用相应的功能组成用户应用系统。系统设计者将主要精力放在分析设计目标，确定总体结构，选择系统配件，解决专用软件的开发设计等方面，而不是放在功能模块设计上。

2. 智能仪器研制步骤：

答：（1）确定设计任务、拟定设计方案：根据仪器要实现的目标，编写设计任务书。在设计任务书中，明确仪器应该实现的功能、需要完成的测量任务；被测量的类型、变化范围，输入信号的通道数；测量速度、精度、分辨率、衰减 测量结果的输出方式及显示方式；输出接口的设置。设计任务确定后，拟定设计方案。其实就是对设计任务的具体化。（2）硬件和软件的设计：包括硬件电路的设计和软件设计。（3）系统调试和性能测试。

3什么是软件的自顶向下的设计法？

答：“自顶向下”设计，概括地说，就是从整体到局部再到细节，即把整体任务分成一个个子任务，子任务再分成子子任务，这样一层一层地分下去，直到最底层的每一个任务都能单独处理为止。

4. 软件的模块化设计法就遵循的基本原则是什么？

答：（1）保证模块的独立性，即一个模块内部的改动不应影响。两个模块的之间避免互相任意和互相任意转移和互相修改。模块只能有一个入口和一个出口。（2）模块不宜划分得过大、过小。（3）对每一模块应做出具体定义，定义包括解决问题的算法、允许的输入、输入值范围等。（4）简单的任务不必模块化。

5. 结构化程序设计法中采用的三种基本程序结构是什么？

答：1) 顺序结构：顺序结构是一种线性、有序的结构，它依次执行各语句模块。2) 循环结构：循环结构是重复执行一个或几个模块，直到满足某一条件为止。3) 选择结构：选择结构是根据条件成立与否选择程序执行的通路。 采用结构化程序设计方法，程序结构清晰，易于阅读、测试、排错和修改。由于每个模块执行单一功能，模块间联系较少，使程序编制比过去更简单，程序更可靠，而且增加了可维护性，每个模块可以独立编制、测试。

6. 智能仪器的软件主要包括哪些部分？

答：通常由监控程序、中断程序、测量控制程序、数据处理程序和通信程序等组成。

7．监控程序的主要任务是什么？

答：（1）键盘与显示器管理：分析、处理键状态并转入相应的键服务，不断地刷新显示器。

(2)中断管理：接收各类中断请求信号，区分优先级，并转入相应的中断服务程序。（3）故障自诊断：利用自诊断程序确定系统是否有故障以及故障的内容和位置。（4）初始化管理：为监控程序运行作好准备。

8. 设计键盘管理程序的选择结构法与转移表法有什么不同？

答：

9. 如何应用转移表法设计一键多义的键盘管理程序？

答：一键多义的键盘管理程序仍可采用转移表法进行设计，只是此时需要用多张转移表。组成一条命令的前几个按键起着引导的作用，把控制引向某张合适的转移表，最后一个按键的键值才将控制转移到相应的命令处理程序入口地址。

10. 应用状态分析法设计键盘管理智育的步骤是什么？

答：（1）建立键盘状态图；（2）建立状态表；（3）将状态表转换为仪器可操作形式（4）键盘管理程序的设计。

11. 智能仪器的调试过程是什么？

答：调试一般包括:硬件静态高度、软件调试、动态在线调试。

12. 如何实现智能仪器的硬件静态调试及软件调试？

答：硬件静态调试：通常先排除明显的硬件故障，之后再和测试软件结合起来调试。一般分

为两步静态调试和动态调试。 软件调试:从不需要调用其他子程序的最初级子程序调试入手然后逐次向上一级模块程序调试扩展 最后是监控程序调试。可以利用软件模拟开发系统进行。

13. 为什么要对智能仪器进行动态在线调试？如何应用开发系统进行动态在线调试？

答：（1）智能仪器硬件电路的静态调试只是初步调试，排除了明显的静态故障。由于智能仪器的软件和硬件密切相关，对硬件电路故障的检查和诊断、应用软件调试等必须在联机状态下进行。动态在线调试一般借助于仿真开发工具完成，一般把仿真开发工具称为开发系统。

（2）对样机进行动态在线调试时，拔掉样机的单片机IC 插头插入单片机插座的位置。由于在线仿真器是在开发系统控制下工作的，因此，可以利用开发系统丰富的硬件和软件资源对样机系统进行研制和调试。在线仿真器还具有一种往回追踪的功能，能够存储指定的一段时间内总线信号。这样通过检查出现错误之前的各种状态信息，很容易找到故障的原因。