2025年机电接口技术试题及答案

2025年机电接口技术试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.以下哪种信号转换属于机电接口中典型的“非电-电”转换？A.0-5V电压信号转4-20mA电流信号B.热电偶温度信号转数字量信号C.单片机输出PWM信号转直流电机转速D.编码器脉冲信号转位置数字量2.RS-485总线在无中继情况下，最大传输距离（标准负载）约为：A.100mB.500mC.1200mD.2000m3.以下关于I2C总线的描述，错误的是：A.采用两线制（SCL、SDA）B.支持多主设备仲裁C.数据传输速率最高可达10MbpsD.每个从设备需分配唯一7位或10位地址4.步进电机驱动接口中，“细分驱动”的主要目的是：A.提高电机最高转速B.降低电机发热C.减小步距角，提高定位精度D.增强抗干扰能力5.在模数转换（A/D）过程中，“孔径时间”主要影响：A.转换分辨率B.转换速度C.采样信号的准确性D.量化误差6.以下哪种传感器接口需要恒流源供电？A.压阻式压力传感器（桥式结构）B.电感式接近开关C.红外温度传感器（热电堆型）D.铂电阻温度传感器（Pt100）7.CAN总线的“显性位”和“隐性位”对应电平状态为：A.显性位为差分高（约2V），隐性位为差分低（约0V）B.显性位为逻辑0，隐性位为逻辑1C.显性位为单端高电平，隐性位为单端低电平D.显性位需总线所有节点同时发送高电平8.为抑制数字电路对模拟电路的干扰，机电接口设计中常用的隔离技术不包括：A.光电耦合隔离B.变压器隔离C.电容隔离D.磁珠隔离9.工业机器人关节伺服电机的编码器接口，最可能采用的通信协议是：A.ModbusRTUB.EnDat2.2C.UARTD.SPI10.以下关于USB-C接口的描述，正确的是：A.仅支持USB3.1及以上协议B.最多支持40Gbps数据传输速率C.不支持电源传输（PD）功能D.物理接口为非对称设计，不可正反插二、填空题（每空2分，共20分）1.机电接口按功能可分为________接口、________接口和________接口三类（按信号流向填写）。2.典型的模拟量输入接口电路通常包括________、________、________和A/D转换模块。3.CANFD（CANFlexibleDataRate）相比传统CAN总线，主要改进是________和________。4.步进电机驱动电路中，H桥驱动芯片的死区时间设置是为了防止________。三、简答题（每题8分，共40分）1.简述D/A转换器（数模转换）的基本工作原理及主要技术指标。2.对比RS-232与RS-485总线的电气特性差异（至少列出4点）。3.说明光电耦合器在机电接口中的隔离作用，并举2例应用场景。4.分析编码器（增量式）接口中“AB相正交信号”的作用及辨向原理。5.列举3种工业现场常见的干扰类型，并说明机电接口设计中抑制干扰的3种具体措施。四、分析设计题（每题10分，共20分）1.设计一个基于STM32单片机的直流电机调速系统接口电路，要求：（1）输入为0-5V模拟电压信号（速度给定）；（2）输出为PWM信号驱动H桥电路；（3）包含过流保护功能；（4）画出简化电路图并标注关键元件（如运放、光耦、电流采样电阻等）。2.某工业现场需将4台温度传感器（PT100，三线制）接入PLC的模拟量输入模块，已知传感器输出为电阻信号（0-100℃对应100-138.5Ω），PLC模块支持4-20mA电流输入。请设计信号转换接口电路，要求：（1）说明PT100三线制接法的抗干扰原理；（2）设计恒流源电路（建议采用集成运放）；（3）推导电阻-电压转换公式（假设恒流源电流为I）；（4）设计电压-电流转换电路（输出4-20mA）。答案一、单项选择题1.B（热电偶将温度（非电）转换为热电势（电信号））2.C（RS-485标准负载下最大传输距离约1200m）3.C（I2C高速模式最高速率为3.4Mbps，10Mbps为高速I2C扩展模式）4.C（细分驱动通过将步距角细分，提高定位精度）5.C（孔径时间指采样开关闭合到A/D转换开始的时间，过长会导致信号变化，影响采样准确性）6.D（Pt100需恒流源供电以避免自热误差，通过测量电压计算电阻）7.B（CAN总线中显性位为逻辑0（差分电压约2V），隐性位为逻辑1（差分电压约0V））8.D（磁珠用于抑制高频噪声，属于滤波技术，非隔离）9.B（EnDat2.2是高精度编码器专用协议，支持高速数据传输）10.B（USB-C支持USB4，最高40Gbps，支持PD快充，可正反插）二、填空题1.传感器（输入）、执行器（输出）、通信（双向）2.信号调理（滤波/放大）、隔离（可选）、线性化（或冷端补偿等）3.数据场速率提升（最高5Mbps）、数据长度扩展（最大64字节）4.上下桥臂晶体管同时导通（短路）三、简答题1.原理：D/A转换器将数字量（二进制代码）转换为与数字量成正比的模拟量（电压或电流）。核心是电阻网络（如R-2R梯形网络），通过基准电压和模拟开关控制各权位电流叠加。技术指标：分辨率（最小输出增量，如12位对应1/4096）、转换精度（实际输出与理论值的误差）、建立时间（数字输入变化到输出稳定的时间）、线性度（实际输出与理想直线的偏离）。2.差异：（1）电气标准：RS-232为单端非平衡传输（信号地为参考），RS-485为差分平衡传输（信号以双绞线差分对传输）；（2）传输距离：RS-232约15m，RS-485约1200m；（3）节点数：RS-232为点对点，RS-485支持多节点（最多32个）；（4）抗干扰：RS-232易受共模干扰，RS-485差分传输抑制共模噪声；（5）电平范围：RS-232为-15V~+15V（逻辑0：+3~+15V，逻辑1：-3~-15V），RS-485为差分电压（显性0：2V~6V，隐性1：-6V~-2V）。3.隔离作用：光电耦合器通过光信号传递信息，实现输入侧与输出侧的电气隔离，阻断共模干扰、地电位差干扰的传递路径，提高系统可靠性。应用场景：（1）单片机数字输出与强电执行器（如继电器、电机驱动）的隔离，防止强电反灌损坏MCU；（2）工业现场传感器信号（如4-20mA）与PLC模拟输入模块的隔离，抑制现场电磁干扰。4.作用：AB相正交信号（相位差90°）用于确定编码器旋转方向及测量转速/位置。辨向原理：当电机正转时，A相超前B相90°；反转时，B相超前A相90°。通过比较A、B相的边沿顺序（如A相上升沿时检测B相电平）可判断方向。例如，A相上升沿时B相为高电平则正转，低电平则反转。5.干扰类型：（1）电磁辐射干扰（如变频器、电机产生的高频电磁波）；（2）地电位差干扰（不同设备接地点电位不一致，产生共模电压）；（3）传导干扰（通过电源线、信号线耦合的高频噪声）；（4）静电放电（ESD）干扰（人体或设备积累的静电荷放电）。抑制措施：（1）屏蔽与接地：传感器信号线采用屏蔽双绞线，屏蔽层单点接地，减少电磁辐射干扰；（2）隔离设计：使用光电耦合器或隔离型DC-DC电源，阻断地电位差传导；（3）滤波电路：在模拟信号输入端加RC低通滤波器（如截止频率100Hz），抑制高频噪声；（4）软件滤波：对A/D采样值进行滑动平均或中值滤波，消除随机干扰；（5）ESD保护：在接口电路加TVS（瞬态抑制二极管），钳位瞬时高压。四、分析设计题1.直流电机调速系统接口电路设计：（1）输入调理：0-5V模拟电压经运放跟随器（如LM358）缓冲，提高输入阻抗；（2）A/D转换：STM32的ADC模块（12位，0-3.3V）采样，需通过电阻分压（如5V经R1=2kΩ、R2=3kΩ分压至3.3V）；（3）PWM提供：STM32定时器输出PWM（频率10-20kHz，避免电机噪声），占空比由采样值计算（如5V对应100%占空比）；（4）H桥驱动：PWM信号经光耦（如6N137）隔离后驱动H桥芯片（如L298N或DRV8871），H桥输出接电机；（5）过流保护：在H桥低边串接小电阻（如0.1Ω）采样电流，经运放（如LM324）放大后输入STM32的ADC，当电流超过阈值（如2A）时关闭PWM输出。简化电路图：[0-5V输入]→[运放跟随器]→[分压电阻]→[STM32ADC]→[定时器PWM]→[光耦]→[H桥驱动芯片]→[电机]↑[电流采样电阻（0.1Ω）]→[运放放大]→[STM32ADC（过流检测）]2.PT100温度传感器接口设计：（1）三线制抗干扰原理：PT100的三根引线中，两根为激励电流线（R1、R3），一根为电压检测线（R2）。由于R1和R3的引线电阻（r1、r3）串联在电流回路中，而电压检测仅采集PT100本身的电压（U=I(R_pt100+r1+r3)I(r1+r3)=IR_pt100），通过三线制抵消引线电阻的影响（假设r1=r3）。（2）恒流源电路：采用运放（如OP07）构成电压控制电流源。参考电压Vref（如2.5V）加至运放同相端，反相端通过采样电阻Rs（如1kΩ）接地，输出经晶体管（如2N3904）驱动PT100。恒流值I=Vref/Rs（如2.5V/1kΩ=2.5mA）。（3）电阻-电压转换公式：PT100电压U_pt=IR_pt100（R_pt100=100~138.5Ω），则U_pt=2.5mAR_pt100=0.25~0.346V（对应0-100℃）。（4）电压-电流转换电路：采用运放（如AD620）构