測控電路課件第三章

1、第三章第三章. 信號調(diào)制解調(diào)電路信號調(diào)制解調(diào)電路 調(diào)制解調(diào)的功用與類型 調(diào)幅式測量電路 調(diào)相式測量電路 調(diào)頻式測量電路脈沖調(diào)制式測量電路調(diào)制解調(diào)的功用與類型調(diào)制解調(diào)的功用與類型1.在測控系統(tǒng)中為什么要采用信號調(diào)制？在測控系統(tǒng)中為什么要采用信號調(diào)制？ 在測控系統(tǒng)中，進入測控電路的除了傳感器輸出的測量信號外，還往往有各種噪聲。而傳感器的輸出信號一般又很微弱，將測量信號從含有噪聲的信號中分離出來是測控電路的一項重要任務。為了便于區(qū)別信號與噪聲，往往給測量信號賦予一定特征，這就是調(diào)制的主要功用。調(diào)制還有利于減小漂移的影響，是提高測控系統(tǒng)精度的重要手段。 3. 信號調(diào)制解調(diào)電路信號調(diào)制解調(diào)電路調(diào)制解調(diào)的

2、應用調(diào)制解調(diào)的應用n 首先最先應用于通信（包括電視、廣播）中。首先最先應用于通信（包括電視、廣播）中。在通信中有許多路信號需要傳輸，為了使它在通信中有許多路信號需要傳輸，為了使它們得以互相區(qū)別，需要賦以不同的特征，例們得以互相區(qū)別，需要賦以不同的特征，例如如選用不同頻率的載波信號選用不同頻率的載波信號，從而讓不同路，從而讓不同路信號占有不同的頻段。信號占有不同的頻段。n 測量中噪聲含有各種頻率（近乎白噪聲），測量中噪聲含有各種頻率（近乎白噪聲），這時賦以測量信號一個特定載波，這時賦以測量信號一個特定載波，只讓以載只讓以載波為中心的一個很窄的頻帶內(nèi)的信號通過波為中心的一個很窄的頻帶內(nèi)的信號通過，

3、可有效抑制噪聲，減小噪聲影響?？捎行б种圃肼?，減小噪聲影響。調(diào)制解調(diào)的功用與類型(1) 什么是信號調(diào)制？什么是信號調(diào)制？調(diào)制調(diào)制(Modulation)就是用一個信號（稱為調(diào)制信號, modulating signal ）去控制另一個做為載體的信號（稱為載波信號carrying signal ），讓后者的某一特征參數(shù)按前者變化。 (2) 什么是解調(diào)？什么是解調(diào)？從已經(jīng)調(diào)制的信號（稱為已調(diào)信號，modulated signal）中提取反映被測量值的測量信號，稱為解調(diào)解調(diào)(Demodulation) 。 3. 信號調(diào)制解調(diào)電路信號調(diào)制解調(diào)電路調(diào)制解調(diào)的功用與類型調(diào)制解調(diào)的功用與類型(3) 在測控系

4、統(tǒng)中常用的調(diào)制方法有哪幾種？在測控系統(tǒng)中常用的調(diào)制方法有哪幾種？ 在信號調(diào)制中常以一個高頻正弦信號作為載波信號。一個正弦信號有幅值、頻率、相位三個參數(shù)，可以對這三個參數(shù)進行調(diào)制，分別稱為調(diào)幅調(diào)幅(Amplitude modulation)、調(diào)頻、調(diào)頻(Frequency modulation)和和調(diào)相調(diào)相(Phase modulation) 。也可以用脈沖信號作載波信號?？梢詫γ}沖信號的不同特征參數(shù)作調(diào)制，最常用的是對脈沖的寬度進行調(diào)制，稱為脈沖調(diào)寬脈沖調(diào)寬(Pulse width modulation) 。3. 信號調(diào)制解調(diào)電路信號調(diào)制解調(diào)電路n調(diào)制就是用一個信號（調(diào)制信號）去控制另一個作為

5、載體的信號（載波信號），讓后者的參數(shù)（幅值、頻率、相位、脈沖寬度等）按前者的值變化。3.1 調(diào)幅式測量電路3.1.1.1 調(diào)幅信號的一般表達式調(diào)幅信號的一般表達式(1) 什么是調(diào)幅？寫出調(diào)幅信號的數(shù)學表達式，畫什么是調(diào)幅？寫出調(diào)幅信號的數(shù)學表達式，畫出其波形。出其波形。 調(diào)幅調(diào)幅就是用調(diào)制信號x去控制高頻載波信號的幅值。常用的是線性調(diào)幅，即讓調(diào)幅信號的幅值按調(diào)制信號x的線性函數(shù)變化。調(diào)幅信號的一般表達式一般表達式可寫為： Us=(Um+mx)cosct 3. 信號調(diào)制解調(diào)電路信號調(diào)制解調(diào)電路3.1.1 調(diào)幅原理與方法調(diào)幅原理與方法調(diào)幅信號中載波的幅值調(diào)幅信號中載波的幅值調(diào)制度調(diào)制度假設調(diào)制信號

6、x是角頻率為的余弦信號x=Xmcost，由式us=(Um+mx)cosct調(diào)幅信號可寫為： us=Umcosct+ mXmcos(c+)t + mXmcos(c-)t/2 它包含三個不同頻率的信號: 角頻率為c的載波信 號和角頻率分別為 c的上下邊頻信號。載波信號中不含調(diào)制信號x的信息，因此可以取Um=0，只保留兩個邊頻信號。這種調(diào)制稱為雙邊帶調(diào)制雙邊帶調(diào)制。其數(shù)數(shù)學表達式學表達式為：mmsccmccos()cos()coscos22mXmXuttXt mt調(diào)制信號調(diào)制信號載波信號載波信號a)調(diào)制信號調(diào)制信號b)載波信號載波信號d)雙邊帶調(diào)幅信號雙邊帶調(diào)幅信號c) 調(diào)幅信號調(diào)幅信號tmxUuc

7、mscos)(tttxOOucOusustO(2) (2) 在測控系統(tǒng)中被測信號的變化頻率為在測控系統(tǒng)中被測信號的變化頻率為0100Hz，應，應怎樣選取載波信號的頻率？應怎樣選取調(diào)幅信號放大怎樣選取載波信號的頻率？應怎樣選取調(diào)幅信號放大器的通頻帶？信號解調(diào)后，怎樣選取濾波器的通頻帶？器的通頻帶？信號解調(diào)后，怎樣選取濾波器的通頻帶？ 為了正確進行信號調(diào)制必須要求c（防止混疊），通常至少要求c10。這樣，解調(diào)時濾波器能較好地將調(diào)制信號與載波信號分開，檢出調(diào)制信號。若被測信號的變化頻率為0100Hz，則載波信號的頻率c1000 Hz。 調(diào)幅信號放大器的通頻帶應為9001100 Hz。 以載波頻率為中

8、心的一個很窄的頻帶內(nèi)的信號通過（角頻率分別為 c的上下邊頻信號）3. 信號調(diào)制解調(diào)電路信號調(diào)制解調(diào)電路3.1 調(diào)幅式測量電路(3) 在測控系統(tǒng)中被測信號的變化頻率為在測控系統(tǒng)中被測信號的變化頻率為0100Hz，應怎樣選取載波信號的頻率？應怎樣選取調(diào)幅信號應怎樣選取載波信號的頻率？應怎樣選取調(diào)幅信號放大器的通頻帶？放大器的通頻帶？信號解調(diào)后，怎樣選取濾波器的信號解調(diào)后，怎樣選取濾波器的通頻帶？通頻帶？答：信號解調(diào)后，濾波器的通頻帶應100 Hz，即讓0100Hz的信號順利通過，而將900 Hz以上的信號抑制，可選通頻帶為200 Hz。 3.1.1 調(diào)幅原理與方法調(diào)幅原理與方法3.1 調(diào)幅式測量電

9、路為什么在測控系統(tǒng)中常常在傳感器中進行信號為什么在測控系統(tǒng)中常常在傳感器中進行信號調(diào)制？調(diào)制？ 為了提高測量信號抗干擾能力，常要求從信號一形成就已經(jīng)是已調(diào)信號，因此常常在傳感器中進行調(diào)制。 3.1.1 調(diào)幅原理與方法調(diào)幅原理與方法3.1.1.23.1.1.2、傳感器調(diào)制、傳感器調(diào)制3. 信號調(diào)制解調(diào)電路信號調(diào)制解調(diào)電路1. 1.通過交流供電實現(xiàn)調(diào)制通過交流供電實現(xiàn)調(diào)制R1FR4R2 R3R1R2UoUR3R4應變式傳感器輸出信號的調(diào)制 3.1.1.2 傳感器調(diào)制傳感器調(diào)制用用4 4個應變片測量梁的變形，并由此確定作用在梁上的力個應變片測量梁的變形，并由此確定作用在梁上的力F F的的大小。大小。

10、4 4個應變片接入電橋，并個應變片接入電橋，并采用交流電壓采用交流電壓U U供電供電，交流電壓的，交流電壓的頻率就是載波頻率。頻率就是載波頻率。312441234,()4RRRRRRRRRURRRRO個應變片在沒有應力作用時，電橋平衡；在有應力作用時，它們的阻值發(fā)生變化，電橋輸出U2. 用機械或光學的方法實現(xiàn)調(diào)制 1234563.1.1.2 傳感器調(diào)制傳感器調(diào)制工件表面微觀不平度使反射光產(chǎn)生漫反射。根據(jù)鏡面反射方向與其他方向接收到的光能量之比測定被測工件1的表面粗糙度。采用多孔盤或多槽調(diào)制盤2使光信號得到調(diào)制，以提高信噪比。2.調(diào)制盤調(diào)制盤3.光欄光欄4.激光器激光器5.光欄光欄6.光電元件光

11、電元件3、電路調(diào)制(1) 乘法器調(diào)制乘法器調(diào)制a)原理圖ucuxusxyKxysxmmccoscoscuUt Utb) 實用電路 -8V47k0.1F1k0.1F5175014 10 161k38MC14961k3.3k3.3k7501k680k20F20Fuc1k0.1F21254usux+12V3.1.1.2 傳感器調(diào)制傳感器調(diào)制(2)開關電路調(diào)制開關電路調(diào)制uxuo=usUcV2V1Uc uotO Uc OttO uxuo=us3.1.1.2 傳感器調(diào)制傳感器調(diào)制cc12u12uccUUVVUUVVoxo為高電平、 為低電平時，導通、截止，=u為低電平、 為高電平時，截止、導通，=0經(jīng)過

12、調(diào)制經(jīng)過調(diào)制ux與幅值按與幅值按0、1變化的載波信號變化的載波信號uc相乘。相乘。n歸一化的歸一化的方波方波正弦載波信號按傅里葉級數(shù)展開正弦載波信號按傅里葉級數(shù)展開后可寫為：后可寫為：22sinsin33ccttc1K(t)=2K（wct）與ux相乘后，用用濾濾波波器器濾濾掉掉 及及高高次次諧諧波波后，后，得得到到相相乘乘調(diào)調(diào)制制信信號號經(jīng)過調(diào)制經(jīng)過調(diào)制ux與幅值按與幅值按0、1變化的載波信號變化的載波信號uc相乘。相乘。n歸一化的歸一化的方波方波正弦載波信號按傅里葉級數(shù)展開后正弦載波信號按傅里葉級數(shù)展開后可寫為：可寫為：22sinsin33ccttc1K(t)=2K（wct）與ux相乘后，用

13、濾波器濾掉用濾波器濾掉 及高次諧波后，得到相乘調(diào)制信號及高次諧波后，得到相乘調(diào)制信號2sin33xxcuut1與22sinxcut經(jīng)過調(diào)制經(jīng)過調(diào)制ux與幅值按與幅值按0、1變化的載波信號變化的載波信號uc相乘。相乘。(3) 信號相加調(diào)制信號相加調(diào)制T1+ ux _ + ux _+ uc - -VD1i1VD2i2載波信號載波信號T3T2RLi3+uo_RP調(diào)制信號調(diào)制信號3.1.1.2 傳感器調(diào)制傳感器調(diào)制信號相加調(diào)制是就其電路形式而言的，在這種電路中調(diào)制信號信號相加調(diào)制是就其電路形式而言的，在這種電路中調(diào)制信號xcc=cos=cosxmmcuUtuUt 與相加減后去控制開關器件，實際起相加減

14、后去控制開關器件，實際起控制作用的是載波信號控制作用的是載波信號n調(diào)制信號調(diào)制信號uxux與載波信與載波信號號ucuc分別通過變壓器分別通過變壓器T1T1和和T2T2輸入，加到兩個輸入，加到兩個起開關作用的二極管起開關作用的二極管VD1VD1、VD2VD2的電壓分別的電壓分別為為uc+ uxuc+ ux、 uc- uxuc- ux。n 通過兩個二極管通過兩個二極管VD1VD1、VD2VD2的電流分別為：的電流分別為：1c2c()()/()()/xcxciuuKtriuuKtrr 為二極管的內(nèi)阻、電位器RP串接的有效電阻與負載電阻RL折合到T3一側的等效電阻之和。22coscos 33cctt

15、c1K(t)=2T1+ ux _ + ux _+ uc - -VD1i1VD2i2載波信號載波信號T3T2RLi3+uo_RP調(diào)制信號調(diào)制信號歸一化的方波余弦歸一化的方波余弦信號信號二極管受二極管受uc控制，處于控制，處于開關狀態(tài)開關狀態(tài)故有：x331233xxx33322()22coscoscos33cos4coscos4coscos3.3mxccmmmccUin iinuntttrUUUntnttnttrrr c1K(t)/r=2通過濾波，濾去第一項和第三項，就可以得到與通過濾波，濾去第一項和第三項，就可以得到與 成正比的成正比的雙邊帶調(diào)幅信號雙邊帶調(diào)幅信號。xcoscosmcUtt3.1

16、 調(diào)幅式測量電路3.1.2 包絡檢波電路包絡檢波電路什么是包絡檢波？什么是包絡檢波？ 從已調(diào)信號中檢出調(diào)制信號的過程稱為解調(diào)解調(diào)或檢波檢波。幅值調(diào)制就是讓已調(diào)信號的幅值隨調(diào)制信號的值變化，因此調(diào)幅信號的包絡線形狀與調(diào)制信號一致。只要能檢出調(diào)幅信號的包絡線即能實現(xiàn)解調(diào)。這種方法稱為包絡檢波包絡檢波。3. 信號調(diào)制解調(diào)電路信號調(diào)制解調(diào)電路3.1 調(diào)幅式測量電路包絡檢波的基本工作原理是什么？包絡檢波的基本工作原理是什么？由圖可見，只要從圖a所示的調(diào)幅信號中，截去它的下半部，即可獲得圖b所示半波檢波后的信號 (經(jīng)全波檢波或截去它的上半部也可)，再經(jīng)低通濾波，濾除高頻信號，即可獲得所需調(diào)制信號，實現(xiàn)解調(diào)

17、。包絡檢波就是建立在整流的原理基礎上的。3. 信號調(diào)制解調(diào)電路信號調(diào)制解調(diào)電路3.1.2 包絡檢波電路包絡檢波電路usOOtta)b)uo3.1.2.1 二極管與三極管包絡檢波 (1)基本電路基本電路a) 二極管檢波電路二極管檢波電路VDRLC2Ti+us_+uo_非線性非線性 器件器件 低通低通濾波器濾波器C1VRLC2Tic+us_+_非線性非線性 器件器件 低通低通濾波器濾波器uoEcb) 晶體管檢波電路晶體管檢波電路3.1.2 包絡檢波電路包絡檢波電路構成諧振回路輸入，有利構成諧振回路輸入，有利于濾除雜散信號于濾除雜散信號二級管二級管VD檢出半波信號，再經(jīng)由檢出半波信號，再經(jīng)由RL和和

18、C2構成構成的低通濾波器后檢出調(diào)制信號，實現(xiàn)解調(diào)的低通濾波器后檢出調(diào)制信號，實現(xiàn)解調(diào)其中低通濾波器的參數(shù)應選擇為：其中低通濾波器的參數(shù)應選擇為：以濾除載波信號，保留調(diào)制信號。以濾除載波信號，保留調(diào)制信號。211LRC22212122211oLxocLLfR CfffR CR C3.1.2.2 精密檢波電路為什么要采用精密檢波電路？為什么要采用精密檢波電路？二極管VD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)射結電壓超過一定值時才導通，它們的特性也是一根曲線。二極管VD和晶體管V的特性偏離理想特性會給檢波帶來誤差。為了提高檢波精度，常需采用精密精密檢波電路檢波電路，它又稱為線性檢

19、波電路線性檢波電路。 3.1.2 包絡檢波電路包絡檢波電路3.1.2 包絡檢波電路包絡檢波電路3.1.2.2 精密檢波電路1. 半波精密檢波電路半波精密檢波電路+i1CR4uoR1+ us R2R3VD1VD2半波整流器低通濾波器uA+ u i-+N1-+N2+A2RsuAuUs0時，時，N1輸出為負，輸出為負，VD1導通，導通，VD2截止，截止，uA=0Us0usR1R3R4-+N1-+N2N2的同相輸入端與反相輸入端輸入相同信號，得到uo=us N1跟隨器線性全波檢波電路（三）高輸入阻抗線性全波整流電路取R1=R2=R3=R4/2，N1的輸出為 ss122)1 (uuRRuAN2的輸出為

20、44os33sss(1)34ARRuuuRRuuu osuu線性全波檢波電路常線性全波檢波電路常用作絕對值運算電路用作絕對值運算電路c）負輸入等效電路a) 電路圖usuAVD2VD1R1R3R4-+N1R2-+N2uoR2uo=-ususus(us1,us2)，二極管的通斷由uc決定。3.1.3 相敏檢波電路相敏檢波電路ucVD4T1R4+VD3_i4i3uc1uc2+uoCR3T2Pus2+R5_i4-i3us負半周期相敏：輸出與uc和us之間的相位關系有關檢波：輸出的極性在兩個半周期不變?nèi)z波全波檢波uc2uc1CR5PR4R1VD3VD2VD1R3R2VD4usTuous1us2+T2

21、ucBAB3.1.3.3 3.1.3.3 相加式相敏檢波電路相加式相敏檢波電路- -全波全波3.1 調(diào)幅式測量電路(4) (4) 精密整流型相敏檢波電路精密整流型相敏檢波電路在精密整流型在精密整流型包絡包絡檢波檢波電路中開關器件是電路中開關器件是二極二極管管，它的通斷由，它的通斷由N1的輸?shù)妮敵龀鰳O性決定，與極性決定，與Uc和和us之間的相位關系之間的相位關系無關無關。在精密整流型在精密整流型相敏相敏檢波檢波電路中開關器件是場效電路中開關器件是場效應應開關管開關管，它的通斷由，它的通斷由Uc的極性決定，輸出的的極性決定，輸出的極性與極性與Uc和和us之間的相之間的相位關系位關系相關相關。3.

22、信號調(diào)制解調(diào)電路信號調(diào)制解調(diào)電路3.1.3 相敏檢波電路相敏檢波電路CR4uoR1R2R3- -+ + +N1- -+ + +N2V1V2uA32R R UcUc- -+ +usUc為高電平時，為高電平時，V2導通導通OtuAOtuoOtusOtus/2OtuAOtuoOtusOtus/2Uc與與us同相同相Uc與與us反相反相3. 信號調(diào)制解調(diào)電路信號調(diào)制解調(diào)電路3.1.3 相敏檢波電路相敏檢波電路精密包絡檢波電路輸出極性固定，而精密相敏檢波電路輸出與精密包絡檢波電路輸出極性固定，而精密相敏檢波電路輸出與Uc和和us之間的相之間的相位關系位關系相關相關 1. 相敏檢波電路的選頻特性相敏檢波電

23、路的選頻特性什么是相敏檢波電路的選頻特性？什么是相敏檢波電路的選頻特性？ 相敏檢波電路的選頻特性是指它對不同頻率的輸入信號有不同的傳遞特性。 以參考信號為基波，所有偶次諧波在載波信號的一個周期內(nèi)平均輸出為零，即它有抑制偶次諧波的功能。對于n=1,3,5等各奇次諧波，輸出信號被抑制或幅值相應衰減為基波的1/ n，即信號的傳遞系數(shù)隨諧波次數(shù)增高而衰減，對高次諧波有一定抑制作用。 3.1.3.6 相敏檢波電路的選頻與鑒相特性相敏檢波的工作機理是將輸入信號與頻率為 的單位參考信號相乘，再通過濾波將高頻載波信號濾除。濾波可以用在載波信號的一個周期內(nèi)取平均值表示c2)d()22cos1(21)d(cos2

24、1)d(cos21xc20cxcc202xcc20souttuttuttuu如果輸入信號有高次諧波，設n次諧波為 tnunccos0)d() 1cos() 1cos(41)d(coscos2120ccc20cccttntnutttnuunnn只要 。n1,0nu3.1.3.6 相敏檢波電路的選頻與鑒相特性 在實用的相敏檢波電路中，常采用方波信號作參考信號。這 時輸入信號與歸一化的方波載波信號相乘。輸出電壓3. 信號調(diào)制解調(diào)電路信號調(diào)制解調(diào)電路 20ccc20cccc)d()3cos(31) 1cos(121)d(3cos32cos221cos21ttntnuttttnuunnn對于n為偶數(shù)的偶

25、次諧波，輸出為零，它有抑制偶次諧波的功能。、3.1.3.6 相敏檢波電路的選頻與鑒相特性/nu)3/(nu)5/(nu對于n=1、3、5等各次諧波，輸出信號的幅值相應為 、 、 等。(1) 相敏檢波電路的選頻特性b) n=2平 均 輸 出平 均 輸 出為為0n=1同極性，輸出同極性，輸出為正為正c) n=3正負抵消正負抵消后仍有后仍有1/3正信號輸正信號輸出。出。usustOuotO+UctOuotO+tO+tUcO+ustOuotO+ +tO+Uc3.1.3.6 相敏檢波電路的選頻與鑒相特性 2. 2. 相敏檢波電路的鑒相特性相敏檢波電路的鑒相特性 如果輸入信號us為與參考信號uc(或Uc)

26、同頻信號，但有一定相位差，這時輸出電壓20smcccsmo2cos)d(cos)cos(21UtttUu3.1.3.6 相敏檢波電路的選頻與鑒相特性由于在輸入信號與參考信號同頻但有一定相位差時，輸出信號的大小與相位差有確定的函數(shù)關系，可以根據(jù)輸出信號的大小確定相位差的值，相敏檢波電路的這一特性稱為鑒相特性鑒相特性。 即輸出信號隨相位差 的余弦而變化。3.1 調(diào)幅式測量電路調(diào)幅式測量電路a)b)c)d)UctO+ustO+uotO+UctO+UctO+UctO+ustO+ustO+ustO+OtO+OuouotO+uotO3. 信號調(diào)制解調(diào)電路信號調(diào)制解調(diào)電路3.1.3 相敏檢波電路相敏檢波電路

27、 (2) (2)相敏檢波電路的鑒相特性相敏檢波電路的鑒相特性 同相，輸出為正同相，輸出為正反相，輸出為負反相，輸出為負相差相差90，平均輸，平均輸出為零出為零相差相差30，抵消后，抵消后輸出為輸出為0.866倍的倍的正電壓正電壓鑒相特性的用途：鑒相特性的用途：n可以根據(jù)相敏檢波器的輸出確定輸入信號與參考信號的相位差，因此可以用作相位計，來辨相。n可提高電路的抗干擾性。 只要干擾信號的頻率與調(diào)幅信號頻率略有差別，則每個周期的相位差都在不斷地變化，經(jīng)低通濾波取平均后接近零。 相敏檢波電路與包絡檢波電路在功能與相敏檢波電路與包絡檢波電路在功能與電路構成上最主要的區(qū)別是什么？電路構成上最主要的區(qū)別是什

28、么？鑒相 判別被測量變化的方向選頻 提高測控系統(tǒng)的抗干擾能力電路結構 相敏檢波電路還要輸入一個參考信號（可以用它來鑒別輸入信號的相位和頻率）振蕩器+15V傳感器uoVCT1234576相敏檢波電路RP4-15VRt放大器R1R2R3R4量程切換電路RP1RP3RP2-+N+15VRP5P 3.1.3.7 相敏檢波電路的應用相敏檢波電路的應用相敏檢波電路還有利于相敏檢波電路還有利于減小零點殘余電壓影響減小零點殘余電壓影響RP 2：調(diào)節(jié)使儀器指零RP1：補償調(diào)零殘電壓RP3：調(diào)整儀器靈敏度RP4：檢波調(diào)零RP5：輸出靈敏度1）用于解調(diào)和鑒相）用于解調(diào)和鑒相晶體管晶體管V、與變壓器、與變壓器T、電容

29、、電容C構成三點式構成三點式LC振蕩器，既為振蕩器，既為4.5.6.7給傳感器給傳感器 供電，實現(xiàn)供電，實現(xiàn)測量信號的幅值調(diào)制測量信號的幅值調(diào)制，又為相敏檢波電路提供參考電壓，又為相敏檢波電路提供參考電壓3.1 調(diào)幅式測量電路1.刻線像2.狹縫3.光電元件瞄準狀態(tài)非瞄準狀態(tài)3. 信號調(diào)制解調(diào)電路信號調(diào)制解調(diào)電路3.1.3 相敏檢波電路相敏檢波電路（四）相敏檢波電路的應用x213txtOtOtx,uOO,u以振子的激勵信號為參考信號，對放大后的光電信號作相敏檢波。以振子的激勵信號為參考信號，對放大后的光電信號作相敏檢波。根據(jù)相敏檢波電路的根據(jù)相敏檢波電路的輸出輸出，可以確定顯微鏡是否瞄準被測刻線

30、，可以確定顯微鏡是否瞄準被測刻線3.2 調(diào)頻式測量電路調(diào)頻式測量電路3.2.1 3.2.1 調(diào)頻原理與方法調(diào)頻原理與方法（一）調(diào)頻信號的一般表達式調(diào)頻信號的一般表達式調(diào)頻調(diào)頻就是用調(diào)制信號x去控制高頻載波信號的頻率。常用的是線性調(diào)頻，即讓調(diào)頻信號的頻率按調(diào)制信號x的線性函數(shù)變化。3. 信號調(diào)制解調(diào)電路信號調(diào)制解調(diào)電路tmxUu)cos(cms調(diào)頻信號us的一般表達式一般表達式可寫為：載波信號載波信號的幅度的幅度調(diào)制度調(diào)制度3.2 調(diào)頻式測量電路調(diào)頻式測量電路xtOOtusa) 調(diào)制信號b) 調(diào)頻信號調(diào)頻信號的波形3. 信號調(diào)制解調(diào)電路信號調(diào)制解調(diào)電路3.2.1 3.2.1 調(diào)頻原理與方法調(diào)頻原

31、理與方法為了調(diào)高測量信號抗干擾能力，常要求從信號一形成就是已調(diào)信號，因此常常在傳感器中進行調(diào)制。213測力或壓力的振弦式傳感器3.2.1.2 3.2.1.2 傳感器調(diào)制傳感器調(diào)制4TNS1.膜片2.磁鐵3.振弦4.支承振弦3在磁鐵2形成的磁場內(nèi)振動時產(chǎn)生感應電動勢，其輸出為調(diào)頻信號。n 多普勒測速VvPW)/1/()/1 (0VvVvffVvff/210Vv 時3.2.1.2 3.2.1.2 傳感器調(diào)制傳感器調(diào)制頻率為f0的波束(電磁波、光波、超聲波等)P以速度V射向以速度v運動的物體W時，反射波束產(chǎn)生多普勒頻移，其頻率f變?yōu)椋?.2.1.3 電路調(diào)制n 信號的調(diào)頻也可用電路來實現(xiàn)。只要能用調(diào)

32、制信號去控制產(chǎn)生載波信號的振蕩器頻率，就可以實現(xiàn)調(diào)頻。n 載波信號可以用LC、RC或多諧振蕩器產(chǎn)生，只要讓決定其頻率的某個參數(shù)，如電感L、電阻R或電容C隨調(diào)制信號（測量信號）變化，就可以實現(xiàn)調(diào)頻。(1) 電容三點式電容三點式LC振蕩器調(diào)頻電路振蕩器調(diào)頻電路LCTC1C2+Ecff00CT為電容傳感器電容，它隨被測參數(shù)變化。為電容傳感器電容，它隨被測參數(shù)變化。CT的變化使振蕩器輸出頻率的變化使振蕩器輸出頻率變化，從而實現(xiàn)調(diào)頻。變化，從而實現(xiàn)調(diào)頻。同樣，也可采用電感傳感器的電感作為振蕩器的同樣，也可采用電感傳感器的電感作為振蕩器的L，實現(xiàn)調(diào)頻。，實現(xiàn)調(diào)頻。3.2.1.3 電路調(diào)制a)(2) (2)

33、 多諧振蕩器調(diào)頻電路多諧振蕩器調(diào)頻電路（1）若輸出電壓為）若輸出電壓為Ur,通過通過R+RP向向電容電容C充電，當電容充電，當電容C上的充電電壓上的充電電壓ucFur時時,N的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，使的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，使uo=-Ur。3.2.1.3 電路調(diào)制（2）-Ur通過通過R+RP對電容對電容C反反向充電，當電容向充電，當電容C上的充電電壓上的充電電壓uc-Fur時，時，N再次翻轉(zhuǎn)，使再次翻轉(zhuǎn)，使 uo=Ur。（3 3）這樣就構成一個在）這樣就構成一個在+-Ur+-Ur間來回振蕩的多諧振蕩器，振蕩間來回振蕩的多諧振蕩器，振蕩頻率頻率f=1/T0,T0=(R+RP)Cf=1/T0,T0=(R+RP)Cn 若用

34、一個電容傳感器若用一個電容傳感器的電容作為圖中的的電容作為圖中的C，即可使振蕩器的頻率即可使振蕩器的頻率得到調(diào)制。得到調(diào)制。n 也可用一個電阻式傳也可用一個電阻式傳感器的電阻作為感器的電阻作為R，振蕩器的頻率隨被測振蕩器的頻率隨被測量的變化得到調(diào)制。量的變化得到調(diào)制。b)振蕩頻率振蕩頻率f=1/T0,T0=(R+RP)Cf=1/T0,T0=(R+RP)C3.2.2 3.2.2 鑒頻電路鑒頻電路對調(diào)頻信號實現(xiàn)解調(diào)，從調(diào)頻信號中檢出反映被測量變化的調(diào)制信號稱為頻率解調(diào)頻率解調(diào)或鑒頻鑒頻。3. 信號調(diào)制解調(diào)電路信號調(diào)制解調(diào)電路)(cmmxUtmxUu)cos(cmstmxmxUtu)sin()(dd

35、ccms3.2.2.1 微分鑒頻將調(diào)頻信號 對t 求導數(shù)得到 這是一個調(diào)頻調(diào)幅信號。利用包絡檢波檢出其幅值變化，即可得到含有調(diào)制信號的信息（1）通過定零，求出Umwc（2）通過靈敏度標定，測定x改變時輸出的變化，可以求出Umm.從而獲得調(diào)制信號x微分鑒頻電路微分鑒頻電路微分網(wǎng)絡包絡 檢波器C1r+-+-+-udusC1uousVDVRLC2+Ec-ieic電容C1與晶體管V的發(fā)射結正向電阻r組成微分電路。二極管VD一方面為晶體管V提供直流偏壓，另一方面為電容C1提供放電回路。電容C2為濾除高頻載波信號用。缺點：靈敏度較低。窄脈沖鑒頻電路窄脈沖鑒頻電路 3.2.2 鑒頻電路鑒頻電路uoOc)us

36、tttOOb)a)Usuo放大與電放大與電平鑒別器平鑒別器單穩(wěn)態(tài)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)器 低通低通濾波器濾波器usUsUs調(diào)幅信號經(jīng)放大電路調(diào)幅信號經(jīng)放大電路進入電平鑒別器，當進入電平鑒別器，當輸入信號輸入信號超過一定電超過一定電平時，電平鑒別器翻平時，電平鑒別器翻轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)，推動單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)推動單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出窄脈沖。器輸出窄脈沖。頻率變化轉(zhuǎn)換為電壓變化頻率變化轉(zhuǎn)換為電壓變化3.2.2.3 數(shù)字式頻率計只要檢出頻率變化的信息，測得調(diào)頻信號的瞬時頻率，即可只要檢出頻率變化的信息，測得調(diào)頻信號的瞬時頻率，即可實現(xiàn)調(diào)頻信號的解調(diào)。實現(xiàn)調(diào)頻信號的解調(diào)。測量頻率兩種方法：（1）基于頻率測量法：測量在一基準時段內(nèi)信

37、號變化的周期數(shù)。由于調(diào)頻信號的頻率是變化的，基準時段不能選的太長，但是脈沖計數(shù)的方法難以避免一個脈沖的誤差，所以除非調(diào)頻信號的頻率很高，否則會產(chǎn)生較大的相對誤差。這種方法難以用于調(diào)頻信號的解調(diào)。（2）采用測量周期法：根據(jù)在信號的一個周期內(nèi)進入計數(shù)器的高頻時鐘脈沖數(shù)測得信號的周期，從而確定它的頻率。CPusUU 計數(shù)器 鎖存器 清零DG&SRQDZDS前沿前沿1后沿后沿后沿0整整形形器器缺點：鎖存器的示數(shù)代表信號周期，它與頻率間的轉(zhuǎn)換關系是非線性的。 測量周期的量化誤差是一個時鐘脈沖的一個周期，為了獲得高的測 量精度，要求時鐘脈沖的頻率遠高于被測信號的頻率。 基于測量周期的調(diào)頻信號解調(diào)方法單單穩(wěn)

38、穩(wěn)3.3 調(diào)相式測量電路調(diào)相式測量電路調(diào)相調(diào)相就是用調(diào)制信號x去控制高頻載波信號的相位。常用的是線性調(diào)相，即讓調(diào)相信號的相位按調(diào)制信號x的線性函數(shù)變化。3. 信號調(diào)制解調(diào)電路信號調(diào)制解調(diào)電路)cos(cmsmxtUu3.3.1 3.3.1 調(diào)相原理與方法調(diào)相原理與方法3.3.1.1 調(diào)相信號的一般表達式調(diào)相信號的一般表達式調(diào)相信號us的一般表達式一般表達式可寫為：a)b)c)txOttucusOO3.3.1 3.3.1 調(diào)相原理與方法調(diào)相原理與方法3.3.1.1 調(diào)相信號的一般表達式調(diào)相信號的一般表達式調(diào)相信號與載波信號的相位差隨x變化。當x0時，超前（滯后）于載波信號。)cos(cmsmxt

39、Uu實際上調(diào)相信號的瞬時實際上調(diào)相信號的瞬時頻率也在變化頻率也在變化，調(diào)相，調(diào)相信號信號的瞬時頻率的瞬時頻率)cos(cmsmxtUutxmddc3.3.1 3.3.1 調(diào)相原理與方法調(diào)相原理與方法3.3.1.1 調(diào)相信號的一般表達式調(diào)相信號的一般表達式若若x x是位移，對于位移，是位移，對于位移，usus是調(diào)相信號是調(diào)相信號對于速度對于速度dx/dt, usdx/dt, us 是調(diào)頻信號是調(diào)頻信號15243678OIst3.3.1.2傳感器調(diào)制 分光鏡分光鏡被測工件被測工件激光器激光器透鏡組透鏡組光電器件光電器件3輸出信號的相位為被測工件輸出信號的相位為被測工件表面的位置調(diào)制，是一個調(diào)制信號

40、。表面的位置調(diào)制，是一個調(diào)制信號。(1) 調(diào)相電橋調(diào)相電橋3.3.1.3 3.3.1.3 電路調(diào)制-+N2-+N1RR1R1CUsU2U2U2-OURUCUsUUCURUTRCUsC為電容式傳感器的電容，為電容式傳感器的電容，R為固定電阻；或為固定電阻；或C為固定電容，為固定電容，R為電阻式傳感器的電為電阻式傳感器的電阻。阻。電容上的壓降和電阻上的壓降相位相差電容上的壓降和電阻上的壓降相位相差90Us的幅值不變，相位隨傳感器的電阻或電容變化，的幅值不變，相位隨傳感器的電阻或電容變化，輸出調(diào)相信號輸出調(diào)相信號。(2) (2) 脈沖采樣式調(diào)相電路脈沖采樣式調(diào)相電路U0門限檢測電路脈沖發(fā) 生器載波頻

41、率鋸齒波發(fā)生器輸出調(diào)相脈沖ujux+a)UcususOttOujtOuj=kux+ujtOuxb)d)c)e)UcU03.3.1.3 3.3.1.3 電路調(diào)制鑒相鑒相就是從調(diào)相信號中將反映被測量變化的調(diào)制信號檢出來，實現(xiàn)調(diào)相信號的解調(diào)，又稱為相位檢波相位檢波。ucusuoxyKxyN20cmsmcccmcsmo2cos)d(cos)cos(2UKUttUtUKu/2在 附近，有較高的靈敏度與較好的線性。輸出信號同時受調(diào)相信號與參考信號幅值的影響。 3.3.2 3.3.2 鑒相電路鑒相電路3.3.2.1 3.3.2.1 乘法器鑒相乘法器鑒相3.3.2.2 3.3.2.2 相敏檢波電路鑒相相敏檢波

42、電路鑒相1. 1. 用開關式相敏檢波電路鑒相用開關式相敏檢波電路鑒相usUcRVRR-+NuotustUcOtOOtt輸出信號與cos 成正比，同時受調(diào)相信號幅值的影響2. 用相加式相敏檢波電路檢相用相加式相敏檢波電路檢相sc1UUUsc2UUU作用在ad 和 bd 兩點上的電壓分別為2sm2smcmm1)sin()cos(UUUU2sm2smcmm2)sin()cos(UUUUuocausT1C1VD1VD2C2R1R2RPT2us1+edbus2+u+ucc Us-UsU1UcU2123.3.2.2 3.3.2.2 相敏檢波電路鑒相相敏檢波電路鑒相區(qū)區(qū)別：別：cmsmUU2cos2cmm1

43、UU2sin2cmm2UU)24sin(22)2sin2(cos2)(cmcmm2m1okUkUUUku-0uo2_2令令輸出特性輸出特性( (0, ）時，）時，1.鑒相時鑒相時常取參考信號的幅值等于調(diào)相信號的幅值常取參考信號的幅值等于調(diào)相信號的幅值, ,不能鑒別不能鑒別相位超前或滯后相位超前或滯后2.2.工作范圍在工作范圍在 附近鑒相器線性最好，靈敏度最高附近鑒相器線性最好，靈敏度最高 (0 )/23.3.2.3 通過相位脈寬變換鑒相 (1) 異或門鑒相異或門鑒相a)UCUSDG1=1=1Uob)UcUsOO tuotUotOBd)c)CPUs計計數(shù)數(shù)器器鎖鎖存存器器 延時延時時鐘脈沖時鐘脈

44、沖DG2Uo鎖鎖存存指指令令清零清零UcDG1=1=1&N-2 - 0 N,uo2 異或門異或門異或門輸出異或門輸出Uo的脈寬的脈寬B與相位差對應，如何確定與相位差對應，如何確定B?（1）將）將Uo送入低通濾波器，濾波后的輸出送入低通濾波器，濾波后的輸出uo與脈寬與脈寬B成正比，可以確定相位差成正比，可以確定相位差（2）Uo做門控信號，送入與門進入計數(shù)器，計數(shù)器的脈沖數(shù)做門控信號，送入與門進入計數(shù)器，計數(shù)器的脈沖數(shù)N與脈寬與脈寬B成正比，成正比，反映相位差。反映相位差。(2) (2) RS觸發(fā)器鑒相觸發(fā)器鑒相c)a)N,uo0221b)ttttOOBQUsUcuoOOtOcUsUQQSRcUs

45、UQ=1的脈沖的脈沖B 與與 Us和和Uc的相位差的相位差 相對應。相對應。RSRS觸發(fā)器鑒相觸發(fā)器鑒相精度最高，線性好，對Us和Uc的占空比沒有要求。鑒相范圍寬，接近2。廣泛應用。3.3.2.4 3.3.2.4 脈沖采樣式鑒相電路電路uo 單穩(wěn)單穩(wěn) 鋸齒波鋸齒波 發(fā)生器發(fā)生器 采樣采樣 保持保持 濾波器濾波器Ucuj UcUsue)a)b)c)d)tOUcOttOUstOujtOuuo窄窄脈脈沖沖窄脈沖窄脈沖脈沖采樣式鑒相電路的工作原理基于相位脈沖采樣式鑒相電路的工作原理基于相位-時間時間-電壓的變換電壓的變換各種鑒相方法比較各種鑒相方法比較（精度、誤差因素、鑒相范圍）影響鑒相誤差的主要因素影響鑒相誤差的主要因素有：非線性、信號幅值、占空比、邏輯電路與時鐘脈沖頻率等。 相敏檢波器或乘法器鑒相相敏檢波器或乘法器鑒相原理上有非線性，信號幅值影響鑒相誤差。鑒相范圍為0 。通過相位通過相位脈寬變換鑒相