測控電路-第03章-信號調制解調電路

測控電路--第03章-信號調制解調電路.第一頁，共70頁。第一節(jié)調制解調的功用與類型3、在測控系統中為什么要采用信號調制？

在測控系統中，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，這就是調制的主要功用。

第二頁，共70頁。第一節(jié)調制解調的功用與類型4、在測控系統中常用的調制方法有哪幾種？

在信號調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，可以對這三個參數進行調制，分別稱為調幅、調頻和調相。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作調制，最常用的是對脈沖的寬度進行調制，稱為脈沖調寬。第三頁，共70頁。第一節(jié)調制解調的功用與類型5、什么是調制信號、載波信號、已調信號？調制是給測量信號賦予一定特征，這個特征由作為載體的信號提供。常以一個高頻正弦信號或脈沖信號作為載體，這個載體稱為載波信號。用來改變載波信號的某一參數，如幅值、頻率、相位的信號稱為調制信號。在測控系統中，通常就用測量信號作調制信號。經過調制的載波信號叫已調信號。第四頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路一、調幅原理與方法（一）1、什么是調幅？寫出調幅信號的數學表達式，畫出其波形。

調幅就是用調制信號x去控制高頻載波信號的幅值。常用的是線性調幅，即讓調幅信號的幅值按調制信號x的線性函數變化。調幅信號的一般表達式可寫為：us=(Um+mx)coswct

第五頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路

txOtOucusa)調制信號b)載波信號Otc)雙邊帶調幅信號第六頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路

2、何謂雙邊帶調幅？寫出其數學表達式，畫出波形

假設調制信號x是角頻率為Ω的余弦信號x=XmcosΩt，由式（3-1）調幅信號可寫為：

us=Umcosωct+[mXmcos(ωc+Ω)t+mXmcos(ωc-Ω)t]/2

它包含三個不同頻率的信號:角頻率為ωc的載波信號和角頻率分別為ωc±Ω的上下邊頻信號。載波信號中不含調制信號x的信息，因此可以取Um=0，只保留兩個邊頻信號。這種調制稱為雙邊帶調制。其數學表達式為：us=UxmcosΩt

cosωct第七頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路

3、在測控系統中被測信號的變化頻率為0~100Hz，應怎樣選取載波信號的頻率？應怎樣選取調幅信號放大器的通頻帶？信號解調后，怎樣選取濾波器的通頻帶？

為了正確進行信號調制必須要求ωc>>Ω，通常至少要求ωc>10Ω。這樣，解調時濾波器能較好地將調制信號與載波信號分開，檢出調制信號。若被測信號的變化頻率為0~100Hz，則載波信號的頻率ωc>1000Hz。調幅信號放大器的通頻帶應為900~1100Hz。信號解調后，濾波器的通頻帶應>100Hz，即讓0~100Hz的信號順利通過，而將900Hz以上的信號抑制，可選通頻帶為200Hz。第八頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路（二）傳感器調制1、

為什么在測控系統中常常在傳感器中進行信號調制？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是已調信號，因此常常在傳感器中進行調制。

第九頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路2、通過交流供電實現調制如，電阻式傳感器、電感式傳感器和電容式傳感器。R1FR4R2

R3R1R2UoUR3R4應變式傳感器輸出信號的調制第十頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路3、用機械或光學的方法實現調制Ψθθ1234567第十一頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路（三）電路調制1、乘法器調制a)原理圖ucuxuoxyKxyb)實用電路-8V47kΩ0.1μF1kΩ0.1μF51Ω750Ω1410161kΩ38MC14961kΩ3.3kΩ3.3kΩ750Ω1kΩ680kΩ20μF20μFuc1kΩ0.1μF21254uoux+12V第十二頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路2、開關電路調制uxuoUcV2V1Uc

uotO

Uc

OttO

ux第十三頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路3、信號相加調制T1+ux-+ux

-+uc-VD1i1VD2i2載波信號T3T2RLi3+uo_RP調制信號第十四頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路二、包絡檢波電路什么是包絡檢波？從已調信號中檢出調制信號的過程稱為解調或檢波。幅值調制就是讓已調信號的幅值隨調制信號的值變化，因此調幅信號的包絡線形狀與調制信號一致。只要能檢出調幅信號的包絡線即能實現解調。這種方法稱為包絡檢波。

第十五頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路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(經全波檢波或截去它的上半部也可)，再經低通濾波，濾除高頻信號，即可獲得所需調制信號，實現解調。包絡檢波就是建立在整流的原理基礎上的。

usuo'OOtta)b)第十六頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路（一）二極管與三極管包絡檢波1、基本電路VDRLC2Ti+us_+uo_非線性器件低通濾波器C1a)二極管檢波電路C1VRLC2Tic+us_+_非線性器件低通濾波器uoEcb)晶體管檢波電路第十七頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路2、峰值檢波與平均值檢波a)二極管iiθUsmωctωctuuo0us=usmcosωct0πimaxπ/20uo0tωctb)晶體管iθ0ube0Usmus=usmcosωcti0θIcicmaxωctuo0t第十八頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路（二）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，常需采用精密檢波電路，它又稱為線性檢波電路。第十九頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路1、半波精密檢波電路+us–

半波整流器低通濾波器+u?s–iiCR4uoR1R?2R2R3VD1VD2+u–i∞-++N1∞-++N2+–uA+–u?AA第二十頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路2、全波精密檢波電路+us–

半波整流器低通濾波器+u?s–iiCR4uoR1R?2R2R3VD1VD2+u–i∞-++N1∞-++N2R’3+–uA+–u?AAOtuAOtuoOtus線性全波檢波電路之一第二十一頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路

uoR4VD1VD2R2R5VD3VD4R3usR1∞-++N1∞-++N2線性全波檢波電路之二第二十二頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路

usuAVD2VD1uoR1R3R4∞-++N1R2∞-++N2a)電路圖uo=usus>0usR2R1R3R4us∞-++N1∞-++N2b）正輸入等效電路uo=-usus<0uAR2R1R3R4us∞-++N1∞-++N2c)負輸入等效電路線性全波檢波電路之三高輸入阻抗線性全波整流電路第二十三頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路三、相敏檢波電路（一）相敏檢波的功用和原理1、什么是相敏檢波電路？相敏檢波電路是具有鑒別調制信號相位和選頻能力的檢波電路。第二十四頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路2、為什么要采用相敏檢波？包絡檢波有兩個問題：一是解調的主要過程是對調幅信號進行半波或全波整流，無法從檢波器的輸出鑒別調制信號的相位。第二，包絡檢波電路本身不具有區(qū)分不同載波頻率的信號的能力。對于不同載波頻率的信號它都以同樣方式對它們整流，以恢復調制信號，這就是說它不具有鑒別信號的能力。為了使檢波電路具有判別信號相位和頻率的能力，提高抗干擾能力，需采用相敏檢波電路。第二十五頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路3、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？相敏檢波電路與包絡檢波電路在功能上的主要區(qū)別是相敏檢波電路能夠鑒別調制信號相位，從而判別被測量變化的方向，同時相敏檢波電路還具有選頻的能力，從而提高測控系統的抗干擾能力。從電路結構上看，相敏檢波電路的主要特點是，除了所需解調的調幅信號外，還要輸入一個參考信號。有了參考信號就可以用它來鑒別輸入信號的相位和頻率。第二十六頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路4、相敏檢波電路與調幅電路在結構上有哪些相似之處？它們又有哪些區(qū)別？

將調制信號ux乘以幅值為1的載波信號就可以得到雙邊帶調幅信號us，將雙邊帶調幅信號us再乘以載波信號，經低通濾波后就可以得到調制信號ux。這就是相敏檢波電路在結構上與調制電路相似的原因。二者主要區(qū)別是調幅電路實現低頻調制信號與高頻載波信號相乘，輸出為高頻調幅信號；而相敏檢波器實現高頻調幅信號與高頻載波信號相乘，經濾波后輸出低頻解調信號。這使它們的輸入、輸出耦合回路與濾波器的結構和參數不同。第二十七頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路（二）常用相敏檢波電路1、乘法器式相敏檢波電路ucusuoxyKxyN0.1μF47kΩ0.1μF1kΩ0.1μF51Ω910Ω-8V1410161kΩ38MC14961kΩ3.3kΩ3.3kΩ910Ω1kΩ6.8kΩ0.1μFuc1kΩ0.01μF+12V21254uo∞-++N20kΩ20kΩ10kΩ10kΩ200kΩRCRC0.01μF200kΩF007us第二十八頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路2、開關式相敏檢波電路tuoOuoOtucOtusOtuxOtˊusuoUcV2V1Uc第二十九頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路

uousUcRVRR∞-++Na)uousR2R3R1R6R4R5V1UcV2∞-++NUcb)UcOtusOtuoOtc)UcOtuoOtusOtd)第三十頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路3、相加式相敏檢波電路causT1C1VD1VD2C2R1R2RPuoT2us1+–edbus2+uc+––相加式半波相敏檢波電路T1+ux-+ux

-+uc-VD1i1VD2i2載波信號T3T2RLi3+uo_RP調制信號相加式調幅電路第三十一頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路

uc2uc1C0usC1R4R1VD3VD2VD1R3R2R5RPVD4PucTI4I3R4VD4+–+–VD3+_uc1uc2usR3–C0+ucTRPR1VD1+–+–VD2+_i1i2uc1uc2usC1R2R5P–C0+ucT第三十二頁，共70頁。

uc2uc1CR5PR4R1VD3VD2VD1R3R2VD4usTuous1us2+–+++–––T2ucVD1T2R1++–VD2_i1i2uc1uc2+uoCR2P–us1+usT1i2-i1R5_ucucVD4T1R4+–+VD3_I4i3uc1uc2+uoCR3T2P–us2+R5_i4-i3us第三十三頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路4、精密整流型相敏檢波電路CR4uoR1R’2R2R3Uc∞-++N1∞-++N2R’3V1V2uAUcus第三十四頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路5、脈沖箝位式相敏檢波電路ttuottttttR2R1CVusuoUc′∞-++NUcDsAuA,uousOOuAUc′OUcOuA,uousOOuAuoUcOUc′O第三十五頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路（三）相敏檢波電路的選頻與鑒相特性1、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，輸出信號的幅值相應衰減為基波的1/n，即信號的傳遞系數隨諧波次數增高而衰減，對高次諧波有一定抑制作用。第三十六頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路

b)a)c)usustOuotO++––++––UctOuotO–+++tO+–tUcO+–ustOuotO+++–––++++––tO+–Uc第三十七頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路2、相敏檢波電路的鑒相特性什么是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)同頻信號，但有一定相位差，這時輸出電壓uo=Usm/2cos∮，即輸出信號隨相位差∮的余弦而變化。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關系，可以根據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。第三十八頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路

a)b)c)d)UctO+–ustO–+uotO++UctO+–UctO+–UctO+–ustO–+ustO–+ustO–++OtO–++O–uouotO–++–uotO––第三十九頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路（四）相敏檢波電路的應用振蕩器+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第四十頁，共70頁。第二節(jié)調幅式測量電路

txtOtOtxΦ,uOOΦ,ux21a)b)c)第四十一頁，共70頁。第三節(jié)調頻式測量電路一、調頻原理與方法（一）什么是調頻？寫出調頻信號的數學表達式，畫出其波形。調頻就是用調制信號x去控制高頻載波信號的頻率。常用的是線性調頻，即讓調頻信號的頻率按調制信號x的線性函數變化。調頻信號us的一般表達式可寫為：us=Umcos(wc+mx)t

第四十二頁，共70頁。第三節(jié)調頻式測量電路

xtOOtusa)調制信號b)調頻信號調頻信號的波形第四十三頁，共70頁。第三節(jié)調頻式測量電路（二）傳感器調制421TNS3測力或壓力的振弦式傳感器第四十四頁，共70頁。第三節(jié)調頻式測量電路（三）電路調制1、電容三點式LC振蕩器調頻電路LCTC1C2+Ec第四十五頁，共70頁。第三節(jié)調頻式測量電路2、多諧振蕩器調頻電路uo∞-++NCR310k5k10kR1RRPR4VS15k30k10kR2+FUruuouc+Ur-Ur-FUrOtT2T1T0a)b)第四十六頁，共70頁。第三節(jié)調頻式測量電路二、鑒頻電路什么是鑒頻？對調頻信號實現解調，從調頻信號中檢出反映被測量變化的調制信號稱為頻率解調或鑒頻。（一）微分鑒頻1、工作原理將調頻信號us=Umcos(wc+mx)t對t求導數得到-Um(wc+mx)sin(wc+mx)t這一調頻調幅信號。利用包絡檢波檢出其幅值變化，即可得到含有調制信號的信息Um(wc+mx)。第四十七頁，共70頁。第三節(jié)調頻式測量電路2、微分鑒頻電路C1uousVDVRLC2+Ec-ieic微分網絡包絡檢波C1usud+r++---第四十八頁，共70頁。第三節(jié)調頻式測量電路3、窄脈沖鑒頻電路uoOc)ustttOOτb)a)Usˊuo放大與電平鑒別器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器低通濾波器usUsUsˊ第四十九頁，共70頁。第三節(jié)調頻式測量電路（二）斜率鑒頻us+–us1us2fo1fo2RLRLuo1uo2uoVD2VD1TC1C2c)d)e)f)usUsmus1us2uooooottttuo1uo2uo回路2回路1fo2fo1fofofcof=fc+fmsinΩtfcfm調頻波瞬時頻率變化Ωtff第五十頁，共70頁。第三節(jié)調頻式測量電路（三）數字式頻率計CpusUU′計數器鎖存器清零DG&SRQDZDS第五十一頁，共70頁。第四節(jié)調相式測量電路一、調相原理與方法（一）什么是調相？寫出調相信號的數學表達式，畫出其波形。調相就是用調制信號x去控制高頻載波信號的相位。常用的是線性調相，即讓調相信號的相位按調制信號x的線性函數變化。調相信號us的一般表達式可寫為：

us=Umcos(wct

+mx)第五十二頁，共70頁。第四節(jié)調相式測量電路

a)b)c)txOttucusOO第五十三頁，共70頁。第四節(jié)調相式測量電路（二）傳感器調制13245M扭矩測量第五十四頁，共70頁。第四節(jié)調相式測量電路

XY21a)aabWB12VP1VPnYOb)NS1S2SnVP1VP2VP3VPn莫爾條紋信號的調制第五十五頁，共70頁。第四節(jié)調相式測量電路（三）電路調制1、調相電橋oURUCUsUUCURUTRCUs∞-++N2∞-++N1RR1R1CUsU2U2U2-第五十六頁，共70頁。第四節(jié)調相式測量電路2、脈沖采樣式調相電路U0門限檢測電路脈沖發(fā)生器載波頻率鋸齒波發(fā)生器輸出調相脈沖ujux+a)UcususOttOujtOuj=kΨux+ujtOuxb)d)c)e)UcU0第五十七頁，共70頁。第四節(jié)調相式測量電路二、鑒相電路鑒相就是從調相信號中將反映被測量變化的調制信號檢出來，實現調相信號的解調，又稱為相位檢波。（一）用相敏檢波器或乘法器鑒相1、乘法器鑒相(ppt28)uo=KUsmUcmcos∮/2

ucusuoxyKxyN第五十八頁，共70頁。第四節(jié)調相式測量電路2、用開關式相敏檢波電路鑒相3、用相加式相敏檢波電路檢相為什么常取參考信號的幅值等于調相信號的幅值？b)a)Us-UsU1UcU2Ψ1Ψ2φ-ππ2_π2π0Ψuo第五十九頁，共70頁。第四節(jié)調相式測量電路（二）通過相位—脈寬變換鑒相1、異或門鑒相a)UCUSDG1=1Uoc)CPUs計數器鎖存器延時時鐘脈沖DG2Uo鎖存指令清零UcDG1=1&Nd)-2-0N,uo2b)UcUsOOtuotUotOB第六十頁，共70頁。第四節(jié)調相式測量電路2、RS觸發(fā)器鑒相a)QQSRUcUsc)N,uoφ0π2π21ttttb)OOBQUsUcuoOUcUsOOt第六十一頁，共70頁。第四節(jié)調相式測量電路（三）脈沖采樣式鑒相uo單穩(wěn)鋸齒波