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测控电路第三章信号调制解调电路,主讲许德章博士、教授,第一节调制解调的功用与类型,1、信号调制调制就是用一个信号（称为调制信号）去控制另一个做为载体的信号（称为载波信号），让后者的某一特征参数按前者变化。2、解调在将测量信号调制，并将它和噪声分离，放大等处理后，还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，这一过程称为解调。,第一节调制解调的功用与类型,3、信号调制与解调的目的信号传输滤除噪声4、信号调制与解调的类型调幅调频调相脉冲调制,,,第一节调制解调的功用与类型,5、调制信号、载波信号、已调信号调制是给测量信号赋予一定特征，这个特征由作为载体的信号提供。常以一个高频正弦信号或脉冲信号作为载体，这个载体称为载波信号。用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位的信号称为调制信号。在测控系统中，通常就用测量信号作调制信号。经过调制的载波信号叫已调信号。,第二节调幅式测量电路,3.3.1调幅原理与方法一、调幅原理1、调幅就是用调制信号x去控制高频载波信号的幅值。常用的是线性调幅，即让调幅信号的幅值按调制信号x的线性函数变化。调幅信号的一般表达式可写为usUmmxcoswct,第二节调幅式测量电路,,第二节调幅式测量电路,2、双边带调幅、数学表达式、波形假设调制信号x是角频率为Ω的余弦信号xXmcosΩt，由式（3-1）调幅信号可写为usUmcosωct[mXmcosωcΩtmXmcosωc-Ωt]/2它包含三个不同频率的信号角频率为ωc的载波信号和角频率分别为ωcΩ的上下边频信号。载波信号中不含调制信号x的信息，因此可以取Um0，只保留两个边频信号。这种调制称为双边带调制。其数学表达式为usUxmcosΩtcosωct,第二节调幅式测量电路,3、在测控系统中被测信号的变化频率为0100Hz，应怎样选取载波信号的频率应怎样选取调幅信号放大器的通频带信号解调后，怎样选取滤波器的通频带为了正确进行信号调制必须要求ωcΩ，通常至少要求ωc10Ω。这样，解调时滤波器能较好地将调制信号与载波信号分开，检出调制信号。若被测信号的变化频率为0100Hz，则载波信号的频率ωc1000Hz。调幅信号放大器的通频带应为9001100Hz。信号解调后，滤波器的通频带应100Hz，即让0100Hz的信号顺利通过，而将900Hz以上的信号抑制，可选通频带为200Hz。,第二节调幅式测量电路,二、调制方法1、传感器调制在测控系统中常常在传感器中进行信号调制为了提高测量信号抗干扰能力，常要求从信号一形成就已经是已调信号，因此常常在传感器中进行调制。,第二节调幅式测量电路,2、通过交流供电实现调制如，电阻式传感器、电感式传感器和电容式传感器。,第二节调幅式测量电路,3、用机械或光学的方法实现调制,第二节调幅式测量电路,3、电路调制1、乘法器调制,a原理图,uc,ux,uo,,,,,,,,x,y,Kxy,,,,第二节调幅式测量电路,2、开关电路调制,第二节调幅式测量电路,3、信号相加调制,第二节调幅式测量电路,3.2.2包络检波电路一、二极管与三极管包络检波1、基本原理从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波。幅值调制就是让已调信号的幅值随调制信号的值变化，因此调幅信号的包络线形状与调制信号一致。只要能检出调幅信号的包络线即能实现解调。这种方法称为包络检波。,第二节调幅式测量电路,包络检波的基本工作原理由图可见，只要从图a所示的调幅信号中，截去它的下半部，即可获得图b所示半波检波后的信号经全波检波或截去它的上半部也可，再经低通滤波，滤除高频信号，即可获得所需调制信号，实现解调。包络检波就是建立在整流的原理基础上的。,第二节调幅式测量电路,uo,2、峰值检波与平均值检波基本电路,第二节调幅式测量电路,峰值检波与平均值检波分析,第二节调幅式测量电路,二、精密检波电路为什么要采用精密检波电路二极管VD和晶体管V都有一定死区电压，即二极管的正向压降、晶体管的发射结电压超过一定值时才导通，它们的特性也是一根曲线。二极管VD和晶体管V的特性偏离理想特性会给检波带来误差。为了提高检波精度，常需采用精密检波电路，它又称为线性检波电路。,第二节调幅式测量电路,1、半波精密检波电路,,第二节调幅式测量电路,2、全波精密检波电路,线性全波检波电路之一,第二节调幅式测量电路,,,第二节调幅式测量电路,,线性全波检波电路之三高输入阻抗线性全波整流电路,第二节调幅式测量电路,3.2.3相敏检波电路一、相敏检波的功用和原理1、什么是相敏检波电路相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。,第二节调幅式测量电路,2、为什么要采用相敏检波包络检波有两个问题一是解调的主要过程是对调幅信号进行半波或全波整流，无法从检波器的输出鉴别调制信号的相位。第二，包络检波电路本身不具有区分不同载波频率的信号的能力。对于不同载波频率的信号它都以同样方式对它们整流，以恢复调制信号，这就是说它不具有鉴别信号的能力。为了使检波电路具有判别信号相位和频率的能力，提高抗干扰能力，需采用相敏检波电路。,第二节调幅式测量电路,3、相敏检波电路与包络检波电路在功能与电路构成上最主要的区别是什么相敏检波电路与包络检波电路在功能上的主要区别是相敏检波电路能够鉴别调制信号相位，从而判别被测量变化的方向，同时相敏检波电路还具有选频的能力，从而提高测控系统的抗干扰能力。从电路结构上看，相敏检波电路的主要特点是，除了所需解调的调幅信号外，还要输入一个参考信号。有了参考信号就可以用它来鉴别输入信号的相位和频率。,第二节调幅式测量电路,4、相敏检波电路与调幅电路在结构上有哪些相似之处它们又有哪些区别将调制信号ux乘以幅值为1的载波信号就可以得到双边带调幅信号us，将双边带调幅信号us再乘以载波信号，经低通滤波后就可以得到调制信号ux。这就是相敏检波电路在结构上与调制电路相似的原因。二者主要区别是调幅电路实现低频调制信号与高频载波信号相乘，输出为高频调幅信号；而相敏检波器实现高频调幅信号与高频载波信号相乘，经滤波后输出低频解调信号。这使它们的输入、输出耦合回路与滤波器的结构和参数不同。,第二节调幅式测量电路,二、常用相敏检波电路1、乘法器式相敏检波电路,第二节调幅式测量电路,2、开关式相敏检波电路,第二节调幅式测量电路,,第二节调幅式测量电路,3、相加式相敏检波电路,相加式半波相敏检波电路,相加式调幅电路,第二节调幅式测量电路,,,第二节调幅式测量电路,4、精密整流型相敏检波电路,第二节调幅式测量电路,5、脉冲箝位式相敏检波电路,第二节调幅式测量电路,三、相敏检波电路的选频与鉴相特性1、相敏检波电路的选频特性什么是相敏检波电路的选频特性相敏检波电路的选频特性是指它对不同频率的输入信号有不同的传递特性。以参考信号为基波，所有偶次谐波在载波信号的一个周期内平均输出为零，即它有抑制偶次谐波的功能。对于n1,3,5等各奇次谐波，输出信号的幅值相应衰减为基波的1/n，即信号的传递系数随谐波次数增高而衰减，对高次谐波有一定抑制作用。,第二节调幅式测量电路,,第二节调幅式测量电路,2、相敏检波电路的鉴相特性什么是相敏检波电路的鉴相特性如果输入信号us为与参考信号uc或Uc同频信号，但有一定相位差，这时输出电压uoUsm/2cos∮，即输出信号随相位差∮的余弦而变化。由于在输入信号与参考信号同频但有一定相位差时，输出信号的大小与相位差有确定的函数关系，可以根据输出信号的大小确定相位差的值，相敏检波电路的这一特性称为鉴相特性。,第二节调幅式测量电路,,第二节调幅式测量电路,,第三节调频式测量电路,3.3.1调频原理与方法一、调频原理什么是调频写出调频信号的数学表达式，画出其波形。调频就是用调制信号x去控制高频载波信号的频率。常用的是线性调频，即让调频信号的频率按调制信号x的线性函数变化。调频信号us的一般表达式可写为usUmcoswcmxt,第三节调频式测量电路,,调频信号的波形,第三节调频式测量电路,二、调制方法1、传感器调制,测力或压力的振弦式传感器,第三节调频式测量电路,2、电路调制1）电容三点式LC振荡器调频电路,第三节调频式测量电路,2多谐振荡器调频电路,第三节调频式测量电路,3.3.2鉴频电路什么是鉴频对调频信号实现解调，从调频信号中检出反映被测量变化的调制信号称为频率解调或鉴频。一、微分鉴频1、工作原理将调频信号usUmcoswcmxt对t求导数得到-Umwcmxsinwcmxt这一调频调幅信号。利用包络检波检出其幅值变化，即可得到含有调制信号的信息Umwcmx。,第三节调频式测量电路,2微分鉴频电路,第三节调频式测量电路,三、窄脉冲鉴频电路,第三节调频式测量电路,四、斜率鉴频,第三节调频式测量电路,五、相位鉴频,I1,第三节调频式测量电路,六、比例鉴频,第三节调频式测量电路,七、数字式频率计,第四节调相式测量电路,3.4.1调相原理与方法一、调相原理什么是调相写出调相信号的数学表达式，画出其波形。调相就是用调制信号x去控制高频载波信号的相位。常用的是线性调相，即让调相信号的相位按调制信号x的线性函数变化。调相信号us的一般表达式可写为usUmcoswctmx,第四节调相式测量电路,,第四节调相式测量电路,二、调相原理与方法1、传感器调制,扭矩测量,第四节调相式测量电路,,莫尔条纹信号的调制,第四节调相式测量电路,2、电路调制1调相电桥,第四节调相式测量电路,2脉冲采样式调相电路,第四节调相式测量电路,3.4.2鉴相电路鉴相就是从调相信号中将反映被测量变化的调制信号检出来，实现调相信号的解调，又称为相位检波。一、用相敏检波器或乘法器鉴相1、乘法器鉴相ppt28uoKUsmUcm/2cosФ,第四节调相式测量电路,2、用开关式相敏检波电路鉴相（ppt303、用相加式相敏检波电路检相（ppt31为什么常取参考信号的幅值等于调相信号的幅值,第四节调相式测量电路,二、通过相位脉宽变换鉴相1、异或门鉴相,第四节调相式测量电路,2、RS触发器鉴相,第四节调相式测量电路,三、脉冲采样式鉴相,第四节调相式测量电路,各种鉴相方法比较（精度、误差因素、鉴相范围）影响鉴相误差的主要因素有非线性、信号幅值、占空比、门电路与时钟脉冲频率等。RS触发器鉴相精度最高，线性好，对Us和Uc的占空比没有要求。鉴相范围接近2。相敏检波器或乘法器鉴相原理上有非线性，信号幅值影响鉴相误差。鉴相范围为/2。脉冲采样鉴相中锯齿波的非线性影响鉴相误差。鉴相范围接近2。异或门鉴相中占空比影响鉴相误差。鉴相范围为0--。通过相位脉宽变换鉴相时门电路的动作时间与时钟脉冲频率误差对精度有影响，但一般误差较小。,第五节脉冲调制式测量电路,3.5.1脉冲调制原理与方法一、脉冲调制原理什么是脉冲调宽写出脉冲调宽信号的数学表达式，画出其波形。脉冲调制是指用脉冲作为载波信号的调制方法。在脉冲调制中具有广泛应用的一种方式是脉冲调宽。脉冲调宽的数学表达式为Bbmx,第五节脉冲调制式测量电路,,第五节脉冲调制式测量电路,二、脉冲调制原理与方法1、传感器调制,用激光扫描的方法测量工件直径,第五节脉冲调制式测量电路,2、电路调制1参量调宽,第五节脉冲调制式测量电路,2电压调宽,第五节脉冲调制式测量电路,3.5.2脉冲调制信号的解调一、原理与方法脉冲调宽信号的解调主要有哪些方式脉冲调宽信号的解调主要有两种方式。一种是将脉宽信号Uo送入一个低通滤波器，滤波后的输出uo与脉宽B成正比。另一种方法是Uo用作门控信号，只有当Uo为高电平时，时钟脉冲Cp才能通过门电路进入计数器。这样进入计数器的脉冲数N与脉宽B成正比。两种方法均具有线性特性。（ppt62,第五节脉冲调制式测量电路,三、脉冲调制测量电路应用举例（电容测量电路）,附录1振荡电路,一、LC并联谐振的电路模型1、LC电路数学模型2、振荡电路的工作原理,附录1振荡电路,3、振荡电路的形式1变压器反馈形式,附录1振荡电路,2电容三点式,附录1振荡电路,,3电感三点式,附录1振荡电路,4、一般三点式振荡电路当回路谐振时，,,,回路呈纯电阻。X为电抗（容抗或感抗）。根据图中规定的电压正方向，放大器的输出电压Vo与其输入电压Vi反向，即,,,,,,与,反相。,由上式可知，X2与X1必须为同性质电抗（即同为电容、或同为电感），而X3应为异性质电抗（即X3与X1和X2为异性质电抗）。这时振荡器的振荡频率就是谐振回路的谐振频率。,附录1振荡电路5、三种振荡电路的比较,附录1振荡电路,附录2信号调理电路综合应用举例,一、电感测微仪的功能电感测微仪是利用电学原理测量几何量微小变化的计量仪器。它是由传感器、电器箱和测量结果显示装置三部分组成。二、87164-002电感测微仪1、外形及有关操作旋钮设置a）旋钮3（RW1）检查通电否。b）按钮4（AN）检查电池是否欠压cK3电源切换开关。d灵敏度电位器（RW2）定期检查用于标定。e量程切换旋钮。,附录2信号调理电路综合应用举例,附录2信号调理电路综合应用举例,,2、仪器组成a传感器b测量与调零电桥c相敏检波电路d量程切换电路e交流放大电路f电源电路,三、电路各功能单元介绍,附录2信号调理电路综合应用举例,附录2信号调理电路综合应用举例,,1、转换电桥与调零电桥1转换电桥2调零电桥,附录2信号调理电路综合应用举例,2、量程切换与调零切换1）量程切换2）调零切换,附录2信号调理电路综合应用举例,附录2信号调理电路综合应用举例,3、交流放大4、相敏检波5、振荡器6、直流稳定电源,本章结束作业3.12、3.13、3.16、3.19、3.24、3.29,