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1、第三章 信号调制解调电路 第一节 调制解调的功用与类型,1、什么是信号调制？ 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、什么是解调？ 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、在测控系统中为什么要采用信号调制？ 在测控系统中，进入测控电路的除了传感器输出的测量信号外，还往往有各种噪声。而传感器的输出信号一般又很微弱，将测量信号从含有噪声的信号中分离出来是测控电路的一项重要任务。为了便于区别信号与噪声，往往给测量
2、信号赋予一定特征，这就是调制的主要功用。,第一节 调制解调的功用与类型,4、在测控系统中常用的调制方法有哪几种？ 在信号调制中常以一个高频正弦信号作为载波信号。一个正弦信号有幅值、频率、相位三个参数，可以对这三个参数进行调制，分别称为调幅、调频和调相。也可以用脉冲信号作载波信号。可以对脉冲信号的不同特征参数作调制，最常用的是对脉冲的宽度进行调制，称为脉冲调宽。,第一节 调制解调的功用与类型,5、什么是调制信号、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
3、、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,一、调幅原理与方法 （一）1、什么是调幅？写出调幅信号的数学表达式，画出其波形。 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： us=(Um+mx)coswct,第二节 调幅式测量电路,第二节 调幅式测量电路,2、何谓双边带调幅？写出其数学表达式，画出波形 假设调制信号x是角频率为的余弦信号x=Xmcost，由式（3-1）调幅信号可写为： us=Umcosct+ mXmcos
4、(c+)t + mXmcos(c-)t/2 它包含三个不同频率的信号: 角频率为c的载波信号和角频率分别为c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Um=0，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：us=Uxmcost cosct,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c，通常至少要求c10。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
5、载波信号的频率c1000 Hz。调幅信号放大器的通频带应为9001100 Hz。信号解调后，滤波器的通频带应100 Hz，即让0100Hz的信号顺利通过，而将900 Hz以上的信号抑制，可选通频带为200 Hz。,第二节 调幅式测量电路,（二）传感器调制 1、 为什么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,（三）电路调制 1
6、、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,二、包络检波电路 什么是包络检波？ 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是什么？ 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
7、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,（一）二极管与三极管包络检波 1、基本电路,C1,第二节 调幅式测量电路,2、峰值检波与平均值检波,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,对于高频信号，电容接近于短路，深负反
8、馈，高频信号受到抑制。而且电容的左端虚地，电容上的充电电压不影响二极管的通断。因此完成平均值检波。,第二节 调幅式测量电路,2、全波精密检波电路,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,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
9、相敏检波电路。,1、为什么要采用相敏检波？,在图1-3所示用电感传感器测量工件轮廓形状的例子中，磁芯3由它的平衡位置向上和向下移动同样的量，传感器的输出信号幅值相同，只是相位差180。从包络检波电路的输出无法确定磁芯向上或向下移动。,第二节 调幅式测量电路,三、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,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
10、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 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
11、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、开关式半波相敏检波电路,第二节 调幅式测量电路;2、开关式全波相敏检波电路,取R1= R2= R3= R4= R5= R6/2,在Uc=1的半周期，V1导通、V2截止放大倍数为,在Uc=0的半周期，V1截止、V2导通放大倍数为,Uc=1 时uo =- Us Uc=0 时uo =2 Us - Us,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,Uc0,Vd1,Vd
12、2导通; Uc0,Vd1,Vd2截止;,当不接电容C1，C2时,调Rp使,则不接C1，C2时,第二节 调幅式测量电路（相加式半波相敏检波）,第二节 调幅式测量电路（相加式半波相敏检波）,先不考虑电容C1的影响，并认为C0很大，视为短路,通过选配电阻R1，R2，使us=0时,i1=i2,Us不为0时，流过电表P的电流,R5上输出电压uo,Uc副半周时，作用在VD3，R3所经回路上的电压：uc2-us Uc副半周时，作用在VD4，R4所经回路上的电压：uc1+us,第二节 调幅式测量电路（相加式半波相敏检波）,在此半周内流经电容C0的电流为i4-i3,方向与i1-i2相反。调RP使i4-i3 =
13、i1-i2避免了VD1，VD2阻塞。,第二节 调幅式测量电路（相加式全波相敏检波）,二极管的通断由uc决定,Uc正半周,通过选电阻使us1=0时i1=i2输出=0此时,us1 不为0时，流经电流表的电流,输出电压,Uc负半周,us2 不为0时，流经电流表的电流,当,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？,设输入信号中含有高次谐波，由它产生的附加误差：,对高次谐波有抑制作用。,用方波信号作参考信号时,第二节 调幅式
14、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n=1,3,5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,如果输入信号与参考信号同频，但有一定的相位差，这时输出电压,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？,第二节 调幅式测量电路（相敏检波电路的鉴相特）性,如果
15、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 uo=Usm/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,（四）相敏检波电路的应用,第二节 调幅式测量电路,如图所示光电显微镜中，利用相敏检波器的选频特性，当光电显微镜瞄准被测刻线时，光电信号中不含参考信号的基波频率和奇次谐波信号，相敏检波电路输出为零，确定显微镜的瞄准状态。,第三节 调频式测量电路,一、调频
16、原理与方法 （一）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： us=Umcos(wc+mx)t,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）传感器调制,测力或压力的振弦式传感器,当声源与接收器的位置在均匀介质中发生相对运动时,接收器所接收的声波频率不同于声源所辐射的声频率,这种相对运动产生的声波之差值,称为多普勒频移。它与相对运动的速度成正比。“多普勒效应”是由奥地利物理学家1842年ChrjstianDoppler首先发现并加以研究而得名。 由于多普勒效应,当反射体在波的传播方向上有速度
