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1、2019/5/19,3. 信号调制解调电路,张国雄 天津大学精密仪器与光电子工程学院 精密测试技术及仪器国家重点实验室 电子邮件：,精,2019/5/19,3. 信号调制解调电路,调制解调的功用与类型,调幅式测量电路,调相式测量电路,调频式测量电路,脉冲调制式测量电路,2019/5/19,调制解调的功用与类型,(1) 什么是信号调制？ 调制(Modulation)就是用一个信号（称为调制信号, modulating signal ）去控制另一个做为载体的信号（称为载波信号carrying signal ），让后者的某一特征参数按前者变化。 (2) 什么是解调？ 从已经调制的信号（称为已调信号，
2、modulated signal）中提取反映被测量值的测量信号，称为解调(Demodulation) 。,3. 信号调制解调电路,2019/5/19,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，往往给测量信号赋予一定特征，这就是调制的主要功用。 调制还有利于减小漂移的影响，是提高测控系统精度的重要手段。,3. 信号调制解调电路,2019/5/19,调制解调的功用与类型,(4) 在测控
3、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(Amplitude modulation)、调频(Frequency modulation)和调相(Phase modulation) 。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(Pulse width modulation) 。,3. 信号调制解调电路,2019/5/19,3.1 调幅式测量电路,一、 调幅信号的一般表达式 (1) 什么是调幅？写出调幅信号的数学表达式，
4、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)cosct,3. 信号调制解调电路,3.1.1 调幅原理与方法,2019/5/19,3.1 调幅式测量电路,3. 信号调制解调电路,a)调制信号,b)载波信号,d)双边带调幅信号,c) 调幅信号,3.1.1 调幅原理与方法,2019/5/19,3.1 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us=(Um+mx)cosct调幅信号可写为：
5、us=Umcosct+ mXmcos(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：,3. 信号调制解调电路,3.1.1 调幅原理与方法,2019/5/19,3.1 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
6、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c1000 Hz。调幅信号放大器的通频带应为9001100 Hz。,3. 信号调制解调电路,3.1.1 调幅原理与方法,3.1 调幅式测量电路,3. 信号调制解调电路,3. 信号调制解调电路,3.1 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？ 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。,3.
7、1.1 调幅原理与方法,2019/5/19,3.1 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。,3.1.1 调幅原理与方法,3. 信号调制解调电路,2019/5/19,3.1 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。,3. 信号调制解调电路,3.1.1 调幅原理与方法,2019/5/19,3.1 调幅式测量电路,(2) 通过交流供电实现调制,应变式传感器输出信号的调制,3.1.1 调幅原理与方法,3. 信号
8、调制解调电路,(3) 用机械或光学的方法实现调制,3.1.1 调幅原理与方法,3. 信号调制解调电路,3.1 调幅式测量电路,2019/5/19,3.1 调幅式测量电路,三、电路调制 (1) 乘法器调制,a)原理图,3. 信号调制解调电路,3.1.1 调幅原理与方法,2019/5/19,3.1 调幅式测量电路,(2)开关电路调制,3. 信号调制解调电路,3.1.1 调幅原理与方法,2019/5/19,3.1 调幅式测量电路,(3) 信号相加调制 相加只是形式，实际上由uc控制，工作在开关模式。,3. 信号调制解调电路,3.1.1 调幅原理与方法,2019/5/19,3.1 调幅式测量电路,3.
9、1.2 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。,3. 信号调制解调电路,2019/5/19,3.1 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。,3. 信号调制解调电路,3.1.2 包
10、络检波电路,2019/5/19,3.1 调幅式测量电路,（一）二极管与三极管包络检波 (1)基本电路,a) 二极管检波电路,b) 晶体管检波电路,3. 信号调制解调电路,3.1.2 包络检波电路,2019/5/19,3.1 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。,3. 信号调制解调电路,3.1.2 包络检波电路,2019/5/19,3
11、.1 调幅式测量电路,3.1.2 包络检波电路,3. 信号调制解调电路,(1)半波精密检波电路,2019/5/19,3.1 调幅式测量电路,(2) 全波精密检波电路,3. 信号调制解调电路,3.1.2 包络检波电路,2019/5/19,3.1 调幅式测量电路,线性全波检波电路之二,3.1.2 包络检波电路,3. 信号调制解调电路,2019/5/19,3.1 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,3. 信号调制解调电路,3.1.2 包络检波电路,N2的同相输入端与反相输入端输入相同信号，得到uo=us,N1跟随器,3. 信号调制解调电路,3.1.2 包络检波电路,3.
12、1 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,取R1=R2=R3=R4/2， N1的输出为,N2的输出为,线性全波检波电路常用作绝对值运算电路,3.1 调幅式测量电路,(1)为什么要采用相敏检波？ 包络检波有两个问题：一是解调是对调幅信号进行半波或全波整流，无法鉴别调制信号的相位。,3. 信号调制解调电路,3.1.3 相敏检波电路,（一）相敏检波的功用和原理,3.1.3 相敏检波电路,3. 信号调制解调电路,3.1 调幅式测量电路,(1) 为什么要采用相敏检波？ 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。为
13、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。,（一）相敏检波的功用和原理,2019/5/19,3.1 调幅式测量电路,3.1.3 相敏检波电路 （一）相敏检波的功用和原理 (2) 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幅值检波（检幅）电路。,3. 信号调制解调电路,2019/5/19,3.1 调幅式测量电路,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？ 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
14、，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。,3. 信号调制解调电路,3.1.3 相敏检波电路,3. 信号调制解调电路,3.1 调幅式测量电路,3.1.3 相敏检波电路,(3) 相敏检波的基本原理 将输入的调制信号 乘以幅值为1的载波信号 就可以得到双边带调幅信号 若将再乘以 ，就得到,2019/5/19,3.1 调幅式测量电路,3. 信号调制解调电路,3.1.3 相敏检波电路,(3) 相敏检波的基本原理 利用低通滤波器滤除频率为 和 的高频信号后就得到调制信号 ，只是乘上了系数1/2。这就是说，将调制信号ux乘
15、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。因此，相敏检波可以用与调制电路相似的电路来实现。,2019/5/19,3.1 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,3. 信号调制解调电路,3.1.3 相敏检波电路,3. 信号调制解调电路,3.1 调幅式测量电路,3.1.3 相敏检波电路,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
16、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。,2019/5/19,3.1 调幅式测量电路,(2)开关式相敏检波电路,3. 信号调制解调电路,3.1.3 相敏检波电路,半波检波,(2)开关式相敏检波电路,3.1 调幅式测量电路,3. 信号调制解调电路,3.1.3 相敏检波电路,us与Uc同相,us与Uc反相,在Uc=1的半周期，同相输入端被接地，us只从反相输入端输入，放大倍数为 -1；在Uc=0的半周期，V截止，us同时从同相输入端和反相输入端输入，放大器的放大倍数为+1,全波检波,检波：两个半周期输出相同 相敏：输出的极性取决于 us与Uc相位关系,2019/5/19,3.1
