第3章信号调制与解调.ppt

第3章信号调制解调电路 3 1调幅式测量电路及其应用3 2调频式测量电路3 3调相式测量电路3 4脉冲调制式测量电路 在非电量测量仪器中 对被测非电量信号 一般具有较低的频谱 常在零频 直流 到几十kHz范围内变化 当被测信号比较弱时 在信号传送过程中 易受其它同频信号干扰 如易受工频干扰及直流放大的低频噪声与直流漂移等影响 不宜采用直接放大的形式 经常采用调制 解调方法 提高电路的抗干扰能力 传输能力及有效地提高信噪比 调制 解调的作用在于某种调制方法 将原始的低频信号频谱调制到另一个具有高频的频谱上 经调制后的高频调制波 具有原始输入信号的全部信息 再经过有效的交流放大后 使被调波信号增强 然后采用解调技术 又从调制波中解调出原始的输入信号来 这时的信号已经是放大了的输入信号 由于调制 解调方法是将低频信号的传送变为高频信号的放大传送 它将有效的抑制了低频干扰和直流漂移 调制和解调都能引起信号频率的变化 电子学常把调制与解调看成频率变换电路 调制的频率变换是由低频变高频的过程 解调的频率变换是由高频变低频的过程 调制是将原始输入的低频模拟信息及其时间变化 载荷到高频的载波的待征参量之上 如振幅 频率 相位及脉冲 形成振幅调制 频率调制 相位调制以及脉冲调制 使其随原始输入信息发生改变 将测量信号从含有噪声的信号中分离出来测量是电路的一项重要功用 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 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 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 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 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 3 1调幅式测量电路 3 1 1调幅原理与方法一 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 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 cos ct c 载波信号角频率 Um 调幅波中载波信号的幅值 m 调制的灵敏度 x 调制信号 2 何谓双边带调幅 写出其数学表达式 画出波形设调制信号x t 是角频率为 的余弦信号x t Xmcos t 由式 4 1 调幅信号可写为 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 Uxmcos tcos ct 对于双边带调制 双边带调制可用乘法器实现 称为相乘调制 相乘调制常用电路实现 常用的串并联调制器实质上就是一个相乘调制器 在输入端加入测量信号Ux T1 T2是两个场效应管开关 在它们的栅极分别加入高频方波信号 经过调制 输入信号Ux 与幅值按1 0变化的载波信号相乘 如下图所示 3 在测控系统中被测信号的变化频率为0 100Hz 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 c 10 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0 100Hz 则载波信号的频率 c 1000Hz 调幅信号放大器的通频带应为900 1100Hz 信号解调后 滤波器的通频带应大于100Hz 即让0 100Hz的信号顺利通过 而将900Hz以上的信号抑制 可选通频带为200Hz 2 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制的信号 因此常常在传感器中进行调制 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 电路调制 1 乘法器调制 Kxy 2 开关电路调制 前已述及 3 信号相加调制 在线性电路中 两个不同频率的信号相加 不会得到第三个频率的信号 从而也就不能进行调制 为了获得频率变换 必须在电路中加入非线性器件 下图是一个典型的相加型调幅电路 为了提高调制线性 电路要求Ucm Uxm 这时二极管D1和D2受uc控制 工作在开关状态 il uc ux K ct ri2 uc ux K ct r式中r为二极管的内阻与负载RL折合到原边的等效电阻之和 K ct 为归一化的方波信号展开系数 由上两式得 3 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幅值变化 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 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 一 二极管与三极管包络检波1 基本电路 二极管与三极管包络检波电路如图3 5所示 图3 5是两种包络检波电路 图 a 采用二极管作为整流用非线性元件 图 b 采用晶体管 如果输入的调幅波具有图3 6 a 所示波形 那么经整流后其波形如图 b 所示 为了获得调制信号 还要用滤波器滤除载波分量 图3 5 b 所示晶体管检波器与图 a 所示电路的第一个区别是晶体管有放大作用 即晶体管的输出电压icRL可能大于us的半波整流值 这一点图3 6 b 上没有得到体现 可以认为其比例尺不同 其次是在晶体管检波电路中 集电极电压的变化对集电极电流ic影响很小 因此ic基本上由us确定 而与RLC上的输出电压u0无关 由于晶体管V只在半个周期导通 半个周期ic对电容C充电 另半个周期电容C向电阻RL放电 流过RL的平均电流只有ic 2 这种检波称为平均值检波 其输出波形如图3 6 c 所示 当尺RLC 1 c时 可以认为由于电容C充放电造成的残余高频分量很小 输出信号的波形是与调制信号相似的平滑曲线 平均值检波输出波形如图3 6 c 所示 原因是晶体管V只在半个周期导通 半个周期ic对电容C充电 另半个周期电容C向电阻RL放电 流过RL的平均电流只有ic 2 这种检波称为平均值检波 在二极管检波电路中 由于整个电路是串联的 加在二极管两端的电压u是输入高频电压ux与输出电压u0之差 如图3 5中二极管VD与晶体管V都具有理想的线性特性 那么在晶体管检波器中 余弦电流脉冲的通角为 2 而在二极管检波器中电流脉冲的通角 cos 1u0 Um 负载RL与二极管正向电阻r之比越大 需要向滤波器供电的时间越短 越小 这种检波器称为峰值检波器 低通滤波器的时间常数应满足 以滤除载波信号 同时保留调制信号 峰值 是指高频信号的峰值 2 峰值检波与平均值检波 由图3 6看出 检波输出不完全是调制信号 它还包含直流分量 其大小由载波信号的幅值Ucm决定 在通讯中 调制信号如声音或图像信号都是交流信号 可以通过隔直将直流成份去掉 以获得放大了的图像或声音信号 在电测量仪中 解调后得到的交流与直流分量 可分别有不同的含义 例如在振动测量中 直流分量对应于振动中心的位置 而交变成份反映振动的频率与幅值 通过仪器的定标 可以确定振动中心相对于给定零位的偏移与振动幅值 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或精密整流电路 关于精密整流电路 概念 将交流电转换为直流电 称为整流 如下图所示 精密整流电路的功能是将微弱的交流电压转换成直流电压 当uI 0时 u O 0 当uI0 UD 0 7V Aod 5 105 为使二极管D1导通 D1截止 uO 0 从而D2导通 从而D1导通 D2截止 当uI 0时 uO1 2uI 当uI 0时 uO 2uI uI uI 当uI 0时 uO1 0 当uI 0时 uO uI 课堂练习 1 由运放组成的电路如图所示 求输出uo1 uo的表达式 2 如图所示电路为波形发生电路 是说明它是由那些单元电路组成的 各起什么作用 并定性画出uo1 uo2 uo3各点的波形 R1取值的范围 1 由运放组成的电路如图所示 求输出uo1 uo的表达式 A1为电压跟随器 A2为积分电路 2 如图所示电路为波形发生电路 是说明它是由那些单元电路组成的 各起什么作用 并定性画出uo1 uo2 uo3各点的波形 R1取值的范围 A1为正弦波振荡电路 A2为过零比较器 A3为积分电路 uo1 uo2 uo3 1 半波精密检波电路 在调幅波Us为正的半周期 经运算放大器N1倒相后 VD1导通 VD2截止 A点电位接近于虚地 UA 0 在负半周 VD1截止 VD2导通 有UA输出 VD1的反馈支路是用来防止Us为正半周期时因VD2截止而使运放处于开环状态 由此可能造成运放饱和而设置的 VD1反馈支路的加入也使Us在两个半周期负载基本对称 2 全波精密检波电路 线性全波检波电路之一 线性全波检波电路如下图所示 其中 线性全波检波电路结构繁多 如检波电路之二 三所示 原理自行分析 其中线性全波检波电路之三是高输入阻抗线性全波整流电路 3 综合练习 V6 分析下面电路的工作原理 通过V1 V6的波形说明 测量原理 1 220V交流电经过3V变压器T0输出为3V交流电V1 波形如图1所示 t 图1交流电压波形图 2 V1经过运算放大器U2A输出信号V2 运算放大器U2A是个电压跟随器 由于电压跟随器的输入阻抗很高 输出阻抗很低 可以避免上级电路影响下级电路 波形如图2所示 t 图2交流电压V2的波形图 3 信号V2分成两路 一路经过运放U2B和二极管的半波整流后输出信号V3 波形如图3所示 另一路经电阻R3 这两路信号和运算放大器U2C构成反向加法运算电路 波形如图4所示 图4交流电压V4的波形图 图3交流电压V3的波形图 4 信号V4经过运放U1D LM324反向 输出正向的脉动电压信号V5 波形如图5所示 W1是调零电位器 可以校正运算放大器的零点漂移现象 W2是调满度电位器 经过调节电路送到AD转换器可以得到比较精确的值 图5交流电压V5的波形图 5 信号V5经过R8和C1的阻容滤波后得到平滑的直流电压V6 波形如图6所示 这样处理后 即可接入A D转换芯片 进行测量 图6直流电压V6的波形图 3 1 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 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频率的能力 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 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 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 二 乘法器式相敏检波电路乘法器式相敏检波电路框图和实用电路如下图所示 三 相加式相敏检波电路 相加式相敏检波电路和其输出波形如图3 13所示 图4 13相敏检波电路 相加式调幅电路如下图所示 它和前面的图3 13都是半波相敏检波电路 输出高频 1 半波相敏检波电路图3 13是一种常用的相敏检波电路 它与相加式调制电路相似 只是调制电路中输出是高频信号 可通过变压器输出 而检波电路输出为低频或直流信号 不能用变压器输出 电容C1 C2为滤除载波信号作用 经放大后的调幅信号us经变压器B1输入 由变压器B2输入的是由振荡器送来的载波信号uc uc常称为参考信号 如果被测参数x为一常量 那么us与uc频率相同 即使被测参数为一变化信号 但通常它的变化频率较低 而且us的中心颇率仍等于uc 所以常说us与uc同频 此外 还要求us与uc同相 反相仍可视为同相 只是矢量的符号相反 与调制器一样 uc的幅值Ucm应远大于us的幅值Usm 二极管D1 D2起开关作用 其通断由参考电压uc决定 因此常说 在相敏检波器中 要求参考电压与被检信号 调幅测量信号 同频 同相 并具有高幅值 相敏检波器也常称为同步检波器 在上述条件下 只有在uc左端为正的半周期内二极管D1 D2才导通 当调幅信号相位改变1800时 输出信号改变符号 这就是相敏检波器的相敏作用 通过相敏检波检得与调制信号波形相同 幅值成正比的解调信号 2 全波相敏检波电路 全波相敏检波电路之一和其正负半周等效电路如下图所示 全波相敏检波电路之二和其正负半周等效电路如下图所示 注意调幅信号us 四 精密整流型相敏检波电路 精密整流型相敏检波电路如下图所示 五 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 相敏检波电路的选频特性 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uo Usmcos 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 相敏检波电路的鉴相特性 六 相敏检波电路的应用 相敏检波电路由于它具有鉴相与选频功能 能较好地抑制干扰和噪声 在精密仪器中获得了广泛应用 它的主要用途有 用作各种测量仪器中的解调电路 它常用于电感式 互感式 电容式仪器中 它还常用作各种交流电桥的检波电路 其连接如下图所示 桥臂可接应变片 热敏电阻等等 滤波器可为相敏检波电路一部分 也可视需要另接符合给定要求的滤波器 用于锁相放大器中 上图中虚线框内为常用的为锁相放大器 用作鉴相器 用作基波与奇次谐波检出器 例如用在光电显微镜与激光稳频管中等 用作模拟式乘法器 调幅式几何量测量电路 它是一个电感测微仪器 如图3 17所示 3 17调幅式电感测微仪器 晶体管晶体管V与变压器T电容C构成三点式LC振荡器 振荡器的输出一方面通过二次侧4 5 6 7给传感器供电 实现测量信号的幅值调制 另一方面通过二次侧1 2 3向相敏检波器提供参考电压 调幅测量信号经RP3与R1 R4构成的分压器衰减后送入相加放大器IC1 RP3作调节整个仪器灵敏度用 送到相加放大器还有由电位器RP2取出调零电压 通过调节RP2使仪器指零 变换量程时测量与调零电压按同样比例衰减 RP1用来补偿减小零点残余电压 放大器IC1采用BG305组件 通过同相输入可提高输入阻抗 闭环放大倍数为200 热敏电阻Rt作温度补偿用 放大器的输出送到相敏检波器 还可从电位器RP5取出信号送数字式电压表 实现数字显示 3 2调频式测量电路 3 2 1调频原理与方法一 调频信号us的一般表达式1 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 c mx t 这种调频信号的波形如下图所示 二 传感器调制 与调幅的情况一样 为了提高测量信号的抗干扰能力 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 测力或压力的振弦式传感器如下图所示 振弦3的一端与支承4相连 另一端与膜片1相连 振弦3的固有频率随张力T变化 振弦3在磁铁2形成的磁场内振动时产生感应电动势 其输出为调频信号 三 电路调制1 电容三点式LC振荡器调频电路 2 多谐振荡器调频电路 3 2 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us Umcos c mx t对t求导数得到 Um c mx sin c mx t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Um c mx 2 微分鉴频电路 微分鉴频电路原理图如下图所示 3 窄脉冲鉴频电路 窄脉冲鉴频电路的工作原理如下图所示 二 斜率鉴频 将一个调频信号送到一个具有变化的幅频特性网络 就可以得到调频调幅信号输出 然后通过包络检波检出它的幅值变化就可以得到所需的调制信号 鉴频网络的幅频特性的斜率越大 同样大小的频率变化引起的幅值变化就越大 幅值调制度越大 鉴频的灵敏度越高 由于调频信号的瞬时频率通常只在很小的范围内变化 为获得较高的鉴频灵敏度 常常用谐振回路作斜率鉴频网络 如下图所示 三 数字式频率计 测控系统中调频信号的解调就是要频率变化的信息 只要能测得调频信号的瞬时频率 即可实现调频信号的解调 测量频率有两种方法 一种是测量某一时间段的周期数 由于此法不能测信号的瞬时频率 难于用于调频信号的解调 另一种是测量信号的周期 根据在信号的一个周期内进入计数器的高频时钟脉冲数即可测得信号的周期 从而确定它的频率 可用于调频信号的解调 适用于低频测量 电路原理图如下图所示 四 差频测量法 被测频率较高时 应采用差频测量法 电路原理图如下图所示 3 3调相式测量电路 3 3 1调相原理与方法一 调相信号的一般表达式1 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 us Umcos ct mx 调相信号的波形如下图所示 二 传感器调制 扭矩测量 与调幅调频的情况一样 为了提高测量信号的抗干扰能力 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 扭矩测量实例如下图所示 下图是对增量码信号进行相位调制的实例 三 电路调制1 调相电桥 变压器T在二次侧感应出电动势U 电桥两臂是传感器电容C和固定电阻R 可见US幅值不变 其相位随传感器电容C变化 输出调相信号 由于变压器制作