第三章 信号调制解调电路

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、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、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被测量值的信号。解调就是从已调制波信号中恢复出原有低频调制信号的过程。调制与解调(MODEM)是一对信号变换过程,在工程上常常结合在一起使用。,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: 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进行调制，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、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,一、调幅原理与方法（一）1、什么是调幅？调幅信号的数学表达式及其波形。 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 （3-1）,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(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即：双边带调制可用调制信号与载波信号相乘来实现,由傅里叶变换的性质知，在时域中两个信号相乘，则对应于在频域中这两个信号进行卷积，即,一个函数与单位脉冲函数卷积的结果，就是将其图形由坐标原点平移至该脉冲函数处。所以，若以高频余弦信号作载波，把信号x(t)和载波信号z(t)相乘，其结果,就相当于把原信号频谱图形由原点平移至载波频率处，其幅值减半。调幅过程就相当于频率“搬移”过程。,若把调幅波xm(t)再次与载波z(t)信号相乘，则频域图形将再一次进行“搬移”，即xm(t)与z(t)相乘积的傅里叶变换为,若用一个低通滤波器滤除中心频率为2fz的高频成分，那末将可以复现原信号的频谱（只是其幅值减少了一半，这可用放大处理来补偿）,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z，通常至少要求z10。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z1000 Hz。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200 Hz。,（二）传感器调制1、 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。,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。,（三）电路调制1、乘法器调制,uc,ux,2、开关电路调制,V1，V2两个场效应管，其栅极分别加入高频载波方波信号Uc和,二、包络检波电路什么是包络检波？解调(检波):从已调信号中检出调制信号的过程。幅值调制: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。,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。,（一）二极管与三极管包络检波基本电路,（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。,在us的正半周期，N1的倒相作用，N1输出低电平，因此VD1导通、VD2截止，A点接近于虚地，uA0。在us的负半周，有uA输出。若集成运放的输入阻抗远大于R2，则i- i1,1、半波精密检波电路,N1的开环放大倍数Kd很大,二极管的死区和非线性不影响检波输出,2、全波精密检波电路,线性全波检波电路之一,取R3=2R3uS在正半周，uA=0，只有处于正的R3路输出uouS在负半周，N1有uA输出并为正，它与处于负的R3路相加得到uO因此，N2的输出为,N1反相器， N2跟随器us正半周期，VD1，VD4导通、VD2，VD3截止，uo=usus负半周期，VD2，VD3导通、VD1，VD4截止，取R1=R4，uo= - us因此，uo=us,高输入阻抗线性全波整流电路（线性全波检波电路之三),us正半周，VD1导通、VD2截止，等效电路如b图，得到 uo=usus负半周期，VD2导通、VD1截止，其等效电路如c图，取R1=R2=R3=R4/2 ，则N1输出： N2输出： 因此，uo=us,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。,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。,3、相敏检波的原理要实现对信号的相位和频率进行鉴别就需要一个参考信号，而这个参考信号可选与调幅信号同频率的信号（故又称为同步检波）。假设调制信号ux=Uxmcost乘以幅值为1的载波信号cosct就可以得到双边带调幅信号 us=Uxmcost cosct如将us再乘以cosct就得 uo=us cosct =Uxmcost cosct mcosct =1/2(Uxmcost+Uxmcost cos2ct) =1/2Uxmcost+1/4Uxmcos(2c-)t +cos(2c+)t它包含三个不同频率的信号: 角频率分别为2c的高频信号和角频率为的调制信号，只是乘上了系数1/2。只需用低通滤波器将高频信号滤除就可得到调制信号。因此，相敏检波可以用调制电路相似的电路来实现,4、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: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。,5、相敏检波电路与调幅电路在结构上有否相似？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。因此，相敏检波电路在结构上与调制电路相似。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）常用相敏检波电路1、乘法器式相敏检波电路,2、开关式相敏检波电路,输入为双边频调幅信号us，V1，V2两个场效应管栅极分别加入的参考信号Uc和,uc 正半周，Uc=1（高电平）， =0（低电平），V1导通，V2截止，有信号输出；uc 负半周，Uc=0（低电平）， =1（高电平），V1截止，V2导通，输出为零；,由图d还可看出，us与uc同相时，uO为正；us与uc反相时，uO为负。图e为全波相敏检波输出波形,图a中，在Uc=1半周期，同相输入端被接地，us只从反相输入端输入，放大器的放大倍数为-1，输出信号uo如图c中实线所示。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，输出信号uo如图c中虚线所示。,开关式相敏检波电路之二,图b，取R1= R2= R3= R4= R5= R6/2在Uc=1的半周期，V1导通、V2截止，同相输入端被接地，us从反相输入端输入，放大倍数为输出信号uo如图 d中实线所示在Uc=0的半周期，V1截止、V2导通，反相输入端通过R3接地，us从同相输入端输入，放大倍数为输出信号uo如图d中虚线所示。最终实现了全波相敏检波。,开关式相敏检波电路之三,3、精密整流型相敏检波电路,取R3=2R3,本电路与前面精密整流包络检波电路有什么区别？是怎么实现相敏检波的？,用参考信号Uc控制开关器件V1、V2； 在Uc与uS同相时，在Uc为正半周，uA为负，输出uo为正的全波检波信号在Uc与uS反相时，在Uc为正半周，uA为负，输出uo为负的全波检波信号,（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相敏检波基本工作机理：输入信号与频率为c的单位参考信号相乘，再通过低通滤波器将高频载波信号滤除低通滤波器的输出在数学上相当于在载波信号的一个周期内取平均值来表示，即,如果输入信号中含有高次谐波，设为 ，其中n为大于1的整数，由它产生的附加输出为,相敏检波电路具有抑制各种高次谐波的能力,在实用的相敏检波电路中，常采用方波信号作为参考信号，因此输入信号是与归一化的方波载波信号相乘,将方波信号展为富里叶级数，则输出电压为,相敏检波电路具有抑制偶次谐波的功能对各奇次谐波幅值衰减为1/n，有一定的抑制作用,相敏检波电路选频特性的波形直观说明,n=1，us与Uc始终同极性，输出电压为正,n=2，Uc的半个周期，us变化一个周期，平均输出电压为0,n=3，Uc的半个周期，us变化一个半周期，平均输出电压为1/3,（三）相敏检波电路的选频与鉴相特性,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。,2、相敏检波电路的鉴相特性如果输入信号us与参考信号 为同频信号，但有一定相位差，这时输出电压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，因此，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。,相位差为零,相位差为90度,相位差为180度,相位差为30度,相敏检波电路鉴相特性的直观说明,相敏检波的应用：动态应变仪电桥由振荡器供给等幅高频振荡电压（一般频率为10kHz或15kHz），被测量（应变）通过电阻应变片调制电桥输出为调幅波，经过放大，最后经相敏检波与低通滤波取出所测信号。,动态应变仪方框图,第三节 调频式测量电路,一、调频原理与方法（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,振弦3的一端与支撑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；它在磁铁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,第三节 调频式测量电路,（三）电路调制 用调制信号去控制产生载波信号的振荡器频率就可实现。 载波信号可以用LC，RC或多谐振荡器产生，这样只需要将决定其频率的某个参数随调制信号变化，就可实现调频。1、电容三点式LC振荡器调频电路,CT为电容传感器，它随被测参数变化。CT的变化使振荡器输出频率变化，从而实现调频。同样可以用电感传感器的电感来实现调频。,LC调频装置简化如图所示，传感器电容（或电感）的变化使调频振荡器的振荡频率发生相应 变化。谐振频率 设电容器初始电容为C 0时，振荡器频率为f 0 而电容变化量CFUr时，N的状态翻转，使uo=-Ur。-Ur通过R+RP对电容C反向充电，当电容C上的充电电压uC-FUr时，N再次翻转，使uo=Ur。,这样就构成一个在Ur间来回振荡的多谐振荡器，其振荡频率f=1/T0，它由充电回路的时间常数（R+RP）C决定。如果用一个电容传感器的电容作为图中的C，就可以使振荡器的频率得到调制,第三节 调频式测量电路,二、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。由调频信号us的一般表达式：us=Umcos(wc+mx)t 调频波振幅恒定，故无法直接用包络检波器解调 鉴于包络检波器线路简单、性能好，能否把包络检波器用于调频解调器中呢？显然，若能将等幅的调频信号变换成振幅也随瞬时频率变化、既调频又调幅的波，就可以通过包络检波器解调此调频信号。,第三节 调频式测量电路,（一）微分鉴频1、工作原理将调频信号us=Umcos(wc+mx)t 对t求导数得到-Um (wc+mx)sin(wc+mx)t这是一个调频调幅波。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 (wc+mx)。,第三节 调频式测量电路,2、微分鉴频电路,微分鉴频电路的原理如图所示。电容C1与晶体管V的发射结正向电阻r组成微分电路。二极管VD一方面为晶体管V提供直流偏压，另一方面为电容C1提供放电回路。电容C2用来为滤除高频载波信号,3、脉冲计数式鉴频器 将输入调频波通过一非线性变换网络变成调频等宽脉冲序列。 通过 LP 输出反映平均分量变化的解调电压(该等宽脉冲序列含有反映瞬时频率变化的平均分量)。,将调频电压vs经过1. 限幅器 调频方波v12. 微分电路微分脉冲v23.脉冲形成电路调频等宽脉冲序列v34.低通滤波器解调电压vAV,限幅放大器：随着频率的改变，振荡器输出的幅值也往往要改变，干扰的影响通常也会改变调频波的幅值。因此在振荡器后接入限幅放大器放大，可以得到不丢失频率信息的等幅调频波。限幅与鉴频一般连用统称限幅鉴频器,第三节 调频式测量电路,（二）斜率鉴频单回路斜率鉴频电路,用LC并联谐振回路对调频波进行调频调幅变换,选择此并联谐振回路的幅频特性曲线中近似直线的一段，使调频波的中心频率处于该近似直线段的中点，从而使调频波的振幅随其频率基本呈线性变化，成为调频-调幅波。经过线性变换后，调频-调幅波再经幅值检波、低通滤波后实现解调，复现调制信号。,第三节 调频式测量电路,双回路斜率鉴频两个调谐回路的固有频率f01、f02分别比载波频率fc高和低f0。随着输入调频信号us的频率变化，回路1输出us1和回路2输出us2，总输出为两者之和。二极管VD1、VD2用作包络检波，电容C1、C2用于滤除高频载波信号，两个RL为负载电阻,斜率鉴频，其主要思路是将一个LC回路失谐，而调频信号的载波频率位于谐振回路的幅频特性曲线的斜坡部分。若使调频信号的频率在载波附近的小范围内变化，那么输出信号的振幅就随着输出调频信号的瞬时频率的变化而变化，使调频波变成调频调幅波，然后再利用振幅检波器检测出调制信号。,第四节 调相式测量电路,一、调相原理与方法（一）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(wc t +mx),第四节 调相式测量电路,第四节 调相式测量电路,（二）传感器调制以测量扭距为例：弹性轴1装有两个相同的齿轮2和5。齿轮2以恒速与轴1一起转。在感应式传感器3和4中产生感应电动势。由于扭距M的作用，使轴1产生扭转，使传感器4中产生的感应电动势为一调相信号，它和传感器3中产生的感应电动势的相位差与扭距M成正比,扭矩测量,第四节 调相式测量电路,莫尔条纹信号的调制,两块栅距相同的光栅