第3章信号调制解调电路

第3章信号调制解调电路 作用 传感器输出的信号一般很微弱 而且含有各种噪声 为了将测量信号从含有噪声的信号中分离出来 便于放大与远距离传输 3 1调幅式测量电路 3 2调频式测量电路 3 3调相式测量电路电路 3 4脉冲调宽制式测量电路 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 幅值 频率 相位 脉冲宽度 按前者变化 什么是信号解调 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3章信号调制解调电路 3 1调幅式测量电路 3 1 1调幅原理与方法3 1 1 1调幅信号的表达式 线性调幅信号的一般表达式可写为 什么是调幅 写出调幅信号的数学表达式 画出波形 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 调制信号 载波信号 调幅信号 线性调幅信号的波形 设调制信号 且 一般 载波信号中不含调制信号x的信息 因此可取Um 0 m 1 只保留两个边频信号 这种调制称为双边带调幅 可采用乘法器实现 双边带调幅信号的数学表达式为 3 1 1 1调幅信号的表达式 何谓双边带调幅 写出其数学表达式 并画出波形 当x 0时 us与uc同频同相 双边带调幅信号 当x 0时 us与uc同频反相 双边带调幅信号的波形 为了正确进行信号调制必须要求 通常至少要求 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fc 1000Hz 如可取1100Hz 调幅信号放大器的通频带应为1000 1200Hz 信号解调后 滤波器的截止频率应大于100Hz 即让0 100Hz的信号顺利通过 而将1000Hz以上的信号抑制 可选通频带为0 200Hz 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 3 1 1 1调幅信号的表达式 3 1 1调幅原理与方法 3 1 1 2传感器调幅 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 2 用机械或光学的方法实现调幅 激光器发出的光通过光栏 调制盘照射在被测件上 由于工件表面粗糙度不同 光电元件接收的光能量不同 由镜面反射方向与光电器件接收的光能量之比来测量表面粗糙度 1 用乘法器实现调幅 3 1 1 3电路调幅 双边带调幅 3 1 1 3电路调幅 2 用开关电路实现调幅 V1V2 N沟道增强型绝缘栅场效应管 低电平为0夹断 当Uc为高电平 1 时 V1导通 V2夹断 uo ux 当Uc为低电平 0 时 V1夹断 V2导通 uo 0 V1 将归一化方波载波信号 0 1 按傅里叶级数展开 2 用开关电路实现调幅 3 1 1 3电路调幅 3 信号相加实现调幅 设 且Ucm Uxm 3 信号相加实现调幅 电路形式为相加 而实质还是用uc控制二极管开关实现相乘 什么是包络检波 检出线性调幅信号的包络线 3 1调幅式测量电路 3 1 2包络检波电路 线性调幅信号的解调 如何实现包络检波 采用单向导电器件截去调幅信号中下半部 或上半部 的波形 即可获得半波检波信号 再经低通滤波器滤除高频信号 即可获得所需调制信号 实现解调 包络检波实际上就是建立在整流原理的基础上 1 基本电路 3 1 2 1二极管与三极管包络检波 C1 滤除杂散信号 VD 单向导电器件 半波检波 截去us的下半部波形 V 单向导电器件 半波检波 截去us的上半部波形 RLC2 低通滤波器 3 1 2 1二极管与三极管包络检波 2 峰值检波与平均值检波 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 它们的特性也是一条曲线 即非线性器件 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 1 2 2精密检波电路 3 1 2包络检波电路 3 1 2 2精密检波电路 1 半波精密检波电路 与VD1 防止us为正半周时 因VD2断开而使运放处于开环状态 由此可造成运放饱和 当us 0时 N1输出 VD1通 VD2断 当us 0时 N1输出 VD1断 VD2通 当us 0时 当us 0时 2 全波精密检波电路 当us 0时 VD1VD4通 VD2VD3断 N2跟随器工作 当us 0时 VD1VD4断 VD2VD3通 N1工作 4 高输入阻抗全波精密检波电路 us 0时 VD1通 VD2断 us 0时 VD1断 VD2通 3 1调幅式测量电路 3 1 3相敏检波电路 双边带调幅信号的解调 3 1 3 1相敏检波的功用和原理 什么是相敏检波电路 具有鉴别调制信号相位 极性 和选频能力的检波电路 为什么要采用相敏检波 包络检波有两个问题 一是解调过程主要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 二是包络检波电路本身不具有区分不同载波频率信号的能力 为了使检波电路具有判别调制信号相位和频率的能力 提高抗干扰能力 需要采用相敏检波电路 功能区别 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 提高测控系统的抗干扰能力 电路结构区别 相敏检波电路除了所需解调的调幅信号外 还要输入一个与调幅信号同频同相 同频反相 的参考信号 通常用高频载波作为参考信号 有了参考信号才能鉴别调制信号 被测信号 的极性和频率 3 1 3 1相敏检波的功用和原理 相敏检波电路与包络检波电路在功能和电路构成上的主要区别是什么 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 这就是说相敏检波电路在结构上与调幅电路相似 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 经低通滤波后输出低频解调信号 因此它们的输入 输出耦合回路与滤波器的结构和参数不同 3 1 3 1相敏检波的功用和原理 相敏检波电路与调幅电路在构成上有哪些相似之处 它们又有哪些区别 3 1 3 1相敏检波的功用和原理 设调制信号 载波信号 单位载波 双边带调幅信号 则相敏检波后信号 低通滤波后信号 由此可见 相敏检波电路是由乘法器和低通滤波器组成 1 乘法器构成的相敏检波电路 3 1 3相敏检波电路 3 1 3 2相乘式相敏检波电路 2 开关式相敏检波电路 3 1 3 2相乘式相敏检波电路 2 开关式相敏检波电路 全波检波 V N沟道结型场效应管 低电平为负夹断 当Uc 1 时 V导通 N同相输入端接地 uo us 当Uc 0 时 V截止 us同时从N的同相输入端和反相输入端输入 uo us 2 开关式相敏检波电路 全波检波 当Uc 1 时 V1导通 V2截止 N同相输入端通过R4接地 us从反相端输入 当Uc 0 时 V1截止 V2导通 N反相输入端通过R3接地 us从同相端输入 2 开关式相敏检波电路 波形图 当ux 0时 us与Uc同频同相 当ux 0时 us与Uc同频反相 3 1 3 3相加式相敏检波电路 当u c 0时 VD1VD2截止 uo 0 当u c 0时 VD1VD2导通 且Ucm Usm 低频时C1C2开路 则 调RP使 1 相加式半波相敏检波电路之一 2 相加式半波相敏检波电路之二 Ucm Usm 低频时C1开路 C0很大视为短路 当ux 0时 us与uc同相 uc 0 us 0 VD1VD2导通 i1 i2 uo i1 i2 R5 0 当ux0 us 0 VD1VD2导通 i1 i2 uo i1 i2 R5 0 正半周 uc 0 等效电路 2 相加式半波相敏检波电路之二 问题 i1 i2总是从同一方向通过电容C0 使它按图示极性充电 很快使VD1阻塞 当ux 0时 us与uc同相 uc 0 us 0 VD3VD4导通 调RP使流过电表电流为零 uo 0 当ux0 VD3VD4导通 调RP使流过电表电流为零 uo 0 负半周 uc 0 等效电路 2 相加式半波相敏检波电路之二 3 相加式全波相敏检波电路 Ucm Usm 低频时C开路 3 相加式全波相敏检波电路 当ux 0时 us与uc同相 uc 0 us 0 VD1VD2导通 i2 i1 uo i2 i1 R5 0 当ux0 us 0 VD1VD2导通 i2 i1 uo i2 i1 R5 0 正半周 uc 0 等效电路 3 相加式全波相敏检波电路 当ux 0时 us与uc同相 uci3 uo i4 i3 R5 0 当ux0 VD3VD4导通 i4 i3 uo i4 i3 R5 0 负半周 uc 0 等效电路 3 1 3 4精密整流型相敏检波电路 当Uc 1 时 V1截止 V2导通 当Uc 0 时 V1导通 V2截止 Uc与us同相 Uc与us反相 3 1 3 6相敏检波电路的选频和鉴相特性 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 若us中含有高次谐波 由此产生的附加输出为 相敏检波电路具有抑制各种高次谐波的能力 1 相敏检波电路的选频特性 在实用的相敏检波电路中 常采用方波信号作参考信号 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 1 相敏检波电路的选频特性 波形 2 相敏检波电路的鉴相特性 3 1 3 6相敏检波电路的选频和鉴相特性 什么是相敏检波电路的鉴相特性 如果输入信号us与参考信号uc 或Uc 是同频信号 但有一定相位差 这时输出电压为 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 2 相敏检波电路的鉴相特性 输出信号仍随相位差的余弦而变化 若用方波信号作参考信号 则 2 相敏检波电路的鉴相特性 波形 3 1 3 7相敏检波电路的应用 1 用于调幅电路的解调 3 1 3 7相敏检波电路的应用 2 对称判断电路 判断光电显微镜是否瞄准被测刻线 当刻线处于瞄准状态时 即刻线像对称于狭缝 光电器件输出的信号如图b 经相敏检波电路输出为零 当刻线处于非瞄准状态时 光电器件输出信号如图c 经相敏检波电路输出不为零 常用的调制解调集成线路芯片 3 2调频式测量电路 3 2 1调频原理与方法3 2 1 1调频信号的表达式 调频信号的一般表达式可写为 什么是调频 写出调频信号的数学表达式 画出波形 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 调频信号的波形 3 2 1调频原理与方法3 2 1 2传感器调频 振弦的固有频率随张力T变化 从而使感应电势的频率发生变化 把电容或电感传感器接入LC谐振回路 也可实现调频 1 电容三点式LC振荡器调频电路 3 2 1调频原理与方法3 2 1 3电路调频 把电容或电感传感器接入LC振荡器中 实现调频 2 RC多谐振荡器调频电路 3 2 1 3电路调频 充电与放电回路的时间常数 T1 T2 占空比为1 1 1 工作原理将调频信号对t求导数得到 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 3 2调频式测量电路 3 2 2鉴频电路 什么是鉴频 对调频信号的解调 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 3 2 2 1微分鉴频 2 微分鉴频电路 要求 微分电流 r 三极管发射结正向电阻 VD 为V提供直流偏压 为电容C1提供放电回路 3 2 2 1微分鉴频 3 窄脉冲鉴频电路 3 2 2 1微分鉴频 要求 3 2 2 2斜率鉴频 利用LC谐振回路得到调频调幅波 在亚谐振区 再通过包络检波得到 图3 35采用双失谐回路 使灵敏度提高一倍 线性范围增大 3 2 2 2斜率鉴频 11 3 2 2 3数字鉴频 原理 直接测出调频信号的瞬时频率 即实现解调 测量某一时间段内信号变化的周期个数 计算出频率 很难得到瞬时频率 在信号的一个周期内 测量进入计数器的时钟脉冲的个数 T nTc f TnTc 可测出瞬时频率 但转换关系为非线性 t Us usRS触发器的真值表 OSRQ 0 0 不变 101 011 10不定 Us O t Cp us Us Us S Q 计数器 锁存器 DZ DS R DG 清零 Cp时钟周期 窄脉冲宽度 锁存脉宽 3 3调相式测量电路 3 3 1调相原理与方法3 3 1 1调相信号的表达式 什么是调相 写出调相信号的数学表达式 画出波形 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 调相信号的一般表达式可写为 调相信号的波形 3 3 1调相原理与方法3 3 1 2传感器调相 两个传感器产生的感应电势的相位差与扭矩成正比 3 3 1 2传感器调相 1 调相电桥 3 3 1调相原理与方法3 3 1 3电路调相 传感器R或C变化时 对应电压UR或UC变化 从而使US幅值不变 而相位变化 2 脉冲采样式调相电路 3 3 1 3电路调相 3 3调相式测量电路 3 3 2鉴相电路 3 3 2 1乘法器和低通滤波器实现鉴相 什么是鉴相 对调相信号的解调 从调相信号中检出反映被测量变化的调制信号称为相位检波或鉴相 uo随的余弦变化 但受us和uc的幅值影响 1 用开关式相敏检波电路鉴相2 用相加式相敏检波电路鉴相 Ucm Usm 3 3 2 2相敏检波电路鉴相 在时 输出uo为 1 异或门鉴相 3 3 2鉴相电路 3 3 2 3通过相位 脉宽变换鉴相 鉴相范围 uo Uo通过低通滤波器后的输出 2 RS触发器鉴相 3 3 2 3通过相位 脉宽变换鉴相 3 3 2 4脉冲采样式鉴相 鉴相范围 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 3 3 2鉴相电路 脉冲调宽的数学表达式为 B b mx 3 4脉冲调制式测量电路 3 4 1脉冲调制原理与方法3 4 1 1脉冲调制信号的表达式 什么是脉冲调宽制 写出脉冲调制信号的数学表达式 并画出其波形 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 脉冲调宽信号的波形 3 4 1脉冲调制原理及方法 3 4 1 2传感器调宽 光电元件输出 暗 的信号宽度与工件直径成正比 1 参量调宽 3 4 1脉冲调制原理及方法 3 4 1 3电路调宽 常量 差动电阻传感器 常数 T1 T2 充电时间常数 放电时间常数 输出