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,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,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。其数学表达式为：,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x0时，us与uc同频同相；,双边带调幅信号,当x1000Hz。调幅信号放大器的通频带应为9001100Hz。信号解调后，滤波器的截止频率应大于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0200Hz。,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？,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,V1V2N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UcmUxm，,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,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us0时，N1输出，VD1通，VD2断，；,当us0时，；,当us0时，VD1VD4通，VD2VD3断，N2跟随器工作，；,当us0时，VD1通，VD2断，；,us0时，us与Uc同频同相；,当uxUsm，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,UcmUsm，低频时C1开路，C0很大视为短路。,当ux0时，us与uc同相，uc0，us0，VD1VD2导通，i1i2，uo=(i1-i2)R50；,当ux0，us0，VD1VD2导通，i10时，us与uc同相，uc0，usUsm，低频时C开路。,3.相加式全波相敏检波电路,当ux0时，us与uc同相，uc0，us0，VD1VD2导通，i2i1，uo=(i2-i1)R50；,当ux0，us0，VD1VD2导通，i20时，us与uc同相，uci3，uo=(i4-i3)R50；,当ux0，VD3VD4导通，i4i3，uo=(i4-i3)R5ux的频率,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，从而使输出电压US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：,uoUo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(T1T2),充电时间常数,放电时间常数,输出脉冲信号的频率不变，占空比随传感器电阻R2R3变化。,*2.电压调宽,3.4.1.3电路调宽,（1）若ux0，则u+大：uo=Ur，C充电时间长；uo=-Ur，C放电时间短。即输出脉冲占空比大。,（2）若uxUc时，比较器N2翻转输出低电平，使RS触发器翻转Q=0；(此时C1通过VD1放电),如此反复，使输出波形的脉宽分别由C1C2的充放电时间所决定，即脉冲宽度受C1C2调制。,RS触发器输出的脉宽调制信号经