第3章信号调制与解调

1、第第3章章 信号调制解调电路信号调制解调电路 n3.1 调幅式测量电路及其应用调幅式测量电路及其应用 n3.2 调频式测量电路调频式测量电路 n3.3 调相式测量电路调相式测量电路 n3.4 脉冲调制式测量电路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，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，常在零频一般具有较低的频谱，常在零频(直流直流)到几十到几十 kHz范围内变化。当被测信号比较弱时，在信号范围内变化。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

2、响，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，经常采用不宜采用直接放大的形式，经常采用调制调制解解 调调方法，提高电路的抗干扰能力、传输能力及有方法，提高电路的抗干扰能力、传输能力及有 效地提高信噪比。效地提高信噪比。 调制调制解调解调的作用在于某种调制方法，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

3、技术，又从调制被调波信号增强，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。由于调制是放大了的输入信号。由于调制解调方法是解调方法是 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 将有效的抑制了将有效的抑制了低频干扰低频干扰和和直流漂移直流漂移。 调制和解调都能引起信号频率的变化，电子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。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。调制的频率变换是由低频变高频的过程。 解

4、调的频率变换是由高频变低频的过程。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，使其随原始输入信制；相位调制以及脉冲调制，使其随原始输入信 息发生改变。息发生改变。 n 将测量信号从含有噪声的信号中分离出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。来测量是电路的一项重要功用。 n1. 什么是信号调制？什么是信号

5、调制？ n 调制就是用一个信号（称为调制信号）去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。号），让后者的某一特征参数按前者变化。 n2. 什么是解调？什么是解调？ n 在将测量信号调制，并将它和噪声分离，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，这一过程称为取反映被测量值的测量信号，这一过程称为 解调解调。 3. 在测控系统中为什么要采用信号调制？在测控系统中为什么要采用信号调制？ 在测控

6、系统中，进入测控电路的除了传在测控系统中，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。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。调制的主要功用。 4. 在测控系统中常用的调制方法有哪几种？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

7、信号作为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，分别三个参数，可以对这三个参数进行调制，分别 称为称为调幅、调频和调相调幅、调频和调相。也可以用脉冲信号作。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，称调制，最常用的是对脉冲的宽度进行调制，称 为为脉冲调宽脉冲调宽。 5. 什么是调制信号、载波信号、已调信号？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，这个调制是

8、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，这个载体称正弦信号或脉冲信号作为载体，这个载体称 为为载波信号。载波信号。 用来改变载波信号的某一参数，如幅值、用来改变载波信号的某一参数，如幅值、 频率、相位的信号称为频率、相位的信号称为调制信号调制信号。 在测控系统中，通常就用测量信号作调制在测控系统中，通常就用测量信号作调制 信号。经过调制的载波信号叫信号。经过调制的载波信号叫已调信号已调信号。 3.1 调幅式测量电路调幅式测量电路 3.1.1 调幅原理与方法调幅原理与方法 一、调幅信号的一般表达式一、

9、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。什么是调幅？写出调幅信号的数学表达式，画出其波形。 调幅调幅就是用调制信号就是用调制信号x去控制高频载波信号的幅值。常用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的是线性调幅，即让调幅信号的幅值按调制信号x的线性的线性 函数变化。函数变化。 调幅信号的调幅信号的一般表达式一般表达式可写为：可写为： us=(Um+mx)cosct c载波信号角频率；载波信号角频率； Um调幅波中载波信号的幅值；调幅波中载波信号的幅值； m调制的灵敏度；调制的灵敏度；x调制信号。调制信号。 t x O t

10、 O uc us a)调制信号调制信号 b)载波信号载波信号 O t c)双边带调幅信号双边带调幅信号 2. 何谓双边带调幅？写出其数学表达式，画出波形何谓双边带调幅？写出其数学表达式，画出波形 设调制信号设调制信号x(t)是角频率为是角频率为的余弦信号的余弦信号x(t)=Xmcost， 由式（由式（4-1）调幅信号可写为：）调幅信号可写为： 它包含三个不同频率的信号它包含三个不同频率的信号: 角频率为角频率为c的载波信号和的载波信号和 角频率分别为角频率分别为c的上下边频信号。载波信号中不含调制的上下边频信号。载波信号中不含调制 信号信号x的信息，因此可以取的信息，因此可以取Um=0，只保留

11、两个边频信号。，只保留两个边频信号。 这种调制称为这种调制称为双边带调制。双边带调制。 其其数学表达式数学表达式为：为：us=Uxmcost cosct t mX t mX tUu c m c m cms )cos()cos( cos 22 对于对于双边带调制：双边带调制： 双边带调制可用乘法器实现，称为相乘调制。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实质上就是一个相乘调制器。在输入端加入测量信 号号Ux，T1 、T2是两个场效应管开关是两个场效应管开关,在它们的栅

12、极在它们的栅极 分别加入高频方波信号。经过调制，输入信号分别加入高频方波信号。经过调制，输入信号Ux ， 与幅值按与幅值按1、0变化的载波信号相乘。如下图所示：变化的载波信号相乘。如下图所示： ttUttmX t mX t mX u cxmcm c m c m s coscoscoscos )cos()cos( 22 000 11 021 021 )(, )(, xc xxc UUTTU UUUTTU 导通，截止， 截止，导通， 3. 在测控系统中被测信号的变化频率为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？应怎样选取调幅信应怎样选取载波信号的频率？应怎样选取调

13、幅信 号放大器的通频带？信号解调后，怎样选取滤波号放大器的通频带？信号解调后，怎样选取滤波 器的通频带？器的通频带？ 为了正确进行信号调制必须要求为了正确进行信号调制必须要求c，通常至，通常至 少要求少要求c10。这样，解调时滤波器能较好地将调。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。制信号与载波信号分开，检出调制信号。若被测信若被测信 号的变化频率为号的变化频率为0100Hz，则载波信号的频率，则载波信号的频率 c 1000 Hz。调幅信号放大器的通频带应为调幅信号放大器的通频带应为 9001100 Hz。信号解调后，滤波器的通频带应大于信号解调后，滤波器的通频带

14、应大于 100 Hz，即让，即让0100Hz的信号顺利通过，而将的信号顺利通过，而将900 Hz 以上的信号抑制，可选通频带为以上的信号抑制，可选通频带为200 Hz。 2. 传感器调制传感器调制 (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。行调制。 (2)通过交流供电实现调制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。如电阻式传

15、感器、电感式传感器和电容式传感器。 R1 F R4R2 R3 R1R2 Uo U R3R4 应变式传感器输出信号的调制应变式传感器输出信号的调制 3. 电路调制电路调制 (1)乘法器调制乘法器调制 Kxy a)a)原理图原理图 uc ux uo x y b) 实用电路实用电路 -8V 47k 0.1F 1k 0.1F 51 14 10 1 6 1k 3 8 MC1496 1k 3.3k 3.3k 750 1k 680k 20F 20F uc 1k 0.1F 2 12 5 4 uo ux +12V (2)开关电路调制（前已述及）开关电路调制（前已述及） ux uo Uc V2 V1 Uc uo

16、t O Uc O t t O ux (3)信号相加调制信号相加调制 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。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 要求要求UcmUxm,这时二极管这时二极管D1和和D2受受uc控制控制,工作在开关状态。工作在开关状态。 i l(uc+ux)K(ct )r i2(uc

17、-ux) K(ct ) r 式中式中 r为二极管的内阻与负载为二极管的内阻与负载RL折合到原边的等效电阻之和。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。为归一化的方波信号展开系数。 T 1 + ux - + ux - + uc - - VD1i1 VD2 i2 载波信号载波信号 T 3 T 2 RL i3 + uo _ RP 调制信号调制信号 相加型调幅电路相加型调幅电路 由上两式得由上两式得 tt r Un tt r Un t r Un ttt r U n rtKuniini c xm c xmxm cc xm cx 3 3 44 3 3 22 2 1 2 2 33

18、3 3 32133 coscoscoscoscos )coscos(cos / )()( 式中式中n3为变压器的变比。为变压器的变比。 从上式看到，相加型调幅电路的输出中信号的分量与相乘从上式看到，相加型调幅电路的输出中信号的分量与相乘 电路是相同的。这一点是容易理解的。在相乘电路中，电路是相同的。这一点是容易理解的。在相乘电路中， T1 、T2 起开关作用，即起乘起开关作用，即起乘0、1方波信号的作用。相加电路中，方波信号的作用。相加电路中，D1、 D2同样起开关作用，起乘同样起开关作用，起乘0、1 方波信号的作用。所不同的是加方波信号的作用。所不同的是加 到开关上的仅是调制信号到开关上的仅

19、是调制信号ux，UC仅起控制开关通断的作用。因仅起控制开关通断的作用。因 为只有一个信号加到开关上与为只有一个信号加到开关上与0、1方波信号相乘，故称相乘型方波信号相乘，故称相乘型 调幅电路。而调幅电路。而相加型相加型电路的电路的ux与与uc同时加到开关上，故称同时加到开关上，故称相加相加 型型调幅电路。调幅电路。 3.1.2 包络检波电路包络检波电路 n什么是包络检波？什么是包络检波？ 从已调信号中检出调制信号的过程称为从已调信号中检出调制信号的过程称为 解调解调或或检波。检波。幅值调制就是让已调信号的幅幅值调制就是让已调信号的幅 值随调制信号的幅值变化，因此调幅信号的值随调制信号的幅值变化

20、，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。这种方法称幅信号的包络线即能实现解调。这种方法称 为为包络检波。包络检波。 n包络检波的基本工作原理是什么？包络检波的基本工作原理是什么？ 由图可见，只要从图由图可见，只要从图a所示的调幅信号中，所示的调幅信号中， 截去它的下半部，即可获得图截去它的下半部，即可获得图b所示半波检波后所示半波检波后 的信号的信号 (经全波检波或截去它的上半部也可经全波检波或截去它的上半部也可)， 再经再经低通滤波低通滤波，滤除高频信号，即可获得所需，滤除高频信号，即可获得所需 调制信号，实

21、现解调。包络检波就是建立在整调制信号，实现解调。包络检波就是建立在整 流的原理基础上的。流的原理基础上的。 usuo OO t t a)b) 一、二极管与三极管包络检波一、二极管与三极管包络检波 1. 基本电路：基本电路：二极管与三极管包络检波电路如图二极管与三极管包络检波电路如图3-5所示。所示。 C1 VD RLC2 T i + us _ + uo _ 非线性非线性 器件器件 低通低通 滤波器滤波器 C1 (a) 二极管检波电路二极管检波电路 V RLC2 T ic + us _ + _ 非线性非线性 器件器件 低通低通 滤波器滤波器 uo Ec (b) 晶体管检波电路晶体管检波电路 图图

22、3-5 包络检波电路包络检波电路 图图3-5是两种包络检波电路，图是两种包络检波电路，图(a)采用二极管作为整流用采用二极管作为整流用 非线性元件，图非线性元件，图(b)采用晶体管。如果输入的调幅波具有图采用晶体管。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所示波形，那么经整流后其波形如图(b)所示。为了获得调所示。为了获得调 制信号，还要用滤波器滤除载波分量。制信号，还要用滤波器滤除载波分量。 图图3-5(b)所示晶体管检波器与图所示晶体管检波器与图(a)所示电路的第一个所示电路的第一个 区别是晶体管有区别是晶体管有放大作用放大作用，即晶体管的输出电压，即晶体管的输

23、出电压icRL可能可能 大于大于us的半波整流值。这一点图的半波整流值。这一点图3-6(b)上没有得到体现，可上没有得到体现，可 以认为其比例尺不同。其次是在晶体管检波电路中以认为其比例尺不同。其次是在晶体管检波电路中,集电极集电极 电压的变化对集电极电流电压的变化对集电极电流ic影响很小，因此影响很小，因此ic基本上由基本上由us确确 定，而与定，而与RLC上的输出电压上的输出电压u0无关。由于晶体管无关。由于晶体管V只在半个只在半个 周期导通，半个周期周期导通，半个周期ic对电容对电容C充电，另半个周期电容充电，另半个周期电容C向向 电阻电阻RL放电，流过放电，流过RL的平均电流只有的平均

24、电流只有ic / 2，这种检波称为，这种检波称为 平均值检波平均值检波，其输出波形如图，其输出波形如图3-6(c)所示。当尺所示。当尺RLC 1/c 时，可以认为由于电容时，可以认为由于电容C充放电造成的残余高频分量很小，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。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平均值检波输出波形如图3-6(c)所示。原因是晶体管所示。原因是晶体管V 只在半个周期导通，半个周期只在半个周期导通，半个周期ic对电容对电容C充电，另半个周期充电，另半个周期 电容电容C向电阻向电阻RL放电，流过放电，流过RL的平均电流

25、只有的平均电流只有ic / 2，这种检，这种检 波称为平均值检波。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 二极管两端的电压二极管两端的电压u是输入高频电压是输入高频电压ux与输出电压与输出电压u0之差。之差。 如图如图3-5中二极管中二极管VD与晶体管与晶体管V都具有理想的线性特性，那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么在晶体管检波器中，余弦电流脉冲的通角为2。而。而 在二极管检波器中电流脉冲的通角在二极管检波器中电流脉冲的通角 cos-1 u0 /Um。负载。负载RL 与二极管正向电阻与

26、二极管正向电阻r之比越大之比越大,需要向滤波器供电的时间越短，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 数应满足数应满足 ,以滤除载波信号，同时保留以滤除载波信号，同时保留 调制信号。调制信号。“峰值峰值”是指高频信号的峰值。是指高频信号的峰值。 11CRL c 2) 峰值检波与平均值检波峰值检波与平均值检波 由图由图3-6看出，检波输出不完全是调制信号，它还包看出，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含直流分量，其大小由载波信号的幅值Ucm决定。在通讯决定。在通讯 中中,

27、调制信号如声音或图像信号都是交流信号调制信号如声音或图像信号都是交流信号,可以通过隔可以通过隔 直将直流成份去掉，以获得放大了的图像或声音信号。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。

28、移与振动幅值。 二、二、 精密检波电路精密检波电路 n为什么要采用精密检波电路？为什么要采用精密检波电路？ 二极管二极管VD和晶体管和晶体管V都有一定死区电压，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超过一定值时才导通，它们的特性也是一根 曲线。二极管曲线。二极管VD和晶体管和晶体管V的特性偏离理想特的特性偏离理想特 性会给检波带来误差。为了提高检波精度，性会给检波带来误差。为了提高检波精度， 常需采用常需采用精密检波电路精密检波电路，它又称为，它又称为线性检波线性检波 电路或电路或精密整流电路精密

29、整流电路。 关于精密整流电路关于精密整流电路 D R + - uIuO 0 概念：将交流电转换为直流电，称为整流。概念：将交流电转换为直流电，称为整流。 如下图所示。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。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。 i u 0 Uon 0 t uI uO 0 t A uO R Rf R uI D1 D2 uO I f O u R R u 当当uI 0时，时，uO0， 当当uI 0， UD= 0.7V，Aod=5105，为使二极，为使二极管管D1导通导通 VVuu NP 5 5 1014. 0 105 7 . 0 D1截止，截

30、止， uO =0。 V4 . 1 从而从而D2导通，导通， 从而从而D1导通，导通， D2截止，截止， A1 R1 2R R uI D1 D2 uO1 A2 uO R2 R R R 0 t uI uO1 0 t uO 0 t 当当uI0时，时，uO1=- 2uI， IOO uuu 1 当当 uI0 时，时，uO =2uI - uI= uI； | IO uu 当当uI0时，时，uO1=0。 当当uI0 us R2 R1 R3 R4 us - - + + + + N1 - - + + + + N2 (b)正输入等效电路正输入等效电路 uo=-us us0 u A R2 R1 R3 R4 us -

31、- + + + + N1 - - + + + + N2 (c) 负输入等效电路负输入等效电路 线性全波检波电路之三线性全波检波电路之三 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。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。 s uu 0 (3)综合练习综合练习 12 13 14 U1D LM324 10 9 8 U2C LM324 5 6 7 U2B LM324 R1 20K R2 20K D3 4148 D4 4148 R4 10K R3 20KR5 20K R8 20K C1 100UF AC3V AD0 R6 2K W1 10K 3 2 1 411 U2A LM32

32、4 -12V +12V R7 10K W2 10K +12V-12V 调零电位器 调满度电位器 V1 V2 V3 V4 V5 V6 分析下面电路的工作原理。通过分析下面电路的工作原理。通过V1 V6 的波形说明。的波形说明。 测量原理测量原理 1) 220V交流电经过交流电经过3V变压器变压器T0输出为输出为3V交流电交流电V1 （波形如图（波形如图1所示所示） 。 0 V1 t 图图1 交流电压波形图交流电压波形图 2) V1经过运算放大器经过运算放大器U2U2A输出信号输出信号V2。运算放大器。运算放大器U2U2A 是个电压跟随器是个电压跟随器,由于电压跟随器的输入阻抗很高由于电压跟随器的

33、输入阻抗很高,输输 出阻抗很低出阻抗很低,可以避免上级电路影响下级电路可以避免上级电路影响下级电路。（波（波 形如图形如图2所示所示） 。 0 V2 t 图图2 交流电压交流电压V2的波形图的波形图 3) 信号信号V2分成两路分成两路,一路经过运放一路经过运放U2U2B和二极管的半波和二极管的半波 整流后输出信号整流后输出信号V3（波形如图（波形如图3所示所示）。另一路经电另一路经电 阻阻R3 。这两路信号和运算放大器这两路信号和运算放大器U2U2C构成反向加法构成反向加法 运算电路运算电路 （波形如图（波形如图4所示所示） 。 图图4 交流电压交流电压V4的波形图的波形图 t V4V3 0

34、t 图图3 交流电压交流电压V3的波形图的波形图 4) 信号信号V4经过运放经过运放U1U1D（LM324反向）反向）输出正向的脉动输出正向的脉动 电压信号电压信号V5（波形如图（波形如图5所示所示）。W1是调零电位器，是调零电位器， 可以校正运算放大器的零点漂移现象可以校正运算放大器的零点漂移现象。W2是调满度是调满度 电位器，经过调节电路送到电位器，经过调节电路送到AD转换器可以得到比较转换器可以得到比较 精确的值精确的值 。 图图5 交流电压交流电压V5的波形图的波形图 t V5 5) 信号信号V5经过经过R8和和C1的阻容滤波后得到平滑的直流电的阻容滤波后得到平滑的直流电 压压V6V6

35、（波形如图（波形如图6所示）。这样处理后，即可接入所示）。这样处理后，即可接入 A/D转换芯片，进行测量。转换芯片，进行测量。 图图6 直流电压直流电压V6的波形图的波形图 t V6 3.1.3 相敏检波电路相敏检波电路 一、相敏检波的功用和原理一、相敏检波的功用和原理 1. 什么是相敏检波电路？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敏检波电路是具有鉴别调制信号相位相位和和选频选频 能力的检波电路。能力的检波电路。 2. 为什么要采用相敏检波？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，

36、无法从检波器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的输出鉴别调制信号的相位相位。第二，包络检波电。第二，包络检波电 路本身不具有区分不同载波路本身不具有区分不同载波频率频率的信号的能力。的信号的能力。 对于不同载波频率的信号它都以同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，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。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为了使检波电路具有判别信号相位相位和和频频 率率的能力，提高的能力，提高抗干扰抗干扰能力，需采用相能力，需采用相 敏检波电路。敏检波电路。

37、3. 相敏检波电路与包络检波电路在功能与电路构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？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要区别是相敏检波电路能够鉴别调制信号相位相位， 从而判别被测量变化的方向，同时相敏检波电路从而判别被测量变化的方向，同时相敏检波电路 还具有还具有选频选频的能力，从而提高测控系统的抗干扰的能力，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

38、点是，除了所需解调的调幅信号外，还要输入一 个个参考信号参考信号。有了参考信号就可以用它来鉴别输。有了参考信号就可以用它来鉴别输 入信号的相位和频率。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？之处？它们又有哪些区别？ 将调制信号将调制信号ux乘以幅值为乘以幅值为1的载波信号就可以得的载波信号就可以得 到双边带调幅信号到双边带调幅信号us，将双边带调幅信号，将双边带调幅信号us再乘以载再乘以载 波信号，经低通滤波后就可以得到调制信号波信号，经低通滤波后就可以得到调制信号ux。这就。这就 是相敏检波电路在结

39、构上与调制电路相似的原因。是相敏检波电路在结构上与调制电路相似的原因。 二者主要二者主要区别区别是调幅电路实现低频调制信号与高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。与滤波器的结构和参数不同。 二、二、 乘法器式相敏检波电路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乘法器式相敏检波电路

40、框图和实用电路 如下图所示。如下图所示。 uc us uo x y Kxy N 0.1F 47k 0.1F 1k 0.1F 51 910 -8V 14 10 1 6 1k 3 8 MC1496 1k 3.3k 3.3k 9101k 6.8k 0.1F uc 1k 0.01F +12V 2 12 5 4 uo - + + N 20k 20k 10k 10k 200k R C R C 0.01F 200k F007 us 三、三、 相加式相敏检波电路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相加式相敏检波电路和其输出波形如图3-13所示。所示。 图图4-13 相敏检波电路相敏检波电路

41、t uo O uo O t uc O t us O t ux O t 相敏检波电路输出波形相敏检波电路输出波形 双边带调幅双边带调幅 半波相敏检波半波相敏检波 全波相敏检波全波相敏检波 载波信号载波信号 调制信号调制信号 相加式相加式调幅电路调幅电路如下图所示。它和前面的图如下图所示。它和前面的图 3-13都是半波相敏检波电路。都是半波相敏检波电路。 T 1 + ux - + ux - + uc - - VD1i1 VD2 i2 载波信号载波信号 T 3 T 2 RL i3 + uo _ RP 调制信号调制信号 相加式调幅电路（前面也有）相加式调幅电路（前面也有） 输出高频输出高频 1. 半波

42、相敏检波电路半波相敏检波电路 图图3-13是一种常用的相敏检波电路。它与相加式调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。而检波电路输出为低频或直流信号，不能用变 压器输出。电容压器输出。电容C1、C2为滤除载波信号作用。为滤除载波信号作用。 经放大后的调幅信号经放大后的调幅信号us经变压器经变压器B1输入，由变压器输入，由变压器B2 输入的是由振荡器送来的载波信号输入的是由振荡器送来的载波信号uc ， uc常称为参考信常称为参考信 号

43、。如果被测参数号。如果被测参数x为一常量为一常量,那么那么us与与uc频率相同。即使频率相同。即使 被测参数为一变化信号被测参数为一变化信号,但通常它的变化频率较低，而且但通常它的变化频率较低，而且 us的中心颇率仍等于的中心颇率仍等于uc ，所以常说，所以常说us与与uc同频。同频。 此外，还要求此外，还要求us与与uc同相同相(反相仍可视为同相，只是矢反相仍可视为同相，只是矢 量的符号相反量的符号相反)。与调制器一样，。与调制器一样， uc的幅值的幅值Ucm应远大于应远大于us的的 幅值幅值Usm 。二极管。二极管D1、D2起开关作用，其通断由参考电压起开关作用，其通断由参考电压 uc决定

44、。因此常说，在相敏检波器中，要求参考电压与被决定。因此常说，在相敏检波器中，要求参考电压与被 检信号检信号(调幅测量信号调幅测量信号)同频、同相，并具有高幅值。相敏检同频、同相，并具有高幅值。相敏检 波器也常称为同步检波器。波器也常称为同步检波器。 在上述条件下，只有在在上述条件下，只有在uc左端左端 为正的半周期内二极管为正的半周期内二极管D1 、D2才导通。才导通。 当调幅信号相位改变当调幅信号相位改变1800时，输出信号改变符号时，输出信号改变符号，这，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

45、号。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 uc2 uc1 C0 us C1 R4R1 VD3VD2 VD1 R3R2 R5 RP VD4 P uc T I4 I3 R4VD4 + + VD3 + _ uc1 uc2 us R3 C0 + uc T RP R1VD1 + + VD2 + _ i1 i2 uc1 uc2 us C1 R2 R5P C0 + uc T 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一和其正负半周等效电路如下图所示。 uc2 uc1 C R5P R4 R1 VD3VD2 VD1 R3 R2 VD4 us T

46、uo us1us2 + + + T2 uc VD1 T2 R1 + + VD2 _ i1 i2 uc1 uc2 + uo C R2 P us1 + us T1 i2-i1 R5 _ uc uc VD4 T1 R4 + + VD3 _ I4 i3 uc1 uc2 + uo C R3 T2 P us2 + R5 _ i4-i3 us 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。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。 注意调幅信号注意调幅信号us 。 四、精密整流型相敏检波电路四、精密整流型相敏检波电路 C R4 uo R1 R2 R2 R3 Uc - + + N1 - + +

47、 N2 R3 V1 V2 uA Uc us 精密整流型相敏检波电路如下图所示。精密整流型相敏检波电路如下图所示。 s ssAs sAs uu uuuuu uuuu 0 0 0 0 00 , , 1 C U 五、相敏检波电路的选频与鉴相特性五、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？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波，所有

48、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等各奇次谐波，输出信号的幅值相应衰减 为基波的为基波的1/ n，即信号的传递系数随谐波次数增高，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。而衰减，对高次谐波有一定抑制作用。 b) a) c) usus t O uo t O + + Uc t O uo t O + + + t O + t Uc O + us t O uo t O + + + + + t O + Uc 相敏检波电路的选频特性相敏检波电路的选频

49、特性 2. 相敏检波电路的鉴相特性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？什么是相敏检波电路的鉴相特性？ 如果输入信号如果输入信号us为与参考信号为与参考信号uc(或或Uc)同频同频 信 号 ， 但 有 一 定 相 位 差 ， 这 时 输 出 电 压信 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，即输出信号随相位差的余弦而变的余弦而变 化。化。 由于在输入信号与参考信号同频但有一定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

50、出信号的大小确定相位差的数关系，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值，相敏检波电路的这一特性称为鉴相特性。鉴相特性。 a) b) c)d) Uc t O + us t O + uo t O + Uc t O + Uc t O + Uc t O + us t O + us t O + us t O + + O t O + O uo uo t O + uo t O 相敏检波电路的鉴相特性相敏检波电路的鉴相特性 六、六、 相敏检波电路的应用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，

51、在精密仪器中获得了广泛应用。它的主抑制干扰和噪声，在精密仪器中获得了广泛应用。它的主 要用途有：要用途有： 用作各种测量仪器中的解调电路，它常用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。电桥的检波电路，其连接如下图所示。 桥臂可接应变片、桥臂可接应变片、 热敏电阻等等。滤热敏电阻等等。滤 波器可为相敏检波波器可为相敏检波 电路一部分，也可电路一部分，也可 视需要另接符合给视需要另接符合给 定要求的滤波器。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用于

52、锁相放大器中。上图中虚线框内为常用 的为锁相放大器。的为锁相放大器。 用作鉴相器。用作鉴相器。 用作基波与奇次谐波检出器，例如用在光电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。显微镜与激光稳频管中等。 用作模拟式乘法器。用作模拟式乘法器。 调幅式几何量测量电路。它是一个电感测微调幅式几何量测量电路。它是一个电感测微 仪器，如图仪器，如图3-17所示。所示。 振荡器振荡器 +15V 传感器传感器 uo V C T1 2 3 4 5 7 6 相敏检波电路相敏检波电路 RP4 -15V Rt 放大器放大器 R1R2 R3R4 量程切换电路量程切换电路 RP1 RP3 RP2 -

53、 - + + + + N + +15V RP5 P 3-17 调幅式电感测微仪器调幅式电感测微仪器 晶体管晶体管晶体管晶体管V与变压器与变压器T电容电容C构成三点式构成三点式LC振荡器。振荡器。 振荡器的输出一方面通过二次侧振荡器的输出一方面通过二次侧4、5、6、7给传感器供电，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实现测量信号的幅值调制，另一方面通过二次侧1、2、3向向 相敏检波器提供参考电压。相敏检波器提供参考电压。 调幅测量信号经调幅测量信号经RP3与与R1R4构成的分压器衰减后构成的分压器衰减后 送入相加放大器送入相加放大器IC1， RP3作调节整个仪器灵敏度用。送

54、作调节整个仪器灵敏度用。送 到相加放大器还有由电位器到相加放大器还有由电位器RP2取出调零电压，通过调取出调零电压，通过调 节节RP2使仪器指零。变换量程时测量与调零电压按同样使仪器指零。变换量程时测量与调零电压按同样 比例衰减。比例衰减。 RP1用来补偿减小零点残余电压。用来补偿减小零点残余电压。 放大器放大器IC1采用采用BG305组件，通过同相输入可提高组件，通过同相输入可提高 输入阻抗。闭环放大倍数为输入阻抗。闭环放大倍数为200，热敏电阻，热敏电阻Rt作温度补作温度补 偿用。偿用。 放大器的输出送到相敏检波器，还可从电位器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

55、式电压表，实现数字显示。取出信号送数字式电压表，实现数字显示。 3.2 调频式测量电路调频式测量电路 3.2.1 调频原理与方法调频原理与方法 一、调频信号一、调频信号us的一般表达式的一般表达式 1. 什么是调频？写出调频信号的数学表达式，画出什么是调频？写出调频信号的数学表达式，画出 其波形。其波形。 调频调频就是用调制信号就是用调制信号x去控制高频载波信号的频率。常用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的是线性调频，即让调频信号的频率按调制信号x的线的线 性函数变化。性函数变化。 调频信号调频信号us的的一般表达式一般表达式可写为：可写为：us=Um

56、cos(c+mx)t x t O O t us a) 调制信号调制信号 b) 调频信号调频信号 调频信号的波形调频信号的波形 这种调频信号的波形如下图所示。这种调频信号的波形如下图所示。 二、传感器调制二、传感器调制 4 2 1 T NS 3 测力或压力的振弦式传感器测力或压力的振弦式传感器 与调幅的情况一样，为了提高测量信号的抗干扰能力，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。器中进行调制。 测力或压力的振弦式传感器测力或压力的振弦式传感器 如下图所示。振弦如下图所示

57、。振弦3的一端与支的一端与支 承承4相连，另一端与膜片相连，另一端与膜片1相连，相连， 振弦振弦3的固有频率随张力的固有频率随张力T变化。变化。 振弦振弦3在磁铁在磁铁2形成的磁场内振形成的磁场内振 动时产生感应电动势，其输出动时产生感应电动势，其输出 为调频信号。为调频信号。 三、电路调制三、电路调制 1. 电容三点式电容三点式LC振荡器调频电路振荡器调频电路 L CT C1 C2 +Ec ff 0 0 2. 多谐振荡器调频电路多谐振荡器调频电路 uo - + + N C R3 10k 5k 10k R1 R RP R4 VS 15k 30k 10k R2 +FUr u uo uc +Ur

58、-Ur -FUr O t T2 T1 T0 a) b) 3.2.2 鉴频电路鉴频电路 什么是鉴频？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变化的调制信号称为频率解调频率解调或或鉴频鉴频。 一、微分鉴频一、微分鉴频 1. 工作原理工作原理 将调频信号将调频信号us=Umcos(c+mx)t 对对t求导数得到求导数得到 -Um (c+mx)sin(c+mx)t这这一一调频调幅信号。利用包络调频调幅信号。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检波检出其幅值变化，即可得到含有调制信号的信息 Um (

59、c+mx)。 2. 微分鉴频电路微分鉴频电路 C1 uous VDV RL C2 + Ec - ie ic 微 分 网络 包络 检波 C1 us ud + r + - - - 微分鉴频电路原理图如下图所示。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 uo Oc) us t t t O O b) a) Us uo 放大与电 平鉴别器 单稳态 触发器 低通 滤波器 usUsUs 窄脉冲鉴频电路的工作原理如下图所示。窄脉冲鉴频电路的工作原理如下图所示。 二、斜率鉴频二、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

60、到调频调幅信号输出，然后通过包络检络，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。回路作斜率鉴频网