第13讲 信号调制电路-xwhppt课件

1、第十三讲 信号调制解调电路第一节 调制解调的功用与类型1、什么是信号调制？、什么是信号调制？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？、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，这一过程称为解调解调。 1;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

2、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。 2;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有哪几种？、在测控系统中常用的调制方法有哪几种？ n脉冲调制是以高频矩形脉冲为载波, 用低频调制信号分别去控制矩形脉冲的幅度、宽度或位置三个参量, 分别称为脉幅调制(PAM), 脉宽调制(PDM)和脉位调制(PPM)。 n正弦波调制是以高频正弦波为载波, 用低频调制信号分别去控制正弦波的振幅、频率或相位三个参量, 分别称为调幅(AM)、 调频(FM)和调相(PM)。3;第一节 调制解调的功用与类型5、什么是调制信号、载波

3、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已调信号。 4;第二节 调幅式测量电路一、调幅原理与方法一、调幅原理与方法（一一）1、什么是调幅？写出调幅信号的数学表达式，画、什么是调幅？写出调幅信号的数学表达式，画出其波形。出其波形。 普通调幅方式是用低频调制信号去控制高频正弦波(载波)的振幅, 使其随调制信号波形的

4、变化而呈线性变化。 设载波为 uc(t)=Ucmcosct, 调制信号为单频信号，即u(t)=Umcost, 则普通调幅信号为: uAM(t)= (Ucm+kUm cos t)cosct =Ucm(1+Macost)cosct5; 其中调幅指数Ma= , 0Ma1, k为比例系数。 图13.1(a)给出了u(t), u c(t)和uAM(t)的波形图。从图中并结合上式可以看出, 普通调幅信号的振幅由直流分量Ucm和交流分量kUm cost迭加而成, 其中交流分量与调制信号成正比, 或者说, 普通调幅信号的包络(信号振幅各峰值点的连线)完全反映了调制信号的变化。另外, 还可得到调幅指数Ma的表达

5、式:maxminmaxminminmaxmincmacmcmUUUUUUMUUUUmkUcmU6;7; 显然, 当Ma1时, 普通调幅波的包络变化与调制信号不再相同, 产生了失真, 称为过调制, 如图13.2所示。所以, 普通调幅要求Ma必须不大于1。 上式又可以写成uAM(t)=Ucmcosct+ cos (c+)t+cos (c-)t 可见, uAM(t)的频谱包括了三个频率分量：c(载波)、 c+(上边频)和c-(下边频)。原调制信号的频带宽度是 或（F= ） , 而普通调幅信号的频带宽度是2(或2F), 是原调制信号的两倍。普通调幅将调制信号频谱搬移到了载频的左右两旁, 如图13.1(

6、b)所示。 22acmM U8;tttvAM(t)vAM(t)v ttvcvAM(t)9;10; 由上式还可以看到, 若此单频调幅信号加在负载R上, 则载频分量产生的平均功率为: Pc= (13.4)两个边频分量产生的平均功率相同, 均为: PSB= 调幅信号总平均功率为: Pav=Pc+2PSB= (13.6)RUcm221cacmapMUMR2241)2(2121(1)2acMp11; 由于被传送的调制信息只存在于边频分量而不在载频分量中, 所以从式13.6可知, 携带信息的边频功率最多只占总功率的三分之一(因为Ma1)。 在实际系统中, 平均调幅指数很小, 所以边频功率占的比例更小, 功

7、率利用率更低。 12;能量传送：能量传送：从从AM传送传送SSB传送不仅仅节约了能量并且压缩了占传送不仅仅节约了能量并且压缩了占据频带据频带 为了提高功率利用率, 可以只发送两个边频分量而不发送载频分量, 或者进一步仅发送其中一个边频分量, 同样可以将调制信息包含在调幅信号中。 这两种调幅方式分别称为抑制载波的双边带调幅(简称双边带调幅)和抑制载波的单边带调幅(简称单边带调幅）。13; 根据信号分析理论, 一般非周期调制信号u(t)的频谱是一连续频谱, 假设其频率范围是minmax, 如载频仍是c, 则这时的普通调幅信号可看成是调制信号中所有频率分量分别与载频调制后的迭加, 各对上、下边频的迭

8、加组成了上、 下边带, 相应的波形和频谱如图13.3所示。可见, 这时普通调幅信号的包络仍然反映了调制信号的变化, 上边带与下边带呈对称状分别置于载频的两旁, 且都是调制信号频谱的线性搬移, 上、 下边带的宽度与调制信号频谱宽度分别相同, 总频带宽度仍为调制信号带宽的两倍, 即BW=2max。 14;15;第二节 调幅式测量电路 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 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

9、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双边带调制。其数学表达式数学表达式为：us=Uxmcost cosct16; DSB，SSB的基本特性n1) 表示方法ni) 波形 双边带双边带 单边带单边带17;1) 表示方法nii) 数学表达式ttVMv coscoscmaDSB t2VMv)cos(ccmaSSB t2VM)cos(ccma 或18;1) 表示方法niii) 频谱 双边带双边带 单边带单边带19;2) 能量关系L2oo2aDSBR2VPP2MPcm其中其中 o2

10、aDSBSSBP4MP21P 20;第二节 调幅式测量电路 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，应怎样选取载波信号的频率？应怎样选取调幅信号放大器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？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c10。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c1000 Hz。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

11、应100 Hz，即让0100Hz的信号顺利通过，而将900 Hz以上的信号抑制，可选通频带为200 Hz。 21;第二节 调幅式测量电路（二）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为什么在测控系统中常常在传感器中进行信号调制？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。 22;第二节 调幅式测量电路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。R1FR4R2 R3R1R2UoUR3R4应变式传感器输出信号的调制 23;第二节 调幅式测量电路（三）电路调制1、乘法器调制、乘法器调

12、制a)原理图ucuxuoxyKxyb) 实用电路 -8V47k0.1F1k0.1F5175014 10 161k38MC14961k3.3k3.3k7501k680k20F20Fuc1k0.1F21254uoux+12V24;第二节 调幅式测量电路2、开关电路调制、开关电路调制uxuoUcV2V1Uc uotO Uc OttO ux25;第二节 调幅式测量电路3、信号相加调制、信号相加调制T1+ ux -+ ux -+ uc -VD1i1VD2i2载波信号T3T2RLi3+uo_RP调制信号26;第二节 调幅式测量电路二、包络检波电路二、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

13、中检出调制信号的过程称为解调解调或检检波波。幅值调制就是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。 27;第二节 调幅式测量电路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。 usuoOOtta)b)28;第二节 调幅式测量电路（一）二极管与三极管包络检波1

14、、基本电路、基本电路VDRLC2Ti+us_+uo_非线性 器件 低通滤波器C1a) 二极管检波电路C1VRLC2Tic+us_+_非线性 器件 低通滤波器uoEcb) 晶体管检波电路29;第二节 调幅式测量电路2、峰值检波与平均值检波、峰值检波与平均值检波a)二极管iiUsmctctuuo0us=usmcosct0imax/20uo0tctb)晶体管i0ube0Usmus=usmcoscti0Icicmaxctuo0t30;第二节 调幅式测量电路（二）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

15、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，常需采用精密精密检波电路检波电路，它又称为线性检波电路线性检波电路。 31;第二节 调幅式测量电路1、半波精密检波电路、半波精密检波电路+ us 半波整流器低通滤波器+usiiCR4uoR1R2R2R3VD1VD2+ u i-+N1-+N2+uA+uAA32;第二节 调幅式测量电路2、全波精密检波电路、全波精密检波电路+ us 半波整流器低通滤波器+usiiCR4uoR1R2R2R3VD1VD2+ u i-+N1-+N2R3+uA+uAAOtuAOtuoOtus线性全波检波电路

16、之一33;第二节 调幅式测量电路 uoR4VD1VD2R2R5VD3VD4R3usR1-+N1-+N2线性全波检波电路之二34;第二节 调幅式测量电路 usuAVD2VD1uoR1R3R4-+N1R2-+N2a) 电路图uo=usus0usR2R1R3R4us-+N1-+N2b）正输入等效电路uo=-usus U68 ，则U2 0；而当衔铁在零位以下时， 则有U24 U68，则U2 0，不论u2与us是正半周还是负半周，负载电阻RL两端得到的电压uo始终为正。 当x0时：u2与us为同频反相。不论u2与us是正半周还是负半周，负载电阻RL两端得到的输出电压uo表达式总是为 (4-39)54;图

17、4-20 波形图（a） 被测位移变化波形图; （b） 差动变压器激磁电压波形; （c） 差动变压器输出电压波形 (d) 相敏检波解调电压波形； (e) 相敏检波输出电压波形 xoou1ttu2oK1u1xusouoottt(a)(b)(c)(d )(e)55;第三节 调频式测量电路一、调频原理与方法一、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，什么是调频？写出调频信号的数学表达式，画出其波形。画出其波形。调频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的一般表达式一般表达式可写为：us=Umcos(w

18、c+mx)t 56;第三节 调频式测量电路 xtOOtusa) 调制信号b) 调频信号调频信号的波形57;第三节 调频式测量电路（二）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LCTC1C2+Ecff0058;第三节 调频式测量电路2、多谐振荡器调频电路、多谐振荡器调频电路uo-+NCR310k 5k10kR1RRPR4VS15k30k10kR2+FUruuouc+Ur-Ur-FUrOtT2T1T0a)b)59;第三节 调频式测量电路二、鉴频电路二、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变化的调制信号称为频率解调频率解调或鉴频鉴频

19、。（一）微分鉴频1、工作原理、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 (wc+mx)。60;第三节 调频式测量电路2、微分鉴频电路、微分鉴频电路C1uousVDVRLC2+Ec-ieic微 分网络包络检波C1usud+r+-61;第三节 调频式测量电路3、窄脉冲鉴频电路、窄脉冲鉴频电路uoOc)ustttOOb)a)Usuo放大与电平鉴别器单稳态触发器 低通滤波器usUsUs62;第三节 调频式测量电路（二）数字式频率计CpusUU计数器锁存器清

20、零DG&SRQDZDS63;第四节 调相式测量电路一、调相原理与方法一、调相原理与方法（一）什么是调相？写出调相信号的数学表达什么是调相？写出调相信号的数学表达式，画出其波形。式，画出其波形。调相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的一般表达式一般表达式可写为： us=Umcos(wc t +mx)64;第四节 调相式测量电路 a)b)c)txOttucusOO65;第四节 调相式测量电路（二）电路调制1、调相电桥、调相电桥oURUCUsUUCURUTRCUs-+N2-+N1RR1R1CUsU2U2U

21、2-66;第四节 调相式测量电路2、脉冲采样式调相电路、脉冲采样式调相电路U0门限检测电路脉冲发 生器载波频率锯齿波发生器输出调相脉冲ujux+a)UcususOttOujtOuj=kux+ujtOuxb)d)c)e)UcU067;第四节 调相式测量电路二、鉴相电路二、鉴相电路鉴相鉴相就是从调相信号中将反映被测量变化的调制信号检出来，实现调相信号的解调，又称为相位检波相位检波。（一）用相敏检波器或乘法器鉴相1、乘法器鉴相、乘法器鉴相 uo=KUsmUcm/2cos ucusuoxyKxyN68;第四节 调相式测量电路（二）通过相位脉宽变换鉴相1、异或门鉴相、异或门鉴相a)UCUSDG1= =1

22、Uoc)CPUs计数器锁存器 延时时钟脉冲DG2Uo锁存指令清零UcDG1= =1&Nd)-2-0N,uo2b)UcUsOOtuotUotOB69;第四节 调相式测量电路2、RS触发器鉴相触发器鉴相a)QQSRUcUsc)N,uo0221ttttb)OOBQUsUcuoOUcUsOOt70;第四节 调相式测量电路（三）脉冲采样式鉴相uo单稳锯齿波发生器采 样保 持滤波器Ucuj UcUsue)tOa)b)c)d)UcOttOUstOujtOuuo71;第四节 调相式测量电路各种鉴相方法比较各种鉴相方法比较（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触发器鉴相触发器鉴相精度