测控电路 第五章 信号调制解调电路

1、第5章 信号调制解调电路学习要点n调制解调的功用与类型。n调幅式测量电路原理及特点。n包络检波电路的原理及特点。本章内容n第一节 调制解调的功用与类型n第二节 调幅式测量电路n第三节 调频式测量电路n第四节 调相式测量电路n第五节 脉冲调制式测量电路第5章 信号调制解调电路第一节 调制解调的功用与类型1 1、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？ n传感器的输出信号一般很微弱，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。n信号的远距离传输，可以采用直流放大或调制与解调。n信号传输过程中容易受到工频及其他信号的干扰，若采用直流放大器则在传输过程中

2、必须采用有效措施抑制干扰信号的影响。n为了便于区别信号与噪声，往往给测量信号赋予一定特征，即在被测信号上叠加一高频信号，将它从低频区推移到高频区，以提高电路的抗干扰能力和信号的信噪比。这就是调制的主要功用。 第一节 调制解调的功用与类型2 2、什么是信号调制？注意区分三个概念！、什么是信号调制？注意区分三个概念！ 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、相位等)按前者变化（已调信号）。 3 3、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

3、为解调解调。 第一节 调制解调的功用与类型4 4、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？ 用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位的信号调制信号调制信号。在测控系统中，通常指测量信号。 常以一个高频正弦信号或脉冲信号作为载体，赋予测量信号一定特征载波信号载波信号。 经过调制的载波信号叫已调信号已调信号。 5 5、在测控系统中常用的调制方法、在测控系统中常用的调制方法调制类型调制类型连续波调制连续波调制脉冲波调制脉冲波调制调幅调幅调频调频调相调相脉宽脉宽脉幅脉幅脉位脉位对高频正弦信号（载波信号）的幅值、频率、相位这三个参数对高频正弦信号（载波信号）的幅值

4、、频率、相位这三个参数进行调制，分别称为进行调制，分别称为调幅、调频和调相。调幅、调频和调相。对脉冲信号（载波信号）的脉冲宽度进行调制，称为对脉冲信号（载波信号）的脉冲宽度进行调制，称为脉冲调宽。脉冲调宽。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 1、什么是调幅？、什么是调幅？ 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一般表达式可写为：us=(Um+mx)coswct第二节 调幅式测量电路 txOtOucusa)调制信号b)载波信号Otc)双边带调幅信号 2 2、双边带调幅、双边带调幅

5、 假设调制信号x是角频率为的余弦信号x=Xmcost，由式us=(Um+mx)coswct ，可得 u us s= = (Um+mXmcost)coswct Umcosct+ mXmcos(c+)t + mXmcos(c-)t/2 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 cosctccc -c+第二节 调幅式测量电路 3 3、载波信号频率的选取载波信号频率的选取 为了正确进行信号调制必须要求c，通常至少要求c10。若被测信号的变化频率为0100Hz，则载波信号的频率c c1000 Hz1000 Hz。调幅信号放大器的通频

6、带应该在c c ， c c 之间；信号解调后，滤波器的通频带应该允许调制信号通过,即大于 。第二节 调幅式测量电路（二）调幅式测量电路分类（二）调幅式测量电路分类n传感器调制传感器调制n电路调制电路调制n乘法器调制乘法器调制n开关电路调制开关电路调制第二节 调幅式测量电路I、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。 usucx214用电感传感器测量 工件轮廓形状3调幅信号c)ustuctb)a)O xtxO xO第二节 调幅式测量电路

7、2、通过交流供电实现调制、通过交流供电实现调制第二节 调幅式测量电路3 3、通过交流供电实现调制、通过交流供电实现调制如，电参量传感器（电阻式、电感式和电容式）。R1FR4R2 R3R1R2UoUR3R4应变式传感器输出信号的调制 121234UUIIRRRR，R1FR4R2 R3R1R2UoUR3R4应变式传感器输出信号的调制 bad11241412341324132412340()()baadUoUUI RI RURURRRRRR RR RUR RR RRRRR ，-时，电桥平衡设电桥电变化分别为，且时项初初始始平平衡衡，四四臂臂工工作作，各各臂臂阻阻R R1 1、R R2 2、R R3

8、3、R R4 4R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4R R有有U U R R1 1 R R2 2 R R3 3 R R4 4( () )4 4R RR RR RR RU Uo o1 1 R R2 2 R R3 3 R R1 1 R R4 41 1( () )2 2R RR RR RR RR Ri iR Ri i，可可忽忽略略后后面面一一，有有U U R R1 1 R R2 2 R R3 3 R R4 4U Uo o( () )4 4R RR RR RR R双边带调制双边带调制第二节 调幅式测量电路II、电路调制1.1.开关电路调制开关电路调制uxuoUcV2V1Uc uotO Uc

9、 OttO uxu uc c00，场效应管，场效应管V V1 1导通，导通，V V2 2截止，截止，u uo ou ux x; ;u uc c0UoUsUo时，二极管导通，时，二极管导通，电流电流i ic c对电容充电很快；对电容充电很快；nUsUoUstt放电放电，u uo ouusmsm; ;n属峰值检波电路。属峰值检波电路。nU Us s000时，三极管截止，电容通过时，三极管截止，电容通过R RL L放电；放电；n流过电阻流过电阻R RL L的电流为的电流为i ic c的的平均值平均值。n属平均值检波电路。属平均值检波电路。VRLC2Tic+us_+_非线性 器件 低通滤波器uoEcb

10、) 晶体管检波电路二极管检波电路与三极管检波电路有什么异同点？二极管检波电路与三极管检波电路有什么异同点？n不同点不同点n三极管对电流有放大作用，所以三极管对电流有放大作用，所以u uo ouus s。a)二极管iiUsmctctuuo0us=usmcosct0imax/20uo0tctb)晶体管i0ube0Usmus=usmcoscti0Icicmaxctuo0tn相同点相同点二极管二极管V VD D和晶体管和晶体管V V的死区和非线性会给的死区和非线性会给检波带来误差。检波带来误差。n不同点不同点二极管检波电路导通角小，带负载能力弱；二极管检波电路导通角小，带负载能力弱；三极管检波电路导通

11、角大，带负载能力强。三极管检波电路导通角大，带负载能力强。（二）精密检波电路（线性检波电路）1 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+uAAu us s00，二极管，二极管V VD1D1导通，导通，V VD2D2截止，截止，u uA A0 0，u uO O0;0;u us s0uus s。属于平均值。属于平均值检波；检波；二极管没有放大作用。二极管没有放大作用。 uousm，属于峰值检波；属于峰值检波；二极管检波电路二极管检波电路导通角小，带负载能力弱；导通角小，带负载能力弱；三极管

12、检波电路三极管检波电路导通角大，带负载能力强。导通角大，带负载能力强。uoR4VD1VD2R2R5VD3VD4R3usR1-+N1-+N2图5-12 线性全波检波电路之二u us s00，二极管，二极管V VD1D1， V VD4D4导通，导通，V VD2D2， V VD3D3截止，截止，u uO Ou us s; ;u us s00usR2R1R3R4us-+N1-+N2b）正输入等效电路线性全波检波电路之三高输入阻抗线性全波整流电路u us s00，二极管，二极管V VD1D1导通，导通，V VD2D2截止；截止；442323(1)osssRRuuuuRRRR 1.1.分析电路结构；分析电

13、路结构；2.2.分析各部分输入输出关系；分析各部分输入输出关系；3.3.虚短，虚断，电流和为零。虚短，虚断，电流和为零。uo=-usus0uAR2R1R3R4us-+N1-+N2c) 负输入等效电路U Us s00，二极管，二极管V VD1D1截止，截止，V VD2D2导通；导通；214433(1)2(1)AssoAssRuuuRRRuuuuRR usuAVD2VD1R1R3R4-+N1R2-+N2a) 电路图uo=|us|取R1=R2=R3=R4/2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

14、载波频率的信号的能力。第二节 调幅式测量电路第二节 调幅式测量电路三、相敏检波电路三、相敏检波电路（一）相敏检波的功用和原理1 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位和频率的能力的检波电路。 相敏检波的主要特征： 参考信号，用来鉴别输入信号的相位和频率。一般取和载波信号同频的高频信号。us=Uxmcost cosct2coscoscos11coscoscos22211coscos(2)cos(2) 24oscxmcxmxmcxmxmccUUtUttUtUttUtUtt 相敏检波可以用与调制电路相似的电路来实现。2 2、相敏检波电路与调幅电路在结构上异

15、同、相敏检波电路与调幅电路在结构上异同n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。这就是相敏检波电路在结构上与调制电路相似的原因。n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 1、开关式相敏检波电路、开关式相敏检波电路tuoOuoOtucOtusOtuxOtusuoUcV2V1Uc优点：具有鉴相功能缺点：脉动较大

16、，精度低半波相敏检波电路2、全波相敏检波电路uousUcRVRR-+Na)UcOtusOtuoOtc)Uc“1”1”，场效应管，场效应管V V导通，导通，u uO O- -u us s; ;Uc“0”0”，场效应管，场效应管V V截止，截止，u uO Ou us s; ;Us和和Uc同相时，同相时， uO0，具有鉴相作用。具有鉴相作用。2、全波相敏检波电路uousR2R3R1R6R4R5V1UcV2-+NUcb)UcOtuoOtusOtd)Uc“1”1”，场效应管，场效应管V V1 1导通，导通， V V2 2截止截止，u uO O-R-R6 6/ /（R R2 2R R3 3）- -u us

17、 s; ;Us和和Uc同相时，同相时， uO0，具有鉴相作用。具有鉴相作用。Uc“0”0”，场效应管，场效应管V V1 1截止，截止， V V2 2导通，导通，561453(1)ossRRuuuRRRR2 2、精密整流型相敏检波电路、精密整流型相敏检波电路CR4uoR1R2R2R3Uc-+N1-+N2R3V1V2uAUcusUcUc为正，场效应管为正，场效应管V V1 1截止，截止，V V2 2导通；导通；214433AssoAssRuuuRRRuuuuRR 取R1R2R3R42R3UcOtuoOtusOtd)Us和和Uc反反相时，相时， uO0，具有鉴相作用。具有鉴相作用。（三）相敏检波电路

18、的选频与鉴相特性1 1、相敏检波电路的选频特性、相敏检波电路的选频特性滤除载波信号在数学上可以用在载波信号一个周期内取平均值来表示。这样对于调幅信号的相敏检波可表示为222002011coscos2211cos 222osccxcccxxcuutdtutdttuudt（三）相敏检波电路的选频与鉴相特性1 1、相敏检波电路的选频特性、相敏检波电路的选频特性如果输入信号中含有高次谐波，设为uncosnct，其中n为大于1的整数，由它产生的附加输出为20201coscos21 cos1cos14nncccncccuunttdtuntnt dt即相敏检波电路具有抑制各种高次谐波的能力。（三）相敏检波电

19、路的选频与鉴相特性1 1、相敏检波电路的选频特性、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。这时输入信号不是与单位参考信号cosct相乘，而是与归一化的方波载波信号相乘。输出电压20201122coscoscos3223111 cos1cos323nnccccncccuuntttdtuntntdtn为偶数，输出为零。n为奇数，输出信号的幅值相应为un/， un/（3）， un/（5）等（三）相敏检波电路的选频与鉴相特性1 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？相敏检波电路对不同频率的输入信号

20、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。b) n=2a) n=1 c) n=3usustOuotO+UctOuotO+tO+tUcO+ustOuotO+ +tO+Uc2 2、相敏检波电路的鉴相特性、相敏检波电路的鉴相特性20cos1coscos22smosmcccUuUttdt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？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

21、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鉴相特性性。 如果输入信号us为与参考信号uc(或Uc)同频信号，但有一定相位差，这时输出电压a)0b)180c)90d)30UctO+ustO+uotO+UctO+UctO+UctO+ustO+ustO+ustO+OtO+OuouotO+uotO相敏检波电路的鉴相特性应用n相位计n提高电路抑制干扰的能力。n在干扰信号中，相位具随机性。相敏检波电路的鉴相特性使频率与参考信号很接近的干扰也受到抑制。只要干扰的频率与参考信号略有差别，它与参考信号的相位差就不断变化，经低通滤波后平均输出接近零。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？什么是调频？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(wc+mx)t 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第四节 调相式测量电路一、调相原理与方法一、调相原理