测控电路 第3章课件

第三章信号调制解调电路

第一节调制解调的功用与类型

1、什么是信号调制？

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。

概念：调制信号、载波信号、已调信号

2、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。第三章信号调制解调电路

第一节调制解调的功用与类型13、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。

3、在测控系统中为什么要采用信号调制？24、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信号作为载波信号。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，分别称为调幅、调频和调相。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调制，最常用的是对脉冲的宽度进行调制，称为脉冲调宽。

4、在测控系统中常用的调制方法有哪几种？3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。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。

5、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。用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位的4第二节调幅式测量电路一、调幅原理与方法（一）1、什么是调幅？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。调幅信号的一般表达式可写为：

us=(Um+mx)coswct第二节调幅式测量电路一、调幅原理与方法5txOtOucusa)调制信号b)载波信号Otc)双边带调幅信号txOtOucusa)调制信号b)载波信号Otc)双边带调幅6

2、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Ω的余弦信号x=XmcosΩt，调幅信号可写为：

2、何谓双边带调幅？写出其数学表达式，画出波形7us=Umcosωct+[mXmcos(ωc+Ω)t+mXmcos(ωcΩ)t]/2

它包含三个不同频率的信号:角频率为ωc的载波信号和角频率分别为ωc±Ω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。其数学表达式为：us=UxmcosΩt

cosωctus=Umcosωct+[mXmcos(ωc+Ω)t+8

3、例题：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？

为了正确进行信号调制必须要求ωc>>Ω，通常至少要求ωc>10Ω。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ωc>1000Hz。调幅信号放大器的通频带应为900～1100Hz。信号解调后，滤波器的通频带应>100Hz，即让0～100Hz的信号顺利通过，而将900Hz以上的信号抑制，可选通频带为200Hz。

3、例题：在测控系统中被测信号的变化频率为0～100Hz9（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。

调制种类1.传感器调制交流供电机械或光学2.电路调制乘法器开关电路加法电路提高测量信号抗干扰能力（二）传感器调制调制种类提高测量信号抗干扰能力102、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调制

3、用机械或光学的方法实现调制Ψθθ1234567特点：电阻式传感器、电感式传感器和电容式传感器。2、通过交流供电实现调制R1FR4R2R3R1R2UoUR11（三）电路调制1、乘法器调制a)原理图ucuxuoxyKxyb)实用电路-8V47kΩ0.1μF1kΩ0.1μF51Ω750Ω1410161kΩ38MC14961kΩ3.3kΩ3.3kΩ750Ω1kΩ680kΩ20μF20μFuc1kΩ0.1μF21254uoux+12V（三）电路调制a)原理图ucuxuoxyKxyb)实用电路122、开关电路调制uxuoUcV2V1UcuotOUcOttOux方波载波：2、开关电路调制uxuoUcV2V1UcuotOUcO133、信号相加调制T1+ux-+ux-+uc-VD1i1VD2i2载波信号t3T2RLi+uo_RP调制信号本质：开关电路调制3、信号相加调制T1+ux+ux+uc14二、包络检波电路什么是包络检波？从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波。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。

二、包络检波电路15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。

usuo'OOtta)b)包络检波的基本工作原理是什么？usuo'OOtta)b)16（一）二极管包络检波基本电路VDRLC2Ti+us_+uo_非线性器件低通滤波器C1（一）二极管包络检波VDRLC2Ti++非线性低通C117（二）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，常需采用精密检波电路，它又称为线性检波电路。（二）精密检波电路181、半波精密检波电路+us–

半波整流器低通滤波器+u΄s–iiCR4uoR1R΄2R2R3VD1VD2+u–i∞-++N1∞-++N2+–uA+–u΄AA1、半波精密检波电路+us半波整流器低通滤波器+iiCR192、全波精密检波电路线性全波检波电路之一+us–

半波整流器低通滤波器+u΄s–i1CR4uoR1R΄2R2R3VD1VD2+u–i∞-++N1∞-++N2R’3+–uA+–u΄A2、全波精密检波电路线性全波检波电路之一+us半波整流器20R4VD1VD2R2R5VD3VD4R3usR1uo∞-++N1∞-++N2线性全波检波电路之二R4VD1VD2R2R5VD3VD4R3usR1uo∞-++21

usuAVD2VD1uoR1R3R4∞-++N1R2∞-++N2a)电路图uo=usus>0usR2R1R3R4us∞-++N1∞-++N2b)正输入等效电路uo=-usus<0uAR2R1R3R4us∞-++N1∞-++N2c)负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usuAVD2VD1uoR1R3R4∞-++N1R2∞-22三、相敏检波电路（一）相敏检波的功用和原理1、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选频能力的检波电路。

2、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载波频率的信号的能力。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，这就是说它不具有鉴别信号的能力。为了使检波电路具有判别信号相位和频率的能力，提高抗干扰能力，需采用相敏检波电路。三、相敏检波电路2、为什么要采用相敏检波？23相敏检波数学原理:双边带调幅信号目的：鉴别调制信号相位鉴别调制信号频率特点：需要调幅信号同频的信号作为参考信号同步检波电路相敏检波数学原理:双边带调幅信号目的：特点：243、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？在功能上的主要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，从而提高测控系统的抗干扰能力。在电路结构上的主要区别相敏检波电路的主要特点是，除了所需解调的调幅信号外，还要输入一个参考信号。有了参考信号就可以用它来鉴别输入信号的相位和频率。3、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254、例题：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？

相似：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。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。

4、例题：相敏检波电路与调幅电路在结构上有哪些相似之处？它们26（二）常用相敏检波电路1、乘法器式相敏检波电路ucusuoxyKxyNtuoOucOtusOtuxOt（二）常用相敏检波电路ucusuoxyKxyNtuoOucO272、开关式相敏检波电路tuoOucOtusOtuxOtusuoUcV2V1Uc2、开关式相敏检波电路tuoOucOtusOtuxOtusu28

uousUcRVRR∞-++Na)uousR2R3R1R6R4R5V1UcV2∞-++NUcb)UcOtusOtuoOtc)UcOtuoOtusOtd)uousUcRVRR∞-++Na)uousR2R3R1R29R6uoN1∞－++usR1R2R3R4R5UCUCT1T2取R1=R2=R3=R4=R5=R6/2。在Uc=1的半周期，T1导通、T2截止，同相输入端被接地，us从反相输入端输入，放大倍数为：在Uc=0的半周期，T1截止、T2导通，反相输入端通过R3接地，us从同相输入端输入，放大倍数为：实现了全波相敏检波。R6uoN1∞－++usR1R2R3R4R5UCUCT1T2303、相加式相敏检波电路causT1C1VD1VD2C2R1R2RPuoT2us1+–edbus2+uc+––相加式半波相敏检波电路T1+ux-+ux

-+uc-VD1i1VD2i2载波信号T3T2RLi3+uo_RP调制信号相加式调幅电路3、相加式相敏检波电路causT1C1VD1VD2C2R1R31在不接电容C1和C2的情况下，cd,ed的压降调整电位器RP输出电压：在不接电容C1和C2的情况下，cd,ed的压降输出电压：324、精密整流型相敏检波电路CR4uoR1R’2R2R3Uc∞-++N1∞-++N2R’3V1V2uAUcus特点：可以减小由于开关器件不理想而带来的误差。4、精密整流型相敏检波电路CR4uoR1R’2R2R3Uc∞33例题：电路中哪些电阻的阻值必须满足一定的匹配关系，阻值关系如何？写出输出uo与输入us之间的关系式？当Uc=“1”时，V2导通，V1截止，，此时Us，UA同时加在N2的反向输入端，当不接电容C时：

当Uc=“0”时，V1导通，V2截止，UA=0，Us直接加在N2的反向输入端，当不接电容C时：当时：若Uc=“1”，若Uc=“0”，例题：电路中哪些电阻的阻值必须满足一定的匹配关系，阻值关系如34若Uc与us的波形如右图所示，请画出在不接电容C的情况下uo的波形及接上电容C后uo的波形。图a为不接电容C的情况下uo的波形；图b为接电容C的情况下uo的波形。usUctO–+tO+–图a图b若Uc与us的波形如右图所示，图a为不接电容C的情况下uo的355、脉冲箝位式相敏检波电路A点电位：ttuottttttR2R1CVusuoUc′∞-++NUcDsAuA,uousOOuAUc′OUcOuA,uousOOuAuoUcOUc′O特点：没有实现输入信号与载波信号的相乘，不能用于信号的调制。而且抗干扰能力较差，不如相敏检波。5、脉冲箝位式相敏检波电路A点电位：ttuotttt36（三）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。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。

（三）相敏检波电路的选频与鉴相特性37

b)a)c)usustOuotO++––++––UctOuotO–+++tO+–tUcO+–ustOuotO+++–––++++––tO+–Ucb)a)c)usustOuotO++––++––UctO382、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uo=Usm/2cos∮，即输出信号随相位差∮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39滤除载波的数学表达式：信号中的高次谐波：条件：n>1调幅式测量电路相敏检波电路选频与鉴相滤除载波的数学表达式：信号中的高次谐波：条件：n>1调幅式测40在实际应用中，多数采用方波作为载波信号：结果：n为偶数时，输出为0，抑制了偶次谐波n为奇数时，输出不为0，但传递系数随谐波增高而衰减在实际应用中，多数采用方波作为载波信号：结果：41输入信号角频率与载波信号角频率无倍数关系时：结论：输入信号角频率与载波信号角频率无倍数关系时：结论：42结论：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。

结论：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43当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，这一特性称为鉴相特性。

调幅式测量电路相敏检波电路鉴相特性当输入信号与参考信号同频但有一定相位差时，输出44

a)b)c)d)UctO+–ustO–+uotO++UctO+–UctO+–UctO+–ustO–+ustO–+ustO–++OtO–++O–uouotO–++–uotO––相敏检波电路的鉴相特性a)b)c)d)UctO+–ustO–+uotO++Uct45第三节调频式测量电路一、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，画出其波形。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us的一般表达式可写为：us=Umcos(wc+mx)t

第三节调频式测量电路一、调频原理与方法46

xtOOtusa)调制信号b)调频信号调频信号的波形特点：用调制信号x去控制载波信号的频率xtOOtusa)调制信号b)调频信号调频信号的波形特47421TNS3测力或压力的振弦式传感器（二）调频方式传感器调制振弦式传感器多普勒效应电路调制振荡器压频转换器421TNS3测力或压力的振弦式传感器（二）调频方式传感器调48LCTC1C2+Ec电路调制1、电容三点式LC振荡器调频电路调制方式：改变LC振荡器中参数L或CLCTC1C2+Ec电路调制调制方式：改变LC振荡器中参数L492、多谐振荡器调频电路uo∞-++NCR310k5k10kR1RRPR4VS15k30k10kR2+FUruuouc+Ur-Ur-FUrOtT2T1T0a)b)2、多谐振荡器调频电路uo∞-++NCR310k5k1050二、鉴频电路什么是鉴频？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或鉴频。（一）微分鉴频1、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)。二、鉴频电路511、微分鉴频电路C1uousVDVRLC2+Ec-ieic微分网络包络检波C1usud+r++---数学原理：特点：灵敏度较低，已经很少使用1、微分鉴频电路C1uousVDVRLC2+Ec-ieic微522、窄脉冲鉴频电路usuoOc)tttOOτb)a)Usˊuo放大与电平鉴别器单稳态触发器低通滤波器usUsUsˊ条件：2、窄脉冲鉴频电路usuoOc)tttOOτb)a)Usˊu533、斜率鉴频us+–us1us2fo1fo2RLRLuo1uo2uoVD2VD1TC1C2c)d)e)f)usUsmus1us2uooooottttuo1uo2uof=fc+fmsinΩt回路2回路1fo2fo1fofofcofcfm调频波瞬时频率变化Ωtff3、斜率鉴频us+–us1us2fo1fo2RLRLuo1u54CpusUU′计数器锁存器清零DG&SRQDZDS原因：某些测控系统中，并不一定要恢复原调制信号，只要能把代表被测量的信息要检出即可。测量频率两种方法：测量一段时间内周期数时钟插补4、数字式频率计CpusUU′计数器锁存器清零DG&SRQDZDS原因：某些555、相位鉴频L1C2usE0U1C1MC0L2VD1放大U22U22L3VD2RLU1Cuo1uo2uo耦合网络平衡叠加型鉴相器U2RLCˊI1U2EΦI2U1ˊ5、相位鉴频L1C2usE0U1C1MC0L2VD1放大U2566、比例鉴频U5L1C2usE0U1C1MC0L2VD1放大U22U22L3VD2RLCU3auo耦合网络U2R1C3C4C5R2U4bU1ˊa)b)c)U3U4U22_U3U4U3U4U22_U1ˊU1ˊU1ˊ_U22U22U22U226、比例鉴频U5L1C2usE0U1C1MC0L2VD1放大57第四节调相式测量电路一、调相原理与方法（一）什么是调相？写出调相信号的数学表达式，画出其波形。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us的一般表达式可写为：us=Umcos(wct

+mx)

第四节调相式测量电路一、调相原理与方法58

xOucusa)b)c)tttOO角度调制特点：调相与调频的相似性调相信号波形数学原理xOucusa)b)c)tttOO角度调制特点：调相与调59（二）传感器调制13245M扭矩测量（二）传感器调制13245M扭矩测量60

XY21a)aabWB12VP1VPnYOb)NS1S2SnVP1VP2VP3VPn莫尔条纹信号的调制XY21a)aabWB12VP1VPnYOb)NS161（三）电路调制1、调相电桥∞-++N2∞-++N1RR1R1CUsU2U2U2-特点：变压器制作麻烦，体积较大，可用运算放大器代替变压器（三）电路调制∞-++N2∞-++N1RR1R1CUsU2U622、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=kΨux+ujtOuxb)d)c)e)UcU02、脉冲采样式调相电路U0门限检脉冲发载波锯齿波输出调相脉冲63二、鉴相电路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。常用鉴相方法:

乘法器鉴相相敏检波鉴相相位－脉宽变相鉴相脉冲采样式鉴相二、鉴相电路乘法器鉴相64（一）用相敏检波器或乘法器鉴相1、乘法器鉴相ucusuoxyKxyN乘法器鉴相特点：信号受调相信号和参考信号幅值的影响2、用开关式相敏检波电路鉴相3、用相加式相敏检波电路检相（一）用相敏检波器或乘法器鉴相ucusuoxyKxyN乘法器65例题：当相敏检波电路在用于调幅信号的解调和用于鉴相时，对要求参考信号uc

的幅值各有什么要求。=。

在用于调幅信号的解调时，要求参考信号uc的幅值远大于调幅信号us的幅值，使开关器件的通断完全由参考信号决定；而在用于调相信号的解调时常取。例题：当相敏检波电路在用于调幅信号的解调和用于鉴相时，对要求66（二）通过相位—脉宽变换鉴相1、异或门鉴相a)UCUSDG1=1Uod)-2-0N,uo2CPUS计数器锁存器延时时钟脉冲DG2Uo锁存指令清零UCDG1=1&NUCUSOOttUo0t（二）通过相位—脉宽变换鉴相a)UCUSDG1=1Uod)-672、RS触发器鉴相a)QQSRUcUsc)N,uoφ0π2π21ttttb)OOBQUsUcuoOUcUsOOt2、RS触发器鉴相a)QQSRUcUsc)N,uoφ0π2π683、脉冲采样式鉴相uo单稳锯齿波发生器采样保持滤波器Uc′ujUcUs′u′e)tOa)b)c)d)U’cOttOU’stOujtOu’uo3、脉冲采样式鉴相uo单稳锯齿波采样保持滤波器Uc′uj69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。各种鉴相方法比较（精度、误差因素、鉴相范围）70第五节脉冲调制式测量电路一、脉冲调制原理与方法（一）什么是脉冲调宽？写出脉冲调宽信号的数学表达式，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。脉冲调宽的数学表达式为：B=b+mxUa)调制信号b)脉冲调宽信号txOxTBtO第五节脉冲调制式测量电路一、脉冲调制原理与方法Ua)调71（二）传感器调制1243567910118Mθ用激光扫描的方法测量工件直径（二）传感器调制1243567910118Mθ用激光扫描的方72（三）电路调制1、参量调宽R2RP3VD1RP2R4VD2RP1CuCuoVSR3∞-++NR1R2、R3为差动电阻传感器的两臂，R2+R3为一常量，输出信号的频率不变，而占空比随R2、R3的值而变化。电阻变化调制（三）电路调制R2RP3VD1RP2R4VD2RP1CuCu732、电压调宽uCu–R3R4CR2RR1uxVSuou+∞-++N2、电压调宽uCu–R3R4CR2RR1uxVSuou+∞-74二、脉冲调制信号的解调脉冲调宽信号的解调主要有哪些方式？一种是将脉宽信号Uo

送入一个低通滤波器，滤波后的输出uo与脉宽B成正比。另一种方法是Uo

用作门控信号，只有当Uo

为高电平时，时钟脉冲Cp才能通过门电路进入计数器。这样进入计数器的脉冲数N与脉宽B成正比。两种方法均具有线性特性。二、脉冲调制信号的解调75思考题1：已知来自传感器的调整信号的波形，画出载波波形、双边带调幅波形、包络检波波形、半波相敏检波波形、全波相敏检波波形。思考题2：各种检波电路中，一般在输出环节都有低通滤波器，分别说明低通滤波器在各种检波电路的作用。思考题1：76第三章信号调制解调电路

第一节调制解调的功用与类型

1、什么是信号调制？

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。

概念：调制信号、载波信号、已调信号

2、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。第三章信号调制解调电路

第一节调制解调的功用与类型773、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。

3、在测控系统中为什么要采用信号调制？784、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信号作为载波信号。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，分别称为调幅、调频和调相。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调制，最常用的是对脉冲的宽度进行调制，称为脉冲调宽。

4、在测控系统中常用的调制方法有哪几种？79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。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。

5、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。用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位的80第二节调幅式测量电路一、调幅原理与方法（一）1、什么是调幅？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。调幅信号的一般表达式可写为：

us=(Um+mx)coswct第二节调幅式测量电路一、调幅原理与方法81txOtOucusa)调制信号b)载波信号Otc)双边带调幅信号txOtOucusa)调制信号b)载波信号Otc)双边带调幅82

2、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Ω的余弦信号x=XmcosΩt，调幅信号可写为：

2、何谓双边带调幅？写出其数学表达式，画出波形83us=Umcosωct+[mXmcos(ωc+Ω)t+mXmcos(ωcΩ)t]/2

它包含三个不同频率的信号:角频率为ωc的载波信号和角频率分别为ωc±Ω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。其数学表达式为：us=UxmcosΩt

cosωctus=Umcosωct+[mXmcos(ωc+Ω)t+84

3、例题：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？

为了正确进行信号调制必须要求ωc>>Ω，通常至少要求ωc>10Ω。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ωc>1000Hz。调幅信号放大器的通频带应为900～1100Hz。信号解调后，滤波器的通频带应>100Hz，即让0～100Hz的信号顺利通过，而将900Hz以上的信号抑制，可选通频带为200Hz。

3、例题：在测控系统中被测信号的变化频率为0～100Hz85（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。

调制种类1.传感器调制交流供电机械或光学2.电路调制乘法器开关电路加法电路提高测量信号抗干扰能力（二）传感器调制调制种类提高测量信号抗干扰能力862、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调制

3、用机械或光学的方法实现调制Ψθθ1234567特点：电阻式传感器、电感式传感器和电容式传感器。2、通过交流供电实现调制R1FR4R2R3R1R2UoUR87（三）电路调制1、乘法器调制a)原理图ucuxuoxyKxyb)实用电路-8V47kΩ0.1μF1kΩ0.1μF51Ω750Ω1410161kΩ38MC14961kΩ3.3kΩ3.3kΩ750Ω1kΩ680kΩ20μF20μFuc1kΩ0.1μF21254uoux+12V（三）电路调制a)原理图ucuxuoxyKxyb)实用电路882、开关电路调制uxuoUcV2V1UcuotOUcOttOux方波载波：2、开关电路调制uxuoUcV2V1UcuotOUcO893、信号相加调制T1+ux-+ux-+uc-VD1i1VD2i2载波信号t3T2RLi+uo_RP调制信号本质：开关电路调制3、信号相加调制T1+ux+ux+uc90二、包络检波电路什么是包络检波？从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波。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。

二、包络检波电路91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。

usuo'OOtta)b)包络检波的基本工作原理是什么？usuo'OOtta)b)92（一）二极管包络检波基本电路VDRLC2Ti+us_+uo_非线性器件低通滤波器C1（一）二极管包络检波VDRLC2Ti++非线性低通C193（二）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，常需采用精密检波电路，它又称为线性检波电路。（二）精密检波电路941、半波精密检波电路+us–

半波整流器低通滤波器+u΄s–iiCR4uoR1R΄2R2R3VD1VD2+u–i∞-++N1∞-++N2+–uA+–u΄AA1、半波精密检波电路+us半波整流器低通滤波器+iiCR952、全波精密检波电路线性全波检波电路之一+us–

半波整流器低通滤波器+u΄s–i1CR4uoR1R΄2R2R3VD1VD2+u–i∞-++N1∞-++N2R’3+–uA+–u΄A2、全波精密检波电路线性全波检波电路之一+us半波整流器96R4VD1VD2R2R5VD3VD4R3usR1uo∞-++N1∞-++N2线性全波检波电路之二R4VD1VD2R2R5VD3VD4R3usR1uo∞-++97

usuAVD2VD1uoR1R3R4∞-++N1R2∞-++N2a)电路图uo=usus>0usR2R1R3R4us∞-++N1∞-++N2b)正输入等效电路uo=-usus<0uAR2R1R3R4us∞-++N1∞-++N2c)负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usuAVD2VD1uoR1R3R4∞-++N1R2∞-98三、相敏检波电路（一）相敏检波的功用和原理1、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选频能力的检波电路。

2、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载波频率的信号的能力。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，这就是说它不具有鉴别信号的能力。为了使检波电路具有判别信号相位和频率的能力，提高抗干扰能力，需采用相敏检波电路。三、相敏检波电路2、为什么要采用相敏检波？99相敏检波数学原理:双边带调幅信号目的：鉴别调制信号相位鉴别调制信号频率特点：需要调幅信号同频的信号作为参考信号同步检波电路相敏检波数学原理:双边带调幅信号目的：特点：1003、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？在功能上的主要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，从而提高测控系统的抗干扰能力。在电路结构上的主要区别相敏检波电路的主要特点是，除了所需解调的调幅信号外，还要输入一个参考信号。有了参考信号就可以用它来鉴别输入信号的相位和频率。3、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1014、例题：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？

相似：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。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。

4、例题：相敏检波电路与调幅电路在结构上有哪些相似之处？它们102（二）常用相敏检波电路1、乘法器式相敏检波电路ucusuoxyKxyNtuoOucOtusOtuxOt（二）常用相敏检波电路ucusuoxyKxyNtuoOucO1032、开关式相敏检波电路tuoOucOtusOtuxOtusuoUcV2V1Uc2、开关式相敏检波电路tuoOucOtusOtuxOtusu104

uousUcRVRR∞-++Na)uousR2R3R1R6R4R5V1UcV2∞-++NUcb)UcOtusOtuoOtc)UcOtuoOtusOtd)uousUcRVRR∞-++Na)uousR2R3R1R105R6uoN1∞－++usR1R2R3R4R5UCUCT1T2取R1=R2=R3=R4=R5=R6/2。在Uc=1的半周期，T1导通、T2截止，同相输入端被接地，us从反相输入端输入，放大倍数为：在Uc=0的半周期，T1截止、T2导通，反相输入端通过R3接地，us从同相输入端输入，放大倍数为：实现了全波相敏检波。R6uoN1∞－++usR1R2R3R4R5UCUCT1T21063、相加式相敏检波电路causT1C1VD1VD2C2R1R2RPuoT2us1+–edbus2+uc+––相加式半波相敏检波电路T1+ux-+ux

-+uc-VD1i1VD2i2载波信号T3T2RLi3+uo_RP调制信号相加式调幅电路3、相加式相敏检波电路causT1C1VD1VD2C2R1R107在不接电容C1和C2的情况下，cd,ed的压降调整电位器RP输出电压：在不接电容C1和C2的情况下，cd,ed的压降输出电压：1084、精密整流型相敏检波电路CR4uoR1R’2R2R3Uc∞-++N1∞-++N2R’3V1V2uAUcus特点：可以减小由于开关器件不理想而带来的误差。4、精密整流型相敏检波电路CR4uoR1R’2R2R3Uc∞109例题：电路中哪些电阻的阻值必须满足一定的匹配关系，阻值关系如何？写出输出uo与输入us之间的关系式？当Uc=“1”时，V2导通，V1截止，，此时Us，UA同时加在N2的反向输入端，当不接电容C时：

当Uc=“0”时，V1导通，V2截止，UA=0，Us直接加在N2的反向输入端，当不接电容C时：当时：若Uc=“1”，若Uc=“0”，例题：电路中哪些电阻的阻值必须满足一定的匹配关系，阻值关系如110若Uc与us的波形如右图所示，请画出在不接电容C的情况下uo的波形及接上电容C后uo的波形。图a为不接电容C的情况下uo的波形；图b为接电容C的情况下uo的波形。usUctO–+tO+–图a图b若Uc与us的波形如右图所示，图a为不接电容C的情况下uo的1115、脉冲箝位式相敏检波电路A点电位：ttuottttttR2R1CVusuoUc′∞-++NUcDsAuA,uousOOuAUc′OUcOuA,uousOOuAuoUcOUc′O特点：没有实现输入信号与载波信号的相乘，不能用于信号的调制。而且抗干扰能力较差，不如相敏检波。5、脉冲箝位式相敏检波电路A点电位：ttuotttt112（三）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。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。

（三）相敏检波电路的选频与鉴相特性113

b)a)c)usustOuotO++––++––UctOuotO–+++tO+–tUcO+–ustOuotO+++–––++++––tO+–Ucb)a)c)usustOuotO++––++––UctO1142、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uo=Usm/2cos∮，即输出信号随相位差∮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115滤除载波的数学表达式：信号中的高次谐波：条件：n>1调幅式测量电路相敏检波电路选频与鉴相滤除载波的数学表达式：信号中的高次谐波：条件：n>1调幅式测116在实际应用中，多数采用方波作为载波信号：结果：n为偶数时，输出为0，抑制了偶次谐波n为奇数时，输出不为0，但传递系数随谐波增高而衰减在实际应用中，多数采用方波作为载波信号：结果：117输入信号角频率与载波信号角频率无倍数关系时：结论：输入信号角频率与载波信号角频率无倍数关系时：结论：118结论：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。

结论：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119当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，这一特性称为鉴相特性。

调幅式测量电路相敏检波电路鉴相特性当输入信号与参考信号同频但有一定相位差时，输出120

a)b)c)d)UctO+–ustO–+uotO++UctO+–UctO+–UctO+–ustO–+ustO–+ustO–++OtO–++O–uouotO–++–uotO––相敏检波电路的鉴相特性a)b)c)d)UctO+–ustO–+uotO++Uct121第三节调频式测量电路一、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，画出其波形。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us的一般表达式可写为：us=Umcos(wc+mx)t

第三节调频式测量电路一、调频原理与方法122

xtOOtusa)调制信号b)调频信号调频信号的波形特点：用调制信号x去控制载波信号的频率xtOOtusa)调制信号b)调频信号调频信号的波形特123421TNS3测力或压力的振弦式传感器（二）调频方式传感器调制振弦式传感器多普勒效应电路调制振荡器压频转换器421TNS3测力或压力的振弦式传感器（二）调频方式传感器调124LCTC1C2+Ec电路调制1、电容三点式LC振荡器调频电路调制方式：改变LC振荡器中参数L或CLCTC1C2+Ec电路调制调制方式：改变LC振荡器中参数L1252、多谐振荡器调频电路uo∞-++NCR310k5k10kR1RRPR4VS15k30k10kR2+FUruuouc+Ur-Ur-FUrOtT2T1T0a)b)2、多谐振荡器调频电路uo∞-++NCR310k5k10126二、鉴频电路什么是鉴频？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或鉴频。（一）微分鉴频1、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)。二、鉴频电路1271、微分鉴频电路C1uousVDVRLC2+Ec-ieic微分网络包络检波C1usud+r++---数学原理：特点：灵敏度较低，已经很少使用1、微分鉴频电路C1uousVDVRLC2+Ec-ieic微1282、窄脉冲鉴频电路usuoOc)tttOOτb)a)Usˊuo放大与电平鉴别器单稳态触发器低通滤波器usUsUsˊ条件：2、窄脉冲鉴频电路usuoOc)tttOOτb)a)Usˊu1293、斜率鉴频us+–us1us2fo1fo2RLRLuo1uo2uoVD2VD1TC1C2c)d)e)f)usUsmus1us2uooooottttuo1uo2uof=fc+fmsinΩt回路2回路1fo2fo1fofofcofcfm调频波瞬时频率变化Ωtff3、斜率鉴频us+–us1us2fo1fo2RLRLuo1u130CpusUU′计数器锁存器清零DG&SRQDZDS原因：某些测控系统中，并不一定要恢复原调制信号，只要能把代表被测量的信息要检出即可。测量频率两种方法：测量一段时间内周期数时钟插补4、数字式频率计CpusUU′计数器锁存器清零DG&SRQDZDS原因：某些1315、相位鉴频L1C2usE0U1C1MC0L2VD1放大U22U22L3VD2RLU1Cuo1uo2uo耦合网络平衡叠加型鉴相器U2RLCˊI1U2EΦI2U1ˊ5、相位鉴频L1C2usE0U1C1MC0L2VD1放大U21326、比例鉴频U5L1C2usE0U1C1MC0L2VD1放大U22U22L3VD2RLCU3auo耦合网络U2R1C3C4C5R2U4bU1ˊa)b)c)U3U4U22_U3U4U3U4U22_U1ˊU1ˊU1ˊ_U22U22U22U226、比例鉴频U5L1C2usE0U1C1MC0L2VD1放大133第四节调相式测量电路一、调相原理与方法（一）什么是调相？写出调相信号的数学表达式，画出其波形。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us的一般表达式可写为：us=Umcos(wct

+mx)

第四节调相式测量电路一、调相原理与方法134

xOucusa)b)c)tttOO角度调制特点：调相与调频的相似性调相信号波形数学原理x