信号调节调制

1、 测控电路12021-4-29 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 调制解调的功用与类型 调幅式测量电路 调相式测量电路 调频式测量电路 脉冲调制式测量电路 测控电路22021-4-29 调制解调的功用与类型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(Modulation)就是用一个信号（称为调制信号, modulating signal ）去控制另一个做为载体的信号 （称为载波信号carrying signal ），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？ 从已经调制的信号（称为已调信号，modulated signal） 中提取

2、反映被测量值的测量信号，称为解调解调 (Demodulation) 。 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 测控电路32021-4-29 调制解调的功用与类型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。 调制还有利于减小漂移的影响，是提高测控系统 精度的重要手段。 3. 信号调制解调电路

3、信号调制解调电路 测控电路42021-4-29 调制解调的功用与类型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？ 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，分别称为调幅调幅 (Amplitude modulation)、调频、调频(Frequency modulation)和和 调相调相(Phase modulation) 。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，称为脉冲调宽脉冲调宽(Pulse wid

4、th modulation) 。 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 测控电路52021-4-29 3.1 调幅式测量电路 一、一、 调幅信号的一般表达式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。 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一般表达式可写为： Us=(Um+mx)cosct 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.1.1 调幅原理与方法调幅原理与方法 测控电路62021-4-29 3.

5、1 调幅式测量电路 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 a)调制信号调制信号 b)载波信号载波信号 d)双边带调幅信号双边带调幅信号 c) 调幅信号调幅信号 3.1.1 调幅原理与方法调幅原理与方法 tmxUu cms cos)( t t t x O O uc O us us tO 测控电路72021-4-29 3.1 调幅式测量电路调幅式测量电路 (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us=(Um+mx)cosct调幅信号可写为： us=Umcosct+ mXmcos(c+)

6、t + mXmcos(c-)t/2 它包含三个不同频率的信号: 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： mm sccxmc cos()cos()coscos 22 mXmX uttUtt 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.1.1 调幅原理与方法调幅原理与方法 测控电路82021-4-29 3.1 调幅式测量电路 (3) (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，应 怎样选取载波信号的频

7、率？应怎样选取调幅信号放大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？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。 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.1.1 调幅原理与方法调幅原理与方法 a) a) 检出最大值检出最大值b) b) 误差最大情况误差最大情况 2 1 1 2 n A B 3.

8、1 调幅式测量电路 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.1 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， 应怎样选取载波信号的频率？应怎样选取调幅信号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，怎样选取滤波器的放大器的通频带？信号解调后，怎样选取滤波器的 通频带？通频带？ 信号解调后，滤波器的通频带应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。 3.1.1 调幅原理与方法调幅原理与方法 测控电路1

9、12021-4-29 3.1 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为什么在测控系统中常常在传感器中进行 信号调制？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。 3.1.1 调幅原理与方法调幅原理与方法 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 测控电路122021-4-29 3.1 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。 3 us uc x 1 2 1 4 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.1.1 调幅原理与

10、方法调幅原理与方法 t x O t O uc O t us us tO 测控电路132021-4-29 3.1 调幅式测量电路 (2) (2) 通过交流供电实现调制通过交流供电实现调制 R1 F R4R2 R3 R1R2 Uo U R3R4 应变式传感器输出信号的调制 3.1.1 调幅原理与方法调幅原理与方法 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 (3) 用机械或光学的方法实现调制 3.1.1 调幅原理与方法调幅原理与方法 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.1 调幅式测量电路 1 2 3 456 测控电路152021-4-29 3.1 调幅式测量电路 三、电路调制 (1) 乘法器调

11、制乘法器调制 a)原理图 uc ux us x y Kxy 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 sxmc coscosuUtt 3.1.1 调幅原理与方法调幅原理与方法 b) 实用电路 -8V 47k 0.1F 1k 0.1F 51 75014 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 usux +12V 测控电路162021-4-29 3.1 调幅式测量电路 (2)开关电路调制开关电路调制 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.1.1 调幅原理与方法调幅原理与方法 ux uo=

12、us Uc V2 V1 Uc uo t O Uc O t t O ux uo=us 测控电路172021-4-29 3.1 调幅式测量电路 (3) 信号相加调制信号相加调制 相加只是形式，实际上由相加只是形式，实际上由uc控制，工作在开关模式。控制，工作在开关模式。 T1 + ux _ + ux _ + uc - - VD1i1 VD2i2 载波信号载波信号 T3 T2 RL i3 + uo _ RP 调制信号调制信号 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.1.1 调幅原理与方法调幅原理与方法 测控电路182021-4-29 3.1 调幅式测量电路 3.1.2 包络检波电路包络检波电路

13、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解解 调调或检波检波。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包络检波。 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 测控电路192021-4-29 3.1 调幅式测量电路 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

14、调。包络检波就是建立在整流的原 理基础上的。 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.1.2 包络检波电路包络检波电路 us OO t t a)b) uo 测控电路202021-4-29 3.1 调幅式测量电路 （一）二极管与三极管包络检波 (1)基本电路基本电路 a) 二极管检波电路二极管检波电路 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 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 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.1

15、.2 包络检波电路包络检波电路 测控电路212021-4-29 3.1 调幅式测量电路 （二）精密检波电路 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精密检波电 路路，它又称为线性检波电路线性检波电路。 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.1.2 包络检波电路包络检波电路 测控电路222021-4-29 3.1 调幅式测量电路3.1.2 包络检波电路包络检波

16、电路 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 (1)半波精密检波电路半波精密检波电路 + i1 C R4 uo R1 + us R2 R3 VD1 VD2 半波整流器 低通滤波器 uA + u i - + + N1 - + + N2 + + A 2 R s u A u 测控电路232021-4-29 3.1 调幅式测量电路 (2) (2) 全波精密检波电路全波精密检波电路 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.1.2 包络检波电路包络检波电路 ) 2 ( s 3 4 o u u R R u A O t uA O t uo O t us O t us/2 33 2RR + us 半波整流器

17、 低通滤波器 + i1 C R4 uo R1 R2 R3 VD1 VD2 + u i - + + N1 - + + N2 + uA + A s u A u 2 R 3 R 测控电路242021-4-29 3.1 调幅式测量电路 线性全波检波电路之二 3.1.2 包络检波电路包络检波电路 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 O t u2 O t uo O t u1 O t us uo R4 VD1 VD2 R2R5 VD3 VD4 R3 usR1 - + + N1 - + + N2 u1 u2 测控电路252021-4-29 3.1 调幅式测量电路 线性全波检波电路之三 高输入阻抗线性全波整

18、流电路 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.1.2 包络检波电路包络检波电路 a) 电路图 us uA VD2 VD1 R1 R3 R4 - + + N1 R2 - + + N2 uo b）正输入等效电路 R2 uo=us us0 us R1 R3 R4 - + + N1 - + + N2 N2的同相输入端与反相输 入端输入相同信号，得到 uo=us N1跟随器 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.1.2 包络检波电路包络检波电路 3.1 调幅式测量电路 线性全波检波电路之三:高输入阻抗线性全波整流电路 取R1=R2=R3=R4/2， N1的输出为 ss 1 2 2)1 (uu

19、 R R u A N2的输出为 44 os 33 sss (1) 34 A RR uuu RR uuu os uu 线性全波检波电路常线性全波检波电路常 用作绝对值运算电路用作绝对值运算电路 c）负输入等效电路 a) 电路图 us uA VD2 VD1 R1 R3 R4 - + + N1 R2 - + + N2 uo R2 uo=-us usv 时 /2vf 测控电路622021-4-29 3.2 调频式测量电路调频式测量电路 （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 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.2

20、.1 3.2.1 调频原理与方法调频原理与方法 测控电路632021-4-29 3.2 调频式测量电路调频式测量电路 uo - + + N C R3 10k 5k 10k R1 R RP R4 VS 15k 30k 10k R2 +FUr -FUr u uo uc +Ur -Ur O t T2 T1 T0 a) b) 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 （三）电路调制 (2) (2) 多谐振荡器调频电路多谐振荡器调频电路 3.2.1 3.2.1 调频原理与方法调频原理与方法 测控电路642021-4-29 3.2 调频式测量电路调频式测量电路 3.2.2 3.2.2 鉴频电路鉴频电路 对调

21、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。 （一）微分鉴频 将调频信号 对t求导数得到 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 。 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 tmxUu)cos( cms tmxmxU t u )sin()( d d ccm s )( cm mxU 测控电路652021-4-29 3.2 调频式测量电路调频式测量电路 微分鉴频电路微分鉴频电路 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.2.2 鉴频电路鉴频电路 微分 网络 包络 检波器 C1 r + - +-+ - udus C1

22、 uo us VD V RL C2 + Ec - ie ic 测控电路662021-4-29 3.2 调频式测量电路 窄脉冲鉴频电路窄脉冲鉴频电路 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.2.2 鉴频电路鉴频电路 uo Oc) us t t t O O b) a) Us uo 放大与电放大与电 平鉴别器平鉴别器 单稳态单稳态 触发器触发器 低通低通 滤波器滤波器usUs Us 测控电路672021-4-29 3.2 调频式测量电路调频式测量电路 （二）斜率鉴频 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.2.2 鉴频电路鉴频电路 us us1 us2 fo1 fo2 RL RL uo1 u

23、o2 VD2 VD1 T C1 C2 uo c) d) e) f) us Usm us1 us2 uo O O O O t t t t uo1 -uo2 uo 回路2 回路1 fo2fo1 fofo fc o f=fc+fmsint fc fm 调 频 波 瞬 时 频 率变化 t f f 测控电路682021-4-29 3.2 调频式测量电路调频式测量电路 （三）数字式频率计 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.2.2 鉴频电路鉴频电路 基于频率测量法难以测量瞬时频率，采用测量周期法 CP us U U 计数器 锁存器 清零 DG & S R Q DZ DS 前沿 后沿 后沿 (1)

24、非线性； (2) 要求CP频率很高。 先用拍频电路求它们的差拍，然后用频率计测量差 拍信号的频率。 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.2 调频式测量电路调频式测量电路3.2.2 鉴频电路鉴频电路 （三）数字式频率计 拍频电路拍频电路 调频信号调频信号 基准信号基准信号 差拍信号差拍信号 频率计频率计 输出输出 测控电路702021-4-29 3.3 调相式测量电路调相式测量电路 3.3.1 3.3.1 调相原理与方法调相原理与方法 （一）调相信号的一般表达式调相信号的一般表达式 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

25、性函数变化。 调相信号us的一般表达式一般表达式可写为： 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 )cos( cms mxtUu 测控电路712021-4-29 3.3 调相式测量电路调相式测量电路 a) b) c) t x O t t uc us O O 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.3.1 3.3.1 调相原理与方法调相原理与方法 （一）调相信号的一般表达式调相信号的一般表达式 n调相与调频的关系调相与调频的关系 调相信号的频率也在变化，调相信号调相信号的频率也在变化，调相信号 的瞬时频率的瞬时频率 多普勒测速系统中，对于速度是调频信号多普勒测速系统中，对于速度是调频信号 对

26、于位移是调相信号对于位移是调相信号 )cos( cms mxtUu 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.3 调相式测量电路调相式测量电路3.3.1 3.3.1 调相原理与方法调相原理与方法 t x m d d c V v P W /2vf 2 /x 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.3 调相式测量电路调相式测量电路3.3.1 3.3.1 调相原理与方法调相原理与方法 （二）传感器调制 4 5 1 3 2M 1 5 2 4 3 6 7 8 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.3 调相式测量电路调相式测量电路3.3.1 3.3.1 调相原理与方法调相原理与方法 （二）传感

27、器调制 O I s t 测控电路752021-4-29 3.3 调相式测量电路调相式测量电路 莫尔条纹信号的调制 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.3.1 3.3.1 调相原理与方法调相原理与方法 （二）传感器调制 a) 莫尔条纹形成原理 a a b W B 12 Y O b)光通量波形 c)光电元件的排列d) 调相信号的形成 X Y 2 1 VP1 VPn S1 S2 Sn VP1 VP2 VP3 VPn N 测控电路762021-4-29 3.3 调相式测量电路调相式测量电路 （三）电路调制 (1) 调相电桥调相电桥 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.3.1 3.3.1

28、 调相原理与方法调相原理与方法 - + + N2 - + + N1 R R1 R1 C Us U 2 U 2 U 2 - O UR UC Us U UC UR U T R C Us 测控电路772021-4-29 3.3 调相式测量电路调相式测量电路 (2) (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 uj ux + a) Ucus us O t t O uj t O uj=k ux+uj t O ux b) d) c) e) Uc U0 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.3.1 3.3.1 调相原理与

29、方法调相原理与方法 （三）电路调制 测控电路782021-4-29 3.3 调相式测量电路调相式测量电路 3.3.2 3.3.2 鉴相电路鉴相电路 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 uc us uo x y Kxy N 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 2 0 cmsm cccmcsmo 2 cos )d(cos)cos( 2 UKU ttUtU K u /2在 附近，有较高的灵敏度与较好的线性。 输出信号同时受调相信号与参考信号幅值的影响。 3. 信号

30、调制解调电路信号调制解调电路 3.3 调相式测量电路调相式测量电路 3.3.2 3.3.2 鉴相电路鉴相电路 (2) (2) 用开关式相敏检波电路鉴相用开关式相敏检波电路鉴相 us Uc R V R R - + + N uo t us t Uc O t O O t t 输出信号与cos 成正比 输出信号同时受调相信号幅值的影响。 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.3 调相式测量电路调相式测量电路 3.3.2 3.3.2 鉴相电路鉴相电路 (3) 用相加式相敏检波电路检相用相加式相敏检波电路检相 sc1 UUU sc2 UUU 作用在两个二极管VD1和VD2的电压分别为 2 sm 2

31、smcmm1 )sin()cos(UUUU 2 sm 2 smcmm2 )sin()cos(UUUU uo c a us T1 C1 VD1 VD2 C2 R1 R2 RP T2 us1 + e d b us2 + u + uc c Us -Us U1 Uc U2 1 2 测控电路812021-4-29 3.3 调相式测量电路 (3) 用相加式相敏检波电路检相用相加式相敏检波电路检相 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.3.2 3.3.2 鉴相电路鉴相电路 为什么鉴相时为什么鉴相时常取参考信号的幅值等于调相信号的幅值？常取参考信号的幅值等于调相信号的幅值？ cmsm UU 2 cos2

32、 cmm1 UU 2 sin2 cmm2 UU ) 24 sin(22) 2 sin 2 (cos2)( cmcmm2m1o kUkUUUku - 0 uo 2 _ 2 输出信号同时受调相信号与参考信号幅值的影响。输出信号同时受调相信号与参考信号幅值的影响。 测控电路822021-4-29 3.3 调相式测量电路调相式测量电路 （二）通过相位脉宽变换鉴相 (1) 异或门鉴相异或门鉴相 a) UC US DG1 =1=1 Uo b) Uc Us O O t uo t Uo t O B d) c) CP Us 计计 数数 器器 锁锁 存存 器器 延时延时 时钟脉冲时钟脉冲 DG2 Uo 锁锁 存存

33、 指指 令令 清零清零 Uc DG1 =1=1 & N -2 - 0 N,uo 2 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.3.2 3.3.2 鉴相电路鉴相电路 测控电路832021-4-29 3.3 调相式测量电路调相式测量电路 (2) (2) RS触发器鉴相触发器鉴相 c) a) N,uo 02 2 1 b) t t t t O O B Q Us Uc uo O O t O c U s U Q Q S R c U s U 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.3.2 3.3.2 鉴相电路鉴相电路 测控电路842021-4-29 3.3 调相式测量电路调相式测量电路 （三）脉冲 采

34、样式鉴相 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.3.2 3.3.2 鉴相电路鉴相电路 uo 单稳单稳 锯齿波锯齿波 发生器发生器 采样采样 保持保持 滤波器滤波器 Uc uj Uc Us u e) a) b) c) d) t O Uc O t t O Us t O uj t O u uo 测控电路852021-4-29 3.3 调相式测量电路调相式测量电路 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、逻辑电路与时钟脉冲频率等。 相敏检波器或乘法器鉴相相敏检波器或乘法器鉴相原理上有非线性，信号幅

35、值影响鉴相误差。鉴相范围为0 。 通过相位通过相位脉宽变换鉴相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。 异或门鉴相异或门鉴相中占空比影响鉴相误差。鉴相范围为0 。 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.3.2 3.3.2 鉴相电路鉴相电路 3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 3.3 调相式测量电路调相式测量电路 3.3.2 3.3.2 鉴相电路鉴相电路 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） RS触发器鉴相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。 脉冲采样鉴相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。 测控电路872021-4-29 3.4 脉冲