测控电路课件第三章

1、第三章第三章. 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调制解调的功用与类型调制解调的功用与类型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？ 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. 信号调制解调电路信号调制解调电路调制解调的

2、应用调制解调的应用n 首先最先应用于通信（包括电视、广播）中。首先最先应用于通信（包括电视、广播）中。在通信中有许多路信号需要传输，为了使它在通信中有许多路信号需要传输，为了使它们得以互相区别，需要赋以不同的特征，例们得以互相区别，需要赋以不同的特征，例如如选用不同频率的载波信号选用不同频率的载波信号，从而让不同路，从而让不同路信号占有不同的频段。信号占有不同的频段。n 测量中噪声含有各种频率（近乎白噪声），测量中噪声含有各种频率（近乎白噪声），这时赋以测量信号一个特定载波，这时赋以测量信号一个特定载波，只让以载只让以载波为中心的一个很窄的频带内的信号通过波为中心的一个很窄的频带内的信号通过，

3、可有效抑制噪声，减小噪声影响。可有效抑制噪声，减小噪声影响。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

4、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 width modulation) 。3. 信号调制解调电路信号调制解调电路n调制就是用一个信号（调制信号）去控制另一个作为

5、载体的信号（载波信号），让后者的参数（幅值、频率、相位、脉冲宽度等）按前者的值变化。3.1 调幅式测量电路3.1.1.1 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调幅信号中载波的幅值调幅信号中载波的幅值调制度调制度假设调制信号

6、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+)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。其数数学表达式学表达式为：mmsccmccos()cos()coscos22mXmXuttXt mt调制信号调制信号载波信号载波信号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tmxUuc

7、mscos)(tttxOOucOusustO(2) (2) 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（防止混叠），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。 以载波频率为中

8、心的一个很窄的频带内的信号通过（角频率分别为 c的上下边频信号）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？放大器的通频带？信号解调后，怎样选取滤波器的信号解调后，怎样选取滤波器的通频带？通频带？答：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3.1 调幅式测量电

9、路为什么在测控系统中常常在传感器中进行信号为什么在测控系统中常常在传感器中进行信号调制？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3.1.1.23.1.1.2、传感器调制、传感器调制3. 信号调制解调电路信号调制解调电路1. 1.通过交流供电实现调制通过交流供电实现调制R1FR4R2 R3R1R2UoUR3R4应变式传感器输出信号的调制 3.1.1.2 传感器调制传感器调制用用4 4个应变片测量梁的变形，并由此确定作用在梁上的力个应变片测量梁的变形，并由此确定作用在梁上的力F F的的大小。大小。

10、4 4个应变片接入电桥，并个应变片接入电桥，并采用交流电压采用交流电压U U供电供电，交流电压的，交流电压的频率就是载波频率。频率就是载波频率。312441234,()4RRRRRRRRRURRRRO个应变片在没有应力作用时，电桥平衡；在有应力作用时，它们的阻值发生变化，电桥输出U2. 用机械或光学的方法实现调制 1234563.1.1.2 传感器调制传感器调制工件表面微观不平度使反射光产生漫反射。根据镜面反射方向与其他方向接收到的光能量之比测定被测工件1的表面粗糙度。采用多孔盘或多槽调制盘2使光信号得到调制，以提高信噪比。2.调制盘调制盘3.光栏光栏4.激光器激光器5.光栏光栏6.光电元件光

11、电元件3、电路调制(1) 乘法器调制乘法器调制a)原理图ucuxusxyKxysxmmccoscoscuUt Utb) 实用电路 -8V47k0.1F1k0.1F5175014 10 161k38MC14961k3.3k3.3k7501k680k20F20Fuc1k0.1F21254usux+12V3.1.1.2 传感器调制传感器调制(2)开关电路调制开关电路调制uxuo=usUcV2V1Uc uotO Uc OttO uxuo=us3.1.1.2 传感器调制传感器调制cc12u12uccUUVVUUVVoxo为高电平、 为低电平时，导通、截止，=u为低电平、 为高电平时，截止、导通，=0经过

12、调制经过调制ux与幅值按与幅值按0、1变化的载波信号变化的载波信号uc相乘。相乘。n归一化的归一化的方波方波正弦载波信号按傅里叶级数展开正弦载波信号按傅里叶级数展开后可写为：后可写为：22sinsin33ccttc1K(t)=2K（wct）与ux相乘后，用用滤滤波波器器滤滤掉掉 及及高高次次谐谐波波后，后，得得到到相相乘乘调调制制信信号号经过调制经过调制ux与幅值按与幅值按0、1变化的载波信号变化的载波信号uc相乘。相乘。n归一化的归一化的方波方波正弦载波信号按傅里叶级数展开后正弦载波信号按傅里叶级数展开后可写为：可写为：22sinsin33ccttc1K(t)=2K（wct）与ux相乘后，用

13、滤波器滤掉用滤波器滤掉 及高次谐波后，得到相乘调制信号及高次谐波后，得到相乘调制信号2sin33xxcuut1与22sinxcut经过调制经过调制ux与幅值按与幅值按0、1变化的载波信号变化的载波信号uc相乘。相乘。(3) 信号相加调制信号相加调制T1+ ux _ + ux _+ uc - -VD1i1VD2i2载波信号载波信号T3T2RLi3+uo_RP调制信号调制信号3.1.1.2 传感器调制传感器调制信号相加调制是就其电路形式而言的，在这种电路中调制信号信号相加调制是就其电路形式而言的，在这种电路中调制信号xcc=cos=cosxmmcuUtuUt 与相加减后去控制开关器件，实际起相加减

14、后去控制开关器件，实际起控制作用的是载波信号控制作用的是载波信号n调制信号调制信号uxux与载波信与载波信号号ucuc分别通过变压器分别通过变压器T1T1和和T2T2输入，加到两个输入，加到两个起开关作用的二极管起开关作用的二极管VD1VD1、VD2VD2的电压分别的电压分别为为uc+ uxuc+ ux、 uc- uxuc- ux。n 通过两个二极管通过两个二极管VD1VD1、VD2VD2的电流分别为：的电流分别为：1c2c()()/()()/xcxciuuKtriuuKtrr 为二极管的内阻、电位器RP串接的有效电阻与负载电阻RL折合到T3一侧的等效电阻之和。22coscos 33cctt

15、c1K(t)=2T1+ ux _ + ux _+ uc - -VD1i1VD2i2载波信号载波信号T3T2RLi3+uo_RP调制信号调制信号归一化的方波余弦归一化的方波余弦信号信号二极管受二极管受uc控制，处于控制，处于开关状态开关状态故有：x331233xxx33322()22coscoscos33cos4coscos4coscos3.3mxccmmmccUin iinuntttrUUUntnttnttrrr c1K(t)/r=2通过滤波，滤去第一项和第三项，就可以得到与通过滤波，滤去第一项和第三项，就可以得到与 成正比的成正比的双边带调幅信号双边带调幅信号。xcoscosmcUtt3.1

16、 调幅式测量电路3.1.2 包络检波电路包络检波电路什么是包络检波？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调解调或检波检波。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，实现解调

17、。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usOOtta)b)uo3.1.2.1 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VDRLC2Ti+us_+uo_非线性非线性 器件器件 低通低通滤波器滤波器C1VRLC2Tic+us_+_非线性非线性 器件器件 低通低通滤波器滤波器uoEcb) 晶体管检波电路晶体管检波电路3.1.2 包络检波电路包络检波电路构成谐振回路输入，有利构成谐振回路输入，有利于滤除杂散信号于滤除杂散信号二级管二级管VD检出半波信号，再经由检出半波信号，再经由RL和和

18、C2构成构成的低通滤波器后检出调制信号，实现解调的低通滤波器后检出调制信号，实现解调其中低通滤波器的参数应选择为：其中低通滤波器的参数应选择为：以滤除载波信号，保留调制信号。以滤除载波信号，保留调制信号。211LRC22212122211oLxocLLfR CfffR CR C3.1.2.2 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，常需采用精密精密检波电路检波电路，它又称为线性检

19、波电路线性检波电路。 3.1.2 包络检波电路包络检波电路3.1.2 包络检波电路包络检波电路3.1.2.2 精密检波电路1. 半波精密检波电路半波精密检波电路+i1CR4uoR1+ us R2R3VD1VD2半波整流器低通滤波器uA+ u i-+N1-+N2+A2RsuAuUs0时，时，N1输出为负，输出为负，VD1导通，导通，VD2截止，截止，uA=0Us0usR1R3R4-+N1-+N2N2的同相输入端与反相输入端输入相同信号，得到uo=us N1跟随器线性全波检波电路（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 ss122)1 (uuRRuAN2的输出为

20、44os33sss(1)34ARRuuuRRuuu osuu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usuAVD2VD1R1R3R4-+N1R2-+N2uoR2uo=-ususus(us1,us2)，二极管的通断由uc决定。3.1.3 相敏检波电路相敏检波电路ucVD4T1R4+VD3_i4i3uc1uc2+uoCR3T2Pus2+R5_i4-i3us负半周期相敏：输出与uc和us之间的相位关系有关检波：输出的极性在两个半周期不变全波检波全波检波uc2uc1CR5PR4R1VD3VD2VD1R3R2VD4usTuous1us2+T2

21、ucBAB3.1.3.3 3.1.3.3 相加式相敏检波电路相加式相敏检波电路- -全波全波3.1 调幅式测量电路(4) (4) 精密整流型相敏检波电路精密整流型相敏检波电路在精密整流型在精密整流型包络包络检波检波电路中开关器件是电路中开关器件是二极二极管管，它的通断由，它的通断由N1的输的输出出极性决定，与极性决定，与Uc和和us之间的相位关系之间的相位关系无关无关。在精密整流型在精密整流型相敏相敏检波检波电路中开关器件是场效电路中开关器件是场效应应开关管开关管，它的通断由，它的通断由Uc的极性决定，输出的的极性决定，输出的极性与极性与Uc和和us之间的相之间的相位关系位关系相关相关。3.

22、信号调制解调电路信号调制解调电路3.1.3 相敏检波电路相敏检波电路CR4uoR1R2R3- -+ + +N1- -+ + +N2V1V2uA32R R UcUc- -+ +usUc为高电平时，为高电平时，V2导通导通OtuAOtuoOtusOtus/2OtuAOtuoOtusOtus/2Uc与与us同相同相Uc与与us反相反相3. 信号调制解调电路信号调制解调电路3.1.3 相敏检波电路相敏检波电路精密包络检波电路输出极性固定，而精密相敏检波电路输出与精密包络检波电路输出极性固定，而精密相敏检波电路输出与Uc和和us之间的相之间的相位关系位关系相关相关 1. 相敏检波电路的选频特性相敏检波电

23、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，输出信号被抑制或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。 3.1.3.6 相敏检波电路的选频与鉴相特性相敏检波的工作机理是将输入信号与频率为 的单位参考信号相乘，再通过滤波将高频载波信号滤除。滤波可以用在载波信号的一个周期内取平均值表示c2)d()22cos1(21)d(cos2

24、1)d(cos21xc20cxcc202xcc20souttuttuttuu如果输入信号有高次谐波，设n次谐波为 tnunccos0)d() 1cos() 1cos(41)d(coscos2120ccc20cccttntnutttnuunnn只要 。n1,0nu3.1.3.6 相敏检波电路的选频与鉴相特性 在实用的相敏检波电路中，常采用方波信号作参考信号。这 时输入信号与归一化的方波载波信号相乘。输出电压3. 信号调制解调电路信号调制解调电路 20ccc20cccc)d()3cos(31) 1cos(121)d(3cos32cos221cos21ttntnuttttnuunnn对于n为偶数的偶

25、次谐波，输出为零，它有抑制偶次谐波的功能。、3.1.3.6 相敏检波电路的选频与鉴相特性/nu)3/(nu)5/(nu对于n=1、3、5等各次谐波，输出信号的幅值相应为 、 、 等。(1) 相敏检波电路的选频特性b) n=2平 均 输 出平 均 输 出为为0n=1同极性，输出同极性，输出为正为正c) n=3正负抵消正负抵消后仍有后仍有1/3正信号输正信号输出。出。usustOuotO+UctOuotO+tO+tUcO+ustOuotO+ +tO+Uc3.1.3.6 相敏检波电路的选频与鉴相特性 2. 2. 相敏检波电路的鉴相特性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)

26、同频信号，但有一定相位差，这时输出电压20smcccsmo2cos)d(cos)cos(21UtttUu3.1.3.6 相敏检波电路的选频与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鉴相特性。 即输出信号随相位差 的余弦而变化。3.1 调幅式测量电路调幅式测量电路a)b)c)d)UctO+ustO+uotO+UctO+UctO+UctO+ustO+ustO+ustO+OtO+OuouotO+uotO3. 信号调制解调电路信号调制解调电路3.1.3 相敏检波电路相敏检波电路

27、 (2) (2)相敏检波电路的鉴相特性相敏检波电路的鉴相特性 同相，输出为正同相，输出为正反相，输出为负反相，输出为负相差相差90，平均输，平均输出为零出为零相差相差30，抵消后，抵消后输出为输出为0.866倍的倍的正电压正电压鉴相特性的用途：鉴相特性的用途：n可以根据相敏检波器的输出确定输入信号与参考信号的相位差，因此可以用作相位计，来辨相。n可提高电路的抗干扰性。 只要干扰信号的频率与调幅信号频率略有差别，则每个周期的相位差都在不断地变化，经低通滤波取平均后接近零。 相敏检波电路与包络检波电路在功能与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？电路构成上最主要的区别是什

28、么？鉴相 判别被测量变化的方向选频 提高测控系统的抗干扰能力电路结构 相敏检波电路还要输入一个参考信号（可以用它来鉴别输入信号的相位和频率）振荡器+15V传感器uoVCT1234576相敏检波电路RP4-15VRt放大器R1R2R3R4量程切换电路RP1RP3RP2-+N+15VRP5P 3.1.3.7 相敏检波电路的应用相敏检波电路的应用相敏检波电路还有利于相敏检波电路还有利于减小零点残余电压影响减小零点残余电压影响RP 2：调节使仪器指零RP1：补偿调零残电压RP3：调整仪器灵敏度RP4：检波调零RP5：输出灵敏度1）用于解调和鉴相）用于解调和鉴相晶体管晶体管V、与变压器、与变压器T、电容

29、、电容C构成三点式构成三点式LC振荡器，既为振荡器，既为4.5.6.7给传感器给传感器 供电，实现供电，实现测量信号的幅值调制测量信号的幅值调制，又为相敏检波电路提供参考电压，又为相敏检波电路提供参考电压3.1 调幅式测量电路1.刻线像2.狭缝3.光电元件瞄准状态非瞄准状态3. 信号调制解调电路信号调制解调电路3.1.3 相敏检波电路相敏检波电路（四）相敏检波电路的应用x213txtOtOtx,uOO,u以振子的激励信号为参考信号，对放大后的光电信号作相敏检波。以振子的激励信号为参考信号，对放大后的光电信号作相敏检波。根据相敏检波电路的根据相敏检波电路的输出输出，可以确定显微镜是否瞄准被测刻线

30、，可以确定显微镜是否瞄准被测刻线3.2 调频式测量电路调频式测量电路3.2.1 3.2.1 调频原理与方法调频原理与方法（一）调频信号的一般表达式调频信号的一般表达式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。3. 信号调制解调电路信号调制解调电路tmxUu)cos(cms调频信号us的一般表达式一般表达式可写为：载波信号载波信号的幅度的幅度调制度调制度3.2 调频式测量电路调频式测量电路xtOOtusa) 调制信号b) 调频信号调频信号的波形3. 信号调制解调电路信号调制解调电路3.2.1 3.2.1 调频原理与方法调频原

31、理与方法为了调高测量信号抗干扰能力，常要求从信号一形成就是已调信号，因此常常在传感器中进行调制。213测力或压力的振弦式传感器3.2.1.2 3.2.1.2 传感器调制传感器调制4TNS1.膜片2.磁铁3.振弦4.支承振弦3在磁铁2形成的磁场内振动时产生感应电动势，其输出为调频信号。n 多普勒测速VvPW)/1/()/1 (0VvVvffVvff/210Vv 时3.2.1.2 3.2.1.2 传感器调制传感器调制频率为f0的波束(电磁波、光波、超声波等)P以速度V射向以速度v运动的物体W时，反射波束产生多普勒频移，其频率f变为：3.2.1.3 电路调制n 信号的调频也可用电路来实现。只要能用调

32、制信号去控制产生载波信号的振荡器频率，就可以实现调频。n 载波信号可以用LC、RC或多谐振荡器产生，只要让决定其频率的某个参数，如电感L、电阻R或电容C随调制信号（测量信号）变化，就可以实现调频。(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+Ecff00CT为电容传感器电容，它随被测参数变化。为电容传感器电容，它随被测参数变化。CT的变化使振荡器输出频率的变化使振荡器输出频率变化，从而实现调频。变化，从而实现调频。同样，也可采用电感传感器的电感作为振荡器的同样，也可采用电感传感器的电感作为振荡器的L，实现调频。，实现调频。3.2.1.3 电路调制a)(2) (2)

33、 多谐振荡器调频电路多谐振荡器调频电路（1）若输出电压为）若输出电压为Ur,通过通过R+RP向向电容电容C充电，当电容充电，当电容C上的充电电压上的充电电压ucFur时时,N的状态翻转，使的状态翻转，使uo=-Ur。3.2.1.3 电路调制（2）-Ur通过通过R+RP对电容对电容C反反向充电，当电容向充电，当电容C上的充电电压上的充电电压uc-Fur时，时，N再次翻转，使再次翻转，使 uo=Ur。（3 3）这样就构成一个在）这样就构成一个在+-Ur+-Ur间来回振荡的多谐振荡器，振荡间来回振荡的多谐振荡器，振荡频率频率f=1/T0,T0=(R+RP)Cf=1/T0,T0=(R+RP)Cn 若用

34、一个电容传感器若用一个电容传感器的电容作为图中的的电容作为图中的C，即可使振荡器的频率即可使振荡器的频率得到调制。得到调制。n 也可用一个电阻式传也可用一个电阻式传感器的电阻作为感器的电阻作为R，振荡器的频率随被测振荡器的频率随被测量的变化得到调制。量的变化得到调制。b)振荡频率振荡频率f=1/T0,T0=(R+RP)Cf=1/T0,T0=(R+RP)C3.2.2 3.2.2 鉴频电路鉴频电路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。3. 信号调制解调电路信号调制解调电路)(cmmxUtmxUu)cos(cmstmxmxUtu)sin()(dd

35、ccms3.2.2.1 微分鉴频将调频信号 对t 求导数得到 这是一个调频调幅信号。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（1）通过定零，求出Umwc（2）通过灵敏度标定，测定x改变时输出的变化，可以求出Umm.从而获得调制信号x微分鉴频电路微分鉴频电路微分网络包络 检波器C1r+-+-+-udusC1uousVDVRLC2+Ec-ieic电容C1与晶体管V的发射结正向电阻r组成微分电路。二极管VD一方面为晶体管V提供直流偏压，另一方面为电容C1提供放电回路。电容C2为滤除高频载波信号用。缺点：灵敏度较低。窄脉冲鉴频电路窄脉冲鉴频电路 3.2.2 鉴频电路鉴频电路uoOc)us

36、tttOOb)a)Usuo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usUsUs调幅信号经放大电路调幅信号经放大电路进入电平鉴别器，当进入电平鉴别器，当输入信号输入信号超过一定电超过一定电平时，电平鉴别器翻平时，电平鉴别器翻转，转，推动单稳态触发推动单稳态触发器输出窄脉冲。器输出窄脉冲。频率变化转换为电压变化频率变化转换为电压变化3.2.2.3 数字式频率计只要检出频率变化的信息，测得调频信号的瞬时频率，即可只要检出频率变化的信息，测得调频信号的瞬时频率，即可实现调频信号的解调。实现调频信号的解调。测量频率两种方法：（1）基于频率测量法：测量在一基准时段内信

37、号变化的周期数。由于调频信号的频率是变化的，基准时段不能选的太长，但是脉冲计数的方法难以避免一个脉冲的误差，所以除非调频信号的频率很高，否则会产生较大的相对误差。这种方法难以用于调频信号的解调。（2）采用测量周期法：根据在信号的一个周期内进入计数器的高频时钟脉冲数测得信号的周期，从而确定它的频率。CPusUU 计数器 锁存器 清零DG&SRQDZDS前沿前沿1后沿后沿后沿0整整形形器器缺点：锁存器的示数代表信号周期，它与频率间的转换关系是非线性的。 测量周期的量化误差是一个时钟脉冲的一个周期，为了获得高的测 量精度，要求时钟脉冲的频率远高于被测信号的频率。 基于测量周期的调频信号解调方法单单稳

38、稳3.3 调相式测量电路调相式测量电路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。3. 信号调制解调电路信号调制解调电路)cos(cmsmxtUu3.3.1 3.3.1 调相原理与方法调相原理与方法3.3.1.1 调相信号的一般表达式调相信号的一般表达式调相信号us的一般表达式一般表达式可写为：a)b)c)txOttucusOO3.3.1 3.3.1 调相原理与方法调相原理与方法3.3.1.1 调相信号的一般表达式调相信号的一般表达式调相信号与载波信号的相位差随x变化。当x0时，超前（滞后）于载波信号。)cos(cmsmxt

39、Uu实际上调相信号的瞬时实际上调相信号的瞬时频率也在变化频率也在变化，调相，调相信号信号的瞬时频率的瞬时频率)cos(cmsmxtUutxmddc3.3.1 3.3.1 调相原理与方法调相原理与方法3.3.1.1 调相信号的一般表达式调相信号的一般表达式若若x x是位移，对于位移，是位移，对于位移，usus是调相信号是调相信号对于速度对于速度dx/dt, usdx/dt, us 是调频信号是调频信号15243678OIst3.3.1.2传感器调制 分光镜分光镜被测工件被测工件激光器激光器透镜组透镜组光电器件光电器件3输出信号的相位为被测工件输出信号的相位为被测工件表面的位置调制，是一个调制信号

40、。表面的位置调制，是一个调制信号。(1) 调相电桥调相电桥3.3.1.3 3.3.1.3 电路调制-+N2-+N1RR1R1CUsU2U2U2-OURUCUsUUCURUTRCUsC为电容式传感器的电容，为电容式传感器的电容，R为固定电阻；或为固定电阻；或C为固定电容，为固定电容，R为电阻式传感器的电为电阻式传感器的电阻。阻。电容上的压降和电阻上的压降相位相差电容上的压降和电阻上的压降相位相差90Us的幅值不变，相位随传感器的电阻或电容变化，的幅值不变，相位随传感器的电阻或电容变化，输出调相信号输出调相信号。(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

41、率锯齿波发生器输出调相脉冲ujux+a)UcususOttOujtOuj=kux+ujtOuxb)d)c)e)UcU03.3.1.3 3.3.1.3 电路调制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。ucusuoxyKxyN20cmsmcccmcsmo2cos)d(cos)cos(2UKUttUtUKu/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。 3.3.2 3.3.2 鉴相电路鉴相电路3.3.2.1 3.3.2.1 乘法器鉴相乘法器鉴相3.3.2.2 3.3.2.2 相敏检波电路鉴相相敏检波

42、电路鉴相1. 1. 用开关式相敏检波电路鉴相用开关式相敏检波电路鉴相usUcRVRR-+NuotustUcOtOOtt输出信号与cos 成正比，同时受调相信号幅值的影响2. 用相加式相敏检波电路检相用相加式相敏检波电路检相sc1UUUsc2UUU作用在ad 和 bd 两点上的电压分别为2sm2smcmm1)sin()cos(UUUU2sm2smcmm2)sin()cos(UUUUuocausT1C1VD1VD2C2R1R2RPT2us1+edbus2+u+ucc Us-UsU1UcU2123.3.2.2 3.3.2.2 相敏检波电路鉴相相敏检波电路鉴相区区别：别：cmsmUU2cos2cmm1

43、UU2sin2cmm2UU)24sin(22)2sin2(cos2)(cmcmm2m1okUkUUUku-0uo2_2令令输出特性输出特性( (0, ）时，）时，1.鉴相时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, ,不能鉴别不能鉴别相位超前或滞后相位超前或滞后2.2.工作范围在工作范围在 附近鉴相器线性最好，灵敏度最高附近鉴相器线性最好，灵敏度最高 (0 )/23.3.2.3 通过相位脉宽变换鉴相 (1) 异或门鉴相异或门鉴相a)UCUSDG1=1=1Uob)UcUsOO tuotUotOBd)c)CPUs计计数数器器锁锁存存器器 延时延时时钟脉冲时钟脉

44、冲DG2Uo锁锁存存指指令令清零清零UcDG1=1=1&N-2 - 0 N,uo2 异或门异或门异或门输出异或门输出Uo的脉宽的脉宽B与相位差对应，如何确定与相位差对应，如何确定B?（1）将）将Uo送入低通滤波器，滤波后的输出送入低通滤波器，滤波后的输出uo与脉宽与脉宽B成正比，可以确定相位差成正比，可以确定相位差（2）Uo做门控信号，送入与门进入计数器，计数器的脉冲数做门控信号，送入与门进入计数器，计数器的脉冲数N与脉宽与脉宽B成正比，成正比，反映相位差。反映相位差。(2) (2) RS触发器鉴相触发器鉴相c)a)N,uo0221b)ttttOOBQUsUcuoOOtOcUsUQQSRcUs

45、UQ=1的脉冲的脉冲B 与与 Us和和Uc的相位差的相位差 相对应。相对应。RSRS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。鉴相范围宽，接近2。广泛应用。3.3.2.4 3.3.2.4 脉冲采样式鉴相电路电路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Ucuj UcUsue)a)b)c)d)tOUcOttOUstOujtOuuo窄窄脉脉冲冲窄脉冲窄脉冲脉冲采样式鉴相电路的工作原理基于相位脉冲采样式鉴相电路的工作原理基于相位-时间时间-电压的变换电压的变换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