测控电子线路 第3章_信号调制解调电路

1、第第3章章 信号调制解调电路信号调制解调电路 作用：传感器输出的信号一般很微弱，而且含有作用：传感器输出的信号一般很微弱，而且含有 各种噪声。为了将测量信号从含有噪声的各种噪声。为了将测量信号从含有噪声的 信号中分离出来，便于放大与远距离传输。信号中分离出来，便于放大与远距离传输。 3.1 调幅式测量电路调幅式测量电路 3.2 调频式测量电路调频式测量电路 3.3 调相式测量电路电路调相式测量电路电路 3.4 脉冲调宽制式测量电路脉冲调宽制式测量电路 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就是用一个信号(称为调制信号称为调制信号)去控制另一个去控制另一个做为载体的信号做为载体

2、的信号(称为载波信号称为载波信号)，让后者的某一特征参，让后者的某一特征参数数(幅值、频率、相位、脉冲宽度幅值、频率、相位、脉冲宽度)按前者变化。按前者变化。 什么是信号解调？什么是信号解调？ 在将测量信号调制，并将它和噪声分离、放大等处在将测量信号调制，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，这一过程称为量信号，这一过程称为解调解调。 第第3章章 信号调制解调电路信号调制解调电路3.1 调幅式测量电路调幅式测量电路3.1.1 调幅原理与方法调幅原理与方法3.1.1.1 调幅信号的表达式调幅信号的表达式u

3、Umxtsmc()cos 线性线性调幅信号的调幅信号的一般表达式一般表达式可写为：可写为： 什么是调幅？写出调幅信号的数学表达式，画出波形。什么是调幅？写出调幅信号的数学表达式，画出波形。 调幅调幅就是用调制信号就是用调制信号 x 去控制高频载波信号的幅值。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 的线性函数变化的线性函数变化。调制信号调制信号载波信号载波信号调幅信号调幅信号线性调幅信号的波形：线性调幅信号的波形：设调制信号设调制信号 ，且，且 （一般（一般 ） xXtmcos c c10 uUtmXttsmc

4、mccoscoscos UtmX t +mX tmcmcmc11coscos()cos()22 载波信号载波信号上边频信号上边频信号下边频信号下边频信号ux uXttscmccoscos 载波信号中不含调制信号载波信号中不含调制信号 x 的信息，因此可取的信息，因此可取Um= 0、 m = 1，只保留两个边频信号。这种调制称为，只保留两个边频信号。这种调制称为双边带调幅双边带调幅，可采用可采用乘法器乘法器实现。实现。双边带调幅信号的双边带调幅信号的数学表达式数学表达式为：为： 3.1.1.1 调幅信号的表达式调幅信号的表达式 何谓双边带调幅？写出其数学表达式，并画出波形。何谓双边带调幅？写出其

5、数学表达式，并画出波形。当当x0时，时，us与与 uc同频同相；同频同相；双边带调幅信号双边带调幅信号txotucusotoux usc当当x1000Hz。调幅信号放大。调幅信号放大器的通频带应为器的通频带应为9001100Hz。信号解调后，滤波器的截止。信号解调后，滤波器的截止频率应大于频率应大于100Hz，即让，即让0100Hz的信号顺利通过，而将的信号顺利通过，而将900Hz以上的信号抑制，可选通频带为以上的信号抑制，可选通频带为0200Hz。 c c10 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

6、器的通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？频带？信号解调后，怎样选取滤波器的通频带？3.1.1.1 调幅信号的表达式调幅信号的表达式3.1.1 调幅原理与方法调幅原理与方法3.1.1.2 传感器调幅传感器调幅1. 通过交流电桥通过交流电桥(交流供电交流供电)实现调幅实现调幅把电阻、电容和电感式传感器接入交流电桥实现调幅。把电阻、电容和电感式传感器接入交流电桥实现调幅。R1FR4R2 R3R1R2uouR3R4RuuS uRo 为什么在测控系统中常常在传感器中进行信号调制？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

7、扰能力，常要求从信号一形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。成就已经是已调信号，因此常常在传感器中进行调制。2. 用机械或光学的方法实现调幅用机械或光学的方法实现调幅 激光器激光器光栏光栏调制盘调制盘被测工件被测工件滤光片滤光片光栏光栏光电元件光电元件 激光器发出的光通过光栏、调制盘照射在被测件上，由激光器发出的光通过光栏、调制盘照射在被测件上，由于工件表面粗糙度不同，光电元件接收的光能量不同，由镜于工件表面粗糙度不同，光电元件接收的光能量不同，由镜面反射方向与光电器件接收的光能量之比来测量表面粗糙度。面反射方向与光电器件接收的光能量之比

8、来测量表面粗糙度。1. 用乘法器实现调幅用乘法器实现调幅3.1.1.3 电路调幅电路调幅uKu uox c uUtxxmcos uUtccmccos KUU t txmcmcc1cos()cos() 2 双边带调幅双边带调幅ucuxuoxyKxya)原理图原理图 -8V0.1F0.1F14 10 1638MC149620F20Fuc0.1F21254uoux+12Vb)实用电路实用电路1k 1k 1k 1k 1k 3.3k 3.3k 51 750 750 47k 680k uoto Ucotto ux3.1.1.3 电路调幅电路调幅* * 2. 用开关电路实现调幅用开关电路实现调幅V1V2 N

9、沟道增强型绝缘栅场效应管，低电平为沟道增强型绝缘栅场效应管，低电平为0夹断。夹断。当当Uc为高电平为高电平“1”时，时，V1导通，导通，V2夹断，夹断，uo= ux ；当当Uc为低电平为低电平“0”时，时，V1夹断，夹断，V2导通，导通，uo= 0 。V1uxuoUcV2Uc将归一化方波载波信号将归一化方波载波信号(0,1)按傅里叶级数展开：按傅里叶级数展开：UKtttcccc122()coscos323 uuKtuututoxcxxcxc122()coscos323 低频低频高频高频双边带调幅双边带调幅带通滤波后：带通滤波后：uutoxc2cos 双边带调幅双边带调幅2. 用开关电路实现调幅

10、用开关电路实现调幅3.1.1.3 电路调幅电路调幅3. 信号相加实现调幅信号相加实现调幅T1+ ux - -+ ux - -+ uc - -VD1i1VD2i2载波信号载波信号T3T2RLi3+uo_RP调制信号调制信号uUtxxmcos uUtccmccos 设设 ， ，且，且UcmUxm，c 当当uc0时，时， ，二极管导通；，二极管导通；Ktc()0 3. 信号相加实现调幅信号相加实现调幅n u Ktin iiuKtr3 xc3312xc2()()() 电路形式为相加，而实质还是用电路形式为相加，而实质还是用uc控制二极管开关实现相乘。控制二极管开关实现相乘。T1+ ux - -+ ux

11、 - -+ uc - -VD1i1VD2i2载波信号载波信号T3T2RLi3+uo_RP调制信号调制信号n Un Un Utttttrrr3xm3xm3xmcc44coscoscoscoscos33 uuKtircxc1()() uuKtircxc2()() 什么是包络检波？什么是包络检波？检出线性调幅信号的包络线。检出线性调幅信号的包络线。3.1 调幅式测量电路调幅式测量电路3.1.2 包络检波电路包络检波电路线性调幅信号的解调线性调幅信号的解调usotuoot 如何实现包络检波？如何实现包络检波？采用单向导电器件截去调幅信号中采用单向导电器件截去调幅信号中下半部下半部 (或上半部或上半部)

12、的波形，即可获得半波检波信号，再经的波形，即可获得半波检波信号，再经低通滤波器滤除高频信号，即可获得所需调制信号，实现低通滤波器滤除高频信号，即可获得所需调制信号，实现解调。包络检波实际上就是建立在整流原理的基础上解调。包络检波实际上就是建立在整流原理的基础上。 1. 基本电路基本电路3.1.2.1 二极管与三极管包络检波二极管与三极管包络检波C1 滤除杂散信号；滤除杂散信号；VD 单向导电器件，半波检波，截去单向导电器件，半波检波，截去us的下半部波形；的下半部波形；V 单向导电器件，半波检波，截去单向导电器件，半波检波，截去us的上半部波形；的上半部波形；RL C2 低通滤波器，低通滤波器

13、， 。fffR Cco2cL21222 C1VRLC2Tic非线性非线性 器件器件Ecb) 晶体管检波电路晶体管检波电路+us_+uo_ 低通低通滤波器滤波器VDRLC2Ti+us_+uo_非线性非线性 器件器件 低通低通滤波器滤波器C1a) 二极管检波电路二极管检波电路a)二极管实现峰值检波二极管实现峰值检波iiUsmctctuuoous=Usmcosctoimax/2ouootctb)晶体管实现平均值检波晶体管实现平均值检波icoubeoUsmus=UsmcoscticoIcicmaxctuoot3.1.2.1 二极管与三极管包络检波二极管与三极管包络检波2. 峰值检波与平均值检波峰值检波

14、与平均值检波 为什么要采用精密检波电路？为什么要采用精密检波电路？ 二极管二极管VD和晶体管和晶体管V都有一定死区电压，即二极管都有一定死区电压，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，的正向压降、晶体管的发射结电压超过一定值时才导通， 它们的特性也是一条曲线它们的特性也是一条曲线(即非线性器件即非线性器件)。二极管。二极管VD和和 晶体管晶体管V的特性偏离理想特性会给检波带来误差。为了的特性偏离理想特性会给检波带来误差。为了 提高检波精度提高检波精度，常需采用，常需采用精密检波电路精密检波电路，它又称为，它又称为线性线性 检波电路检波电路。 * * 3.1.2.2 精密检

15、波电路精密检波电路3.1.2 包络检波电路包络检波电路3.1.2.2 精密检波电路精密检波电路1. 半波精密检波电路半波精密检波电路R2 与与VD1 防止防止us为正半周时，因为正半周时，因VD2断开而使运放断开而使运放 处于开环状态，由此可造成运放饱和。处于开环状态，由此可造成运放饱和。+ us 半波整流器半波整流器低通滤波器低通滤波器i1CR4uoR1R2R3VD1VD2i+uAAR2 uA +- -+ +N2+ +- -+ +N1+ +RR RuuuRR R424oAs3130 此时，低频时此时，低频时C开路，开路， ；高频时高频时C短路，短路，uo= 0 抑制高频载波。抑制高频载波。当

16、当us0时，时，N1输出输出 ，VD1通，通，VD2断，断， ， ；uA0 uA0 uo0 当当us0时，时， ， ；uA0 RRuuuRR44oss3302 RRRuuuuRRR444oAss33302 当当us0时，时，VD1 VD4通，通，VD2 VD3 断，断，N2跟随器工作，跟随器工作， ；uuos0 当当us0时，时，VD1 VD4断，断，VD2 VD3通，通，N1工作，工作， 。 RuuuR4oss10 tuootuso3. 全波精密检波电路全波精密检波电路uoR4VD1VD2R2R5VD3VD4R3usR1- -+ + +N1- -+ + +N2RRR214/ /, RR35,

17、 RR14 4. 高输入阻抗全波精密检波电路高输入阻抗全波精密检波电路RRRR1234/ 2R2usuAVD2VD1uoR1R3R4- -+ + +N1- -+ + +N2a) 电路图电路图uo= -usus0usR1R3R4us- -+ + +N1b) 正输入等效电路正输入等效电路- -+ + +N2us0时，时，VD1 通，通，VD2 断，断， ；uuos0 us0时，时，Uc= 1，Uc= 0，V1导通，导通，V2截止，截止，uo= us ；当当uc0)当当ux0时，时，us与与 Uc同频同相；同频同相；当当ux0时，时，us与与Uc同频反相。同频反相。us与与Uc反相反相(ux0)Uc

18、otusotuoot3.1.3.3 相加式相敏检波电路相加式相敏检波电路当当uc0时，时，VD1VD2导通，且导通，且UcmUsm，低频时，低频时C1C2开路，则开路，则uuukuuocded0s1s2() RRkrRR220222, RRrRR11111 调调RP使使RRuuurRR22edcs2222() causT1C1VD1VD2C2R1R2RPuoT2us1+edbus2+uc+uc1. 相加式半波相敏检波电路之一相加式半波相敏检波电路之一2. 相加式半波相敏检波电路之二相加式半波相敏检波电路之二uc2uc1C0usC1R4R1VD3VD2VD1R3R2R5RPVD4AucTUcmU

19、sm，低频时，低频时C1开路，开路，C0很大视为短路。很大视为短路。 当当ux0时，时，us与与uc同相，同相，uc0，us0，VD1VD2导通，导通，i1i2，uo= (i1-i2)R5 0 ； 当当ux0，us0，VD1VD2导通，导通，i1i2，uo= (i1-i2)R5 0)等效电路等效电路 2. 相加式半波相敏检波电路之二相加式半波相敏检波电路之二R1VD1+VD2+_i1i2uc1uc2usR2R5AucTi1-i2uoR1VD1+VD2+_i1i2uc1uc2usR2R5AucTi1-i2uo 当当ux0时，时，us与与uc同相，同相，uc0，us0，VD3VD4导通，导通，调调

20、RP使流过电表电流为零，使流过电表电流为零，uo= 0 ；i4i3R4VD4VD3usR3ucRP+i4-i3+uc1uc2 当当ux0时，时，us与与uc反相，反相，uc0，VD3VD4导通，导通，调调RP使流过电表电流为零，使流过电表电流为零，uo= 0 。i4i3R4VD4VD3usR3ucRP+i4-i3+uc1uc2负半周负半周(ucUsm，低频时，低频时C开路。开路。3. 相加式全波相敏检波电路相加式全波相敏检波电路 当当ux0时，时，us与与uc同相，同相，uc0，us0，VD1VD2导通，导通，i2i1，uo= (i2-i1)R5 0 ；VD1T2R1+VD2_i1i2uc1u

21、c2+uoR2Aus1+usT1i2-i1R5_ucVD1T2R1+VD2_i1i2uc1uc2+uoR2Aus1+usT1i2-i1R5_uc 当当ux0，us0，VD1VD2导通，导通，i2i1，uo= (i2-i1)R5 0)等效电路等效电路 3. 相加式全波相敏检波电路相加式全波相敏检波电路 当当ux0时，时，us与与uc同相，同相，uc0，usi3，uo= (i4-i3)R5 0 ； 当当ux0时，时，us与与uc反相，反相，uc0，VD3VD4导通，导通，i4i3，uo= (i4-i3)R5 0 。ucVD4T1R4+VD3_i4i3uc1uc2+uoR3T2Aus2+R5_i4-

22、i3usucVD4T1R4+VD3_i4i3uc1uc2+uoR3T2Aus2+R5_i4-i3us负半周负半周(uc ux的频率的频率us计数器计数器UU SRQCPDSDZDG&锁存器锁存器清零清零3.2.2.4 差频测量法：差频测量法：适用于适用于ux频率较高的场合频率较高的场合调频信号调频信号拍频电路拍频电路基准信号基准信号频率计频率计输出输出差拍信号差拍信号3.3 调相式测量电路调相式测量电路3.3.1 调相原理与方法调相原理与方法3.3.1.1 调相信号的表达式调相信号的表达式 什么是调相？写出调相信号的数学表达式，画出波形。什么是调相？写出调相信号的数学表达式，画出波形。

23、 调相调相就是用调制信号就是用调制信号 x 去控制高频载波信号的相位。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。的线性函数变化。uUtmxsmccos() 调相信号的调相信号的一般表达式一般表达式可写为：可写为：调制信号调制信号载波信号载波信号调相信号调相信号txottucus oo调相信号的波形：调相信号的波形：3.3.1 调相原理与方法调相原理与方法3.3.1.2 传感器调相传感器调相弹性轴弹性轴传感器传感器齿轮齿轮M磁电感应式扭矩传感器磁电感应式扭矩传感器齿轮齿轮传感器传感器两个传感器产生

24、的感应电势的相位差与扭矩成正比。两个传感器产生的感应电势的相位差与扭矩成正比。3.3.1.2 传感器调相传感器调相XY aabWB标尺光栅标尺光栅指示光栅指示光栅VP1VPnYo NS1S2SnVP1VP2VP3VPn莫尔条纹信号的调相莫尔条纹信号的调相标尺光栅标尺光栅指示光栅指示光栅xuUtWsmc2cos() 1. 调相电桥调相电桥3.3.1 调相原理与方法调相原理与方法3.3.1.3 电路调相电路调相oURUCUSUURUCUTRCUS运放代替变压器，运放代替变压器，N1N2形成两个幅值相等、形成两个幅值相等、极性相反的电压。极性相反的电压。- -+N2- -+N1RR1R1CUSU2U

25、2U2-传感器传感器R或或C变化时，对应变化时，对应电压电压UR或或UC变化，从而使变化，从而使US幅值不变，而相位变化。幅值不变，而相位变化。2. 脉冲采样式调相电路脉冲采样式调相电路3.3.1.3 电路调相电路调相U0门限检门限检测电路测电路脉冲发脉冲发 生器生器载波载波频率频率锯齿波锯齿波发生器发生器输出调输出调相脉冲相脉冲ujux+UcUsusottoujtoux+ujtoux参考信号参考信号UcU0锯齿波锯齿波锯齿波锯齿波+调制信号调制信号调相脉冲调相脉冲3.3 调相式测量电路调相式测量电路3.3.2 鉴相电路鉴相电路3.3.2.1 乘法器和低通滤波器实现鉴相乘法器和低通滤波器实现鉴

26、相 什么是鉴相？什么是鉴相？对调相信号的解调，从调相信号中检出反对调相信号的解调，从调相信号中检出反 映被测量变化的调制信号称为映被测量变化的调制信号称为相位检波相位检波或或鉴相鉴相。ucusuoxyKxycKuUtUt dt2osmccmc0cos()cos()2 KUUusmcmocos2 uo随随 的余弦变化，的余弦变化，但受但受us和和uc的幅值影响。的幅值影响。 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2. 用相加式相敏检波电路鉴相：用相加式相敏检波电路鉴相：Ucm=Usm3.3.2.2 相敏检波电路鉴相相敏检波电路鉴相 为什么常取参考信号的幅值等于调相信号的幅值？为什

27、么常取参考信号的幅值等于调相信号的幅值？(P217)Us- -UsU1UcU2 - -2_2uo cos2 sin2 在在 时，输出时，输出uo为：为：0uk UUkUkUo1m2mcmcm()2(cossin)2 2sin()22421. 异或门鉴相异或门鉴相UcUsDG1=1Uo3.3.2 鉴相电路鉴相电路3.3.2.3 通过相位通过相位脉宽变换鉴相脉宽变换鉴相CPUs锁锁存存器器 延时延时时钟脉冲时钟脉冲DG2Uo锁锁存存指指令令清零清零UcDG1=1&N计计数数器器NB 鉴相范围：鉴相范围：0 uoUo通过低通滤波器后的输出，通过低通滤波器后的输出， 。uBo UcUsoo t

28、uotUotoB2. RS触发器鉴相触发器鉴相3.3.2.3 通过相位通过相位脉宽变换鉴相脉宽变换鉴相uBo ttttooBQUsUcuoooo tUcUs QQRSUcUs用用Q代替上中的代替上中的Uo作门控信号。作门控信号。NB 鉴相范围：鉴相范围： (2) 3.3.2.4 脉冲采样式鉴相脉冲采样式鉴相uo单稳单稳锯齿波锯齿波发生器发生器采样保采样保持电路持电路滤波器滤波器uj UcUcUsu鉴相范围：鉴相范围：0 (2) toottotoujtououUsUc 各种鉴相方法比较各种鉴相方法比较(精度、误差因素、鉴相范围精度、误差因素、鉴相范围) 影响鉴相误差的主要因素有：影响鉴相误差的主

29、要因素有：非线性、信号幅值、占非线性、信号幅值、占空比、门电路与时钟脉冲频率等。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最高，线性好，对精度最高，线性好，对Us和和Uc的占空比的占空比没有要求。鉴相范围接近没有要求。鉴相范围接近2 。 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，信号幅值原理上有非线性，信号幅值影响鉴相误差。影响鉴相误差。鉴相范围为鉴相范围为 /2 。 脉冲采样鉴相中脉冲采样鉴相中锯齿波的非线性影响鉴相误差。锯齿波的非线性影响鉴相误差。鉴相鉴相范围接近范围接近2 。 异或门鉴相中异或门鉴相中占空比影响鉴相误差。占空比影响鉴相误差。鉴相范围为鉴

30、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。脉冲频率误差对精度有影响，但一般误差较小。3.3.2 鉴相电路鉴相电路脉冲调宽的脉冲调宽的数学表达式数学表达式为：为：B=b+mx3.4 脉冲调制式测量电路脉冲调制式测量电路3.4.1 脉冲调制原理与方法脉冲调制原理与方法3.4.1.1 脉冲调制信号的表达式脉冲调制信号的表达式 什么是脉冲调宽制？写出脉冲调制信号的数学表达式，什么是脉冲调宽制？写出脉冲调制信号的数学表达式， 并画出其波形。并画出其波形。 脉冲调制脉冲调制是指用脉冲作为载波信号的调制方

31、法。在脉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。冲调制中具有广泛应用的一种方式是脉冲调宽。U调制信号调制信号脉冲调宽信号脉冲调宽信号txoxTBto脉冲调宽信号的波形：脉冲调宽信号的波形：T脉冲周期脉冲周期(不变不变)，等于载波频率的倒数。，等于载波频率的倒数。B脉冲宽度脉冲宽度(变化变化)，为调制信号，为调制信号x的线性函数。的线性函数。3.4.1 脉冲调制原理及方法脉冲调制原理及方法3.4.1.2 传感器调宽传感器调宽透镜透镜透镜透镜M用激光扫描的方法测量工件直径用激光扫描的方法测量工件直径棱镜棱镜电动机电动机激光器激光器反光镜反光镜玻璃玻璃工件工件光电元件光电元件玻璃玻璃光电元件输出光电元件输出“暗暗”的信号宽度与工件直径成正比。的信号宽度与工件直径成正比