测控电路张国雄1-5章

2.信号放大电路张国雄天津大学精密仪器与光电子工程学院精密测试技术及仪器国家重点实验室电子邮件：gxzhang@2.信号放大电路何谓测量放大电路？

在测量控制系统中，用来放大传感器输出的微弱电压、电流或电荷信号的放大电路称为测量放大电路。测量放大电路是测控电路的基本组成部分，本章讨论以精为主线，将灵放在重要位置，同时考虑快与可靠。基本要求：①低噪声；②低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移；③高共模输入范围和高共模抑制比；④一定的放大倍数和稳定的增益；⑤线性好；⑥输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；⑦足够的带宽和转换速率。以上要求都是围绕“精”提出来的，同时考虑快。2.信号放大电路R2ui+∞-+NR1R3

从灵和安全可靠出发，还需要：①可调闭环增益放大电路；②参量放大电路；③电荷放大电路；④隔离放大电路。也有利于提高精度。还需要考虑低成本。2.信号放大电路2.信号放大电路

测量放大电路的主要误差源

高共模抑制比放大电路高输入阻抗放大电路

低漂移放大电路

电桥放大电路2023/2/22.信号放大电路

隔离放大电路

电荷放大电路

增益可控放大电路2023/2/22.信号放大电路2.1测量放大电路的主要误差源

2.1运算放大器件的主要误差源序号参数名称理想值实际值

1差模增益∞90～100dB以上2共模增益00dB以上3输入阻抗∞100kΩ～数兆欧4输出阻抗010Ω～数百欧5带宽0～∞0～10Hz（或0～10kHz）6动态范围0～供电电压有限部分7输入失调电压0纳伏至毫伏8输入失调电流0皮安至微安9噪声0纳伏至微伏+∞-+N2023/2/22.1

测量放大电路的主要误差源

2.信号放大电路采用负反馈构成闭环放大器可以扩大带宽和线性范围。最主要的误差因素是噪声与失调漂移。固定的失调可以通过调整来解决。2.信号放大电路2.1测量放大电路的主要误差源式中k——玻耳兹曼常数，k=1.38×10-23J/K；T——导体的绝对温度（K）；B——测量系统的噪声带宽(Hz)；R——导体阻抗的实部(Ω)。

噪声噪声就是干扰有用信号的某种不希望的扰动。通常，把外部来的称为干扰，把内部产生的称为噪声。热噪声由导体中的电荷载流子的热激振动引起的噪声2023/2/22.信号放大电路2.1测量放大电路的主要误差源低频噪声与晶体管表面的状态以及PN结的漏电流有关的噪声式中k1——与材料有关的常量，其量纲与a、b有关；I

——工作电流(A)；a、b——由实验确定的常数，对各种半导体，b=0.8~1.5，a通常为1；

f

——工作频率(Hz)。

散弹噪声

流过二极管、三极管位垒层的载流子不是连续的，而是脉冲性质的，电流的方均值或方均根值不为零

式中q——电子电荷，为1.59×10-19C；

IDC——直流电流(A)；

B——测量系统的噪声带宽(Hz)。2.信号放大电路2.1测量放大电路的主要误差源减小噪声影响的主要措施（1）采用噪声小的器件；（2）采用信号调制解调与滤波，限制通频带；（3）采用屏蔽措施；（4）采用高共模抑制比电路。2.信号放大电路2.1测量放大电路的主要误差源减小漂移影响的主要措施（1）采用低漂移放大电路；（2）合理设计偏置电路；（R3=R1//R2

）（3）采用信号调制解调。uoR2ui+∞-+NR1R32.信号放大电路2.1测量放大电路的主要误差源在许多情况下需要测量的参数是差值形状误差、位置误差、差压、温差 有许多参数表面上看不是差值，实际还是差值在多数情况下外界干扰主要是共模干扰在集成电路制造中，比较容易保证的是参数的一致性2.信号放大电路2.2高共模抑制比放大电路精一、基本差动放大电路基本差动放大电路是反相放大电路与同相放大电路的组合2.信号放大电路ui+∞+-NuoR1R2R3uoui+∞-+NR1R2R3反相放大电路同相放大电路2.2高共模抑制比放大电路一、基本差动放大电路2.信号放大电路uo+∞-+Nui1R1R2R4ui2R3ui1作用时电路的输出uo1

ui2作用时电路的输出uo2

2.2高共模抑制比放大电路独立作用原理2023/2/22.信号放大电路一、基本差动放大电路取R2//R1=R4//R3

具有共模抑制能力。

2.2高共模抑制比放大电路uo+∞-+Nui1R1R2R4ui2R32.信号放大电路一、基本差动放大电路实际上不可能完全做到R2//R1=R4//R3

2.2高共模抑制比放大电路2.信号放大电路一、基本差动放大电路电路结构简单，但输入阻抗较低，增益调节困难。2.2高共模抑制比放大电路2.信号放大电路二、同相串联高共模抑制比放大电路uoui2ui1R4R3uo1R2R1∞+-+N2∞+-+N1特色：1.同相输入、高输入阻抗；2.对于N2仍然是差动放大电路2.2高共模抑制比放大电路基尔霍夫定理2.信号放大电路二、同相串联高共模抑制比放大电路取2.2高共模抑制比放大电路uoui2ui1R4R3uo1R2R1∞+-+N2∞+-+N1增益与共模抑制比牵连2.信号放大电路三、三运放高共模抑制比放大电路ui1ui2uo1uo2R1R0R2R7RPR8R3R4R6uoR5∞+-+N1IR∞-++N2∞-++N32.2高共模抑制比放大电路RP调整两臂平衡2.信号放大电路电路特点：输入阻抗高；增益调整方便；对于理想运放，共模抑制比趋向无限大。R7RPR8R3R4R6uoR5∞-++N3ui1ui2uo1uo2R1R0R2∞+-+N1IR∞-++N2三、三运放高共模抑制比放大电路2.2高共模抑制比放大电路2.信号放大电路四、带有源屏蔽的共模抑制比放大电路2.2高共模抑制比放大电路uo∞+-+N1ui2R1R5R2ui1R4R3R3R4∞-++N2∞-++N3uo2uo1在信号传输中常采用屏蔽电缆当传感器与测量放大电路间有一定距离时，常用屏蔽电缆连接，屏蔽层一般接地。电缆输入芯线与其屏蔽层之间的电容C1和C2

，以及传感器和传输电缆内阻RS1和RS2将在放大器输入端形成两个积分电路。共模输入信号uic

在RS1、RS2上产生jωRS1C1uic、jωRS2C2uic的压降

2.信号放大电路四、带有源屏蔽的共模抑制比放大电路差动放大器abuicui1ui2RS1RS2C1C2uo2.2高共模抑制比放大电路引起输出端差模电压2.信号放大电路四、带有源屏蔽的共模抑制比放大电路对于原来的电路2.2高共模抑制比放大电路uo∞+-+N1ui2R1R5R2ui1R4R3R3R4∞-++N2∞-++N3uo2uo1引入有源屏蔽驱动电路，屏蔽电缆芯线与屏蔽层共模电压为零，消除了屏蔽电缆电容的影响。2.信号放大电路四、带有源屏蔽的共模抑制比放大电路2.2高共模抑制比放大电路∞+-+N1ui2R1R5R2R0R0ui1ucR4R3R3R4∞-++N2∞-++N3uo（1）差动放大器件特性不一致共模电压产生差动电压引起共模抑制比变化2.信号放大电路五、运放器件偏离理想特性的影响2.2高共模抑制比放大电路R7RPR8R3R4R6uoR5∞-++N3ui1ui2uo1uo2R1R0R2∞+-+N1IR∞-++N2（2）差动放大器特性不理想共模增益同时受阻抗不匹配和运算放大器N3的有限共模抑制比影响，由阻抗不匹配引起附加共模增益运算放大器N3的有限共模抑制比引起的附加共模增益2.信号放大电路五、运放器件偏离理想特性的影响2.2高共模抑制比放大电路2.信号放大电路五、运放器件偏离理想特性的影响（2）差动放大器特性不理想总附加共模增益比总共模抑制比2.2高共模抑制比放大电路某些传感器输出的信号电压常在在微伏级，且为直流缓变信号，漂移是一个关键难题。常用措施包括(1)尽早调制；(2)共模抑制；(3)采用低漂移信号放大电路。许多情况下难以在传感器内直接调制，减小测量放大电路的电压漂移，实现低漂移信号放大至关重要。集成电路中放大器通过模拟开关切换轮换工作，半个周期测量保存、失调电压，另半个周期放大输出，对失调电压进行校正，实现自动调零。

2.3低漂移放大电路2.信号放大电路精2.信号放大电路2.3低漂移放大电路Uo∞-++N3K1C1Sa2R2Sb2Sa1-++N1K2-++N2UiSb1R1∞-++N4时钟2.信号放大电路2.3低漂移放大电路∞-++N3UoK1C1Sa2R2Sb2Sa1-++N1K2-++N2UiSb1R1∞-++N4高低2.信号放大电路2.3低漂移放大电路b)误差保持K2C1UC1Uo1R1R2K1-++N1-++N2U0s1U0s22.信号放大电路2.3低漂移放大电路Uo∞-++N3K1C1Sa2R2Sb2Sa1-++N1K2-++N2UiSb1R1∞-++N4时钟高低2.信号放大电路2.3低漂移放大电路c)调零放大输出UoC1UiR1R2K1-++N1U0s12.信号放大电路2.4高输入阻抗放大电路问题提出：电路的接入不应该影响原系统工作状态有些传感器（如电容式、压电式）的输出阻抗很高，可达108Ω以上，这就要求其测量放大电路具有很高的输入阻抗，不至于因为放大电路的接入使传感器输出信号大幅度下降。开环集成运算放大器的输入阻抗通常都很高，但反相运算放大电路等，其输入阻抗远低于同相运算放大电路。R2ui+∞-+NR1R3精2.信号放大电路2.4高输入阻抗放大电路uoui+∞+-NR1R2R3+∞+-NuiuoR1R2b)

跟随电路a)

同相放大电路采用同相输入具有很高输入阻抗2.信号放大电路uo+∞+-NuiR1R2R3R4C12.4高输入阻抗放大电路对于交流放大器需要为电容提供放电通道，它使输入阻抗大幅度下降交流放大电路2023/2/2c)自举式高输入阻抗放大电路uoR1R2C2C1R3∞-++ui自举电路是利用反馈使输入电阻的两端近似为等电位，减小向输入回路索取电流，从而提高输入阻抗的电路。2.信号放大电路2.4高输入阻抗放大电路2023/2/2d)交流电压跟随电路uouiR1R2C2C1R3∞-++2.信号放大电路2.4高输入阻抗放大电路2023/2/2e)电流补偿型电路输入电阻为Ri=(R1R2)/(R2-R1)当R2=R1时，Ri→∞，i2=i1

uo1uii1i2R1iuo22R1R3R2∞-++N1∞-++R3N22.信号放大电路2.4高输入阻抗放大电路2023/2/22.信号放大电路2.5电桥放大电路P应变片测量力uuo灵2.信号放大电路2.5电桥放大电路uuousucx线圈测杆工件衔铁何谓电桥放大电路？由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路，或由传感器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。应用于何种场合？应用于电参量式传感器，如电感式、电阻应变式、电容式传感器等，经常通过电桥转换电路输出电压或电流信号，并用运算放大器作进一步放大，或由传感器和运算放大器直接构成电桥放大电路，输出放大了的电压信号。

2.5电桥放大电路2.信号放大电路2023/2/2（一）反相输入电桥放大电路Z1Z2Z4Z3R2R1bauou∞-++Na点为虚地，故uo反馈到R1两端的电压定是-uab2.5电桥放大电路2.信号放大电路Z1=Z2=Z4=R,Z3=R(1+δ),δ=ΔR/R

2023/2/22.信号放大电路R+ΔRR2R1uo∞-++NRRRu2.5电桥放大电路（二）同相输入电桥放大电路（三）差动输入电桥放大电路2.5电桥放大电路R1=R2>>R

ua=ub

2.信号放大电路∞-++NR2=R1uoR1uR(1+δ)uaubRRR2023/2/2（四）线性电桥放大电路2.5电桥放大电路2.信号放大电路uoR3R2

=R(1+δ)R1uuaR1ub∞-++Nua

=ub

当R3=R时量程较大，但灵敏度较低2023/2/2电荷放大电路是一种输出电压与输入电荷成比例关系的测量放大电路。例如，压电式传感器或电容式传感器可将某些被测量（如力、压力等）转换成电荷信号输出，再通过电荷放大电路输出放大了的电压信号。因此，电荷放大电路亦称为电荷-电压变换电路。2.信号放大电路2.6电荷放大电路

灵2.信号放大电路2.6电荷放大电路

QCRRiCiCcRsCs∞-++Nuob)实际等效电路图QCuo∞-++Na)基本原理图Cs—传感器等效电容，Rs—传感器泄漏电阻，Cc—电缆电容，Ri—运算放大器的输入电阻，Ci—运算放大器的输入电容。R

—电荷泄放电阻。2.信号放大电路2.6电荷放大电路

把C、R等效到N的输入端时，等效电阻R/(1+K)，等效电容C′=C(1+K)，K足够大

2.信号放大电路2.6电荷放大电路

足够大,相对运算误差频率特性,下限截止频率高频特性由运放器件特性决定

增益可控放大电路可以根据被测量值自动调整增益，以适应测量不同范围量值需要，使用灵活，有利于提高测量精度。(1)改变反馈电阻的自动增益调整电路

Rx=R3+r

V饱和导通，r很小，电路增益最大;

V截止，r→∞，电路增益最小。

2.信号放大电路2.7增益可控放大电路

uoR2R4R1ui控制信号R3∞-++NV灵(2)可编程增益放大电路

根据需要将R3~R6与

R2并联，使增益减小。2.信号放大电路2.7增益可控放大电路

增益A

B

C

D10011115001111010112110111110UoUi1MΩ110kΩ20.4kΩ10.1kΩABCDR21MΩR110kΩ10kΩ∞-++NR3R4R5R6（3）LH0084集成可编程增益差动放大器

2.信号放大电路2.7增益可控放大电路

译码器和开关驱动电路Ui1R6Sa110kΩU1Sa2Sa3Sa4Sb4Sb3Sb2Sb19R46kΩR22kΩR14kΩR32kΩR56kΩR710kΩR910kΩR1330kΩR1560kΩR1460kΩR810kΩR1230kΩR1010kΩR1110kΩD0D1数字地8×107×46×110Uo131612151114∞+-+N1∞-++N3########U23Ui2∞-++N2（3）LH0084集成可编程增益差动放大器

改变R0、R1、R2改变差动级增益。改变R5、R6改变末级增益。2.信号放大电路2.7增益可控放大电路

ui1ui2uo1uo2R1R0R2R7RPR8R3R4R6uoR5∞+-+N1IR∞-++N2∞-++N32.信号放大电路2.7增益可控放大电路

LH0084的数字输入、输出端子连接和放大倍数表什么是隔离放大电路？隔离放大电路的输入、输出和电源电路之间没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。应用于何种场合？隔离放大电路主要用于便携式测量仪器和某些测控系统（如生物医学人体测量、自动化试验设备、工业过程控制系统等）中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。2.8隔离放大电路2.信号放大电路灵、可靠2023/2/2（一）基本原理(1)组成及符号－＋输入放大器R1R1R2RisoCisoR2uo隔离器输出放大器－＋uducuiso2.8隔离放大电路2.信号放大电路2023/2/2（一）基本原理(2)原理框图a)变压器耦合b)光电耦合浮置电源输入调制放大器耦合变压器输出解调放大器输出输入－＋浮置电源光耦合器输入放大器－＋输出放大器输出输入LEDV2.8隔离放大电路2.信号放大电路2023/2/2（二）通用隔离放大电路

(1)AD277变压器耦合隔离放大器隔离电源振荡器调制器输入屏蔽解调器输出屏蔽268734195＋15V－15V13121016－U100kΩ100kΩ1MΩ141115＋U∞-++N1∞-++N22.8隔离放大电路2.信号放大电路2023/2/2(2)互补式光电耦合放大电路i1=10V/R2+ui/R1i2=10V/R3+uo/(R5+Rp)i1=i2,

R2=R3uo=(R5+Rp)ui/R12.8隔离放大电路∞-++N1C-10VVLC1i1R2+10V+10VVLC2i2R3R1ui-10VuoRp∞-++N2R43.9kΩR5u1R02.信号放大电路2023/2/22-32-72-13思考题与习题3.信号调制解调电路张国雄天津大学精密仪器与光电子工程学院精密测试技术及仪器国家重点实验室电子邮件：gxzhang@

精3.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2023/2/2调制解调的功用与类型(1)什么是信号调制？调制(Modulation)就是用一个信号（称为调制信号,modulatingsignal

）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？从已经调制的信号（称为已调信号，modulatedsignal）中提取反映被测量值的测量信号，称为解调(Demodulation)

。

3.信号调制解调电路2023/2/2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，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2023/2/2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(Amplitudemodulation)、调频(Frequencymodulation)和调相(Phasemodulation)

。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(Pulsewidthmodulation)

。3.信号调制解调电路2023/2/23.1调幅式测量电路一、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，画出其波形。

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)cosωct

3.信号调制解调电路3.1.1

调幅原理与方法2023/2/23.1调幅式测量电路3.信号调制解调电路a)调制信号b)载波信号d)双边带调幅信号c)调幅信号3.1.1

调幅原理与方法tttxOOucOusustO2023/2/23.1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

假设调制信号x是角频率为Ω的余弦信号x=XmcosΩt，由式us=(Um+mx)cosωct调幅信号可写为：

us=Umcosωct+[mXmcos(ωc+Ω)t+mXmcos(ωc-Ω)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：3.信号调制解调电路3.1.1

调幅原理与方法2023/2/23.1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。3.信号调制解调电路3.1.1

调幅原理与方法2023/2/2a)检出最大值b)误差最大情况2112πnAB3.1调幅式测量电路3.信号调制解调电路3.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？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。3.1.1

调幅原理与方法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3.信号调制解调电路2023/2/23.1调幅式测量电路(2)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。3usucx12143.信号调制解调电路3.1.1

调幅原理与方法txOtOucOtusustO2023/2/23.1调幅式测量电路(2)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

调幅原理与方法3.信号调制解调电路2023/2/2(3)

用机械或光学的方法实现调制3.1.1

调幅原理与方法3.信号调制解调电路3.1调幅式测量电路1234563.1调幅式测量电路三、电路调制(1)

乘法器调制a)原理图ucuxusxyKxy3.信号调制解调电路3.1.1

调幅原理与方法b)实用电路

-8V47kΩ0.1μF1kΩ0.1μF51Ω750Ω14

10161kΩ38MC14961kΩ3.3kΩ3.3kΩ750Ω1kΩ680kΩ20μF20μFuc1kΩ0.1μF21254usux+12V2023/2/23.1调幅式测量电路(2)开关电路调制3.信号调制解调电路3.1.1

调幅原理与方法uxuo=usUcV2V1Uc

uotO

Uc

OttO

uxuo=us2023/2/23.1调幅式测量电路(3)

信号相加调制相加只是形式，实际上由uc控制，工作在开关模式。T1+

ux_

+ux

_+uc-VD1i1VD2i2载波信号T3T2RLi3+uo_RP调制信号3.信号调制解调电路3.1.1

调幅原理与方法2023/2/23.1调幅式测量电路3.1.2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。3.信号调制解调电路2023/2/23.1调幅式测量电路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。3.信号调制解调电路3.1.2包络检波电路usOOtta)b)uo'2023/2/23.1调幅式测量电路（一）二极管与三极管包络检波

(1)基本电路a)二极管检波电路VDRLC2Ti+us_+uo_非线性器件低通滤波器C1VRLC2Tic+us_+_非线性器件低通滤波器uoEcb)晶体管检波电路3.信号调制解调电路3.1.2包络检波电路2023/2/23.1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？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。3.信号调制解调电路3.1.2包络检波电路2023/2/23.1调幅式测量电路3.1.2包络检波电路3.信号调制解调电路(1)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+––+A2023/2/23.1调幅式测量电路(2)全波精密检波电路3.信号调制解调电路3.1.2包络检波电路OtuAOtuoOtusOtus/2+us–

半波整流器低通滤波器+–i1CR4uoR1R2R3VD1VD2+u–i∞-++N1∞-++N2+–uA+–A3R¢2023/2/23.1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3.信号调制解调电路Otu2OtuoOtu1OtusuoR4VD1VD2R2R5VD3VD4R3usR1∞-++N1∞-++N2u1u22023/2/23.1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3.信号调制解调电路3.1.2包络检波电路a)电路图usuAVD2VD1R1R3R4∞-++N1R2∞-++N2uob）正输入等效电路R2uo=usus>0usR1R3R4∞-++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2023/2/23.信号调制解调电路3.1.2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

N2的输出为

线性全波检波电路常用作绝对值运算电路c）负输入等效电路a)电路图usuAVD2VD1R1R3R4∞-++N1R2∞-++N2uoR2uo=-usus<0uAR1R3R4∞-++N1∞-++N23.1调幅式测量电路(1)为什么要采用相敏检波？包络检波有两个问题：一是解调是对调幅信号进行半波或全波整流，无法鉴别调制信号的相位。3.信号调制解调电路3.1.3相敏检波电路（一）相敏检波的功用和原理txOtOucOtusustO3usucx12143.1.3相敏检波电路3.信号调制解调电路3.1调幅式测量电路(1)为什么要采用相敏检波？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。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。usOOtta)b)uo'（一）相敏检波的功用和原理3.1调幅式测量电路3.1.3相敏检波电路（一）相敏检波的功用和原理

(2)

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幅值检波（检幅）电路。

3.信号调制解调电路2023/2/23.1调幅式测量电路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是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。从电路结构上看，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.信号调制解调电路3.1.3相敏检波电路2023/2/23.信号调制解调电路3.1调幅式测量电路3.1.3相敏检波电路(3)

相敏检波的基本原理将输入的调制信号乘以幅值为1的载波信号就可以得到双边带调幅信号

若将再乘以，就得到

3.1调幅式测量电路3.信号调制解调电路3.1.3相敏检波电路(3)

相敏检波的基本原理利用低通滤波器滤除频率为和的高频信号后就得到调制信号，只是乘上了系数1/2。这就是说，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。因此，相敏检波可以用与调制电路相似的电路来实现。2023/2/23.1调幅式测量电路（二）常用相敏检波电路

(1)

乘法器式相敏检波电路3.信号调制解调电路3.1.3相敏检波电路ucusuoxyKxya)原理图b)实用电路us0.1μF47kΩ0.1μF1kΩ0.1μF51Ω910Ω

-8V14

10161kΩ38MC14961kΩ3.3kΩ3.3kΩ910Ω1kΩ6.8kΩ0.1μFuc1kΩ0.01μF

+12V21254uo∞-++N20kΩ20kΩ10kΩ10kΩ200kΩRCRC0.01μF200kΩF0072023/2/23.信号调制解调电路3.1调幅式测量电路3.1.3相敏检波电路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？

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。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。3.1调幅式测量电路(2)开关式相敏检波电路3.信号调制解调电路3.1.3相敏检波电路V1usuoUcV2Uc半波检波如果us反相，uo反向tuoOusOtuxOtucOt2023/2/2(2)开关式相敏检波电路3.1调幅式测量电路3.信号调制解调电路3.1.3相敏检波电路uousUcRVRR∞-++NUcOtusOtuoOtUcOtuoOtusOtus与Uc同相us与Uc反相在Uc=1的半周期，同相输入端被接地，us只从反相输入端输入，放大倍数为-1；在Uc=0的半周期，V截止，us同时从同相输入端和反相输入端输入，放大器的放大倍数为+1

全波检波检波：两个半周期输出相同相敏：输出的极性取决于

us与Uc相位关系3.1调幅式测量电路usR2R3R1R6R4R5V1UcV2∞-++NUc3.信号调制解调电路3.1.3相敏检波电路us与Uc同相us与Uc反相R1=R2=R3=R4=R5=R6/2,Uc=1半周期，V1导通、V2截止，增益Uc=0半周期，V1截止、V2导通，增益(2)开关式相敏检波电路uo全波检波UcOtusOtuoOtUcOtuoOtusOt2023/2/23.1调幅式测量电路(3)相加式相敏检波电路3.信号调制解调电路3.1.3相敏检波电路相加式调幅电路相加式半波相敏检波电路uscaT1C1VD1VD2C2R1R2RPuoT2us1+–edbus2+c+––ucu′高频参考信号低频解调信号RL+uo_高频已调信号T1+ux_+ux

_+uc-VD1i1VD2i2载波信号T3T2i3RP调制信号低频调制信号2023/2/2相加只是形式，实际上由uc控制，工作在开关模式。3.信号调制解调电路3.1调幅式测量电路3.1.3相敏检波电路(3)相加式相敏检波电路调整电位器RP使

半波检波caT1C1VD1VD2C2R1R2RPuoT2us1+–edbus2+c+––ucu′高频参考信号3.1调幅式测量电路b)正半周等效电路c)负半周等效电路a)电原理图

ucuc2uc1C0usC1R4R1VD3VD2VD1R3R2R5RPVD4TP3.信号调制解调电路3.1.3相敏检波电路(3)相加式相敏检波电路只需一路调幅信号us输入，并且采用电容C0耦合。有利于电路的简化。2023/2/23.信号调制解调电路3.1调幅式测量电路3.1.3相敏检波电路(3)相加式相敏检波电路ucuc2uc1C0usC1R4R1VD3VD2VD1R3R2R5RPVD4TP+－3.信号调制解调电路3.1调幅式测量电路3.1.3相敏检波电路C0很大，先不考虑C1=usR1VD1+–+–VD2+_i1i2uc1uc2C1R2R5P–C0+ucTr1r2rAi1-i2i1-i2(3)相加式相敏检波电路ucuc2uc1C0usC1R1VD2VD1R2R5TP+－AA3.信号调制解调电路3.1调幅式测量电路3.1.3相敏检波电路选配电阻

R1与R2

，使us=0时，时，流经电表P的电流R5上输出电压

(3)相加式相敏检波电路问题：i1-i2总是从同一方向通过电容C0，使它按图示极性充电，很快使VD1阻塞

usR1VD1+–+–VD2+_i1i2uc1uc2C1R2R5P–C0+ucTr1r2rAi1-i2i1-i2Aucuc2uc1C0usC1R4R1VD3VD2VD1R3R2R5RPVD4TP+－3.信号调制解调电路3.1调幅式测量电路3.1.3相敏检波电路(3)相加式相敏检波电路另半周期等效电路3.信号调制解调电路3.1调幅式测量电路3.1.3相敏检波电路(3)相加式相敏检波电路i4i3R4VD4+–+–VD3+_uc1uc2usR3–C0+ucTRPr4r3RP1RP2调节电位器RP使i4-i3=i1-i2。实际调整中，通过调整RP，使us=0时流经电表P的电流为零来达到这一要求。电容C1用于滤除载波频率的信号半波检波3.1调幅式测量电路VD1T2R1++–VD2_i1i2uc1uc2+uoCR2P–us1+usT1i2-i1R5_uc3.信号调制解调电路3.1.3相敏检波电路(3)相加式相敏检波电路正半周期＝全波检波uc2uc1CR5PR4R1VD3VD2VD1R3R2VD4usTuous1us2+–+++––T2uc–AAB2023/2/23.信号调制解调电路3.1调幅式测量电路3.1.3相敏检波电路(3)相加式相敏检波电路ucVD4T1R4+–+VD3_i4i3uc1uc2+uoCR3T2P–us2+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uc2uc1CR5PR4R1VD3VD2VD1R3R2VD4usTuous1us2+–+++––T2uc–BAB3.1调幅式测量电路(4)精密整流型相敏检波电路在精密整流型包络检波电路中开关器件是二极管，它的通断由N1的输出极性决定，与Uc和us之间的相位关系无关。在精密整流型相敏检波电路中开关器件是场效应开关管，它的通断由Uc的极性决定，输出的极性与Uc和us之间的相位关系相关。3.信号调制解调电路3.1.3相敏检波电路CR4uoR1R2R3∞-++N1∞-++N2V1V2uA32R′R′UcUc-+us2023/2/2OtuAOtuoOtusOtus/2OtuAOtuoOtusOtus/2Uc与us同相Uc与us反相3.信号调制解调电路3.1.3相敏检波电路3.1调幅式测量电路（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.信号调制解调电路3.1.3相敏检波电路2023/2/23.信号调制解调电路3.1调幅式测量电路3.1.3相敏检波电路（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对于n次谐波分量只要。

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3.1调幅式测量电路3.1.3相敏检波电路（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它有抑制偶次谐波的功能。对于n=1、3、5等各次谐波，输出信号的幅值相应为、、等。、、3.1调幅式测量电路3.信号调制解调电路3.1.3相敏检波电路(1)相敏检波电路的选频特性b)n=2a)n=1c)n=3usustOuotO++––++––UctOuotO–+++tO+–tUcO+–ustOuotO+++–––++++––tO+–Uc2023/2/23.1调幅式测量电路(2)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。

3.信号调制解调电路3.1.3相敏检波电路2023/2/23.1调幅式测量电路a)b)c)d)UctO+–ustO–+uotO++UctO+–UctO+–UctO+–ustO–+ustO–+ustO–++OtO++OuouotO–++–––uotO––3.信号调制解调电路3.1.3相敏检波电路(2)相敏检波电路的鉴相特性

2023/2/23.1调幅式测量电路（四）相敏检波电路的应用振荡器+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++15VRP5P3.信号调制解调电路3.1.3相敏检波电路相敏检波电路还有利于减小零点残余电压影响RP2：电桥调零RP1：调零残电压RP3：电桥灵敏度RP4：检波调零RP5：输出灵敏度2023/2/23.1调幅式测量电路a)b)c)3.信号调制解调电路3.1.3相敏检波电路（四）相敏检波电路的应用x213txtOtOtxΦ,uOOΦ,u2023/2/23.2调频式测量电路3.2.1调频原理与方法（一）调频信号的一般表达式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：3.信号调制解调电路2023/2/23.2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3.2.1调频原理与方法2023/2/23.2调频式测量电路（二）传感器调制213测力或压力的振弦式传感器3.信号调制解调电路3.2.1调频原理与方法4TNS2023/2/2

多普勒测速3.2.1调频原理与方法3.信号调制解调电路3.2调频式测量电路（二）传感器调制VvPWV>>v

时3.2调频式测量电路（三）电路调制(1)

电容三点式LC振荡器调频电路LCTC1C2+Ec3.信号调制解调电路3.2.1调频原理与方法2023/2/23.2调频式测量电路uo∞-++NCR310k5k10kR1RRPR4VS15k30k10kR2+FUr-FUruuouc+Ur-UrOtT2T1T0a)b)3.信号调制解调电路（三）电路调制(2)多谐振荡器调频电路3.2.1调频原理与方法2023/2/23.2调频式测量电路3.2.2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或鉴频。（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2023/2/23.2调频式测量电路微分鉴频电路3.信号调制解调电路3.2.2

鉴频电路微分网络包络检波器C1r+-+-+-udusC1uousVDVRLC2+Ec-ieic2023/2/23.2调频式测量电路窄脉冲鉴频电路3.信号调制解调电路3.2.2

鉴频电路uoOc)ustttOOτb)a)Usˊuo放大与电平鉴别器单稳态触发器低通滤波器usUsUsˊ2023/2/23.2调频式测量电路（二）斜率鉴频3.信号调制解调电路3.2.2

鉴频电路usus1us2fo1fo2RLRLuo1uo2VD2VD1TC1C2uoc)d)e)f)usUsmus1us2uoOOOOttttuo1-uo2uo回路2回路1fo2fo1fofofcof=fc+fmsinΩtfcfm调频波瞬时频率变化Ωtff2023/2/23.2调频式测量电路（三）数字式频率计3.信号调制解调电路3.2.2

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CPusUU′计数器锁存器清零DG&SRQDZDS前沿后沿后沿2023/2/2(1)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3.2调频式测量电路3.2.2

鉴频电路（三）数字式频率计拍频电路调频信号基准信号差拍信号频率计输出3.3调相式测量电路3.3.1调相原理与方法（一）调相信号的一般表达式

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：3.信号调制解调电路2023/2/23.3调相式测量电路a)b)c)txOttucusOO3.信号调制解调电路3.3.1调相原理与方法

（一）调相信号的一般表达式2023/2/2调相与调频的关系调相信号的频率也在变化，调相信号的瞬时频率多普勒测速系统中，对于速度是调频信号对于位移是调相信号3.信号调制解调电路3.3调相式测量电路3.3.1调相原理与方法

VvPW3.信号调制解调电路3.3调相式测量电路3.3.1调相原理与方法

（二）传感器调制

45132M152436783.信号调制解调电路3.3调相式测量电路3.3.1调相原理与方法

（二）传感器调制

OIstφ3.3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3.3.1调相原理与方法

（二）传感器调制

a)

莫尔条纹形成原理aabWB12YOb)光通量波形c)光电元件的排列d)调相信号的形成XY21VP1VPnS1S2SnVP1VP2VP3VPnN2023/2/23.3调相式测量电路（三）电路调制

(1)调相电桥3.信号调制解调电路3.3.1调相原理与方法

∞-++N2∞-++N1RR1R1CUsU2U2U2-OURUCUsUUCURUTRCUs2023/2/23.3调相式测量电路(2)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)UcU03.信号调制解调电路3.3.1调相原理与方法

（三）电路调制

2023/2/23.3调相式测量电路3.3.2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。（一）用相敏检波器或乘法器鉴相(1)

乘法器鉴相ucusuoxyKxyN3.信号调制解调电路在附近，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。2023/2/23.信号调制解调电路3.3调相式测量电路3.3.2鉴相电路(2)用开关式相敏检波电路鉴相usUcRVRR∞-++NuotustUcOtOOtt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3.3调相式测量电路3.3.2鉴相电路(3)用相加式相敏检波电路检相作用在两个二极管VD1和VD2的电压分别为uocausT1C1VD1VD2C2R1R2RPT2us1+–edbus2+u′+––ucc

Us-UsU1UcU2Ψ1Ψ2φ3.3调相式测量电路(3)用相加式相敏检波电路检相3.信号调制解调电路3.3.2鉴相电路为什么鉴相时常取参考信号的幅值等于调相信号的幅值？-π0uoπ2π_π2输出信号同时受调相信号与参考信号幅值的影响。2023/2/23.3调相式测量电路（二）通过相位—脉宽变换鉴相

(1)异或门鉴相a)UCUSDG1=1Uob)UcUsOOtuotUotOBd)c)CPUs计数器锁存器延时时钟脉冲DG2Uo锁存指令清零UcDG1=1&N-2-0N,uo23.信号调制解调电路3.3.2鉴相电路2023/2/23.3调相式测量电路(2)RS触发器鉴相c)a)N,uoφ0π2π21b)ttttOOBQUsUcuoOOtOQQSR3.信号调制解调电路3.3.2鉴相电路2023/2/23.3调相式测量电路（三）脉冲采样式鉴相3.信号调制解调电路3.3.2鉴相电路uo单稳锯齿波发生器采样保持滤波器Uc′ujUcUs′u′e)a)b)c)d)tOU’cOttOU’stOujtOu’uo2023/2/23.3调相式测量电路各种鉴相方