第三章信号调制解调电路

第三章信号调制解调电路第一节调幅式测量电路第二节调频式测量电路第三节调相式测量电路第四节脉冲调制式测量电路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carryingsignal），让后者的某一特征参数按前者变化。(2)什么是解调？从已经调制的信号中（称为已调信号，modulatedsignal）提取反映被测量值的测量信号，称为解调(Demodulation)。(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。(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)

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)。3.1调幅式测量电路3.1.1调幅原理与方法一、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

a)调制信号b)载波信号d)双边带调幅信号c)调幅信号tttxOOucOusustO3.1调幅式测量电路3.1.1调幅原理与方法(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，则调幅信号可写为：

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)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调幅式测量电路3.1.1调幅原理与方法：载波信号频率的选取ωc>10Ω防止混叠现象cosn1-cosn=2/2n23.1调幅式测量电路二、传感器调制：通过交流供电实现调制

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调幅式测量电路二、传感器调制：通过交流供电实现调制应变式传感器输出信号的调制R4R1FR2

R3uuoR＋ΔRR＋ΔRR－ΔRR－ΔR实现了载波信号u与测量信号的相乘，即实现了调制。3.1调幅式测量电路二、传感器调制：用机械方法实现调制1－被测工件2－调制盘3、6－光栏4－激光器5－滤光片7－光电元件测工件的表面粗糙度3.1调幅式测量电路三、电路调制：乘法器调制a)原理图b）实用电路(3–2)3.1调幅式测量电路三、电路调制:开关电路调制3.1调幅式测量电路三、电路调制:信号相加调制调制信号与载波信号加减后去控制开关器件。T1+

ux_

+ux

_+uc-VD1i1VD2i2载波信号T3T2RLi3+uo_RP调制信号相加只是形式，实际上由uc控制开关电路获得乘积项目，实现调制。3.1调幅式测量电路3.1.2包络检波电路从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波。

调幅信号的包络线形状与调制信号一致。包络检波：检出调幅信号的包络线即能实现解调。图a所示的调幅信号中，通过二、三极管截去它的一半部分（整流），再经低通滤波滤除高频信号，即可获得所需的调制信号，实现解调。包络检波就是建立在整流的原理基础上的。3.1调幅式测量电路3.1.2包络检波电路（一）二极管与三极管包络检波a)二极管检波电路b)晶体管检波电路3.1调幅式测量电路3.1.2包络检波电路Us通过电容C1和变压器T构成的谐振回路输入，有利于滤除杂散信号。二极管VD检出半波信号。晶体管V只有在Us’为负的半周期有电流流过，检出半波信号。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，它们的特性也有一定的非线性。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。3.1调幅式测量电路3.1.2包络检波电路（二）精密检波电路(1)半波精密检波电路3.1调幅式测量电路3.1.2包络检波电路：精密检波电路当us为正时，uA’为负，VD1通，VD2断，A点虚地，即uA＝0当us为负时，uA’为正，VD2通，VD1断，不受二极管死区和非线性的影响。3.1调幅式测量电路3.1.2包络检波电路：精密检波电路(2)线性全波精密检波电路：将us通过R3’与uA相加线性全波整流信号的形成3.1调幅式测量电路3.1.2包络检波电路：精密检波电路(2)线性全波精密检波电路之二R2=R1//R4，R3=R5减小偏置电流的影响。3.1调幅式测量电路3.1.2包络检波电路：精密检波电路(2)全波精密检波电路之三：高输入阻抗全波精密检波当输入us>0时，N1跟随器，N2的同相输入端与反相输入端输入相同信号，得到uo=us

3.1调幅式测量电路3.1.2包络检波电路：精密检波电路(2)全波精密检波电路之三：高输入阻抗全波精密检波当输入us<0时,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(1)为什么要采用相敏检波？包络检波有两个问题：第一，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。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。即不具有区分信号和噪声的能力。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。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）相敏与包络检波在功能与电路构成上的区别是什么？功能：相敏检波电路能鉴别调制信号相位，从而判别被测量变化方向，同时还具选频能力，从而提高测控系统的抗干扰能力。电路结构：相敏检波电路除了所需解调的调幅信号外，还要输入一个参考信号，用来鉴别输入信号的相位和频率。(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，就得到利用低通滤波器滤除两个高频信号后就得到调制信号，只是乘上了系数1/2。即将调制信号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。3.1调幅式测量电路3.1.3相敏检波电路(二)相乘式相敏检波电路a）原理图b）实用电路相敏检波与调幅电路在结构上有哪些相似之处？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3.1.3相敏检波电路3.1调幅式测量电路3.1.3相敏检波电路(二)开关式相敏检波电路：半波检波如果us反相，uo反向。缺点：输出信号脉动较大。3.1调幅式测量电路3.1.3相敏检波电路(二)开关式相敏检波电路：全波检波在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。

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3.1.3相敏检波电路(二)开关式相敏检波电路：全波检波R1=R2=R3=R4=R5=

R6/2Uc=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3.1调幅式测量电路3.1.3相敏检波电路(三)相加式相敏检波电路相加式调幅电路相加式半波相敏检波电路C1，C2起滤除载波频率信号的作用调整电位器RP使3.1调幅式测量电路3.1.3相敏检波电路(三)相加式相敏检波电路：半波检波只需一路调幅信号us输入，并且采用电容C0耦合。有利于电路的简化。b)正半周等效电路C0很大，先不考虑C13.1调幅式测量电路3.1.3相敏检波电路(三)相加式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：

b)正半周等效电路3.1调幅式测量电路3.1.3相敏检波电路(三)相加式相敏检波电路：半波检波c)负半周等效电路调节电位器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3.1调幅式测量电路3.1.3相敏检波电路(三)相加式相敏检波电路：全波检波正半周期相加式相敏检波电路3.1调幅式测量电路3.1.3相敏检波电路(三)相加式相敏检波电路：全波检波负半周期相加式相敏检波电路相敏：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3.1调幅式测量电路3.1.3相敏检波电路(三)相加式相敏检波电路相加式调幅电路相加式半波相敏检波电路C1，C2起滤除载波频率信号的作用调整电位器RP使3.1调幅式测量电路3.1.3相敏检波电路(四)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管，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。包络检波OtuAOtuoOtusOtus/2OtuAOtuoOtusOtus/2Uc与us同相Uc与us反相（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调幅式测量电路3.1.3相敏检波电路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。3.1调幅式测量电路3.1.3相敏检波电路(1)相敏检波电路的选频特性？

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3.1.3相敏检波电路b)n=2a)n=1c)n=3usustOuotO++––++––UctOuotO–+++tO+–tUcO+–ustOuotO+++–––++++––tO+–Uc3.1调幅式测量电路3.1.3相敏检波电路(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。

3.1调幅式测量电路3.1.3相敏检波电路(2)相敏检波电路的鉴相特性

3.1调幅式测量电路3.1.3相敏检波电路输出与相位差有确定关系。相位计同相反相相位差90相位差30（四）相敏检波电路的应用：用于调幅电路的解调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3.1调幅式测量电路

3.1.3相敏检波电路电感测微仪a)b)c)（四）相敏检波电路的应用：用于对称判别电路3.1调幅式测量电路

3.1.3相敏检波电路两个光电元件接收狭缝两侧的光通量，相等时发出瞄准信号。瞄准精度受到照明光斑不均匀和光电元件特性的差异影响。3.2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：a)调制信号b)调频信号3.2调频式测量电路3.2.1调频原理与方法测力或压力的振弦式传感器（二）传感器调制膜片磁铁振弦支撑T.张力振弦在磁铁形成的磁场内振动时产生感应电动势，其输出为调频信号。3.2调频式测量电路3.2.1调频原理与方法（二）传感器调制当V>>v

时多普勒测速波束（电磁波、机械波）反射波束频率3.2调频式测量电路3.2.1调频原理与方法（三）电路调制：用调制信号控制产生载波信号的振荡器频率电容三点式LC振荡器调频电路CT：电容传感器3.2调频式测量电路3.2.1调频原理与方法（三）电路调制：用调制信号控制产生载波信号的振荡器频率a)多谐振荡器b)波形图稳压管RP：用来调整信号的中心频率振幅在Ur间来回震荡的多谐振荡器传感器3.2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—工作原理将调频信号对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。通过定零，可以求出Umc。通过灵敏度标定，即测定x改变时输出的变化，可以求出Umm，进而获得调制信号x。3.2调频式测量电路3.2.2鉴频电路（一）微分鉴频电路电容C1与晶体管V的发射结正向电阻r组成微分电路。电容C2用于滤除高频载波信号。3.2调频式测量电路3.2.2鉴频电路（一）窄脉冲鉴频电路uoOc)ustttOOτb)a)Usˊuo放大与电平鉴别器单稳态触发器低通滤波器usUsUsˊ当输入信号Us超过一定电平，电平鉴别器翻转，推动单稳态触发器输出窄脉冲。Us瞬时频率越高，窄脉冲越密，经低通滤波后输出的电压越高。频率变化电压变化3.2调频式测量电路3.2.2鉴频电路（二）斜率鉴频：鉴频网络的幅频特性的斜率越大，同样大小频率变化引起的幅值变化越大。双失谐回路鉴频电路鉴频网络包络检波回路1：输出信号随频率升高而增大回路2：输出信号随频率升高而减小双失谐回路鉴频电路3.2调频式测量电路3.2.2鉴频电路（三）数字式频率计：只要能测得调频信号的瞬时频率，即可实现调频信号的解调。测量频率（解调）的两种方法：测量单位时间内信号变化周期数基于测量信号的周期，测量一个周期内进入计数器的高频

时钟脉冲数。基于测量周期的调频信号解调方法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：调制信号载波信号调相信号3.3调相式测量电路3.3.1调相原理与方法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：例：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VvPW3.3调相式测量电路3.3.1调相原理与方法（二）传感器调制例：感应式转矩传感器1：弹性轴25：齿轮34：传感器齿轮2与弹性轴1一起转动时，在感应式传感器3中产生感应电动势。因弹性轴1产生扭转，齿轮5在传感器4中产生的感应电动势为一调相信号。传感器3和4中产生的感应电动势的相位差与转矩M成正比152436783.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XY21VP1VPnS1S2SnVP1VP2VP3VPnN3.3调相式测量电路3.3.1调相原理与方法（三）电路调制：调相电桥：电桥的两臂为不同性质的阻抗元件。电容C上的压降与电阻R上的压降相位差90电路图相量图Us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。N1、N2输出幅值相同，极性相反。传感器信号变化输出相位变化3.3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

3.3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。乘法器鉴相在附近，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