第三章-信号调制解调电路

中国计量学院第三章信号调制解调电路调幅式测量电路1调频式测量电路2调相式测量电路3脉冲调制式测量电路4中国计量学院精密测量对仪器电路提出的首要要求是精度要求.具体地讲要求电路对信号有较高选择能力，对噪声有较高抑制能力。为此电路设计必须考虑采用调制解调电路和信号分离电路.问题1：什么是信号调制？调制就是用一个信号（称为调制信号）去控制另一个做为载体的信号（称为载波信号），让后者的某一特征参数按前者变化。中国计量学院问题2：什么是解调？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量信号，这一过程称为解调。问题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。中国计量学院问题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、调频和调相。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。问题5：什么是调制信号、载波信号、已调信号？调制是给测量信号赋予一定特征，这个特征由作为载体的信号提供。常以一个高频正弦信号或脉冲信号作为载体，这个载体称为载波信号。用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位的信号称为调制信号。在测控系统中，通常就用测量信号作调制信号。经过调制的载波信号叫已调信号。中国计量学院第一节调幅式测量电路一、调幅原理问题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。wc——载波角频率Um——调幅信号中载波信号的幅值m——调制度x——调制信号us=(Um+mx)coswct（已）调幅波：①式1.调幅信号的一般表达式中国计量学院方便起见，设调制信号：x=XmcosΩt为什么？把①式展开，调幅信号为ttmXtuucmcmscoscoscostmXtmXtucmcmcm)cos(2)cos(2cos不含x信号的载波信号，忽略可不发送上边频信号下边频信号可取Um=0，这种调制称为双边带调制（只保持两个边频信号ωc±Ω)us=mXmcosΩtcosωct=UxmcosΩtcosωct也称相乘调制，实现方法：调制信号×载波信号中国计量学院调幅波的时域与频域图实际使用中，调制度m1，如果m1就要引起原信号失真。为了防止混叠，必须要求ωcΩ，通常至少要求ωc10Ω。中国计量学院注意：双边带调制包络已不再反映调制信号的波形变化，而且在调制信号波形过零点处高频相位有180°的突变。中国计量学院问题2：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ωcΩ，通常至少要求ωc10Ω。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ωc1000Hz。调幅信号放大器的通频带应为900~1100Hz。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。调制方法相乘器电路（电容、电感、互感）传感器中实现机械和光学的方法中国计量学院①交流电供电如，电阻式传感器、电感式传感器和电容式传感器。电阻电桥测梁的应力，4个应变片接入电桥，并用交流电压u供电。R1FR4R2R3R1R2UoUR3R4应变式传感器输出信号的调制为什么在测控系统中常常在传感器中进行调制？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。2.传感器调制中国计量学院②用机械或光学的方法实现调制Ψθθ1234567测表面粗糙度的例子中国计量学院3.电路调制①乘法器调制a)原理图ucuxuoxyKxyK——乘法器增益ux——调制信号uc——载波信号umcosωctb)实用电路-8V47kΩ0.1μF1kΩ0.1μF51Ω750Ω1410161kΩ38MC14961kΩ3.3kΩ3.3kΩ750Ω1kΩ680kΩ20μF20μFuc1kΩ0.1μF21254uoux+12V中国计量学院②开关电路调制uxuoUcV2V1UcuoUcOttOtOuxV1、V2是两个场效应管，工作在开关状态当Uc=1，Uc=0，V1导通，V2截止，Uo=Ux。当Uc=0，Uc=1，V1截止，V2导通，Uo=0。中国计量学院③信号相加调制上边相乘型里的方波载波信号的傅立叶级数为：tttKccc3cos32cos221)()(tKc与ux相乘后，用带通滤波器滤掉xu21与tucx3cos32及后面高次谐波，得到相乘调制信号tucxcos2而在相加型调幅中：两个不同频率的信号tuuxmxcos与tuuccmcosc相加，不会得到第三个频率的信号，故不能进行调制。为获得频率变换，须加入非线性器件。中国计量学院总结：在双边带调幅中，无论相乘或相加调制，最本质的都是要获得乘积项：ttucxmcoscosVD1、VD2二极管，开关作用，也叫平衡控制电路。中国计量学院二、包络检波电路对于调幅电路的电路解调——常叫检波包络检波相敏检波问题1：什么是包络检波？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。中国计量学院问题2：包络检波的基本工作原理是什么？usuo'OOtta)b)如图可见，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。中国计量学院1.二极管与三极管包络检波icVRLC2T+us_+_非线性器件低通滤波器uoEcb)晶体管检波电路us——已调信号通过C1和变压器T的一次侧谐振回路构成，有利于消除杂散信号。VD——二极管检出半波信号再通过RL和C2，低通滤波，解调。VD+uo_RLC2Ti+us_非线性器件低通滤波器C1a)二极管检波电路①基本电路中国计量学院②峰值检波与平均值检波a)二极管iiθUsmωctωctuuo0us=usmcosωct0πimaxπ/20uo0tωctb)晶体管iθ0ube0Usmus=usmcosωcti0θIcicmaxωctuo0t中国计量学院2.精密检波电路问题1：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。什么曲线？①半波精密检波电路uA=0|us|us0us0+us–半波整流器低通滤波器+u΄s–iiCR4uoR1R΄2R2R3VD1VD2+u–i∞-++N1∞-++N2+–uAA'Au中国计量学院②全波精密检波电路OtuAOtuoOtusus0时us0时|2|34souRRu+us–半波整流器低通滤波器+u΄s–iiCR4uoR1R΄2R2R3VD1VD2+u–i∞-++N1∞-++N2R’3+–uA+–u΄AA线性全波检波电路之一中国计量学院uoR4VD1VD2R2R5VD3VD4R3usR1∞-++N1∞-++N2线性全波检波电路之二us0时us0时||souu中国计量学院usuAVD2VD1uoR1R3R4∞-++N1R2∞-++N2a)电路图线性全波检波电路之三高输入阻抗线性全波整流电路uo=usus0usR2R1R3R4us∞-++N1∞-++N2b)正输入等效电路uo=-usus0uAR2R1R3R4us∞-++N1∞-++N2c)负输入等效电路us0时us0时||souu中国计量学院三、相敏检波电路1.相敏检波的功用和原理问题1：什么是相敏检波电路？问题2：为什么要采用相敏检波？相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。包络检波有两个问题：第一，是解调的主要过程是对调幅信号进行半波或全波整流，无法从检波器的输出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，以恢复调制信号，这就是说它不具有鉴别信号的能力。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。中国计量学院问题3：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？问题4：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？相敏检波电路与包络检波电路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。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。中国计量学院∵同频信号作为参考∴又称为同步检波电路原理：双边带调幅信号ttuucxmscoscos再乘以载波信号（幅值为1的载波信号）ttututtuucxmxmcxmo2coscos21cos21coscos2])2cos()2[cos(41cos21ttutuccxmxm用低通滤波器滤掉高频分量后，即可得到被测量tuxmcos21,由此可见，相敏检波器与幅值调制一样，可以用相乘电路来实现，也可以用含开关的非线性元件的相加电路来实现.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。中国计量学院2.常用相敏检波电路①乘法器式相敏检波电路ucusuoxyKxyN0.1μF47kΩ0.1μF1kΩ0.1μF51Ω910Ω-8V1410161kΩ38MC14961kΩ3.3kΩ3.3kΩ910Ω1kΩ6.8kΩ0.1μFuc1kΩ0.01μF+12V21254uo∞-++N20kΩ20kΩ10kΩ10kΩ200kΩRCRC0.01μF200kΩF007us中国计量学院②开关式相敏检波电路usuoUcV2V1UctuoOuoOtucOtusOtuxOtˊ半波相敏检波输出ux为正时，us与uc同相，输出信号uo为正ux为负时，us与uc反相，输出信号uo为负中国计量学院uousUcRVRR∞-++Na)uousR2R3R1R6R4R5V1UcV2∞-++NUcb)UcOtusOtuoOtc)UcOtuoOtusOtd)us与uc同相，输出信号uo0us与uc反相，输出信号uo0中国计量学院causT1C1VD1VD2C2R1R2RPuoT2us1+–edbus2+uc+––相加式半波相敏检波电路T1+ux-+ux-+uc-VD1i1VD2i2载波信号T3T2RLi3+uo_RP调制信号相加式调幅电路3、相加式相敏检波电路前面相加调制时，要求什么？