测控电路课件第3章

3信号调制解调电路授课教师：王翥1•ξ3.0调制解调的作用和类型•ξ3.1调幅式测量电路•ξ3.2调频式测量电路•ξ3.3调相式测量电路•ξ3.4脉冲调制式测量电路3信号调制解调电路授课教师：王翥2ξ3.0调制解调的作用与类型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。2、什么是解调？从已调信号中提取反映被测量值的测量信号，这一过程称为解调。3信号调制解调电路授课教师：王翥3ξ3.0调制解调的作用与类型3、在测控系统中为什么要采用信号调制？在测控系统中，进入电路的信号除了传感器输出的测量信号外，往往还有各种噪声。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。如果干扰集中在某一频带，可以通过滤波的方式避开干扰。3信号调制解调电路授课教师：王翥4ξ3.0调制解调的作用与类型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、调频和调相。也可以用脉冲信号作载波信号，最常用的是对脉冲的宽度进行调制，称为脉宽调制（PWM）。3信号调制解调电路授课教师：王翥5ξ3.0调制解调的作用与类型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。3信号调制解调电路授课教师：王翥6ξ3.1调幅式测量电路一、调幅原理与方法（一）调制信号的一般表达式：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，让调幅信号的幅值按调制信号x(t)的线性函数变化。调幅信号的一般表达式可写为：us=[Um0+mx(t)]cosωct式3-1ωc——载波信号的角频率Um0——调制信号中载波信号的幅值m——调制度3信号调制解调电路授课教师：王翥7ξ3.1调幅式测量电路一、调幅原理与方法（一）调制信号的一般表达式：2、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（3-1）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：1——角频率为ωc的载波信号和2、3—角频率分别为ωc±Ω的上下边频信号。tttmxUuccos]cos[msa)调制信号xOt3信号调制解调电路授课教师：王翥8ξ3.1调幅式测量电路一、调幅原理与方法（一）调制信号的一般表达式：2、双边带调幅？写出其数学表达式，画出波形载波信号中不含调制信号x的信息，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：us=[mXmcos(ωc+Ω)t+mXmcos(ωc-Ω)t]/2=mXmcosΩtcosωct=UxmcosΩtcosωct这里设：Uxm=mXmus=Umcosωct+[mXmcos(ωc+Ω)t+mXmcos(ωc-Ω)t]/23信号调制解调电路授课教师：王翥9ξ3.1调幅式测量电路一、调幅原理与方法（一）调制信号的一般表达式：2、双边带调幅？写出其数学表达式，画出波形txOtOucusa)调制信号b)载波信号Otc)双边带调幅信号3信号调制解调电路授课教师：王翥10ξ3.1调幅式测量电路一、调幅原理与方法：2、双边带调幅？写出其数学表达式，画出波形mmXUmmattmUttmUucaccos)cos1(cos)cosX(mmmstUucccosmΩtcosXxm)1(mmaxamUUmU)1(mminamUU1ma1masu3信号调制解调电路授课教师：王翥11ξ3.1调幅式测量电路波形特点：（1）调幅波的振幅（包络）变化规律与调制信号波形一致(2)调幅度ma反映了调幅的强弱程度，可以看出：一般m值越大调幅越深：实际电路中必须避免包络失真过调幅时百分之百最大调幅时未调幅时,,1)(10aaammm1ma1mammXUmmattmUttmUucaccos)cos1(cos)cosX(mmmsmU一、调幅原理与方法：调幅信号波形3信号调制解调电路授课教师：王翥12ξ3.1调幅式测量电路由于：tUtmtUttmUucaccacoscoscoscos)cos1(mmms相加器乘法器su直流cux乘法器相加器xsucu可见：要完成幅度调制，其核心部分是实现调制信号与载波信号相乘。一、调幅原理与方法：3、调幅信号的产生原理框图3信号调制解调电路授课教师：王翥13ξ3.1调幅式测量电路一、调幅原理与方法：（一）调制信号的一般表达式：4、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（1000-100~1000+100）。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信号调制解调电路授课教师：王翥14ξ3.1调幅式测量电路一、调幅原理与方法：（一）调制信号的一般表达式：5、载波信号2频率与调制信号1频率的倍数关系决定了采样精确度。（书中P58介绍）a)检出最大值b)误差最大情况2112πnAB3信号调制解调电路授课教师：王翥15ξ3.1调幅式测量电路一、调幅原理与方法：（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，常要求从信号形成开始就具备已调信号的特点，因此常常在传感器中进行调制。3信号调制解调电路授课教师：王翥16ξ3.1调幅式测量电路一、调幅原理与方法：（二）传感器调制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。R1FR4R2R3R1R2UoUiR3R4应变式传感器输出信号的调制3信号调制解调电路授课教师：王翥17ξ3.1调幅式测量电路一、调幅原理与方法：（二）传感器调制3、用机械或光学的方法实现调制也可以用频闪灯用于测量工件表面的粗糙度Ψθθ12345671、被测工件2、调制盘3，6、光兰4、激光器5、滤光片7、光电器件3信号调制解调电路授课教师：王翥18ξ3.1调幅式测量电路一、调幅原理与方法：（三）电路调制1、乘法器调制a)原理图uoucuxxyKxyb)实用电路-8V47kΩ0.1μF1kΩ0.1μF51Ω750Ω1410161kΩ38MC14961kΩ3.3kΩ3.3kΩ750Ω1kΩ680kΩ20μF20μFuc1kΩ0.1μF21254uoux+12V3信号调制解调电路授课教师：王翥19ξ3.1调幅式测量电路一、调幅原理与方法：（三）电路调制2、开关电路调制uxuoUcV2V1UcuotOUcOttOuxtcosu2t3cos32uu21utK...t3cos32tcos221tKcxcxxxcccc相乘调制信号及更高次谐波后，得到和高频信号器滤掉低频信号相乘后，再用带通滤波与输入信号将为：按傅氏级数展开后可写归一化的方波载波信号3信号调制解调电路授课教师：王翥20ξ3.1调幅式测量电路一、调幅原理与方法：（三）电路调制3、信号相加调制T1+ux-+ux-+uc-VD1i1VD2i2载波信号T3T2RLi3+uo_RP调制信号的两个一次侧电流相等在使：匹配电阻，调整作用：开关二极管，起调制、比为：输出耦合变压器，变的变压器，：耦合载波信号的变压器，：耦合调制信号组成：3cPPD2D133ccmcc2xmxx1TuRRVVnTtcosUuuTtcosUuuT)1(3信号调制解调电路授课教师：王翥21ξ3.1调幅式测量电路一、调幅原理与方法：（三）电路调制4、信号相加调制T1+ux-+ux-+uc-VD1i1VD2i2载波信号T3T2RLi3+uo_RP调制信号tcostcosr*U4n...t3cos32tcos221tcosrU2nr/tKu2niiniTRRVrtKr/tKuuir/tKuuicxm3ccxm3cx321333LPDccxc2cxc1得到相乘调制信号出低频和高频分量后，同理：用带通滤波器滤则：一次侧等效电阻之和分量折合到分量以及内阻、为，为归一化方波载波信号工作原理：3信号调制解调电路授课教师：王翥22ξ3.1调幅式测量电路二、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。调幅信号的解调就是检出调幅信号的包络线，所以称为包络检波。3信号调制解调电路授课教师：王翥23ξ3.1调幅式测量电路二、包络检波电路包络检波的基本工作原理是什么？如图，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。usOOtta)b)uo'3信号调制解调电路授课教师：王翥24ξ3.1调幅式测量电路二、包络检波电路（一）二极管与三极管包络检波1、基本电路VDRLC2Ti+us‘_+uo_非线性器件低通滤波器C1a)二极管检波电路C1VRLC2Tic+us’_+_非线性器件低通滤波器uoEcb)晶体管检波电路usus基本电路：整流、滤波3信号调制解调电路授课教师：王翥25ξ3.1调幅式测量电路二、包络检波电路（一）二极管与三极管包络检波1、基本电路二极管检波的充放电过程3信号调制解调电路授课教师：王翥26ξ3.1调幅式测量电路二、包络检波电路（一）二极管与三极管包络检波1、基本电路二极管检波的惰性失真惰性失真（对角线切割失真）产生的原因是由于负载电阻R与负载电容C的时间常数RC太大所引起的。为了避免产生惰性失真，必须在任何一个高频周期内，使电容C通过R放电的速度大于或等于包络的下降速度。3信号调制解调电路授课教师：王翥27ξ3.1调幅式测量电路二、包络检波电路2、峰值检波与平均值检波a)二极管iiθUsmωctωctuuo0us=usmcosωct0πimaxπ/20uo0tωctb)晶体管iθ0ube0Usmus=usmcosωcti0θIcicmaxωctuo0t3信号调制解调电路授课教师：王翥28ξ3.1调幅式测量电路二、包络检波电路（一）二极管与三极管包络检波3、比较二极管三极管峰值检波平均值检波负载能力弱负载能力强/1CR1/2L：低通滤波器的参数选取3信号调制解调电路授课教师：王翥29ξ3.1调幅式测量电路二、包络检波电路（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信号调制解调电路授课教师：王翥301、半波精密检波电路+us–半波整流器低通滤波器+u΄s–iiCR4uoR1R΄2R2R3VD1VD2+u–i∞-++N1∞-++N2+–uA+–u΄AAξ3.1调幅式测量电路二、包络检波电路（二）精密