测控电路第3章——信号调制解调电路

测控电路12020/2/113.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测控电路22020/2/11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（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.信号调制解调电路测控电路32020/2/11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.信号调制解调电路测控电路42020/2/11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.信号调制解调电路测控电路52020/2/113.1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)cosωct3.信号调制解调电路3.1.1调幅原理与方法测控电路62020/2/113.1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tmxUucmscos)(tttxOOucOusustO测控电路72020/2/113.1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：mmsccxmccos()cos()coscos22mXmXuttUttΩΩΩ3.信号调制解调电路3.1.1调幅原理与方法测控电路82020/2/113.1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。3.信号调制解调电路3.1.1调幅原理与方法a)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调幅原理与方法测控电路112020/2/113.1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.信号调制解调电路测控电路122020/2/113.1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txOtOucOtusustO测控电路132020/2/113.1调幅式测量电路(2)通过交流供电实现调制R1FR4R2R3R1R2UoUR3R4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(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123456测控电路152020/2/113.1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sxmccoscosuUttΩ3.1.1调幅原理与方法b)实用电路-8V47kΩ0.1μF1kΩ0.1μF51Ω750Ω1410161kΩ38MC14961kΩ3.3kΩ3.3kΩ750Ω1kΩ680kΩ20μF20μFuc1kΩ0.1μF21254usux+12V测控电路162020/2/113.1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=usUcV2V1UcuotOUcOttOuxuo=us测控电路172020/2/113.1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调幅原理与方法测控电路182020/2/113.1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.信号调制解调电路测控电路192020/2/113.1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'测控电路202020/2/113.1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包络检波电路测控电路212020/2/113.1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包络检波电路测控电路222020/2/113.1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+––+A2RsuAu测控电路232020/2/113.1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)2(s34ouuRRuAOtuAOtuoOtusOtus/2332RR+us–半波整流器低通滤波器+–i1CR4uoR1R2R3VD1VD2+u–i∞-++N1∞-++N2+–uA+–AsuAu2R3R测控电路242020/2/113.1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∞-++N2u1u2测控电路252020/2/113.1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=usus0usR1R3R4∞-++N1∞-++N2N2的同相输入端与反相输入端输入相同信号，得到uo=usN1跟随器3.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ss122)1(uuRRuAN2的输出为44os33sss(1)34ARRuuuRRuuuosuu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=-usus0uAR1R3R4∞-++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测控电路292020/2/113.1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.信号调制解调电路测控电路302020/2/113.1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tUuΩcosxmxccossutttUtuucxmcxscoscoscosΩ2oscxmcxmxmcxmxmcc11coscoscoscoscoscos22211cos[cos(2)cos(2)]24uutUttUtUttUtUttΩΩΩΩΩΩtccos测控电路322020/2/113.1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