chap03-信号调制解调电路

测控电路第3章信号调制解调电路3.1调幅式测量电路*3.2调频式测量电路3.3调相式测量电路3.4脉冲调制式测量电路2020/2/11-2-3.0概述3.0.1为什么采用信号调制,解调？在精密测量中，进入测量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很微弱，将测量信号从含有噪声的信号中分离出来是测量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，这就是调制的主要作用。在将测量信号调制，并将它和噪声分离，放大等处理后，再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。调制/解调首先用于通信(广播\电视等),作用:选频\有效抑制噪声.2020/2/11-3-3.0.2调制及其种类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。载波信号（carryingsignal)：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。调制信号（modulatingsignal)：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。在测量系统中，通常就用测量信号作调制信号。已调信号(modulatedsignal)：经过调制的载波信号叫已调信号。2020/2/11-4-调制的种类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AM、调频FM和调相PM。amplitude(frequency,phase)modulatingY=Asin(wt+phi)也可以用脉冲信号(PULSE)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(PWM)。2020/2/11-5-3.1调幅式测量电路3.1.1、调幅原理与方法3.1.1.1调幅信号的一般表达式调幅就是用调制信号(代表测量值的信号)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)coswct2020/2/11-6-调幅信号的波形txOtOucusa)调制信号b)载波信号Otc)双边带调幅信号2020/2/11-7-双边带调制假设调制信号x是角频率为Ω的余弦信号x=XmcosΩt，由前式调幅信号可写为：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：us=UxmcosΩtcosωct双边带调制可以用调制信号与载波信号相乘来实现.2020/2/11-8-为了正确进行信号调制,要求根据香农定理,要求Wcohm,主要是防止产生频率混叠现象.测量中,至少要求Wc10ohm,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。调幅信号中峰值可能发生的变化.2020/2/11-9-载波信号频率的要求Q: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？A: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。2020/2/11-10-3.1.1.2传感器调制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。1、通过交流供电实现调制用4个应变片测量梁的变形,并由此确定作用在梁上的力F的大小.电桥采用交流电压U供电,设4个应变片的电阻基值为R,则电桥的输出实现了载波信号U与测量信号的相乘,即实现了调制.2020/2/11-11-传感器调制-交流电桥R1FR4R2R3R1R2UoUR3R4应变式传感器输出信号的调制2020/2/11-12-2、用机械或光学的方法实现调制(不作要求)Ψθθ12345672020/2/11-13-3.1.1.3电路调制1.乘法器调制用乘法器将与测量信号X成正比的调制信号Ux与载波信号Uc=Umcos(Wct)相乘,就可以实现双边带调幅.a)原理图ucuxuoxyKxyb)实用电路-8V47kΩ0.1μF1kΩ0.1μF51Ω750Ω1410161kΩ38MC14961kΩ3.3kΩ3.3kΩ750Ω1kΩ680kΩ20μF20μFuc1kΩ0.1μF21254uoux+12V2020/2/11-14-2开关电路调制uxuoUcV2V1UcuotOUcOttOux2020/2/11-15-开关式相乘调制原理3Wct2020/2/11-16-2.开关相乘调制(纠正错误)2020/2/11-17-3.信号相加调制T1+ux-+ux-+uc-VD1i1VD2i2载波信号T3T2RLi3+uo_RP调制信号2020/2/11-18-信号相加调制实现2020/2/11-19-3.1.2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。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。2020/2/11-20-3.1.2.1二极管与晶体管包络检波1.基本电路2020/2/11-21-包络检波的工作原理2020/2/11-22-二极管与晶体管检波从包络检波原理可以看到,只到采用适当的单向导电器件取出其上半部(也可取下半部)波形,即可实现包络检波.VDRLC2Ti+us_+uo_非线性器件低通滤波器C1a)二极管检波电路VRLC2Tic+us_+_非线性器件低通滤波器uoEcb)晶体管检波电路2020/2/11-23-峰值检波与平均值检波晶体管检波电路流经电阻RL的电流等于载波信号一个周期的平均值,称为平均值检波.二极管检波的输出电压接近一个载波信号周期内的峰值,称为峰值检波.导通角(不做要求,后面加以解释)低通滤波器的参数应滤除载波信号,保留调制信号.fs1/(2piRC)fc2020/2/11-24-峰值检波与平均值检波(续)a)二极管iiθUsmωctωctuuo0us=usmcosωct0πimaxπ/20uo0tωctb)晶体管iθ0ube0Usmus=usmcosωcti0θIcicmaxωctuo0t2020/2/11-25-3.1.2.2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，常需采用集成运放构成精密检波电路，又称为线性检波电路。比如:二极管正向压降0.7V.2020/2/11-26-1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΄AA2020/2/11-27-半波精密检波电路(续)U:二极管的正向压降2020/2/11-28-2.全波精密检波电路+us–半波整流器低通滤波器+u΄s–iiCR4uoR1R΄2R2R3VD1VD2+u–i∞-++N1∞-++N2R’3+–uA+–u΄AAOtuAOtuoOtusa)输入信号b)半波整流信号c)全波整流输出2020/2/11-29-全波精密检波电路之二uoR4VD1VD2R2R5VD3VD4R3usR1∞-++N1∞-++N2线性全波检波电路之二2020/2/11-30-高输入阻抗全波精密检波电路usuAVD2VD1uoR1R3R4∞-++N1R2∞-++N2a)电路图uo=usus0usR2R1R3R4us∞-++N1∞-++N2b）正输入等效电路uo=-usus0uAR2R1R3R4us∞-++N1∞-++N2c)负输入等效电路2020/2/11-31-高输入阻抗全波精密检波电路叠加原理2020/2/11-32-3.1.3相敏检波电路3.1.3.1相敏检波的作用与原理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。采用相敏检波的原因//包络检波有两个问题：第一,包络检波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。2020/2/11-33-相敏与包络检波电路在功能与电路构成上最主要的区别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。由于相敏检波电路需要一个与输入的调幅信号同频的信号作参考信号,因此相敏检波电路又称为同步检波电路.2020/2/11-34-相敏检波的原理2020/2/11-35-相敏检波的原理(续)2020/2/11-36-1.乘法器式相敏检波电路2020/2/11-37-2.开关式相敏检波电路usuoUcV2V1UctuoOuoOtucOtusOtuxOtˊa)调制信号b)载波信号c)双边带调幅信号d)半波相敏检波输出e)全波相敏检波输出2020/2/11-38-开关式相敏全波检波电路之二2020/2/11-39-开关式相敏全波检波电路之二(续)uousR2R3R1R6R4R5V1UcV2∞-++NUcb)uousUcRVRR∞-++Na)UcOtusOtuoOtc)UcOtuoOtusOtd)2020/2/11-40-3.1.3.3相加式相敏检波电路在信号调制电路中曾介绍信号相加调制电路.相敏检波也可用信号相加来实现.信号相加只是电路形式,其实质还是利用参考信号去控制开关器件的通断,实现输入信号与参考信号的相乘.为了正确实现解调,必须要求参考信号Uc的幅值远大于调幅信号的幅值,使开关器件的通断完全由参考信号决定.UcUs2020/2/11-41-相加式相敏检波电路(续)相加式半波检波电路相加式调幅电路causT1C1VD1VD2C2R1R2RPuoT2us1+–edbus2+uc+––T1+ux-+ux-+uc-VD1i1VD2i2载波信号T3T2RLi3+uo_RP调制信号2020/2/11-42-相加式相敏检波电路(续)2020/2/11-43-半波相敏检波电路之二2020/2/11-44-半波相敏检波电路之二---正半周R1VD1+–+–VD2+_i1i2uc1uc2usC1R2R5P–C0+ucT2020/2/11-45-半波相敏检波电路之二---正半周(续)实质上,开关调制/解调乘以一个方波信号2020/2/11-46-半波相敏检波电路之二---负半周平均值检波?I4I3R4VD4+–+–VD3+_uc1uc2usR3–C0+ucTRP2020/2/11-47-全波相敏检波电路2020/2/11-48-全波相敏检波电路—正半周(一个支路)2020/2/11-49-全波相敏检波电路—正半周(另一支路)2020/2/11-50-全波相敏检波电路—正半周(输出分析)I2I120