信号调制与解调

—仪器仪表电路—第三章信号调制与解调信号调制与解调—仪器仪表电路—第三章信号调制与解调2020/2/122第一节调制解调的功用与类型传感器输出信号特点：有反映被测量物理量的有用信号也有各种无用的噪声和干扰信号测控电路的任务：去除无用的干扰和噪声突出有用信号—仪器仪表电路—第三章信号调制与解调2020/2/1231、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？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。—仪器仪表电路—第三章信号调制与解调2020/2/1243、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。—仪器仪表电路—第三章信号调制与解调2020/2/1254、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。—仪器仪表电路—第三章信号调制与解调2020/2/1265、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。—仪器仪表电路—第三章信号调制与解调2020/2/127第二节调幅式测量电路一、调幅原理与方法（一）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)coswct(3-1)—仪器仪表电路—第三章信号调制与解调2020/2/1282、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（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: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—仪器仪表电路—第三章信号调制与解调2020/2/129txOtOucusa)调制信号b)载波信号Otc)双边带调幅信号—仪器仪表电路—第三章信号调制与解调2020/2/1210可以检出最大值不会造成误差最大误差情况设ωc=nΩ，则B点的调制信号的值为A点的cos（π/n），相对误差1-cos(π/n)=π2/2n2n越大，误差越小，若要求误差小于1%，则n＞23（此为极限值）调制信号载波信号A调制信号载波信号B调制要求：ωc＞10Ω，有以下原因：•为了在解调时滤波器能较好将调制信号和载波信号分开，检出调制信号•另一种现象，见下图—仪器仪表电路—第三章信号调制与解调2020/2/12113、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。—仪器仪表电路—第三章信号调制与解调2020/2/1212（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。—仪器仪表电路—第三章信号调制与解调2020/2/12132、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。R1FR4R2R3R1R2UoUR3R4应变式传感器输出信号的调制—仪器仪表电路—第三章信号调制与解调2020/2/1214当e0=E0sinωct为交流供电F是交变力ΔR=RSsinΩt则Uo=(e0/4)[ΔR1/R1-ΔR2/R2+ΔR3/R3-ΔR4/R4]=e0[ΔR/R0]=KsinωctsinΩt测量电路直接实现了两个信号的相乘，即为调制—仪器仪表电路—第三章信号调制与解调2020/2/12153、用机械或光学的方法实现调制Ψθθ1234567用机械方法实现光电信号调制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—仪器仪表电路—第三章信号调制与解调2020/2/1216（三）电路调制1、乘法器调制a)原理图ucuxuoxyKxyb)实用电路-8V47kΩ0.1μF1kΩ0.1μF51Ω750Ω1410161kΩ38MC14961kΩ3.3kΩ3.3kΩ750Ω1kΩ680kΩ20μF20μFuc1kΩ0.1μF21254uoux+12V—仪器仪表电路—第三章信号调制与解调2020/2/12172、开关电路调制uxuoUcV2V1UcuotOUcOttOuxuo经带通滤波器滤除低频和高次谐波，得到调制信号，说明见P62—仪器仪表电路—第三章信号调制与解调2020/2/1218第二节调幅式测量电路3、信号相加调制T1+ux-+ux-+uc-VD1i1VD2i2载波信号T3T2RLi3+uo_RP调制信号—仪器仪表电路—第三章信号调制与解调2020/2/1219相加调制条件是uc＞＞ux，uc起控制作用,控制VD1、VD2的开和关，只有uc为图示方向VD1、VD2才导通，uc方向与图示相反时，VD1、VD2不导通输出为0。导通时，流过VD1和VD2电流大小与ux有关。相加调制只是从电路形式而言，实际上还是通过控制开关电路来获得乘积项，实现调制。ux=uxmcosΩtuc=ucmcosωcti1=（uc+ux）K（ωct）/ri2=（uc-ux）K（ωct）/rK（ωct）是方波的付氏级数展开式i3=n3(i1-i2)=2n3uxK（ωct）/r=2n3uxmrcosΩt[1/2+2/πcosωct-…]滤除Ω的低频信号及3ωc以上高频信号,得到双边带信号—仪器仪表电路—第三章信号调制与解调2020/2/1220二、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。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。—仪器仪表电路—第三章信号调制与解调2020/2/1221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。tusuo'OOta)b)—仪器仪表电路—第三章信号调制与解调2020/2/1222（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—仪器仪表电路—第三章信号调制与解调2020/2/1223•由C1和变压器依次线圈对调幅信号调谐，其谐振频率为载波频率，目的是为了去除杂散信号。•二极管半波检波电路是峰值检波，只在Us大于Uo时VD才导通，也即C2上是US的峰值。RL要足够大。•三极管半波检波电路有放大作用，Ic由Us决定，是平均值检波，T导通时向C2充电，另半周C2向RL放电，RL得到的是平均电流。—仪器仪表电路—第三章信号调制与解调2020/2/12242、峰值检波与平均值检波a)二极管iiθUsmωctωctuuo0us=usmcosωct0πimaxπ/20uo0tωctb)晶体管iθ0ube0Usmus=usmcosωcti0θIcicmaxωctuo0t—仪器仪表电路—第三章信号调制与解调2020/2/1225（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。—仪器仪表电路—第三章信号调制与解调2020/2/12261、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΄AA在us为正半周期，N1输出为负，VD1导通，VD2截止，A点虚地，uA≈0。在us为负半周期，N1输出为正，VD1截止，VD2导通，uA有输出。uA＝—（R2/R1）usUsUAttUot—仪器仪表电路—第三章信号调制与解调2020/2/1227UsUAttUot电路特点：1二极管的死区和非线性不影响检波输出，因为VD2在反馈回路中，假定较小的us不足以导通VD2，则运放开环，放大倍数无穷大，足以导通VD2，说明极小的输入就能导通VD2。2VD2组成的反馈回路，防止us在正半周因VD2截止使运放开环进入饱和状态，也使在两个半周期us的负载对称。3N2组成低通滤波电路，此电路属于平均值检波电路。4us不是等幅波时，输出是什么形状？+us–半波整流器低通滤波器+u΄s–iiCR4uoR1R΄2R2R3VD1VD2+u–i-+N1-+N2+–uA+–u΄AA—仪器仪表电路—第三章信号调制与解调2020/2/12282、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΄AA线性全波检波电路之一OtuAOtuoOtus无电容时有电容时假定R4=2R3=R3’，R1=R2—仪器仪表电路—第三章信号调制与解调2020/2/1229uoR4VD1VD2R2R5VD3VD4R3usR1-+N1-+N2线性全波检波电路之二图中N1为反放,N2为电压跟随器us＞0时,VD1和VD4导通,VD2和VD3截止则uo=usus＜0时,VD1和VD4截止,VD2和VD3导通若R1=R4,则uo=-us总之,uo=|us|取R2=R1∥R4，R3=R5—仪器仪表电路—第三章信号调制与解调2020/2/1230线性全波检波电路之三高输入阻抗线性全波整流电路同相输入阻抗高usuAVD2VD1uoR1R3R4-+A1R2-+A2a)电路图uo=usus0usR2R1R3R4us-+A1-+A2b）正输入等效电路uo=-usus0uAR2R1R3R4us-+A1-+A2c)负输入等效电路取R1=R2=R3=R4/2uo=|us|—仪器仪表电路—第三章信号调制与解调2020/2/1231三、相敏检波电路（一）相敏检波的功用和原理1、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检波电路。相敏检波电路调幅信号参考信号调制信号参考信号的频率与载波信号的频率相同，所以也称同步检波。—仪器