1、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信号调制解调电路p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。信号调制解调电路p什么是信号调制？调制(Modulation)就是用一个信号（称为调制信号,modulating signal）去控制
2、另一个做为载体的信号（称为载波信号carrying signal），让后者的某一特征参数（A、）按前者变化p什么是信号解调？从已经调制的信号（称为已调信号，modulated signal）中提取反映被测量值的测量信号，称为解调(Demodulation)。调制的频率变换是由低频变高频的过程。解调的频率变换是由高频变低频的过程。信号调制解调电路p在测控系统中常用的调制方法有哪几种？p什么是调制信号、载波信号、已调信号？幅值A调幅 高频正弦信号 频率f 调频载波信号 相位调相 高频脉冲信号 脉冲宽度B 脉冲调宽调制信号原被测信号载波信号高频信号已调信号调制后的信号调幅信号调频信号调相信号调宽信号
3、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3.1.1调幅原理与方法p什么是调幅？调幅就是用调制信号x（代表测量值的信号）去控制高频载波信号（高频正弦波）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。p调幅的特点：最常用，调制方法和解调电路比较简单p调幅信号的一般表达式可写为c载波信号角频率；Um0载波信号的幅值；m调制的灵敏度；x调制信号。0()cossmcuUmxt1、调幅原理coscoscoscoscos()cos()22smcmcmmmcccuUtmXttmXmXUtttcos()cos()
4、22coscosmmsccmcmXmXuttmXttp调制信号x(t)是角频率为的余弦信号：x(t)=Xmcostp调幅信号可写为：角频率为c的载波信号、角频率分别为c的上下边频信号。p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。p在测控系统中被测信号的变化频率为0100Hz，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？载波频率：c，通常至少要求c10，防止混叠产生，减小相对误差。载波信号的频率c1000 Hz。调幅信号放大器的通频带：调幅信号频率与载波信号频率相同，放大器的同频带应包括载波
5、信号频率应为9001100 Hz。滤波器的通频带：大于被测信号频带范围大于100 Hz，可选通频带为200 Hz1、调幅原理p为什么在测控系统中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制的信号，因此常常在传感器中进行调制。p调制方法 通过交流供电实现调制 用机械或光学的方法实现调制1)传感器调制2、调幅方法p通过交流供电实现调制 电阻式传感器、电感式传感器和电容式传感器。3124(-+-)4oRRRRUURRRR实现了载波信号U与测量信号的相乘，即实现了调制1)传感器调制2、调幅方法p用机械或光学的方法实现传感器调制12345672、调幅方法1)传感
6、器调制2)电路调制p乘法器调制a)a)原理图原理图ucuxuoxyKxyb)实用电路实用电路-8V47k0.1F1k0.1F5175014 10 161k38MC14961k3.3k3.3k7501k680k20F20Fuc1k0.1F21254uoux+12VK乘法器增益乘法器增益ux调制信调制信Uxmcos tuc载波信号载波信号 Ucmcosct2、调幅方法2、调幅方法p开关电路调制uxuoUcV2V1Uc uotO Uc OttO ux调制信号调制信号载波信号载波信号已调信号已调信号2)电路调制2、调幅方法p信号相加式调制2)电路调制T1+ux -+ux -+uc -VD1i1VD2i
7、2载波信号T3T2RLi3uoRP调制信号+-3.1.2包络检波电路检波的定义及其原理 从已调信号中检出调制信号的过程称为解调，只解调调幅波时称为检波。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。usOOtta)b)uo1、二极管检波-峰值检波21cos11odcmLuk UmtR CVDRLC2Ti+us_+uo_非线性非线性 器件器件 低通低通滤波器滤波器C1(a)二极管检波电路二极管检波电路谐振谐振回路回路us调幅信号调幅信号us通过由通过由C1和变压和变压器器T的一次侧谐振回路输入
8、，的一次侧谐振回路输入，有利于消除杂散信号有利于消除杂散信号2、精密检波电路p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。2、精密检波电路p为实现精密的线性整流，必须解决两个问题：一是改善二极管的非线性特性，以实现良好的线性转换关系；二是减少二极管阈值电压的影响，使其能对尽可能小的输入信号进行转换。p解决方案：采用运放和普通二极管组成的有源整流电路，能有效的解决以上两个问题。p
9、按整流特性分：精密半波整流电路、精密全波整流电路。2、精密检波电路p半波精密检波电路 us正半周期，经运算放大器N1倒相后,VD1导通、VD2截止，A点电位接近于虚地，uA=0，u0=0.2、精密检波电路p半波精密检波电路 us负半周期，经运算放大器N1倒相后,VD1截止、VD2导通，uA 有输出，相当于反相放大电路，其输出电压：uA=-(R2/R1)uso16215000SsSuuRRuuR ROtuAOtuoOtusus0时时us0时时|2|34souRRu2、精密检波电路p全波精密检波电路2、精密检波电路uoR4VD1VD2R2R5VD3VD4R3usR1-+N1-+N2u1u2Otu2
10、OtuoOtu1Otusp全波精密检波电路osuu负输入等效电路usuAVD2VD1R1R3R4-+N1R2-+N2uoR2uo=-usus0usR1R3R4-+N1-+N2正输入等效电路p全波精密检波电路2、精密检波电路3.1.3 相敏检波电路相敏检波电路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。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。txOtOucOtusustO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。1、相敏检波的功用和
11、原理p相敏检波电路的定义和原理 相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的幅值检波（检幅）电路。p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。参考信号与调幅信号有相同的频率1、相敏检波的功用和原理 同频信号作为参考 又称为同步检波电路原理：输入的调制信号ux乘以幅值为1的载波信号cosct可得到双边带调幅信号ttuucxmscoscos再乘
12、以载波信号cosct（幅值为1的载波信号）ttututtuucxmxmcxmo2coscos21cos21coscos2)2cos()2cos(41cos21ttutuccxmxm用低通滤波器滤掉高频分量后，即可得到调制信号 ，实现解调。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。tUcosxm2、相乘式相敏检波电路p乘法器式相敏检波电路ucusuoxyKxyN0.1F47k0.1F1k0.1F51910 -8V14 10 161k38MC14961k3.3k3.3k9101k6.8k0.1Fuc1k0.01F+12V+12V21254uo-+N20k20k10k10k2
13、00kRCRC0.01F200kF007us乘法器式相敏检波与乘法器式调幅电路在结构上有哪些区别？输入输出的信号不同，导致不同的耦合回路输入输出的信号不同，导致不同的耦合回路相敏检波电路多了一级滤波电路相敏检波电路多了一级滤波电路 2、相乘式相敏检波电路p开关式半波相敏检波电路usuoUcV2V1UctuoOuoOtucOtusOtuxOt调制信号载波信号双边带调幅信号半波相敏检波输出全波相敏检波输出参考信号：uc整形后的方波信号双双边边带带调调幅幅信信号号us与与uc同相，输出同相，输出uo为正为正us与与uc反相，输出反相，输出uo为负为负主要缺点：输出信号脉动较大主要缺点：输出信号脉动较
14、大p开关式全波相敏检波电路uousUcRVRR-+Na)UcOtusOtuoOtc)Uc=1，同相端接地，us从反相端输入，反相放大电路，输出信号uo=-usu us s与与u uc c同相同相Uc=0，V截止，输出信号uo=us2、相乘式相敏检波电路3、相加式相敏检波电路相加式调幅电路相加式调幅电路相加式半波相敏检波电路相加式半波相敏检波电路uscaT1C1VD1VD2C2R1R2RPuoT2us1+edbus2+c+ucu高频参考信号高频参考信号低频解低频解调信号调信号RL+uo_高频已调信号高频已调信号T1+ux _+ux _+uc -VD1i1VD2i2载波信号载波信号T3T2i3RP
15、调制信号调制信号低频调低频调制信号制信号3、相加式相敏检波电路相加只是形式，实际上由相加只是形式，实际上由uc控制，工作在开关模式。控制，工作在开关模式。)(1sc11111uuRRrRRucd)(2sc22222uuRRrRRued调整电位器调整电位器RP使使 2222211111RRrRRRRrRRo0s1s2()ceuuk uu半波检波半波检波caT1C1VD1VD2C2R1R2RPuoT2us1+edbus2+c+ucu高频参考信号高频参考信号3、相加式相敏检波电路a)电原理图 ucuc2uc1C0usC1R4R1VD3VD2VD1R3R2R5RPVD4TP只需一路调幅信号只需一路调幅
16、信号us输入，输入，并且采用电容并且采用电容C0耦合。有耦合。有利于电路的简化。利于电路的简化。c1s111125A()()()uui rRiiRrc2s222125A()()()uui rRiiRrC0很大，先不考虑很大，先不考虑C1usR1VD1+VD2+_i1i2uc1uc2C1R2R5PC0+ucTr1r2rAi1-i2i1-i2ucuc2uc1C0usC1R1VD2VD1R2R5TP+AA3、相加式相敏检波电路选配电阻选配电阻 R1与与R2，使，使us=0时，时，21ii 222c111cRruRru0su时，流经电表时，流经电表P的电流的电流sP522112211221121)()
17、()(urRRrRrRrRrRrRriiiR5上输出电压上输出电压 sP52211221152211o)()()(urRRrRrRrRrRRrRru问题：问题：i1-i2总是从同一方向通过电容总是从同一方向通过电容C0，使它按图示极性充电，很快使，使它按图示极性充电，很快使VD1阻塞阻塞 usR1VD1+VD2+_i1i2uc1uc2C1R2R5PC0+ucTr1r2rAi1-i2i1-i2A3、相加式相敏检波电路ucuc2uc1C0usC1R4R1VD3VD2VD1R3R2R5RPVD4TP+3、相加式相敏检波电路i4i3R4VD4+VD3+_uc1uc2usR3C0+ucTRP34ii 3
18、4ii r4r3RP1RP2)(2P333s2cRRriuu)(1P444s1cRRriuu调节电位器调节电位器RP使使i4-i3=i1-i2。实际调整中，。实际调整中，通过调整通过调整RP，使，使us=0时流经电表时流经电表P的电流为的电流为零来达到这一要求。电容零来达到这一要求。电容C1用于滤除载波用于滤除载波频率的信号频率的信号 半波检波半波检波3、相加式相敏检波电路VD1T2R1+VD2_i1i2uc1uc2+uoCR2Pus1+usT1i2-i1R5_uc正半周期正半周期全波检波全波检波uc2uc1CR5PR4R1VD3VD2VD1R3R2VD4usTuous1us2+T2ucAAB
19、3、相加式相敏检波电路ucVD4T1R4+VD3_i4i3uc1uc2+uoCR3T2Pus2+R5_i4-i3us负半周期负半周期相敏：输出与相敏：输出与uc和和us之间的相位关系有关之间的相位关系有关检波：输出的极性在两个半周期不变检波：输出的极性在两个半周期不变全波检波全波检波uc2uc1CR5PR4R1VD3VD2VD1R3R2VD4usTuous1us2+T2ucBAB3、相加式相敏检波电路4、精密整流型相敏检波电路p减小由于开关器件为非理想器件而带来的误差，仿照精密整流包络检波电路的原理构成精密整流型相敏检波电路CR4uoR1R2R2R3Uc-+N1-+N2R3V1V2uAUcus
20、p 相敏检波电路的选频特性相敏检波电路的选频特性是指它对不同频率的输入信号有不同的传递特性。以参考信号为基波，所有偶次谐波在载波信号一个周期内平均输出为零，即它有抑制偶次谐波的功能。对于n=1,3,5等各奇次谐波，输出信号的幅值相应衰减为基波的1/n，即信号的传递系数随谐波次数增高而衰减，对高次谐波有一定抑制作用。6、相敏检波电路的选频与鉴相特性滤除载波信号在数学上就是载波信号一个周期内取平均值来表示滤除载波信号在数学上就是载波信号一个周期内取平均值来表示)(cos2120ttduuccso2)()22cos1(21)(cos2120202xccxccxutdtuttdu如果输入中含有高次谐波
21、，设为如果输入中含有高次谐波，设为tnucncos附加输出为：附加输出为：0)()1cos()1cos(41)(coscos212020tdtntnuttdtnuucccncccnn抑制了高次谐波抑制了高次谐波6、相敏检波电路的选频与鉴相特性常采用方波信号作为参考信号，这时输入信号是与归一化的方波信号相乘常采用方波信号作为参考信号，这时输入信号是与归一化的方波信号相乘。)(3cos32cos221cos2120tdtttnuuccccnn)()3cos(31)1cos(12120tdtntnucccn对于对于n=2、4、6等各偶次谐波，积分输出为等各偶次谐波，积分输出为0；对于对于n=1,3,
22、5等各奇次谐波，输出信号的幅值相应衰减为基波的等各奇次谐波，输出信号的幅值相应衰减为基波的1/n，即信号的传递系数随，即信号的传递系数随谐波次数增高而衰减，对高次谐波有一定抑制作用。谐波次数增高而衰减，对高次谐波有一定抑制作用。6、相敏检波电路的选频与鉴相特性b)n=2a)n=1c)n=3usustOuotO+UctOuotO+tO+tUcO+ustOuotO+tO+Ucn=1，us、uc有相同极性，输出为正；有相同极性，输出为正；n=2，在，在Uc为正的半周期内，为正的半周期内，us变化变化一个周期，平均输出为一个周期，平均输出为0；n=3，在，在Uc为正的半周期内，为正的半周期内，us变化
23、变化1.5个周期，正负抵消后，仍有个周期，正负抵消后，仍有1/3的的正信号输出。正信号输出。6、相敏检波电路的选频与鉴相特性6、相敏检波电路的选频与鉴相特性p 相敏检波电路的鉴相特性如果输入信号us为与参考信号uc(或Uc)同频信号，但有一定相位差，这时输出电压即输出信号随相位差的余弦而变化。由于在输入信号与参考信号同频但有一定相位差时，输出信号的大小与相位差有确定的函数关系，可以根据输出信号的大小确定相位差的值，相敏检波电路的这一特性称为鉴相特性。2cos)(cos)cos(2120smcccsmoUttdtUua)b)c)d)UctO+ustO+uotO+UctO+UctO+UctO+us
24、tO+ustO+ustO+OtO+OuouotO+uotOus、uc有相同极性，输出为正；有相同极性，输出为正；us、uc有相反极性，输出为负；有相反极性，输出为负；us、uc有相差有相差90度，二者极性相同度，二者极性相同输出为正、极性相反输出为负；输出为正、极性相反输出为负；6、相敏检波电路的选频与鉴相特性振荡器+15V传感器uoVCT1234576相敏检波电路RP4-15VRt放大器R1R2R3R4量程切换电路RP1RP3RP2-+N+15VRP5P 相敏检波电路还有利于相敏检波电路还有利于减小零点残余电压影响减小零点残余电压影响RP2：电桥调零RP1：调零残电压RP3：电桥灵敏度RP4
25、：检波调零RP5：输出灵敏度p 相敏检波电路的应用调幅式电感测微仪电路调幅式电感测微仪电路6、相敏检波电路的选频与鉴相特性信号调制解调电路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3.2.1 调频原理与方法p调频就是用调制信号x去控制高频载波信号的频率。常用的是线性调频，即让调频信号的频率按调制信号x的线性函数变化。p调频信号us的一般表达式可写为：tmxUu)cos(cmsxtOOtusa)调制信号b)调频信号1、调频信号的一般表达式3.2.1 调频原理与方法2、传感器调制测力或压力的振弦式传感器测力或压力的振弦式传感器4TNS3.2.
26、1 调频原理与方法2、传感器调制VvPW)/1/()/1(0VvVvffVvff/210Vv 时2/fv频率变换为：反射波频率反射波频率由物体运动由物体运动速度速度v v调制调制p多普勒测速3.2.1 调频原理与方法2、电路调制p多谐振荡器调频电路uo-+NCR310k 5k10kR1RRPR4VS15k30k10kR2+FUr-FUruuouc+Ur-UrOtT2T1T03.2.2 鉴频电路鉴频电路对调频信号实现解调，从调频信号中检出反映被测量变化的调制信号称为频率解调或鉴频。1、微分鉴频工作原理将调频信号 对t求导数得到 这一调频调幅信号。利用包络检波检出其幅值变化，即可得到含有调制信号的
27、信息 。通过定0，即测定x=0时的输出，可以求出Um c通过灵敏度标定，即测定x改变时输出的变化，可以求出Umx，从而获得调制信号xtmxUu)cos(cmstmxmxUtu)sin()(ddccms)(cmmxU1、微分鉴频电路p电容C1与晶体管V的发射结正想电阻r组成微分电路。二极管VD一方面为晶体管V提供直流偏压，另一方面为电容C1提供放电回路。电容C2滤除高频载波信号微分网络包络 检波器C1r+-+-+-udusC1uousVDVRLC2+Ec-ieic窄脉冲鉴频电路p调频信号us经过放大后进入电平鉴别器，当信号超过一定电平时，电平鉴别器翻转，它推动单稳态触发器输出窄脉冲。Us瞬时频率
28、越高，窄脉冲越密，经过低通滤波后输出的电压越高，他将频率变化转换为电压变化uoOc)ustttOOb)a)Usuo放大与电放大与电平鉴别器平鉴别器单稳态单稳态触发器触发器 低通低通滤波器滤波器usUsUs斜率鉴频usus1us2fo1fo2RLRLuo1uo2VD2VD1TC1C2uoc)d)e)f)usUsmus1us2uoOOOOttttuo1-uo2uo回路2回路1fo2fo1fofofcof=fc+fmsintfcfm调 频 波瞬 时 频率变化tff数字式频率计p基于频率测量法难以测量瞬时频率，采用测量周期法CPusUU 计数器 锁存器 清零DG&SRQDZDS前沿后沿后沿信号调制解调
29、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3.3.1 调相原理与方法调相原理与方法p调相调相就是用调制信号x去控制高频载波信号的相位。常用的是线性调相，即让调相信号的相位按调制信号x的线性函数变化。p调相信号us的一般表达式一般表达式可写为：1、调相原理)cos(cmsmxtUua)b)c)txOttucusOO 调相与调频的关系调相信号的频率也在变化，调相信号的瞬时频率多普勒测速系统中，对于速度是调频信号对于位移是调相信号1、调相原理)cos(cmsmxtUu/2vf txmddcVvPW2/x45132M2、传感器调制 2、传感器
30、调制 15243678OIsta)莫尔条纹形成原理 aabWB12YOb)光通量波形c)光电元件的排列d)调相信号的形成XY21VP1VPnS1S2SnVP1VP2VP3VPnN2、传感器调制 p莫尔条纹信号的调制3、电路调制-+N2-+N1RR1R1CUsU2U2U2-OURUCUsUUCURUTRCUsp 调相电桥p脉冲采样式调相电路U0门限检测电路脉冲发 生器载波频率锯齿波发生器输出调相脉冲ujux+a)UcususOttOujtOuj=kux+ujtOuxb)d)c)e)UcU03、电路调制3.3.2 鉴相电路鉴相电路鉴相就是从调相信号中将反映被测量变化的调制信号检出来，实现调相信号的
31、解调，又称为相位检波。1、用相敏检波器或乘法器鉴相乘法器鉴相ucusuoxyKxyN20cmsmcccmcsmo2cos)d(cos)cos(2UKUttUtUKu/2在 附近，有较高的灵敏度与较好的线性。输出信号同时受调相信号与参考信号幅值的影响。用开关式相敏检波电路鉴相usUcRVRR-+NuotustUcOtOOtt输出信号与cos 成正比输出信号同时受调相信号幅值的影响。用相加式相敏检波电路检相sc1UUUsc2UUU作用在两个二极管VD1和VD2的电压分别为2sm2smcmm1)sin()cos(UUUU2sm2smcmm2)sin()cos(UUUUuocausT1C1VD1VD2
32、C2R1R2RPT2us1+edbus2+u+ucc Us-UsU1UcU212为什么鉴相时常取参考信号的幅值等于调相信号的幅值？cmsmUU2cos2cmm1UU2sin2cmm2UU)24sin(22)2sin2(cos2)(cmcmm2m1okUkUUUku-0uo2_2输出信号同时受调相信号与参考信号幅值的影响。用相加式相敏检波电路检相2、通过相位脉宽变换鉴相a)UCUSDG1=1=1Uob)UcUsOO tuotUotOBd)c)CPUs计计数数器器锁锁存存器器 延时延时时钟脉冲时钟脉冲DG2Uo锁锁存存指指令令清零清零UcDG1=1=1&N-2-0 N,uo2 异或门鉴相RS触发器
33、鉴相c)a)N,uo0221b)ttttOOBQUsUcuoOOtOcUsUQQSRcUsU2、通过相位脉宽变换鉴相3、脉冲采样式鉴相uo 单稳单稳 锯齿波锯齿波 发生器发生器 采样采样 保持保持 滤波器滤波器Ucuj UcUsue)a)b)c)d)tOUcOttOUstOujtOuuo3.3 调相式测量电路调相式测量电路各种鉴相方法比较（精度、误差因素、鉴相范围）影响鉴相误差的主要因素有：非线性、信号幅值、占空比、逻辑电路与时钟脉冲频率等。相敏检波器或乘法器鉴相原理上有非线性，信号幅值影响鉴相误差。鉴相范围为0 。通过相位脉宽变换鉴相时门电路的动作时间与时钟脉冲频率误差对精度有影响，但一般误差较小。异或门鉴相中占空比影响鉴相误差。鉴相范围为0。RS触发器鉴相精度最高，线性好，对Us和Uc的占空比没有要求。鉴相范围接近2。脉冲采样鉴相中锯齿波的非线性影响鉴相误差。鉴相范围接近2。*感谢聆听*本章结束测控电路教材编写组
