測(cè)控電路_天大張國(guó)雄版第三章答案

1 第三章信號(hào)調(diào)制解調(diào)電路 3 1 什么是信號(hào)調(diào)制 在測(cè)控系統(tǒng)中為什么要采用信號(hào)調(diào)制 什么是解調(diào) 在測(cè)控系統(tǒng)中 常用的調(diào)制方法有哪幾種 在精密測(cè)量中 進(jìn)入測(cè)量電路的除了傳感器輸出的測(cè)量信號(hào)外 還往往有各種噪聲 而傳感器的輸出信號(hào)一般又很微弱 將測(cè)量信號(hào)從含有噪聲的信號(hào)中分離出來(lái)是測(cè)量電路 的 一項(xiàng)重要任務(wù) 為了便于區(qū)別信號(hào)與噪聲 往往給測(cè)量信號(hào)賦以一定特征 這就是調(diào)制 的主要功用 調(diào)制就是用一個(gè)信號(hào) 稱為調(diào)制信號(hào) 去控制另一作為載體的信號(hào) 稱為載 波信號(hào) 讓后者的某一特征參數(shù)按前者變化 在將測(cè)量信號(hào)調(diào)制 并將它和噪聲分離 放 大等處理后 還要從已經(jīng)調(diào)制的信號(hào)中提取反映被測(cè)量值的測(cè)量信號(hào) 這一過(guò)程稱為解調(diào) 在信號(hào)調(diào)制中常以一個(gè)高頻正弦信號(hào)作為載波信號(hào) 一個(gè)正弦信號(hào)有幅值 頻率 相 位三個(gè)參數(shù) 可以對(duì)這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)制 分別稱為調(diào)幅 調(diào)頻和調(diào)相 也可以用脈沖信 號(hào)作載波信號(hào) 可以對(duì)脈沖信號(hào)的不同特征參數(shù)作調(diào)制 最常用的是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào) 制 稱為脈沖調(diào)寬 3 2 什么是調(diào)制信號(hào) 什么是載波信號(hào) 什么是已調(diào)信號(hào) 調(diào)制是給測(cè)量信號(hào)賦以一定特征 這個(gè)特征由作為載體的信號(hào)提供 常以一個(gè)高頻正 弦信號(hào)或脈沖信號(hào)作為載體 這個(gè)載體稱為載波信號(hào) 用需要傳輸?shù)男盘?hào)去改變載波信號(hào) 的某一參數(shù) 如幅值 頻率 相位 這個(gè)用來(lái)改變載波信號(hào)的某一參數(shù)的信號(hào)稱調(diào)制信號(hào) 在測(cè)控系統(tǒng)中需傳輸?shù)氖菧y(cè)量信號(hào) 通常就用測(cè)量信號(hào)作調(diào)制信號(hào) 經(jīng)過(guò)調(diào)制的載波信號(hào) 叫已調(diào)信號(hào) 3 3 什么是調(diào)幅 請(qǐng)寫(xiě)出調(diào)幅信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式 并畫(huà)出它的波形 調(diào)幅就是用調(diào)制信號(hào) x 去控制高頻載波信號(hào)的幅值 常用的是線性調(diào)幅 即讓調(diào)幅信 號(hào)的幅值按調(diào)制信號(hào) x 線性函數(shù)變化 調(diào)幅信號(hào)的一般表達(dá)式可寫(xiě)為 s u tmxUu cms cos 式中 載波信號(hào)的角頻率 c 調(diào)幅信號(hào)中載波信號(hào)的幅度 m U m 調(diào)制度 圖 X3 1 繪出了這種調(diào)幅信號(hào)的波形 2 圖 X3 1 雙邊帶調(diào)幅信號(hào) a 調(diào)制信號(hào) b 載波信號(hào) c 雙邊帶調(diào)幅信號(hào) 3 4 什么是調(diào)頻 請(qǐng)寫(xiě)出調(diào)頻信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式 并畫(huà)出它的波形 調(diào)頻就是用調(diào)制信號(hào) x 去控制高頻載波信號(hào)的頻率 常用的是線性調(diào)頻 即讓調(diào)頻信 號(hào)的頻率按調(diào)制信號(hào) x 的線性函數(shù)變化 調(diào)頻信號(hào) us的一般表達(dá)式可寫(xiě)為 tmxUu cos cms 式中 載波信號(hào)的角頻率 c 調(diào)頻信號(hào)中載波信號(hào)的幅度 m U m 調(diào)制度 圖 X3 2 繪出了這種調(diào)頻信號(hào)的波形 圖 a 為調(diào)制信號(hào) x 的波形 它可以按任意規(guī)律變 化 圖 b 為調(diào)頻信號(hào)的波形 它的頻率隨 x 變化 若 x Xmcos t 則調(diào)頻信號(hào)的頻率可在 范圍內(nèi)變化 為了避免發(fā)生頻率混疊現(xiàn)象 并便于解調(diào) 要求 mc mX mc mX t ux O t O uc us O t a b c 3 圖 X3 2 調(diào)頻信號(hào)的波形 a 調(diào)制信號(hào) b 調(diào)頻信號(hào) 3 5 什么是調(diào)相 請(qǐng)寫(xiě)出調(diào)相信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式 并畫(huà)出它的波形 調(diào)相就是用調(diào)制信號(hào) x 去控制高頻載波信號(hào)的相位 常用的是線性調(diào)相 即讓調(diào)相信 號(hào)的相位按調(diào)制信號(hào) x 的線性函數(shù)變化 調(diào)相信號(hào) us的一般表達(dá)式可寫(xiě)為 cos cms mxtUu 式中 載波信號(hào)的角頻率 c 調(diào)相信號(hào)中載波信號(hào)的幅度 m U m 調(diào)制度 圖 X3 3 繪出了這種調(diào)相信號(hào)的波形 圖 a 為調(diào)制信號(hào) x 的波形 它可以按任意規(guī)律 變化 圖 b 為載波信號(hào)的波形 圖 c 為調(diào)相信號(hào)的波形 調(diào)相信號(hào)與載波信號(hào)的相位差隨 x 變化 當(dāng)時(shí) 調(diào)相信號(hào)滯后于載波信號(hào) 時(shí) 則超前于載波信號(hào) 0 x0 x 圖 X3 3 調(diào)相信號(hào)的波形 a 調(diào)制信號(hào) b 載波信號(hào) c 調(diào)相信號(hào) t t t a b c x uc us o o o x t O O t us a b 4 3 6 什么是脈沖調(diào)寬 請(qǐng)寫(xiě)出脈沖調(diào)寬信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式 并畫(huà)出它的波形 脈沖調(diào)制是指用脈沖作為載波信號(hào)的調(diào)制方法 在脈沖調(diào)制中具有廣泛應(yīng)用的一種方 式是脈沖調(diào)寬 脈沖調(diào)寬的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 3 23 mxbB 式中 b 為常量 m 為調(diào)制度 脈沖的寬度為調(diào)制信號(hào) x 的線性函數(shù) 它的波形見(jiàn)圖 X3 4 圖 a 為調(diào)制信號(hào) x 的波形 圖 b 為脈沖調(diào)寬信號(hào)的波形 圖中 T 為脈沖周期 它等于載波 頻率的倒數(shù) 圖 X3 4 脈沖調(diào)寬信號(hào)的波形 a 調(diào)制信號(hào)波形 b 調(diào)寬信號(hào)波形 3 7 為什么說(shuō)信號(hào)調(diào)制有利于提高測(cè)控系統(tǒng)的信噪比 有利于提高它的抗干擾能力 它的 作用通過(guò)哪些方面體現(xiàn) 在精密測(cè)量中 進(jìn)入測(cè)量電路的除了傳感器輸出的測(cè)量信號(hào)外 還往往有各種噪聲 而傳感器的輸出信號(hào)一般又很微弱 將測(cè)量信號(hào)從含有噪聲的信號(hào)中分離出來(lái)是測(cè)量電路 的一項(xiàng)重要任務(wù) 為了便于區(qū)別信號(hào)與噪聲 往往給測(cè)量信號(hào)賦以一定特征 這就是調(diào)制 的主要功用 在將測(cè)量信號(hào)調(diào)制 并將它和噪聲分離 再經(jīng)放大等處理后 還要從已經(jīng)調(diào) 制的信號(hào)中提取反映被測(cè)量值的測(cè)量信號(hào) 這一過(guò)程稱為解調(diào) 通過(guò)調(diào)制 對(duì)測(cè)量信號(hào)賦以一定的特征 使已調(diào)信號(hào)的頻帶在以載波信號(hào)頻率為中心 的很窄的范圍內(nèi) 而噪聲含有各種頻率 即近乎于白噪聲 這時(shí)可以利用選頻放大器 濾 波器等 只讓以載波頻率為中心的一個(gè)很窄的頻帶內(nèi)的信號(hào)通過(guò) 就可以有效地抑制噪聲 采用載波頻率作為參考信號(hào)進(jìn)行比較 也可抑制遠(yuǎn)離參考頻率的各種噪聲 3 8 為什么在測(cè)控系統(tǒng)中常常在傳感器中進(jìn)行信號(hào)調(diào)制 為了提高測(cè)量信號(hào)抗干擾能力 常要求從信號(hào)一形成就已經(jīng)是已調(diào)信號(hào) 因此常常在 傳感器中進(jìn)行調(diào)制 3 9 請(qǐng)舉若干實(shí)例 說(shuō)明在傳感器中進(jìn)行幅值 頻率 相位 脈寬調(diào)制的方法 圖 X3 5 為通過(guò)交流供電實(shí)現(xiàn)幅值調(diào)制的一例 這里用 4 個(gè)應(yīng)變片測(cè)量梁的變形 并 由此確定作用在梁上的力 F 的大小 4 個(gè)應(yīng)變片接入電橋 并采用交流電壓 U 供電 設(shè) 4 個(gè)應(yīng)變片在沒(méi)有應(yīng)力作用的情況下它們的阻值 R1 R2 R3 R4 R 電橋的輸出 4 4321 0 R R R R R R R RU U x B t t a b x T 5 實(shí)現(xiàn)了載波信號(hào) U 與測(cè)量信號(hào)的相乘 即幅值調(diào)制 圖 X3 5 應(yīng)變式傳感器輸出信號(hào)的調(diào)制 圖 X3 6 是在傳感器中進(jìn)行頻率調(diào)制的例子 這是一個(gè)測(cè)量力或壓力的振弦式傳感器 振弦 3 的一端與支承 4 相連 另一端與膜片 1 相連接 振弦 3 的固有頻率隨張力 T 變化 振弦 3 在磁鐵 2 形成的磁場(chǎng)內(nèi)振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì) 其輸出為調(diào)頻信號(hào) 圖 X3 6 振弦式傳感器 圖 X3 7 是在傳感器中進(jìn)行相位調(diào)制的例子 在彈性軸 1 上裝有兩個(gè)相同的齒輪 2 與 5 齒輪 2 以恒速與軸 1 一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 在感應(yīng)式傳感器 3 和 4 中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì) 由于扭矩 M 的作用 使軸 1 產(chǎn)生扭轉(zhuǎn) 使傳感器 4 中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為一調(diào)相信號(hào) 它和傳感器 3 中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)的相位差與扭矩 M 成正比 圖 X3 7 感應(yīng)式扭矩傳感器 圖 X3 8 是在傳感器中進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制的例子 由激光器 4 發(fā)出的光束經(jīng)反射鏡 5 與 6 反射后 照到掃描棱鏡 2 的表面 棱鏡 2 由電動(dòng)機(jī) 3 帶動(dòng)連續(xù)回轉(zhuǎn) 它使由棱鏡 2 表面反 射返回的光束方向不斷變化 掃描角 為棱鏡 2 中心角的 2 倍 透鏡 1 將這一掃描光束變 成一組平行光 對(duì)工件 8 進(jìn)行掃描 這一平行光束經(jīng)透鏡 10 匯聚 由光電元件 11 接收 7 和 9 為保護(hù)玻璃 使光學(xué)系統(tǒng)免受污染 當(dāng)光束掃過(guò)工件時(shí) 它被工件擋住 沒(méi)有光線 照到光電元件 11 上 對(duì)應(yīng)于 暗 的信號(hào)寬度與被測(cè)工件 8 的直徑成正比 即脈沖寬度受 1 3 2 4 5 M 4 2 1 T NS 3 1 2 4 3 567910118 M l R1 R3 R2 R4 F R1 R2 U0 U R3 R4 h 6 工件直徑調(diào)制 圖 X3 8 用激光掃描的方法測(cè)量工件直徑 3 10 在電路進(jìn)行幅值 頻率 相位 脈寬調(diào)制的基本原理是什么 在電路進(jìn)行調(diào)制的基本原理是用測(cè)量信號(hào) ux去控制 改變 載波信號(hào)幅值 頻率 相 位或脈寬 就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)制 只要用乘法器將測(cè)量信號(hào) 調(diào)制信號(hào) ux 與載波信號(hào) uc相乘 就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)幅 用 調(diào)制信號(hào)去控制產(chǎn)生載波信號(hào)的振蕩器頻率 就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻 用調(diào)制信號(hào)與鋸齒波載波 信號(hào)進(jìn)行比較 當(dāng)它們的值相等時(shí)電壓比較器發(fā)生跳變 電壓比較器的輸出就是調(diào)相信號(hào) 利用調(diào)制信號(hào)去改變方波發(fā)生器的脈寬就可以實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制 3 11 什么是雙邊帶調(diào)幅 請(qǐng)寫(xiě)出其數(shù)學(xué)表達(dá)式 畫(huà)出它的波形 可以假設(shè)調(diào)制信號(hào) x 為角頻率為 的余弦信號(hào) x Xmcos t 當(dāng)調(diào)制信號(hào) x 不符合余弦 規(guī)律時(shí) 可以將它分解為一些不同頻率的余弦信號(hào)之和 在信號(hào)調(diào)制中必須要求載波信號(hào) 的頻率遠(yuǎn)高于調(diào)制信號(hào)的變化頻率 由式 3 1 調(diào)幅信號(hào)可寫(xiě)為 t mX t mX tU tt mXtUu cos 2 cos 2 cos cos coscos c m c m cm cmcms 它包含三個(gè)不同頻率的信號(hào) 角頻率為的載波信號(hào) Umcos ct 和角頻率分別為 c c 的上下邊頻信號(hào) 載波信號(hào)中不含調(diào)制信號(hào) 即不含被測(cè)量 x 的信息 因此可以取 Um 0 即只保留兩個(gè)邊頻信號(hào) 這種調(diào)制稱為雙邊帶調(diào)制 對(duì)于雙邊帶調(diào)制 1 2 4 3 567910118 M 7 ttUttmXt mX t mX u xcmcmc m c m s coscoscoscos cos 2 cos 2 雙邊帶調(diào)制的調(diào)幅信號(hào)波形見(jiàn)圖 X3 9 圖 a 為調(diào)制信號(hào) 圖 b 為載波信號(hào) 圖 c 為雙邊帶 調(diào)幅信號(hào) 圖 X3 9 雙邊帶調(diào)幅信號(hào) a 調(diào)制信號(hào) b 載波信號(hào) c 雙邊帶調(diào)幅信號(hào) 3 12 在測(cè)控系統(tǒng)中被測(cè)信號(hào)的變化頻率為 0 100Hz 應(yīng)當(dāng)怎樣選取載波信號(hào)的 頻率 應(yīng)當(dāng)怎樣選取調(diào)幅信號(hào)放大器的通頻帶 信號(hào)解調(diào)后 怎樣選取濾波器的通 頻帶 為了正確進(jìn)行信號(hào)調(diào)制必須要求 c 通常至少要求 c 10 在這種情況下 解調(diào)時(shí)濾波器能較好地將調(diào)制信號(hào)與載波信號(hào)分開(kāi) 檢出調(diào)制信號(hào) 若被測(cè)信號(hào)的變化頻 率為 0 100Hz 應(yīng)要求載波信號(hào)的頻率 c 1000 Hz 調(diào)幅信號(hào)放大器的通頻帶應(yīng)為 900 1100 Hz 信號(hào)解調(diào)后 濾波器的通頻帶應(yīng) 100 Hz 即讓 0 100Hz 的信號(hào)順利通過(guò) 而將 900 Hz 以上的信號(hào)抑制 可選通頻帶為 200 Hz 3 13 什么是包絡(luò)檢波 試述包絡(luò)檢波的基本工作原理 從已調(diào)信號(hào)中檢出調(diào)制信號(hào)的過(guò)程稱為解調(diào)或檢波 幅值調(diào)制就是讓已調(diào)信號(hào)的幅值 隨調(diào)制信號(hào)的值變化 因此調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)線形狀與調(diào)制信號(hào)一致 只要能檢出調(diào)幅信號(hào) 的包絡(luò)線即能實(shí)現(xiàn)解調(diào) 這種方法稱為包絡(luò)檢波 從圖 X3 10 中可以看到 只要從圖 a 所示的調(diào)幅信號(hào)中 截去它的下半部 即可獲得 圖 b 所示半波檢波后的信號(hào) 經(jīng)全波檢波也可 再經(jīng)低通濾波 濾除高頻信號(hào) 即可獲得 t ux O t O uc us O t a b c 8 所需調(diào)制信號(hào) 實(shí)現(xiàn)解調(diào) 包絡(luò)檢波就是建立在整流的原理基礎(chǔ)上的 圖 X3 10 包絡(luò)檢波的工作原理 a 調(diào)幅信號(hào) b 半波檢波后的信號(hào) 3 14 為什么要采用精密檢波電路 試述圖 3 11 b 所示全波線性檢波電路工作原 理 電路中哪些電阻的阻值必須滿足一定的匹配關(guān)系 并說(shuō)明其阻值關(guān)系 二極管和晶體管 V 都有一定死區(qū)電壓 即二極管的正向壓降 晶體管的發(fā)射結(jié)電壓超 過(guò)一定值時(shí)才導(dǎo)通 它們的特性也是一根曲線 二極管和晶體管 V 的特性偏離理想特性會(huì) 給檢波帶來(lái)誤差 在一般通信中 只要這一誤差不太大 不致于造成明顯的信號(hào)失真 而 在精密測(cè)量與控制中 則有較嚴(yán)格的要求 為了提高檢波精度 常需采用精密檢波電路 它又稱為線性檢波電路 圖 3 11b 是一種由集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的精密檢波電路 在調(diào)幅波 us為正的半周期 由于運(yùn)算放大器 N1的倒相作用 N1輸出低電平 因此 V1導(dǎo)通 V2截止 A 點(diǎn)接近于虛地 ua 0 在 us的負(fù)半周 有 ua輸出 若集成運(yùn)算放大器的輸入阻抗遠(yuǎn)大于 R2 則 i i1 按圖上所標(biāo)注的極性 可寫(xiě)出下列方程組 1ss11s iRuuRiu s2 uiRuuuu aa sdu Kua 其中 Kd為 N1的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù) 解以上聯(lián)立方程組得到 u R R K u R R KR R u a 1 1 1 1 2 1 d2 1 d2 1 s 通常 N1的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù) Kd很大 這時(shí)上式可簡(jiǎn)化為 a u R R u 2 1 s usuo OO t t a b 9 或 s 2 1 u R R ua 二極管的死區(qū)和非線性不影響檢波輸出 圖 3 11b 中加入 V1反饋回路一是為了防止在 us的正半周期因 V2截止而使運(yùn)放處于開(kāi) 環(huán)狀態(tài)而進(jìn)入飽和 另一方面也使 us在兩個(gè)半周期負(fù)載基本對(duì)稱 圖中 N2與 R3 R4 C 等構(gòu)成低通濾波器 對(duì)于低頻信號(hào)電容 C 接近開(kāi)路 濾波器的增益為 R4 R3 對(duì)于載波頻 率信號(hào)電容 C 接近短路 它使高頻信號(hào)受到抑制 因?yàn)殡娙?C 的左端接虛地 電容 C 上的 充電電壓不會(huì)影響二極管 V2的通斷 這種檢波器屬于平均值檢波器 為了構(gòu)成全波精密檢波電路需要將 us通過(guò)與 ua相加 圖 3 11b 中 N2組成相加放大 3 R 器 為了實(shí)現(xiàn)全波精密檢波必須要求 在不加電容器 C 時(shí) N2的輸出為 33 2RR 2 s 3 4 o u u R R u a 圖 X3 11a 為輸入調(diào)幅信號(hào) us的波形 圖 b 為 N1輸出的反相半波整流信號(hào) ua 圖 c 為 N2輸出的全波整流信號(hào) uo 電容 C 起濾除載波頻率信號(hào)的作用 圖 X3 11 線性全波整流信號(hào)的形成 a 輸入信號(hào) b 半波整流信號(hào)波形 c 全波整流輸出 3 15 什么是相敏檢波 為什么要采用相敏檢波 相敏檢波電路是能夠鑒別調(diào)制信號(hào)相位的檢波電路 包絡(luò)檢波有兩個(gè)問(wèn)題 一是解調(diào) 的主要過(guò)程是對(duì)調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行半波或全波整流 無(wú)法從檢波器的輸出鑒別調(diào)制信號(hào)的相位 如在圖 1 3 所示用電感傳感器測(cè)量工件輪廓形狀的例子中 磁芯 3 由它的平衡位置向上和 向下移動(dòng)同樣的量 傳感器的輸出信號(hào)幅值相同 只是相位差 180 從包絡(luò)檢波電路的 輸出無(wú)法確定磁芯向上或向下移動(dòng) 第二 包絡(luò)檢波電路本身不具有區(qū)分不同載波頻率的 信號(hào)的能力 對(duì)于不同載波頻率的信號(hào)它都以同樣方式對(duì)它們整流 以恢復(fù)調(diào)制信號(hào) 這 就是說(shuō)它不具有鑒別信號(hào)的能力 為了使檢波電路具有判別信號(hào)相位和頻率的能力 提高 抗干擾能力 需采用相敏檢波電路 t uo ua us t t o o o a c b 10 3 16 相敏檢波電路與包絡(luò)檢波電路在功能 性能與在電路構(gòu)成上最主要的區(qū)別 是什么 相敏檢波電路與包絡(luò)檢波電路在功能上的主要的區(qū)別是相敏檢波電路能夠鑒別調(diào)制信 號(hào)相位 從而判別被測(cè)量變化的方向 在性能上最主要的區(qū)別是相敏檢波電路具有判別信 號(hào)相位和頻率的能力 從而提高測(cè)控系統(tǒng)的抗干擾能力 從電路結(jié)構(gòu)上看 相敏檢波電路 的主要特點(diǎn)是 除了所需解調(diào)的調(diào)幅信號(hào)外 還要輸入一個(gè)參考信號(hào) 有了參考信號(hào)就可 以用它來(lái)鑒別輸入信號(hào)的相位和頻率 參考信號(hào)應(yīng)與所需解調(diào)的調(diào)幅信號(hào)具有同樣的頻率 采用載波信號(hào)作參考信號(hào)就能滿足這一條件 3 17 從相敏檢波器的工作機(jī)理說(shuō)明為什么相敏檢波器與調(diào)幅電路在結(jié)構(gòu)上有許 多相似之處 它們又有哪些區(qū)別 只要將輸入的調(diào)制信號(hào)乘以幅值為 1 的載波信號(hào)就可以得到tUu xx cos m t c cos 雙邊頻調(diào)幅信號(hào) 若將再乘以 就得到ttUtuu xcmxcs coscoscos s ut c cos 2cos 2 cos 4 1 cos 2 1 2coscos 2 1 cos 2 1 coscoscos ccxm cxmxmc 2 cso ttUtU ttUtUttUtuu xm xm 利用低通濾波器濾除頻率為和的高頻信號(hào)后就得到調(diào)制信號(hào) c 2 c 2 只是乘上了系數(shù) 1 2 這就是說(shuō) 將調(diào)制信號(hào) ux乘以幅值為 1 的載波信號(hào)tUx cos m 就可以得到雙邊頻調(diào)幅信號(hào) us 將雙邊頻調(diào)幅信號(hào) us再乘以載波信號(hào) 經(jīng)t c cos t c cos 低通濾波后就可以得到調(diào)制信號(hào) ux 這就是相敏檢波電路在結(jié)構(gòu)上與調(diào)制電路相似的原因 相敏檢波器與調(diào)幅電路在結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別是調(diào)幅電路實(shí)現(xiàn)低頻調(diào)制信號(hào)與高頻載波 信號(hào)相乘 輸出為高頻調(diào)幅信號(hào) 而相敏檢波器實(shí)現(xiàn)高頻調(diào)幅信號(hào)與高頻載波信號(hào)相乘 經(jīng)濾波后輸出低頻解調(diào)信號(hào) 這使它們的輸入 輸出耦合回路與濾波器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不同 3 18 試述圖 3 17 開(kāi)關(guān)式全波相敏檢波電路工作原理 電路中哪些電阻的阻值必須滿足一 定的匹配關(guān)系 并說(shuō)明其阻值關(guān)系 圖 a 中 在 Uc 1 的半周期 同相輸入端被接地 us只從反相輸入端輸入 放大器的 放大倍數(shù)為 1 輸出信號(hào) uo如圖 c 和圖 d 中實(shí)線所示 在 Uc 0 的半周期 V 截止 us同時(shí) 從同相輸入端和反相輸入端輸入 放大器的放大倍數(shù)為 1 輸出信號(hào) uo如圖 c 和圖 d 中虛 線所示 圖 b 中 取 R1 R2 R3 R4 R5 R6 2 在 Uc 1 的半周期 V1導(dǎo)通 V2截止 同相輸 入端被接地 us從反相輸入端輸入 放大倍數(shù)為 在 Uc 0 的半周期 1 326 RRR V1截止 V2導(dǎo)通 反相輸入端通過(guò) R3接地 us從同相輸入端輸入 放大倍數(shù)為 11 效果與圖 a 相同 實(shí)現(xiàn)了全波相敏檢波 R1 R2 R3 13 3 1 1 3 6 541 5 R R RRR R R4 R5 R6 2 是阻值必須滿足的匹配關(guān)系 3 19 什么是相敏檢波電路的鑒相特性與選頻特性 為什么對(duì)于相位稱為鑒相 而對(duì)于頻率稱為選頻 相敏檢波電路的選頻特性是指它對(duì)不同頻率的輸入信號(hào)有不同的傳遞特性 以參考信 號(hào)為基波 所有偶次諧波在載波信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)平均輸出為零 即它有抑制偶次諧波的 功能 對(duì)于 n 1 3 5 等各次諧波 輸出信號(hào)的幅值相應(yīng)衰減為基波的 1 n 等 即信號(hào)的傳 遞系數(shù)隨諧波次數(shù)增高而衰減 對(duì)高次諧波有一定抑制作用 對(duì)于頻率不是參考信號(hào)整數(shù) 倍的輸入信號(hào) 只要二者頻率不太接近 由于輸入信號(hào)與參考信號(hào)間的相位差不斷變化 在一段時(shí)間內(nèi)的平均輸出接近為零 即得到衰減 如果輸入信號(hào) us為與參考信號(hào) uc 或 Uc 同頻信號(hào) 但有一定相位差 這時(shí)輸出電壓 即輸出信號(hào)隨相位差的余弦而變化 2cos smo Uu 由于在輸入信號(hào)與參考信號(hào)同頻 但有一定相位差時(shí) 輸出信號(hào)的大小與相位差有 確定的函數(shù)關(guān)系 可以根據(jù)輸出信號(hào)的大小確定相位差的值 相敏檢波電路的這一特性 稱為鑒相特性 而在輸入信號(hào)與參考信號(hào)不同頻情況下 輸出信號(hào)與輸入信號(hào)間無(wú)確定的 函數(shù)關(guān)系 不能根據(jù)輸出信號(hào)的大小確定輸入信號(hào)的頻率 只是對(duì)不同頻率的輸入信號(hào)有 不同的傳遞關(guān)系 這種特性稱為選頻特性 3 20 舉例說(shuō)明相敏檢波電路在測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用 圖 3 25 所示電感測(cè)微儀電路中采用相敏檢波器作它的解調(diào)電路 相敏檢波器的輸出 指示電感傳感器測(cè)桿的偏移量 圖 3 26 所示光電顯微鏡中 利用相敏檢波器的選頻特性 當(dāng)光電顯微鏡瞄準(zhǔn)被測(cè)刻線時(shí) 光電信號(hào)中不含參考信號(hào)的基波頻率和奇次諧波信號(hào) 相 敏檢波電路輸出為零 確定顯微鏡的瞄準(zhǔn)狀態(tài) 3 21 試述圖 3 34 所示雙失諧回路鑒頻電路的工作原理 工作點(diǎn)應(yīng)怎么選取 兩個(gè)調(diào)諧回路的固有頻率 f01 f02 分別比載波頻率 fc高和低 f0 隨著輸入信號(hào) us的 頻率變化 回路 1 的輸出 us1和回路 2 的輸出 us2如圖 3 34d 和 e 所示 回路 1 的輸出靈敏 度 即單位頻率變化引起的輸出信號(hào)幅值變化隨著頻率升高而增大 而回路 2 m U 的輸出靈敏度隨著頻率升高而減小 總輸出為二者絕對(duì)值之和 采用雙失諧回路鑒頻電路 不僅使輸出靈敏度提高一倍 而且使線性得到改善 圖 a 中二極管 V1 V2用作包絡(luò)檢波 電容 C1 C2用于濾除高頻載波信號(hào) RL為負(fù)載電阻 濾波后的輸出如圖 f 所示 工作點(diǎn)應(yīng) 選在圖 b 中回路 1 和回路 2 幅頻特性線性段中點(diǎn) 也即斜率最大 線性最好的點(diǎn)上 3 22 圖 3 37 所示比例鑒頻電路與圖 3 35 所示相位鑒頻電路主要的區(qū)別在哪里 在這兩個(gè)電路中相敏檢波電路的參考電壓與信號(hào)電壓間的相位差是怎樣形成的 其 輸出與輸入信號(hào)的頻率有什么樣的關(guān)系 12 圖 3 37 所示比例鑒頻的電路和圖 3 35 所示相位鑒頻電路的主要區(qū)別是在 ab 兩點(diǎn)上并 一個(gè)大電容 C5 它的功用是抑制寄生調(diào)幅 即減小輸入信號(hào) us和 U1的幅值對(duì)輸出信號(hào)的 影響 它對(duì)寄生調(diào)幅呈惰性 即在輸入信號(hào)幅值變化情況下保持 E0為常值 當(dāng) U1 U2的 幅值增大時(shí) 通過(guò)二極管 V1 V2向電容 C3 C4 C5的充電電流增大 由于 C5 C3 C5 C4 增加的充電電流絕大部分流入 C5 使 U3 U4基本保持不變 同時(shí) 二極 管 V1 V2的導(dǎo)通角增大 參看圖 3 10 它導(dǎo)致二次側(cè)的電流消耗增大 品質(zhì)因數(shù) 下降 二次側(cè)的電流消耗增大又反映到一次側(cè) 使放大器的放大倍數(shù)減小 從而使 2 Q U1 U2的幅值趨向穩(wěn)定 另一方面的下降又導(dǎo)致廣義失調(diào)量減小 使輸出 uo減小 2 Q 正是由于這種負(fù)反饋?zhàn)饔?使比例鑒頻電路有抑制寄生調(diào)幅的能力 輸出信號(hào) uo基本不受 輸入信號(hào)幅值變化的影響 在這兩個(gè)電路中 調(diào)頻信號(hào) us經(jīng)放大后分兩路加到相位鑒頻電路 一路經(jīng)耦合電容 C0加到扼流圈 L3上 作為參考信號(hào) 另一路經(jīng)互感 M 耦合到諧振回路 L2 C2上 作為輸 入信號(hào) 隨著調(diào)頻信號(hào) us的瞬時(shí)頻率變化 這路信號(hào)相位差不同 相敏檢波電路檢出它們 的相位差 從而檢出調(diào)頻信號(hào) us的瞬時(shí)頻率變化 實(shí)現(xiàn)解調(diào) 3 23 在用數(shù)字式頻率計(jì)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)中 為什么采用測(cè)量周期的方法 而不用測(cè)量頻率的方法 采用測(cè)量周期的方法又有什么不足 測(cè)量頻率有兩種方法 一種是測(cè)量在某一時(shí)段內(nèi) 例如 1 秒或 0 1 秒內(nèi) 信號(hào)變化的 周期數(shù) 即測(cè)量頻率的方法 這種方法測(cè)量的是這一時(shí)段內(nèi)的平均頻率 難以用于測(cè)量信 號(hào)的瞬時(shí)頻率 從而難以用于調(diào)頻信號(hào)的解調(diào) 另一種方法基于測(cè)量信號(hào)的周期 根據(jù)在 信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)入計(jì)數(shù)器的高頻時(shí)鐘脈沖數(shù)即可測(cè)得信號(hào)的周期 從而確定它的頻率 后一種方法可用于調(diào)頻信號(hào)的解調(diào) 它的缺點(diǎn)是進(jìn)入計(jì)數(shù)器的脈沖數(shù)代表信號(hào)周期 它與 頻率間的轉(zhuǎn)換關(guān)系是非線性的 3 24 為什么圖 3 31 所示電路實(shí)現(xiàn)的是調(diào)頻 而圖 3 53 所示電路實(shí)現(xiàn)的是脈沖 調(diào)寬 它們的關(guān)鍵區(qū)別在哪里 圖 3 31 中 在兩個(gè)半周期是通過(guò)同一電阻通道 R Rw向電容 C 充電 兩半周期充電時(shí) 間常數(shù)相同 從而輸出占空比為 1 1 的方波信號(hào) 當(dāng) R 或 C 改變時(shí) 振蕩器的頻率發(fā)生變 化 實(shí)現(xiàn)調(diào)頻 圖 3 53 中 在兩個(gè)半周期通過(guò)不同的電阻通道向電容充電 兩半周期充電 時(shí)間常數(shù)不同 從而輸出信號(hào)的占空比也隨兩支充電回路的阻值而變化 圖中 R1 R2為差 動(dòng)電阻傳感器的兩臂 R1 R2為一常量 輸出信號(hào)的頻率不隨被測(cè)量值變化 而它的占空 比隨 R1 R2的值變化 即輸出信號(hào)的脈寬受被測(cè)信號(hào)調(diào)制 3 25 試述用乘法器或開(kāi)關(guān)式相敏檢波電路鑒相的基本原理 用乘法器實(shí)現(xiàn)鑒相時(shí) 乘法器的兩個(gè)輸入信號(hào)分別為調(diào)相信號(hào) 與參考信號(hào) 乘法器的輸出送入低通濾波器濾除由 cos csms tUutUu ccmc cos 于載波信號(hào)引起的高頻成分 低通濾波相當(dāng)于求平均值 整個(gè)過(guò)程可用下述數(shù)學(xué)式表示 輸出電壓 2 0 cmsm cccmcsmo 2 cos d cos cos 2 1 UU ttUtUu 即輸出信號(hào)隨相位差的余弦而變化 13 開(kāi)關(guān)式相敏檢波電路中采用歸一化的方波信號(hào) Uc作參考信號(hào) 用它與調(diào)相信號(hào)相乘 歸一化的方波信號(hào) Uc中除頻率為的基波信號(hào)外 還有頻率為 3和 5等的奇次諧波 c c c 成分 但它們對(duì)輸出電壓 uo沒(méi)有影響 因?yàn)楹蛅t cc 3cos cos 等在的一個(gè)周期內(nèi)積分值為零 其輸出信號(hào)仍可用上式表示 tt cc 5cos cos t c 只是取 在開(kāi)關(guān)式相敏檢波電路中參考信號(hào)的幅值對(duì)輸出沒(méi)有影響 但調(diào)相信號(hào)1 cm U 的幅值仍然有影響 3 26 為什么在用相加式相敏檢波電路鑒相時(shí) 常取參考信號(hào)的幅值等于調(diào)相信 號(hào)的幅值 在用于調(diào)相信號(hào)的解調(diào)時(shí)常取 作用在兩個(gè)二極管 V1和 V2的電壓分別為 cm U sm