信號調(diào)制解調(diào)電路

第三章信號調(diào)制解調(diào)電路第一節(jié)調(diào)制解調(diào)的功用與類型第二節(jié)調(diào)幅式測量電路第三節(jié)調(diào)頻式測量電路第四節(jié)調(diào)相式測量電路第五節(jié)脈沖調(diào)制式測量電路11、在測控系統(tǒng)中為什么要采用信號調(diào)制？

在測控系統(tǒng)中，進入測控電路的除了傳感器輸出的測量信號外，還往往有各種噪聲。而傳感器的輸出信號一般又很微弱，將測量信號從含有噪聲的信號中分離出來是測控電路的一項重要任務(wù)。為了便于區(qū)別信號與噪聲，往往給測量信號賦予一定特征，這就是調(diào)制的主要功用。

第一節(jié)調(diào)制解調(diào)的功用與類型2第一節(jié)調(diào)制解調(diào)的功用與類型2、什么是信號調(diào)制？

調(diào)制就是用一個信號（稱為調(diào)制信號）去控制另一個做為載體的信號（稱為載波信號），讓后者的某一特征參數(shù)按前者變化。

3、什么是解調(diào)？在將測量信號調(diào)制，并將它和噪聲分離，放大等處理后，還要從已經(jīng)調(diào)制的信號中提取反映被測量值的測量信號，這一過程稱為解調(diào)。34、在測控系統(tǒng)中常用的調(diào)制方法有哪幾種？

在信號調(diào)制中常以一個高頻正弦信號作為載波信號。一個正弦信號有幅值、頻率、相位三個參數(shù)，可以對這三個參數(shù)進行調(diào)制，分別稱為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。也可以用脈沖信號作載波信號。可以對脈沖信號的不同特征參數(shù)作調(diào)制，最常用的是對脈沖的寬度進行調(diào)制，稱為脈沖調(diào)寬。第一節(jié)調(diào)制解調(diào)的功用與類型45、什么是調(diào)制信號、載波信號、已調(diào)信號？調(diào)制是給測量信號賦予一定特征，這個特征由作為載體的信號提供。常以一個高頻正弦信號或脈沖信號作為載體，這個載體稱為載波信號。用來改變載波信號的某一參數(shù)，如幅值、頻率、相位的信號稱為調(diào)制信號。在測控系統(tǒng)中，通常就用測量信號作調(diào)制信號。經(jīng)過調(diào)制的載波信號叫已調(diào)信號。第一節(jié)調(diào)制解調(diào)的功用與類型5第二節(jié)調(diào)幅式測量電路2.1調(diào)幅原理與方法2.2包絡(luò)檢波電路2.3相敏檢波電路6（一）概念和定義

1、什么是調(diào)幅？寫出調(diào)幅信號的數(shù)學(xué)表達式，畫出其波形。

調(diào)幅就是用調(diào)制信號x去控制高頻載波信號的幅值。常用的是線性調(diào)幅，即讓調(diào)幅信號的幅值按調(diào)制信號x的線性函數(shù)變化。調(diào)幅信號的一般表達式可寫為：us=(Um+mx)coswct

3.2.1調(diào)幅原理與方法7

txOtOucusa)調(diào)制信號b)載波信號Otc)雙邊帶調(diào)幅信號3.2.1調(diào)幅原理與方法8

2、何謂雙邊帶調(diào)幅？寫出其數(shù)學(xué)表達式，畫出波形

假設(shè)調(diào)制信號x是角頻率為Ω的余弦信號x=XmcosΩt，由式（3-1）調(diào)幅信號可寫為：

us=Umcosωct+[mXmcos(ωc+Ω)t

+mXmcos(ωc-Ω)t]/2

它包含三個不同頻率的信號:角頻率為ωc的載波信號和角頻率分別為ωc±Ω的上下邊頻信號。載波信號中不含調(diào)制信號x的信息，因此可以取Um=0，只保留兩個邊頻信號。這種調(diào)制稱為雙邊帶調(diào)制。其數(shù)學(xué)表達式為：us=UxmcosΩt

cosωct3.2.1調(diào)幅原理與方法9為了正確進行信號調(diào)制必須要求ωc>>Ω，通常至少要求ωc>10Ω。3.2.1調(diào)幅原理與方法us=UxmcosΩt

cosωct10

3、在測控系統(tǒng)中被測信號的變化頻率為0~100Hz，應(yīng)怎樣選取載波信號的頻率？應(yīng)怎樣選取調(diào)幅信號放大器的通頻帶？信號解調(diào)后，怎樣選取濾波器的通頻帶？

為了正確進行信號調(diào)制必須要求ωc>>Ω，通常至少要求ωc>10Ω。這樣，解調(diào)時濾波器能較好地將調(diào)制信號與載波信號分開，檢出調(diào)制信號。若被測信號的變化頻率為0~100Hz，則載波信號的頻率ωc>1000Hz。調(diào)幅信號放大器的通頻帶應(yīng)為900~1100Hz。信號解調(diào)后，濾波器的通頻帶應(yīng)>100Hz，即讓0~100Hz的信號順利通過，而將900Hz以上的信號抑制，可選通頻帶為200Hz。3.2.1調(diào)幅原理與方法11（二）傳感器調(diào)制1、

為什么在測控系統(tǒng)中常常在傳感器中進行信號調(diào)制？為了提高測量信號抗干擾能力，常要求從信號一形成就已經(jīng)是已調(diào)信號，因此常常在傳感器中進行調(diào)制。3.2.1調(diào)幅原理與方法122、通過交流供電實現(xiàn)調(diào)制如，電阻式傳感器、電感式傳感器和電容式傳感器。R1FR4R2

R3R1R2UoUR3R4應(yīng)變式傳感器輸出信號的調(diào)制3.2.1調(diào)幅原理與方法133、用機械或光學(xué)的方法實現(xiàn)調(diào)制Ψθθ12345673.2.1調(diào)幅原理與方法14（三）電路調(diào)制

1、乘法器調(diào)制a)原理圖ucuxuoxyKxyb)實用電路

-8V47kΩ0.1μF1kΩ0.1μF51Ω750Ω14

10161kΩ38MC14961kΩ3.3kΩ3.3kΩ750Ω1kΩ680kΩ20μF20μFuc1kΩ0.1μF21254uoux+12V3.2.1調(diào)幅原理與方法152、開關(guān)電路調(diào)制uxuoUcV2V1Uc

uotO

Uc

OttO

ux3.2.1調(diào)幅原理與方法163、信號相加調(diào)制T1+ux-+ux

-+uc-VD1i1VD2i2載波信號T3T2RLi3+uo_RP調(diào)制信號3.2.1調(diào)幅原理與方法173.2.2包絡(luò)檢波電路

什么是檢波？從已調(diào)信號中檢出調(diào)制信號的過程稱為解調(diào)或檢波。

什么是包絡(luò)檢波？幅值調(diào)制就是讓已調(diào)信號的幅值隨調(diào)制信號的值變化，因此調(diào)幅信號的包絡(luò)線形狀與調(diào)制信號一致。只要能檢出調(diào)幅信號的包絡(luò)線即能實現(xiàn)解調(diào)。這種方法稱為包絡(luò)檢波。18包絡(luò)檢波的基本工作原理是什么？由圖可見，只要從圖a所示的調(diào)幅信號中，截去它的下半部，即可獲得圖b所示半波檢波后的信號(經(jīng)全波檢波或截去它的上半部也可)，再經(jīng)低通濾波，濾除高頻信號，即可獲得所需調(diào)制信號，實現(xiàn)解調(diào)。usuo'OOtta)b)3.2.2包絡(luò)檢波電路

只要采用適當(dāng)?shù)膯蜗驅(qū)щ娖骷∑渖习氩浚ㄒ部扇∑湎掳氩浚┎ㄐ?，即能實現(xiàn)包絡(luò)檢波。19（一）二極管與三極管包絡(luò)檢波

1、基本電路VDRLC2Ti+us_+uo_非線性器件低通濾波器C1a)二極管檢波電路C1VRLC2Tic+us_+_非線性器件低通濾波器uoEcb)晶體管檢波電路3.2.2包絡(luò)檢波電路202、峰值檢波與平均值檢波a)二極管iiθUsmωctωctuuo0us=usmcosωct0πimaxπ/20uo0tωctb)晶體管iθ0ube0Usmus=usmcosωcti0θIcicmaxωctuo0t3.2.2包絡(luò)檢波電路21（二）精密檢波電路為什么要采用精密檢波電路？二極管VD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)電壓超過一定值時才導(dǎo)通，它們的特性也是一根曲線。二極管VD和晶體管V的特性偏離理想特性會給檢波帶來誤差。在一般的通信中，只要這一誤差不太大，就不致于造成明顯的信號失真。而在精密測量與控制中，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。3.2.2包絡(luò)檢波電路221、半波精密檢波電路+us–

半波整流器低通濾波器+u?s–iiCR4uoR1R?2R2R3VD1VD2+u–i∞-++N1∞-++N2+–uA+–u?AA3.2.2包絡(luò)檢波電路232、全波精密檢波電路+us–

半波整流器低通濾波器+u?s–iiCR4uoR1R?2R2R3VD1VD2+u–i∞-++N1∞-++N2R’3+–uA+–u?AAOtuAOtuoOtus線性全波檢波電路之一3.2.2包絡(luò)檢波電路24

uoR4VD1VD2R2R5VD3VD4R3usR1∞-++N1∞-++N2線性全波檢波電路之二3.2.2包絡(luò)檢波電路25

usuAVD2VD1uoR1R3R4∞-++N1R2∞-++N2a)電路圖uo=usus>0usR2R1R3R4us∞-++N1∞-++N2b）正輸入等效電路uo=-usus<0uAR2R1R3R4us∞-++N1∞-++N2c)負(fù)輸入等效電路線性全波檢波電路之三高輸入阻抗線性全波整流電路3.2.2包絡(luò)檢波電路26

1、為什么要采用相敏檢波？包絡(luò)檢波有兩個問題：一是解調(diào)的主要過程是對調(diào)幅信號進行半波或全波整流，無法從檢波器的輸出鑒別調(diào)制信號的相位。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的能力。對于不同載波頻率的信號它都以同樣方式對它們整流，以恢復(fù)調(diào)制信號，這就是說它不具有鑒別信號的能力。為了使檢波電路具有判別信號相位和頻率的能力，提高抗干擾能力，需采用相敏檢波電路。3.2.3相敏檢波電路（一）相敏檢波的功用和原理272、什么是相敏檢波電路？相敏檢波電路是具有鑒別調(diào)制信號相位和選頻能力的檢波電路。3.2.3相敏檢波電路28

3、相敏檢波電路與包絡(luò)檢波電路在功能與電路構(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區(qū)別是相敏檢波電路能夠鑒別調(diào)制信號相位，從而判別被測量變化的方向，同時相敏檢波電路還具有選頻的能力，從而提高測控系統(tǒng)的抗干擾能力。3.2.3相敏檢波電路29從電路結(jié)構(gòu)上看，相敏檢波電路的主要特點是，除了所需解調(diào)的調(diào)幅信號外，還要輸入一個參考信號。有了參考信號就可以用它來鑒別輸入信號的相位和頻率。參考信號應(yīng)與所需解調(diào)的調(diào)幅信號具有同樣的頻率，采用載波信號作參考信號就能滿足這一條件。由于相敏檢波電路需要有一個與輸入的調(diào)幅信號同頻的信號做參考信號，因此相敏檢波電路又稱為同步檢波電路。3.2.3相敏檢波電路303.2.3相敏檢波電路調(diào)制信號：載波信號：雙邊帶調(diào)幅信號信號：參考信號：相敏檢波后的輸出信號：31

4、相敏檢波電路與調(diào)幅電路在結(jié)構(gòu)上有哪些相似之處？它們又有哪些區(qū)別？

將調(diào)制信號ux乘以幅值為1的載波信號就可以得到雙邊帶調(diào)幅信號us，將雙邊帶調(diào)幅信號us再乘以載波信號，經(jīng)低通濾波后就可以得到調(diào)制信號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。二者主要區(qū)別是調(diào)幅電路實現(xiàn)低頻調(diào)制信號與高頻載波信號相乘，輸出為高頻調(diào)幅信號；而相敏檢波器實現(xiàn)高頻調(diào)幅信號與高頻載波信號相乘，經(jīng)濾波后輸出低頻解調(diào)信號。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。3.2.3相敏檢波電路32（二）常用相敏檢波電路

1、乘法器式相敏檢波電路ucusuoxyKxyN0.1μF47kΩ0.1μF1kΩ0.1μF51Ω910Ω

-8V14

10161kΩ38MC14961kΩ3.3kΩ3.3kΩ910Ω1kΩ6.8kΩ0.1μFuc1kΩ0.01μF+12V21254uo∞-++N20kΩ20kΩ10kΩ10kΩ200kΩRCRC0.01μF200kΩF007us3.2.3相敏檢波電路332、開關(guān)式相敏檢波電路tuoOuoOtucOtusOtuxOtˊusuoUcV2V1Uc2.3相敏檢波電路半波相敏檢波電路34

uousUcRVRR∞-++Na)uousR2R3R1R6R4R5V1UcV2∞-++NUcb)UcOtusOtuoOtc)UcOtuoOtusOtd)3.2.3相敏檢波電路開關(guān)式全波相敏檢波電路353、相加式相敏檢波電路causT1C1VD1VD2C2R1R2RPuoT2us1+–edbus2+uc+––相加式半波相敏檢波電路T1+ux-+ux

-+uc-VD1i1VD2i2載波信號T3T2RLi3+uo_RP調(diào)制信號相加式調(diào)幅電路3.2.3相敏檢波電路364、精密整流型相敏檢波電路CR4uoR1R’2R2R3Uc∞-++N1∞-++N2R’3V1V2uAUcus3.2.3相敏檢波電路37（三）相敏檢波電路的選頻與鑒相特性

1、相敏檢波電路的選頻特性什么是相敏檢波電路的選頻特性？相敏檢波電路的選頻特性是指它對不同頻率的輸入信號有不同的傳遞特性。以參考信號為基波，所有偶次諧波在載波信號的一個周期內(nèi)平均輸出為零，即它有抑制偶次諧波的功能。對于n=1,3,5等各奇次諧波，輸出信號的幅值相應(yīng)衰減為基波的1/n，即信號的傳遞系數(shù)隨諧波次數(shù)增高而衰減，對高次諧波有一定抑制作用。3.2.3相敏檢波電路3839

b)a)c)usustOuotO++––++––UctOuotO–+++tO+–tUcO+–ustOuotO+++–––++++––tO+–Uc3.2.3相敏檢波電路40

2、相敏檢波電路的鑒相特性什么是相敏檢波電路的鑒相特性？如果輸入信號us為與參考信號uc(或Uc)同頻信號，但有一定相位差，這時輸出電壓uo=Usm/2cos∮，即輸出信號隨相位差∮的余弦而變化。由于在輸入信號與參考信號同頻但有一定相位差時，輸出信號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。3.2.3相敏檢波電路41

a)b)c)d)UctO+–ustO–+uotO++UctO+–UctO+–UctO+–ustO–+ustO–+ustO–++OtO–++O–uouotO–++–uotO––3.2.3相敏檢波電路42（四）相敏檢波電路的應(yīng)用振蕩器+15V傳感器uoVCT1234576相敏檢波電路

RP4-15VRt放大器R1R2R3R4量程切換電路RP1RP3RP2∞-++N++15VRP5P3.2.3相敏檢波電路調(diào)幅式電感測微儀電路1、用于調(diào)幅電路的解調(diào)43

txtOtOtxΦ,uOOΦ,ux21a)b)c)3.2.3相敏檢波電路2、對稱或峰值信號的拾取44第三節(jié)調(diào)頻式測量電路一、調(diào)頻原理與方法（一）什么是調(diào)頻？寫出調(diào)頻信號的數(shù)學(xué)表達式，畫出其波形。調(diào)頻就是用調(diào)制信號x去控制高頻載波信號的頻率。常用的是線性調(diào)頻，即讓調(diào)頻信號的頻率按調(diào)制信號x的線性函數(shù)變化。調(diào)頻信號us的一般表達式可寫為：us=Umcos(wc+mx)t

453.3.1調(diào)頻的原理與方法

xtOOtusa)調(diào)制信號b)調(diào)頻信號調(diào)頻信號的波形46（二）傳感器調(diào)制421TNS3測力或壓力的振弦式傳感器3.3.1調(diào)頻的原理與方法47（三）電路調(diào)制

——用調(diào)制信號去控制產(chǎn)生載波信號的振蕩器頻率。3.3.1調(diào)頻的原理與方法

載波信號可以用LC、RC或多諧振蕩器產(chǎn)生，只要讓決定其頻率的某個參數(shù)，如電感L、電阻R或電容C隨調(diào)制信號變化，就可以實現(xiàn)調(diào)頻。483.3.1調(diào)頻的原理與方法LCTC1C2+Ec

1、電容三點式LC振蕩器調(diào)頻電路CT——電容傳感器的電容，隨被測參數(shù)變化。CT的變化使振蕩器輸出頻率變化，從而實現(xiàn)調(diào)頻。492、多諧振蕩器調(diào)頻電路uo∞-++NCR310k5k10kR1RRPR4VS15k30k10kR2a)+FUruuouc+Ur-Ur-FUrOtT2T1T0b)3.3.1調(diào)頻的原理與方法充電回路的時間常數(shù)：50二、鑒頻電路

什么是鑒頻？對調(diào)頻信號實現(xiàn)解調(diào)，從調(diào)頻信號中檢出反映被測量變化的調(diào)制信號稱為頻率解調(diào)或鑒頻。3.3.2鑒頻電路51（一）微分鑒頻

1、工作原理將調(diào)頻信號us=Umcos(wc+mx)t

對t求導(dǎo)數(shù)得到

-Um(wc+mx)sin(wc+mx)t

3.3.2鑒頻電路；這一調(diào)頻調(diào)幅信號。利用包絡(luò)檢波檢出其幅值變化，即可得到含有調(diào)制信號的信息Um(wc+mx)。通過定零，即測定x=0時的輸出，可以求出通過靈敏度標(biāo)定，即測定x改變時輸出的變化，可以求出Umm，從而獲得調(diào)制信號x。522、微分鑒頻電路C1uousVDVRLC2+Ec-ieic微分網(wǎng)絡(luò)包絡(luò)檢波C1usud+r++---3.3.2鑒頻電路533、窄脈沖鑒頻電路uoOc)ustttOOτb)a)Usˊuo放大與電平鑒別器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器低通濾波器usUsUsˊ3.3.2鑒頻電路54（二）斜率鑒頻

——利用諧振回路鑒頻。us+–us1us2fo1fo2RLRLuo1uo2uoVD2VD1TC1C2c)d)e)f)usUsmus1us2uooooottttuo1uo2uo回路2回路1fo2fo1fofofcof=fc+fmsinΩtfcfm調(diào)頻波瞬時頻率變化Ωtff3.3.2鑒頻電路55（五）數(shù)字式頻率計CpusUU′計數(shù)器鎖存器清零DG&SRQDZDS3.3.2鑒頻電路56第四節(jié)調(diào)相式測量電路一、調(diào)相原理與方法（一）什么是調(diào)相？寫出調(diào)相信號的數(shù)學(xué)表達式，畫出其波形。調(diào)相就是用調(diào)制信號x去控制高頻載波信號的相位。常用的是線性調(diào)相，即讓調(diào)相信號的相位按調(diào)制信號x的線性函數(shù)變化。調(diào)相信號us的一般表達式可寫為：

us=Umcos(wct

+mx)57a)b)c)txOttucusOO3.4.1調(diào)相的原理與方法調(diào)相信號：頻率：

調(diào)相和調(diào)頻都使載波信號的總相角受到調(diào)制，所以統(tǒng)稱為角度調(diào)制。58（二）傳感器調(diào)制13245M扭矩測量3.4.1調(diào)相的原理與方法59

XY21a)aabWB12VP1VPnYOb)NS1S2SnVP1VP2VP3VPn莫爾條紋信號的調(diào)制3.4.1調(diào)相的原理與方法60（三）電路調(diào)制1、調(diào)相電橋oURUCUsUUCURUTRCUs∞-++N2∞-++N1RR1R1CUsU2U2U2-3.4.1調(diào)相的原理與方法612、脈沖采樣式調(diào)相電路U0門限檢測電路脈沖發(fā)生器載波頻率鋸齒波發(fā)生器輸出調(diào)相脈沖ujux+a)UcususOttOujtOuj=kΨux+ujtOuxb)d)c)e)UcU03.4.1調(diào)相的原理與方法62二、鑒相電路鑒相就是從調(diào)相信號中將反映被測量變化的調(diào)制信號檢出來，實現(xiàn)調(diào)相信號的解調(diào)，又稱為相位檢波。3.4.2鑒相電路ucusuoxyKxyN（一）用相敏檢波器或乘法器鑒相

1、乘法器鑒相(ppt28)632、用開關(guān)式相敏檢波電路鑒相（ppt30)3、用相加式相敏檢波電路鑒相（ppt31)3.4.2鑒相電路causT1C1VD1VD2C2R1R2RPuoT2us1+–edbus2+uc+––相加式相敏檢波電路64

a)Us-UsU1UcU2Ψ1Ψ2φ3.4.2鑒相電路當(dāng)時：

b)-ππ2_π2π0Ψuo65（二）通過相位—脈寬變換鑒相

1、異或門鑒相a)UCUSDG1=1Uoc)CPUs計數(shù)器鎖存器延時時鐘脈沖DG2Uo鎖存指令清零UcDG1=1&Nd)-2-0N,uo2b)UcUsOOtuotUotOB3.4.2鑒相電路662、RS觸發(fā)器鑒相a)QQSRUcUsc)N,uoφ0π2π21ttttb)OOBQUsUcuoOUcUsOOt3.4.2鑒相電路67（三）脈沖采樣式鑒相uo單穩(wěn)鋸齒波發(fā)生器采樣保持濾波器Uc′ujUcUs′u′e)tOa)b)c)d)U’cOttOU’stOujtOu’uo3.4.2鑒相電路68各種鑒相方法比較（精度、誤差因素、鑒相范圍）影響鑒相誤差的主要因素有：非線性、信號幅值、占空比、門電路與時鐘脈沖頻率等。

RS觸發(fā)器鑒相精度最高，線性好，對Us和Uc的占空比沒有要求。鑒相范圍接近2。相敏檢波器或乘法器鑒相原理上有非線性，信號幅值影響鑒相誤差。鑒相范圍為±/2。脈沖采樣鑒相中鋸齒波的非線性影響鑒相誤差。鑒相范圍接近2。異或門鑒相中占空比影響鑒相誤差。鑒相范圍為0--。通過相位—脈寬變換鑒相時門電路的動作時間與時鐘脈沖頻率誤差對精度有影響，但一般誤差較小。69第