信號調(diào)制解調(diào)

1、.,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,1、什么是信號調(diào)制？ 調(diào)制就是用一個(gè)信號（稱為調(diào)制信號）去控制另一個(gè)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。 2、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)。,.,什么是信號調(diào)制？,.,第一節(jié) 調(diào)制解調(diào)的功用與類型,3、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(jìn)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(xiàng)重要任務(wù)。為了便

2、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,4、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(gè)高頻正弦信號作為載波信號。一個(gè)正弦信號有幅值、頻率、相位三個(gè)參數(shù)，可以對這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)制，分別稱為調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)和調(diào)相(PM)。也可以用脈沖信號作載波信號?？梢詫γ}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(jìn)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,5、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(gè)特征由作為載體的信號提供。常以一個(gè)高頻正弦信號或脈沖信號作為載體，這個(gè)

3、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。,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,一、調(diào)幅原理與方法 （一）調(diào)幅波的一般數(shù)學(xué)表達(dá)式 1、什么是調(diào)幅？寫出調(diào)幅信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式. 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(dá)式可寫為： us=(Um+mx)coswct m 為調(diào)制度,.,Um0,Um=0,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,2、調(diào)幅波的頻譜 假設(shè)調(diào)制信號x是角頻率為的余弦信號 x=Xmcost，則調(diào)

4、幅信號可寫為： us=Umcosct+ mXmcos(c+)t + mXmcos(c-)t/2 它包含三個(gè)不同頻率的信號: 一個(gè)是角頻率為c的載波信號，其幅值是Um，和角頻率分別為c，幅值為mXm/2的兩個(gè)分量。,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,c -c c +,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,我們知道，信號的時(shí)域相乘等于頻域卷積。即x(t).y(t) x(f)*y(f) 卷積的結(jié)果就產(chǎn)生了頻譜搬移，即從低頻搬移到了載頻的兩側(cè)。 所以，調(diào)幅過程也是一個(gè)頻率搬移或頻率變換的過程。 調(diào)幅波的帶寬為：BW=2 。,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,3、何謂雙邊帶調(diào)幅？畫出波形 載波信號中不含調(diào)制信號x的信息，因此

5、可以取Um=0，只保留兩個(gè)邊頻信號。這種調(diào)制稱為雙邊帶調(diào)制。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：us=Uxmcost cosct 雙邊帶調(diào)制可以用調(diào)制信號與載波信號相乘來實(shí)現(xiàn) 如果調(diào)制信號是一個(gè)復(fù)雜的信號，則已調(diào)信號頻譜將出現(xiàn)下邊帶和上邊帶。此時(shí)帶寬應(yīng)為BW=2 m,-m m,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,4、在測控系統(tǒng)中被測信號的變化頻率為0100Hz，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(jìn)行信號調(diào)制必須要求c，通常至少要求c10。這樣，解調(diào)時(shí)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0100Hz，則載波信號的

6、頻率c1000 Hz。調(diào)幅信號放大器的通頻帶應(yīng)為9001100 Hz。信號解調(diào)后，濾波器的通頻帶應(yīng)100 Hz，即讓0100Hz的信號順利通過，而將900 Hz以上的信號抑制，可選通頻帶為200 Hz。,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,5、調(diào)幅波的功率 載波功率=(Ucm)2/2 邊頻功率=2*1/2*（ mXm/2）2 = (MUcm)2/4 可見，在AM調(diào)制中，載波功率占了總功率的相當(dāng)大的一部分。當(dāng)M=1時(shí)，邊頻功率也只有載波頻率的50%。實(shí)際上。M一般為0.30.5。 而有用信息僅包含在邊頻之中，所以，從功率角度看，AM調(diào)制是很不經(jīng)濟(jì)的。,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,6、實(shí)現(xiàn)AM調(diào)幅的方案,

7、x,Um,cosct,us,cosct,x,增益=Um,us,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,（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(jìn)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(jìn)行調(diào)制。,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,2、通過交流供電實(shí)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。,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,3、用機(jī)械或光學(xué)的方法實(shí)現(xiàn)調(diào)制,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,（三）電路調(diào)制 1、乘法器調(diào)制 MC1496,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,2、開關(guān)電路調(diào)制,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,3、信號相加調(diào)制,.,第二節(jié) 調(diào)幅

8、式測量電路,二、包絡(luò)檢波電路 什么是包絡(luò)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。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(shí)現(xiàn)解調(diào)。這種方法稱為包絡(luò)檢波。,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,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(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。,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,（一）二極管與三極管包絡(luò)檢波 1、基本電路

9、,C1,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,2、峰值檢波與平均值檢波,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,（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(shí)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。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。,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,1、半波精密檢波電路,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,2、全波精密檢波電路,線性全波檢波電路之一,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,us0，二極管VD1， VD4導(dǎo)通，VD2， VD3截止，uOus;,u

10、s0，二極管VD1， VD4截止，VD2， VD3導(dǎo)通，uO-us;,1.分析電路結(jié)構(gòu)； 2.分析各部分輸入輸出關(guān)系； 3.虛短，虛斷，電流和為零。,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,a) 電路圖,線性全波檢波電路之三 高輸入阻抗線性全波整流電路,us0，二極管VD1導(dǎo)通，VD2截止；,.,線性全波檢波電路之三 高輸入阻抗線性全波整流電路,Us0，二極管VD1截止，VD2導(dǎo)通；,取R1=R2=R3=R4/2,uo=|us|,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,三、相敏檢波電路 （一）相敏檢波的功用和原理 1、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。,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測

11、量電路,2、為什么要采用相敏檢波？ 包絡(luò)檢波有兩個(gè)問題：一是解調(diào)的主要過程是對調(diào)幅信號進(jìn)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。,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,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(shí)相敏檢波電路

12、還具有選頻的能力，從而提高測控系統(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)幅信號外，還要輸入一個(gè)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。,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,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(shí)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(shí)現(xiàn)高頻調(diào)幅信號與高頻載波信號相乘

13、，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。,.,us=Uxmcost cosct,相敏檢波可以用與調(diào)制電路相似的電路來實(shí)現(xiàn)。,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,（二）常用相敏檢波電路 1、乘法器式相敏檢波電路,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,2、開關(guān)式相敏檢波電路,半波相敏檢波電路,優(yōu)點(diǎn)：具有鑒相功能 缺點(diǎn)：脈動較大，精度低,.,2、全波相敏檢波電路,Uc“1”，場效應(yīng)管V導(dǎo)通，uO-us ;,Uc“0”，場效應(yīng)管V截止，uOU+(1+R/R)-R/R U- =us ;,Us和Uc同相時(shí)， uO0，具有鑒相作用。,.,2、全波相敏檢波電路,Uc“1”，場效應(yīng)管V1

14、導(dǎo)通， V2截止，uO-R6/（R2R3）-us;,Us和Uc同相時(shí)， uO0，具有鑒相作用。,Uc“0”，場效應(yīng)管V1截止， V2導(dǎo)通，,.,4、精密整流型相敏檢波電路,Uc為正，場效應(yīng)管V1截止，V2導(dǎo)通； Uc為負(fù)，UA=0；,取R1R2R3R42R3,Us和Uc反相時(shí)， uO0，具有鑒相作用。,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,3、相加式相敏檢波電路,相加式半波相敏檢波電路之一,相加式調(diào)幅電路,（自學(xué)）,.,3、相加式相敏檢波電路,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,相加式半波相敏檢波電路之二,.,相加式全波相敏檢波電路,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,5、脈沖箝位式相敏檢波電路,（自學(xué)）,.,第二節(jié)

15、調(diào)幅式測量電路,（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 相敏檢波電路的工作原理 相敏檢波電路的數(shù)學(xué)表達(dá)式 相敏檢波電路具有抑制各種高次諧波的能力,.,（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,濾除載波信號在數(shù)學(xué)上可以用在載波信號一個(gè)周期內(nèi)取平均值來表示。這樣對于調(diào)幅信號的相敏檢波可表示為,.,（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,如果輸入信號中含有高次諧波，設(shè)為uncosnct，其中n為大于1的整數(shù)，由它產(chǎn)生的附加輸出為,即相敏檢波電路具有抑制各種高次諧波的能力。,.,（三）相敏檢波電路的選頻與鑒相特性 1、相敏檢波電路的

16、選頻特性,在實(shí)用的相敏檢波電路中，常采用方波信號作參考信號。這時(shí)輸入信號不是與單位參考信號cosct相乘，而是與歸一化的方波載波信號相乘。輸出電壓,n為偶數(shù)，輸出為零。 n為奇數(shù)，輸出信號的幅值相應(yīng)為un/， un/（3）， un/（5）等,.,（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(gè)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

17、諧波有一定抑制作用。,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,b) n=2,a)n=1,c)n=3,us,us,t,O,uo,t,O,+,+,+,+,Uc,t,O,uo,t,O,+,+,+,t,O,+,t,Uc,O,+,us,t,O,uo,t,O,+,+,+,+,+,+,+,t,O,+,Uc,圖3-22 相敏檢波電路的選頻特性,.,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？ 由于在輸入信號與參考信號同頻但有一定相位差時(shí)，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。,如果輸入信號us為與參考信號uc(或Uc)同頻信號，但有

18、一定相位差，這時(shí)輸出電壓,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,圖3-23相敏檢波電路的鑒相特性,.,相敏檢波電路的鑒相特性應(yīng)用,相位計(jì) 提高電路抑制干擾的能力。 在干擾信號中，相位具隨機(jī)性。相敏檢波電路的鑒相特性使頻率與參考信號很接近的干擾也受到抑制。只要干擾的頻率與參考信號略有差別，它與參考信號的相位差就不斷變化，經(jīng)低通濾波后平均輸出接近零。,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,（四）相敏檢波電路的應(yīng)用（自學(xué)） 調(diào)幅式電感測微儀電路,.,第二節(jié) 調(diào)幅式測量電路,光電顯微鏡瞄準(zhǔn)原理,.,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(dá)式，畫出其波形。 調(diào)頻就是用調(diào)制信號x去

19、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(dá)式可寫為： us=Umcos(wc+mx)t,.,第三節(jié) 調(diào)頻式測量電路,調(diào)頻信號的波形,.,.,不同采樣率的采樣結(jié)果,.,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu),.,說明混疊的例子采樣的結(jié)果將會是低于奈奎斯特頻率(fs/2=50 Hz)的信號可以被正確采樣。而頻率高于50HZ的信號成分采樣時(shí)會發(fā)生畸變。分別產(chǎn)生了30 、40和10 Hz 的畸變頻率 F2、F3和F4 。計(jì)算混頻偏差的公式是： 混頻偏差A(yù)BS(采樣頻率的最近整數(shù)倍輸入頻率) 其中ABS表示“絕對值”，例如： 混頻偏差 F2 = |1007

20、0| = 30 Hz 混頻偏差 F3 = |(2)100160| = 40 Hz 混頻偏差 F4 = |(5)100510| = 10 Hz,.,為了避免這種情況的發(fā)生，通常在信號被采集(A/D)之前，經(jīng)過一個(gè)低通濾波器，將信號中高于奈奎斯特頻率的信號成分濾去。在圖的例子中，這個(gè)濾波器的截止頻率自然是25HZ 。這個(gè)濾波器稱為抗混疊濾波器。 采樣頻率應(yīng)當(dāng)怎樣設(shè)置呢？也許你可能會首先考慮用采集卡支持的最大頻率。但是，較長時(shí)間使用很高的采樣率可能會導(dǎo)致沒有足夠的內(nèi)存或者硬盤存儲數(shù)據(jù)太慢。理論上設(shè)置采樣頻率為被采集信號最高頻率成分的2倍就夠了，實(shí)際上工程中選用510倍，有時(shí)為了較好地還原波形，甚至更

21、高一些。,.,第三節(jié) 調(diào)頻式測量電路,（二）傳感器調(diào)制,測力或壓力的振弦式傳感器,.,第三節(jié) 調(diào)頻式測量電路,（三）電路調(diào)制 1、電容三點(diǎn)式LC振蕩器調(diào)頻電路,.,第三節(jié) 調(diào)頻式測量電路,2、多諧振蕩器調(diào)頻電路,.,第三節(jié) 調(diào)頻式測量電路,二、鑒頻電路 什么是鑒頻？ 對調(diào)頻信號實(shí)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。 （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)。,.,第三節(jié) 調(diào)頻式

22、測量電路,2、微分鑒頻電路,.,第三節(jié) 調(diào)頻式測量電路,3、窄脈沖鑒頻電路,.,第三節(jié) 調(diào)頻式測量電路,（二）斜率鑒頻,.,第三節(jié) 調(diào)頻式測量電路,（三）數(shù)字式頻率計(jì),.,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(dá)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(dá)式可寫為： us=Umcos(wc t +mx),.,第四節(jié) 調(diào)相式測量電路,.,第四節(jié) 調(diào)相式測量電路,（二）傳感器調(diào)制,扭矩測量,.,第四節(jié) 調(diào)相式測量電路,莫爾條紋信號的調(diào)制,.,第四節(jié)

23、 調(diào)相式測量電路,（三）電路調(diào)制 1、調(diào)相電橋,-,+,+,N2,-,+,+,N1,R,R1,R1,C,Us,U,2,U,2,U,2,.,第四節(jié) 調(diào)相式測量電路,2、脈沖采樣式調(diào)相電路,.,第四節(jié) 調(diào)相式測量電路,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(shí)現(xiàn)調(diào)相信號的解調(diào)，又稱為相位檢波。 （一）用相敏檢波器或乘法器鑒相 1、乘法器鑒相 uo=KUsmUcm/2cos,(ppt28),.,第四節(jié) 調(diào)相式測量電路,2、用開關(guān)式相敏檢波電路鑒相（ppt37) 3、用相加式相敏檢波電路檢相（ppt38) 為什么常取參考信號的幅值等于調(diào)相信號的幅值？,.,第四節(jié) 調(diào)相式測量電路,（二）通過相位脈寬變換鑒相 1、異或門