09-10测控电路chapter03.ppt

第三章信号调制解调电路,1、什么是信号调制调制就是用一个信号（称为调制信号）去控制另一个作为载体的信号（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。,3、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。,调幅、调频和调相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。脉冲调宽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。,4、在测控系统中常用的调制方法有哪几种,用来改变载波信号某一参数，如幅值、频率、相位的信号,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。,5、什么是调制信号、载波信号、已调信号,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。,调制信号,载波信号,已调信号,3.1调幅式测量电路,调幅用调制信号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。,一、调幅原理与方法,1、调幅信号一般表达式可写为,如下图为调幅信号的波形,假设调制信号x为余弦信号调幅信号可写为,何谓双边带调幅,其数学表达式为,即双边带调制可以用调制信号与载波信号相乘来实现。,包含三个不同频率的信号1角频率为ωc的载波信号2角频率分别为ωcΩ的上下边频信号。滤去，保留边频信号,这种调制称为双边带调制。,,波形如下图,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,为了正确进行信号调制必须要求ωcΩ，通常至少要求ωc10Ω。,若被测信号的变化频率为0100Hz，则载波信号的频率ωc1000Hz。,调幅信号放大器的通频带应为9001100Hz。,信号解调后，滤波器的通频带应100Hz，即让0100Hz的信号顺利通过，而将900Hz以上的信号抑制，可选通频带为200Hz。,2、传感器调制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。,（1）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。,电桥输出,（2）用机械或光学的方法实现调制,1被测件2---调制盘3、6----光栏4---激光器5----滤光片7---光电元件,通过光散射测表面粗糙度,3、电路调制,（1）乘法器调制,（2）开关电路调制,互为反相,V1导通,V2截止,U0Ux,V1截止,V2导通,U00,方波载波信号按傅里叶级数展开,,,,,将与输入信号相乘后，用带通滤波器滤去低频信号与高频信号及更高次谐波后，得到相乘调制信号。,归一化的方波载波信号按傅立叶级数展开可写为,（3）信号相加调制,通过两个二极管的电流分别为,,,双边调幅波,滤去低频,滤去高频3ωc,,,,,,通过滤波，滤除角频率为的低频信号与角频率为及更高频率的高频信号后，就可以得到双边带调幅信号。,二、包络检波电路,什么是包络检波解调或检波从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波包络检波幅值调制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。,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。,1、二极管与三极管包络检波（1）基本电路,信号频率高，XL小，uo小，高频信号滤去,信号频率低，XL大，uo大，低频信号通过,负半周导通,us负半周，V导通,,us正半周，V截止。,工作原理与二极管电路相同,区别晶体管电路中的信号经过放大,（2）峰值检波与平均值检波,输出电压接近us在一个载波信号周期内的峰值,峰值检波,流经电阻RL的电流等于载波信号一个周期ic的平均值,平均值检波,2、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。,（1）半波精密检波电路,us正半周，Nl输出低电平，因此VD1导通、VD2截止，A点接近于虚地，uA≈0。,us在负半周，uA有输出。,运算放大器的输入阻抗远大于R2，则i≈-i1。,i≈-i1,解方程组,开环放大倍数Kd很大,不受二极管死区影响,VD1防止因VD2截止使N1饱和。,N2，R3，R4，C构成低通滤波器,低频信号，C接近开路，增益高频信号，C接近短路，,平均值检波,（2）全波精密检波电路,线性全波检波电路之一,在不加电容器C时,N2组成相加放大器,取,,N1反相放大器，N2为跟随器,us0时，VDl、VD4导通，VD2、VD3截止,u0us跟随器N2作用,us0时，VDl导通、VD2截止，等效电路图b,N2的同相输入端与反相输入端输入相同信号，得到u0us,线性全波检波电路之三,usFUr时,FR4／R3R4N的状态翻转，使uo-Ur,-Ur通过RRP对电容C反向充电，当电容C上的充电电压uc鉴别电压，鉴别器翻转，单稳输出脉冲，频率越高，单稳输出脉冲越多，滤波后，输出的电压越高，将频率变化转换为电压变化。,,为的最高瞬时频率为的最大值,为避免发生混叠现象，要求单稳的脉宽,（二）斜率鉴频,调频信号送到变化的幅频特性网络，可得到调频调幅信号,两个调谐回路的固有频率f01、f02分别比载波频率fc高和低△f，,VD1、VD2用作包络检波，电容C1、C2滤除高频载波信号，两个RL为负载电阻,随着输入信号us的频率变化，回路1的输出us1和回路2的输出us2如图所示。,回路1的输出灵敏度，即单位频率变化引起的输出信号幅值变化△Um／△ω随着频率升高而增大，而回路2的输出灵敏度随着频率升高而减小。,（三）数字式频率计,3.3调相式测量电路,一、调相原理与方法,表达式----调相信号us的一般可写为,调相----用调制信号x去控制高频载波信号的相位。,线性调相----调相信号的相位按调制信号x的线性函数变化。,,,,,c,调制信号,载波信号,调相信号,调相信号与载波信号相位差随x变化,当x0时，则超前于载波信号。实际上调相信号的瞬时频率也在不断变化,瞬时频率,,调相和调频都使载波信号的总相角受到调制，所以统称为角度调制。,（二）传感器调制,扭矩测量原理,弹性轴l上装两个相同齿轮2与5；齿轮2与轴1一起转动传感器3和4产生感应电动势扭矩M的作用，轴l产生扭转传感器4感应电动势为一调相信号，它和传感器3的感应电动势的相位差与扭矩M成正比,感应式扭矩传感器,1弹性轴,2、5齿轮,3、4传感器,莫尔条纹信号的调制,指示光栅,标尺光栅,a莫尔条纹形成原理,b光通量波形,c光电元件的排列,d调制信号的形成,,莫尔条纹信号的调制,两块栅距相同的光栅1、2，当其刻线面互相靠近，其刻线方向相交成很小的夹角θ时，形成亮暗交替的莫尔条纹。光通量Φ变化的曲线如图b所示当标尺光栅1沿x方向移动时，莫尔条纹沿Y方向移动。如果沿Y方向在莫尔条纹宽度B范围内放置许多光电元件VPl～VPn，那么VPl～VPn将输出不同相位的信号。,（三）电路调制1、调相电桥,变压器T二次侧形成电势U，电桥两臂不同性质阻抗元件C电容式传感器电容，R为固定电阻；或C为固定电容，R为电阻式传感器电阻。,由于电容C上的压降Uc和电阻R上的压降UR相位差90度,当传感器的电阻或电容变化时，输出电压矢量Us的末端在以O为圆心、以U／2为半径的半圆上移动,的幅值不变，其相位随传感器的电阻或电容变化，输出调相信号。,,调相放大器,由于变压器制作麻烦，体积较大，可用运算放大器代替变压器。,下图靠运算放大器形成两个幅值相同、极性相反的电压,2、脉冲采样式调相电路,二、鉴相电路,鉴相---从调相信号中将反映被测量变化的调制信号检出来，实现调相信号的解调，又称为相位检波。,1、乘法器鉴相,,,乘法器的输出送入低通滤波器滤除由于载波信号引起的高频成分，低通滤波相当于求平均值，,输出电压,,,输出信号随相位差的余弦而变化,