测控电路-第3章课件.ppt

《测控电路-第3章课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《测控电路-第3章课件.ppt（76页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第三章第三章 信号调制解调电路信号调制解调电路第一节第一节 调制解调的功用与类型调制解调的功用与类型 1、什么是信号调制？调制就是用一个信号（称为调制信号）去控制另一个做为载体的信号（称为载波信号），让后者的某一特征参数按前者变化。概念：概念：调制信号、载波信号、已调信号调制信号、载波信号、已调信号 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，这一过程称为解调解调。3 3、在测控系统中为什么要采用信号调制？、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在测控系统中，进入测控电路的除了传感器输

2、出的测量信号外，还往往有各种噪声。而传感器的测量信号外，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。信号赋予一定特征，这就是调制的主要功用。4 4、在测控系统中常用的调制方法有哪几种？、在测控系统中常用的调制方法有哪几种？在信号调制中常以一个高频正弦信号作为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、相载波信

3、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，位三个参数，可以对这三个参数进行调制，分别称为分别称为调幅、调频和调相调幅、调频和调相。也可以用脉冲。也可以用脉冲信号作载波信号。可以对脉冲信号的不同特信号作载波信号。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征参数作调制，最常用的是对脉冲的宽度进行调制，称为行调制，称为脉冲调宽脉冲调宽。用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位的信号称为率、相位的信号称为调制信号调制信号。在测控系统中，通常就用测量信号作调制信号。在测控系统中，通常就用测量信号作调制信号。经过调制

4、的载波信号叫经过调制的载波信号叫已调信号已调信号。5 5、什么是调制信号、载波信号、已调信号？、什么是调制信号、载波信号、已调信号？调制是给测量信号赋予一定特征，这个特征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，这个载体称为或脉冲信号作为载体，这个载体称为载波信号载波信号。第二节第二节 调幅式测量电路调幅式测量电路一、调幅原理与方法一、调幅原理与方法（一）（一）1 1、什么是调幅？、什么是调幅？调幅调幅就是用调制信号就是用调制信号x x去控制高频去控制高频载波信号的幅值。常用的是线性调幅，即让调

5、幅信号载波信号的幅值。常用的是线性调幅，即让调幅信号的幅值按调制信号的幅值按调制信号x x的线性函数变化。的线性函数变化。调幅信号的调幅信号的一般表达式一般表达式可写为：可写为：us=(Um+mx)coswcttxOtOucusa)调制信号调制信号b)载波信号载波信号Otc)双边带调幅信号双边带调幅信号 2 2、何谓双边带调幅？写出其数学表达式，画出波形、何谓双边带调幅？写出其数学表达式，画出波形 假假设设调调制制信信号号x x是是角角频频率率为为的的余余弦弦信信号号x x=X Xm mcoscostt，调幅信号可写为：调幅信号可写为：u us s=U Um mcoscosc ct+t+mXm

6、Xm mcos(cos(c c+)t)t+mXmXm mcos(cos(c c)t)t/2/2 它它包包含含三三个个不不同同频频率率的的信信号号:角角频频率率为为c c的的载载波波信信号号和和角角频频率率分分别别为为c c的的上上下下边边频频信信号号。载载波波信信号号中中不不含含调调制制信信号号x x的的信信息息，因因此此可可以以取取U Um m=0=0，只只保保留留两两个个边边频频信信号号。这这种调制称为种调制称为双边带调制双边带调制。其其数学表达式数学表达式为：为：u us s=U Uxmxmcoscostt coscosc ct t 3 3、例题：、例题：在测控系统中被测信号的变化频率为

7、在测控系统中被测信号的变化频率为0 0100Hz100Hz，应怎样，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？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？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为了正确进行信号调制必须要求c c，通常至，通常至少要求少要求c c1010。这样，解调时滤波器能较好地将调制。这样，解调时滤波器能较好地将调制信号与载波信号分开，检出调制信号。若被测信号的信号与载波信号分开，检出调制信号。若被测信号的变化频率为变化频率为0 0100Hz100Hz，则载波信号的频率，则载波信号的频率

8、c c1000 Hz1000 Hz。调幅信号放大器的通频带应为调幅信号放大器的通频带应为9009001100 Hz1100 Hz。信号解。信号解调后，滤波器的通频带应调后，滤波器的通频带应100 Hz100 Hz，即让，即让0 0 100Hz 100Hz的的信号顺利通过，而将信号顺利通过，而将900 Hz900 Hz以上的信号抑制，可选通以上的信号抑制，可选通频带为频带为200 Hz200 Hz。（二）传感器调制（二）传感器调制1 1、为什么在测控系统中常常在传感器中进行信号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，常要求从信号一形为了提高测量信号抗干扰能力

9、，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。成就已经是已调信号，因此常常在传感器中进行调制。调制种类调制种类1.1.传感器调制传感器调制 交流供电交流供电 机械或光学机械或光学2.2.电路调制电路调制 乘法器乘法器 开关电路开关电路 加法电路加法电路提高测量信号抗干扰能力提高测量信号抗干扰能力2 2、通过交流供电实现调制、通过交流供电实现调制如，电阻式传感器、电感式传感器和电容式传感器。如，电阻式传感器、电感式传感器和电容式传感器。R1FR4R2 R3R1R2UoUR3R4应变式传感器输出信调制应变式传感器输出信调制 3、用机械或光学的方法实现调制、用机械或光学的方法实现

10、调制1234567特点：电阻式传感器、电感式传感器和电容式传感器特点：电阻式传感器、电感式传感器和电容式传感器。（三）电路调制（三）电路调制1、乘法器调制、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+12V2、开关电路调制、开关电路调制uxuoUcV2V1Uc uotO Uc OttO ux方波载波：方波载波：方波载波：方波载波：3、信号相加调制、信号相加调制T1+ux -+ux -+uc -VD1i1V

11、D2i2载波信号载波信号t3T2RLi+uo_RP调调制制信信号号本质：开关电路调制本质：开关电路调制二、包络检波电路二、包络检波电路n什么是包络检波？什么是包络检波？从已调信号中检出调制信号的过程称为从已调信号中检出调制信号的过程称为解调解调或或检波检波。幅值。幅值调制就是让已调信号的幅值随调制信号的值变化，因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。这种方法称为出调幅信号的包络线即能实现解调。这种方法称为包包络检波。络检波。n包络检波的基本工作原理是什么？包络检波

12、的基本工作原理是什么？由图可见，只要从图由图可见，只要从图a a所示的调幅信号中，截去它的所示的调幅信号中，截去它的下半部，即可获得图下半部，即可获得图b b所示半波检波后的信号所示半波检波后的信号(经全经全波检波或截去它的上半部也可波检波或截去它的上半部也可)，再经低通滤波，滤，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。络检波就是建立在整流的原理基础上的。usuoOOtta)b)（一）二极管包络检波（一）二极管包络检波 基本电路基本电路VDRLC2Ti+us_+uo_非线性非线性 器件器件

13、低通低通滤波器滤波器C1（二）精密检波电路（二）精密检波电路n为什么要采用精密检波电路？为什么要采用精密检波电路？二极管二极管V VD D和晶体管和晶体管V V都有一定死区电压，即二极管都有一定死区电压，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。二极管导通，它们的特性也是一根曲线。二极管V VD D和晶体和晶体管管V V的特性偏离理想特性会给检波带来误差。为了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，常需采用提高检波精度，常需采用精密检波电路精密检波电路，它又称为，它又称为线性检波电路线性检波电路。

14、1、半波精密检波电路、半波精密检波电路+us 半波整流器半波整流器低通滤波器低通滤波器+usiiCR4uoR1R2R2R3VD1VD2+u i-+N1-+N2+uA+uAA2、全波精密检波电路、全波精密检波电路线性全波检波电路之一线性全波检波电路之一+us 半波整流器半波整流器低通滤波器低通滤波器+usi1CR4uoR1R2R2R3VD1VD2+u i-+N1-+N2R3+uA+uAR4VD1VD2R2R5VD3VD4R3usR1uo-+N1-+N2线性全波检波电路之二线性全波检波电路之二 usuAVD2VD1uoR1R3R4-+N1R2-+N2a)电路图电路图uo=usus0usR2R1R3

15、R4us-+N1-+N2b)正输入等效电路正输入等效电路uo=-usus1调幅式测量电路调幅式测量电路相敏检波电路选频与鉴相相敏检波电路选频与鉴相在实际应用中，多数采用方波作为载波信号：在实际应用中，多数采用方波作为载波信号：结果：结果：u n为偶数时，输出为为偶数时，输出为0，抑制了偶次谐波，抑制了偶次谐波u n为奇数时，输出不为为奇数时，输出不为0，但传递系数随谐波增高而衰减，但传递系数随谐波增高而衰减输入信号角频率与载波信号角频率无倍数关系时：输入信号角频率与载波信号角频率无倍数关系时：结论：结论：结论：相敏检波电路的选频特性是指它对不同频率相敏检波电路的选频特性是指它对不同频率的输入信

16、号有不同的传递特性。的输入信号有不同的传递特性。l以参考信号为基波，所有以参考信号为基波，所有偶次谐波偶次谐波在载波信号的在载波信号的一个周期内平均输出为零，即它有抑制偶次谐波一个周期内平均输出为零，即它有抑制偶次谐波的功能。的功能。l对于对于n n=1,3,5=1,3,5等各等各奇次谐波奇次谐波，输出信号的幅值相应，输出信号的幅值相应衰减为基波的衰减为基波的1/1/n n，即信号的传递系数随谐波次，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数增高而衰减，对高次谐波有一定抑制作用。当输入信号与参考信号同频但有一定相位差时，当输入信号与参考信号同频但有一定相位差时，输出信号的

17、大与相位差有确定的函数关系，可以输出信号的大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，这一特性根据输出信号的大小确定相位差的值，这一特性称为鉴相特性。称为鉴相特性。调幅式测量电路调幅式测量电路相敏检波电路相敏检波电路鉴相特性鉴相特性 a)b)c)d)UctO+ustO+uotO+UctO+UctO+UctO+ustO+ustO+ustO+OtO+OuouotO+uotO相敏检波电路的鉴相特性相敏检波电路的鉴相特性第三节第三节 调频式测量电路调频式测量电路一、调频原理与方法一、调频原理与方法（一）什么是调频？写出调频信号的数学表达式，画出其（一）什么是调频？写出调频信号的数

18、学表达式，画出其波形。波形。调频就是用调制信号调频就是用调制信号x x去控制高频载波信号的频率。常用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的是线性调频，即让调频信号的频率按调制信号x x的线的线性函数变化。性函数变化。调频信号调频信号u us s的一般表达式可写为：的一般表达式可写为：u us s=U Um mcos(cos(w wc c+mxmx)t t xtOOtusa)调制信号调制信号b)调频信号调频信号调频信号的波形调频信号的波形特点：用调制信号特点：用调制信号x x去控制载波信号的频率去控制载波信号的频率421TNS3测力或压力的振弦式传感器测力或压

19、力的振弦式传感器（二）调频方式（二）调频方式u传感器调制传感器调制传感器调制传感器调制l振弦式传感器振弦式传感器振弦式传感器振弦式传感器l多普勒效应多普勒效应多普勒效应多普勒效应u电路调制电路调制电路调制电路调制l振荡器振荡器振荡器振荡器l压频转换器压频转换器压频转换器压频转换器LCTC1C2+Ec电路调制电路调制1、电容三点式、电容三点式LC振荡器调频电路振荡器调频电路调制方式：改变调制方式：改变LC振荡器中参数振荡器中参数L或或C2、多谐振荡器调频电路、多谐振荡器调频电路uo-+NCR310k 5k 10k R1RRPR4VS15k 30k 10k R2+FUruuouc+Ur-Ur-FU

20、rOtT2T1T0a)b)二、鉴频电路二、鉴频电路什么是鉴频？什么是鉴频？对调频信号实现解调，从调频信号中检出反映被测量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变化的调制信号称为频率解调频率解调或或鉴频鉴频。（一）微分鉴频（一）微分鉴频1、工作原理、工作原理将调频信号将调频信号us=Umcos(wc+mx)t 对对t求导数得到求导数得到-Um(wc+mx)sin(wc+mx)t这这一一调频调幅信号。利用包络调频调幅信号。利用包络检波检出其幅值变化，即可得到含有调制信号的信检波检出其幅值变化，即可得到含有调制信号的信息息 Um(wc+mx)。1、微分鉴频电路、微分鉴频电路

21、C1uousVDVRLC2+Ec-ieic微微分分网络网络包络包络检波检波C1usud+r+-数学原理：数学原理：特点：灵敏度较低，已经很少使用特点：灵敏度较低，已经很少使用2、窄脉冲鉴频电路、窄脉冲鉴频电路usuoOc)tttOOb)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条件：3 3、斜率鉴频、斜率鉴频us+us1us2fo1fo2RLRLuo1uo2uoVD2VD1TC1C2c)d)e)f)usUsmus1us2uooooottttuo1uo2uof=fc+fmsint回路回路2回路回路1fo2fo1 fo fofcofc f

22、m调调 频频 波波 瞬瞬时时 频频 率率 变变化化tffCpusUU计数器锁存器清零DG&SRQDZDS原因原因：某些测控系统中，并不一定要恢复原调制信：某些测控系统中，并不一定要恢复原调制信号，只要能把代表被测量的信息要检出即可。号，只要能把代表被测量的信息要检出即可。测量频率两种方法：测量频率两种方法：l测量一段时间内周期数测量一段时间内周期数l时钟插补时钟插补4、数字式频率计、数字式频率计5、相位鉴频、相位鉴频L1C2usE0U1C1MC0L2VD1放大U22U22L3VD2RLU1Cuo1uo2uo耦合网络平衡叠加型鉴相器U2RLCI1U2EI2U16、比例鉴频、比例鉴频U5L1C2u

23、sE0U1C1MC0L2VD1放大U22U22L3VD2RLCU3auo耦合网络U2R1C3C4C5R2U4bU1a)b)c)U3U4U22_U3U4U3U4U22_U1U1U1_U22U22U22U22第四节第四节 调相式测量电路调相式测量电路一、调相原理与方法一、调相原理与方法（一）什么是调相？写出调相信号的数学表达式，画出（一）什么是调相？写出调相信号的数学表达式，画出其波形。其波形。调相调相就是用调制信号就是用调制信号x x去控制高频载波信号的相位。常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用的是线性调相，即让调相信号的相位按调制信号x x的线性函数变化

24、。的线性函数变化。调相信号调相信号u us s的的一般表达式一般表达式可写为：可写为：u us s=U Um mcos(cos(w wc c t t +mxmx)xOucusa)b)c)ttt OO角度调制角度调制角度调制角度调制特点：调相与调频的相似性特点：调相与调频的相似性调相信号波形调相信号波形数学原理数学原理（二）传感器调制（二）传感器调制13245M扭矩测量扭矩测量 XY21a)aabWB12VP1VPnYO b)NS1S2SnVP1VP2VP3VPn莫尔条纹信号的调制莫尔条纹信号的调制（三）电路调制（三）电路调制1、调相电桥、调相电桥-+N2-+N1RR1R1CUsU2U2U2-特

25、点：变压器制作麻烦，体积较大，可用运算放大器代替变特点：变压器制作麻烦，体积较大，可用运算放大器代替变 压器压器2、脉冲采样式调相电路、脉冲采样式调相电路U0门限检门限检测电路测电路脉冲发脉冲发 生器生器载波载波频率频率锯齿波锯齿波发生器发生器输输出出调调相相脉冲脉冲ujux+a)UcususOttOujtOuj=kux+ujtOuxb)d)c)e)UcU0二、鉴相电路二、鉴相电路鉴相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，实现调相信号的解调，又称为相位检波相位检波。常用鉴相方法常用鉴相方法:u乘法器鉴相乘法器鉴相乘法器鉴相乘法器鉴相u相敏检波鉴相相敏检波鉴相相敏检波鉴相相敏检波

26、鉴相u相位脉宽变相鉴相相位脉宽变相鉴相相位脉宽变相鉴相相位脉宽变相鉴相u脉冲采样式鉴相脉冲采样式鉴相脉冲采样式鉴相脉冲采样式鉴相（一）用相敏检波器或乘法器鉴相（一）用相敏检波器或乘法器鉴相1、乘法器鉴相、乘法器鉴相ucusuoxyKxyN乘法器鉴相乘法器鉴相特点：信号受调相信号和参考信号幅值的影响特点：信号受调相信号和参考信号幅值的影响特点：信号受调相信号和参考信号幅值的影响特点：信号受调相信号和参考信号幅值的影响2、用开关式相敏检波电路鉴相、用开关式相敏检波电路鉴相3、用相加式相敏检波电路检相、用相加式相敏检波电路检相例题：当相敏检波电路在用于调幅信号的解调和用于鉴相时，对要求参考信号uc

27、的幅值 各有什么要求。=。在用于调幅信号的解调时，要求参考信号在用于调幅信号的解调时，要求参考信号uc 的幅值的幅值远大于调幅信号调幅信号us 的幅值的幅值，使开关器件的通断完全由参考信号决定；使开关器件的通断完全由参考信号决定；而在用于调相信号的解调时常取而在用于调相信号的解调时常取。（二）通过相位（二）通过相位脉宽变换鉴相脉宽变换鉴相1、异或门鉴相、异或门鉴相a)UCUSDG1=1=1Uod)-2-0 N,uo2 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清零零UCDG1=1 1&NUCUSOO ttUo0t2、RS触发器鉴相触发器鉴相a)QQS

28、RUcUsc)N,uo02221ttttb)OOBQUsUcuoOUcUsOO t3、脉冲采样式鉴相、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采样样保保 持持滤波器滤波器Ucuj UcUsue)tOa)b)c)d)UcOttOUstOujtOuuo各种鉴相方法比较各种鉴相方法比较（精度、误差因素、鉴相范围）（精度、误差因素、鉴相范围）影响鉴相误差的主要因素有：影响鉴相误差的主要因素有：非线性、信号幅值、占空比、门非线性、信号幅值、占空比、门电路与时钟脉冲频率等电路与时钟脉冲频率等。RS触发器鉴相触发器鉴相精度最高，线性好，对精度最高，线性好，对Us和和Uc的占空比没有要求。的占空比

29、没有要求。鉴相范围接近鉴相范围接近2。相敏检波器或乘法器鉴相相敏检波器或乘法器鉴相原理上有非线性，信号幅值影响鉴相原理上有非线性，信号幅值影响鉴相误差。误差。鉴相范围为鉴相范围为/2。脉冲采样鉴相脉冲采样鉴相中锯齿波的非线性影响鉴相误差。中锯齿波的非线性影响鉴相误差。鉴相范围接近鉴相范围接近2。异或门鉴相异或门鉴相中占空比影响鉴相误差。中占空比影响鉴相误差。鉴相范围为鉴相范围为0-。通过相位通过相位脉宽变换鉴相脉宽变换鉴相时门电路的动作时间与时钟脉冲频率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。误差对精度有影响，但一般误差较小。第五节第五节 脉冲调制式测量电路脉冲调制式

30、测量电路一、脉冲调制原理与方法一、脉冲调制原理与方法（一）什么是脉冲调宽？写出脉冲调宽信号的数学表达什么是脉冲调宽？写出脉冲调宽信号的数学表达式，画出其波形。式，画出其波形。脉脉冲冲调调制制是是指指用用脉脉冲冲作作为为载载波波信信号号的的调调制制方方法法。在在脉脉冲冲调制中具有广泛应用的一种方式是脉冲调宽。调制中具有广泛应用的一种方式是脉冲调宽。脉冲调宽的数学表达式为脉冲调宽的数学表达式为：B=b+mxUa)调制信号调制信号b)脉冲调宽信号脉冲调宽信号txOxTBtO（二）传感器调制（二）传感器调制12435 67910118M用激光扫描的方法测量工件直径用激光扫描的方法测量工件直径（三）电路

31、调制1、参量调宽、参量调宽R2RP3VD1RP2R4VD2RP1CuCuoVSR3-+NR1R2、R3为差动电阻传感器的两臂，为差动电阻传感器的两臂，R2+R3为一常量，输为一常量，输出信号的频率不变，而占空比随出信号的频率不变，而占空比随R2、R3的值而变化。的值而变化。电阻变化调制电阻变化调制2、电压调宽、电压调宽uCuR3R4CR2RR1uxVSuou+-+N二、脉冲调制信号的解调二、脉冲调制信号的解调脉冲调宽信号的解调主要有哪些方式？脉冲调宽信号的解调主要有哪些方式？l一种是将脉宽信号一种是将脉宽信号Uo 送入一个低通滤波器，滤波后的送入一个低通滤波器，滤波后的输出输出uo 与脉宽与脉宽B成正比。成正比。l另一种方法是另一种方法是Uo 用作门控信号，只有当用作门控信号，只有当Uo 为高电平为高电平时，时钟脉冲时，时钟脉冲Cp才能通过门电路进入计数器。这样进才能通过门电路进入计数器。这样进入计数器的脉冲数入计数器的脉冲数N与脉宽与脉宽B 成正比。两种方法均具成正比。两种方法均具有线性特性有线性特性。思考题1：已知来自传感器的调整信号的波形，画出载波波形、双边带调幅波形、包络检波波形、半波相敏检波波形、全波相敏检波波形。思考题2：各种检波电路中，一般在输出环节都有低通滤波器，分别说明低通滤波器在各种检波电路的作用。