第三章信號調(diào)制解調(diào)電路-8學(xué)時

【掌握】雙邊帶調(diào)幅信號（表達(dá)式、波形及載波信號頻率與調(diào)制信號頻率間的關(guān)系）；【了解】幾種調(diào)幅方法以及包絡(luò)檢波；【理解】精密檢波電路作用；【掌握】相敏檢波電路（特點、與包絡(luò)檢波電路的比較、相敏檢波電路的選頻特性和鑒相特性）；【掌握】調(diào)頻及鑒頻方法、頻率計工作原理；【掌握】調(diào)相及鑒相方法；【掌握】脈寬調(diào)制及解調(diào)方法；第三章信號調(diào)制解調(diào)電路

1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)制就是用一個信號（稱為調(diào)制信號）去控制另一個作為載體的信號（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)。23、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。34、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。

45、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。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(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。

5第二節(jié)調(diào)幅式測量電路一、調(diào)幅原理與方法（一）1、什么是調(diào)幅？寫出調(diào)幅信號的數(shù)學(xué)表達(dá)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(dá)式可寫為：us=(Um+mx)cosωct(3-1)

672、何謂雙邊帶調(diào)幅？寫出其數(shù)學(xué)表達(dá)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(dá)式為：us=UxmcosΩt

cosωct8tuxOtOucusOtus=UxmcosΩt

cosωct雙邊帶調(diào)幅信號9調(diào)幅信號峰值與載波信號的頻率間關(guān)系101-調(diào)制信號Ω2-載波信號ωc=nΩ3、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？

為正確調(diào)制，要求ωc>>Ω。通常要求ωc>10Ω，保證解調(diào)時濾波器能較好地將調(diào)制信號與載波信號分開，并保證調(diào)制解調(diào)精度。被測信號變化頻率為0~100Hz，則載波信號頻率ωc>1000Hz。調(diào)幅信號放大器的通頻帶應(yīng)為900~1100Hz。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。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(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。

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133、用機(jī)械或光學(xué)的方法實現(xiàn)調(diào)制Ψθθ123456714（三）電路調(diào)制1、乘法器調(diào)制a)原理圖ucuxuoxyKxyb)實用電路3.3kΩ0.1μFuo-8V47kΩ0.1μF1kΩ0.1μF51Ω750Ω1410161kΩ38MC14961kΩ3.3kΩ750Ω1kΩ680kΩ20μF20μFuc1kΩ21254ux+12V152、開關(guān)電路調(diào)制uouxUcV2V1Uc

uotO

Uc

OttO

ux163、信號相加調(diào)制T1+

ux-+ux

-+uc-VD1i1VD2i2載波信號T3T2RLi3+uo_RP調(diào)制信號17二、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？usuo'OOtta)b)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)。包絡(luò)檢波就是建立在整流的原理基礎(chǔ)上的。

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202、峰值檢波與平均值檢波a)二極管iiθUsmωctωctuuo0us=usmcosωct02πimaxπ0uo0tωctb)晶體管iθ0ube0Usmus=usmcosωcti0θIcicmaxωctuo0tπ2π21（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；二極管VD和晶體管V的工作特性是非線性曲線；二極管VD和晶體管V若偏離理想特性給檢波帶來誤差；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。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’AAR2232、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’AA線性全波檢波電路之一若取R1=R2，R’3=2R324

uoR4VD1VD2R2R5VD3VD4R3usR1∞-++N1∞-++N2線性全波檢波電路之二若取R1=R425

uousuAVD2VD1R1R3R4∞-++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若取R1=R2=R3=R4/2261、為什么要采用相敏檢波？包絡(luò)檢波有兩個問題：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。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。

三、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。其機(jī)理是將輸入信號與頻率與載波信號相同的參考信號相乘，再通過濾波將高頻載波濾除，提取調(diào)制信號。相敏檢波電路的特點：除了需要解調(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)幅信號有相同的頻率，通常采用載波信號做參考信號；調(diào)制信號：雙邊帶調(diào)幅信號：再乘以載波信號：283、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？在功能上：相敏檢波電路——鑒別調(diào)制信號相位——判別被測量變化的方向；具有選頻的能力——提高測控系統(tǒng)的抗干擾能力；包絡(luò)檢波電路不具有上述功能。從電路結(jié)構(gòu)上：相敏檢波電路——需解調(diào)的調(diào)幅信號+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。294、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？

調(diào)制信號ux×幅值為1的載波信號=雙邊帶調(diào)幅信號us；us×載波信號--低通濾波后得調(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：低頻調(diào)制信號×高頻載波信號=高頻調(diào)幅信號相敏檢波器：高頻調(diào)幅信號×高頻載波信號--濾波后輸出低頻解調(diào)信號。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。

30（二）常用相敏檢波電路1、乘法器式相敏檢波電路ucusuoxyKxyN0.1μF47kΩ0.1μF1kΩ0.1μF51Ω910Ω-8V1410161kΩ38MC14961kΩ3.3kΩ3.3kΩ910Ω1kΩ6.8kΩ0.1μFuc1kΩ0.01μF+12V21254uo∞-++N20kΩ20kΩ10kΩ10kΩ200kΩRCRC0.01μF200kΩF007us312、開關(guān)式相敏檢波電路tuoOu’oOtucOtusOtuxOtusuoUcV2V1Uc32uousUcRVRR∞-++Na)uousR2R3R1R6R4R5V1UcV2∞-++NUcb)UcOtusOtuoOtc)UcOtuoOtusOtd)開關(guān)式全波相敏檢波電路Uc與us同相Uc與us反相333、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34uc2uc1C0usC1R4R1VD3VD2VD1R3R2R5RPVD4PucTI4I3R4VD4+–+–VD3+_uc1uc2usR3–C0+ucTRPR1VD1+–+–VD2+_i1i2uc1uc2usC1R2R5P–C0+ucT35

uc2uc1CR5PR4R1VD3VD2VD1R3R2VD4usTuous1us2+–+++–––T2ucVD1T2R1++–VD2_i1i2uc1uc2+uoCR2P–us1+usT1i2-i1R5_ucucVD4T1R4+–+VD3_I4i3uc1uc2+uoCR3T2P–us2+R5_i4-i3us364、精密整流型相敏檢波電路CR4uoR1R’2R2R3Uc∞-++N1∞-++N2R’3V1V2uAUcus375、脈沖箝位式相敏檢波電路ttuottttttR2R1CVusuoUc′∞-++NUcDsAuA,uousOOuAUc′OUcOuA,uousOOuAuoUcOUc′O38（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。參考信號為基波，相敏檢波再經(jīng)低通濾波得到的電壓為調(diào)制信號的一半；若輸入有高次諧波干擾，相敏檢波再經(jīng)濾波輸出為0；若參考信號取方波，則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。39

b)a)c)usustOuotO++––++––UctOuotO–+++tO+–tUcO+–ustOuotO+++–––++++––tO+–Uc相敏檢波電路的選頻特性n=1n=2n=3402、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=Usmcos∮/2，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。

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a)b)c)d)UctO+–ustO–+uotO++UctO+–UctO+–UctO+–ustO–+ustO–+ustO–++OtO–++O–uouotO–++–uotO––相敏檢波電路的鑒相特性0o180o90o30o42（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++15VRP5P調(diào)幅式電感測微儀電路43

光電顯微鏡瞄準(zhǔn)原理txtOtOtxΦ,uOOΦ,ux21a)b)c)工作原理瞄準(zhǔn)狀態(tài)瞄偏狀態(tài)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(dá)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(dá)式可寫為：us=Umcos(wc+mx)t

45

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47（三）電路調(diào)制1、電容三點式LC振蕩器調(diào)頻電路LCTC1C2+Ec482、多諧振蕩器調(diào)頻電路uo∞-++NCR310k5k10kR1RRPR4VS15k30k10kR2+FUruuouc+Ur-Ur-FUrOtT2T1T0a)b)49二、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。（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)。502、微分鑒頻電路C1uousVDVRLC2+Ec-ieic微分網(wǎng)絡(luò)包絡(luò)檢波C1usud+r++---513、窄脈沖鑒頻電路uoOc)ustttOOτb)a)UsˊuoUs放大與電平鑒別器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

低通濾波器usUsˊ52（二）斜率鑒頻us+–us1us2fo1fo2RLRLuo1uo2uoVD2VD1TC1C2c)d)e)f)usUsmus1us2uooooottttuo1-uo2uo回路2回路1fo2fo1fofofcof=fc+fmsinΩtfcfm調(diào)頻波瞬時頻率變化Ωtff53（三）相位鑒頻I1L1C2usE0U1C1MC0L2VD1放大U22U22L3VD2RLU1Cuo1uo2uo耦合網(wǎng)絡(luò)平衡疊加型鑒相器U2RLCˊU2EΦI2U1ˊ54（四）比例鑒頻U5L1C2usE0U1C1MC0L2VD1放大U22U22L3VD2RLCU3auo耦合網(wǎng)絡(luò)U2R1C3C4C5R2U4bU1ˊa)b)c)U3U4U22_U3U4U3U4U22_U1ˊU1ˊU1ˊ_U22U22U22U2255（五）數(shù)字式頻率計CpusUU′計數(shù)器鎖存器清零DG&SRQDZDS56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(wct

+mx)57

a)b)c)txOttucusOO58（二）傳感器調(diào)制13245M扭矩測量59

XY21a)aabWB12VP1VPnYOb)NS1S2SnVP1VP2VP3VPn莫爾條紋信號的調(diào)制60（三）電路調(diào)制1、調(diào)相電橋oURUCUsUUCURUTRCUs∞-++N2∞-++N1RR1R1CUsU2U2U2-612、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)U'cU062二、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。ucusuoxyKxyN（一）用相敏檢波器或乘法器鑒相1、乘法器鑒相(ppt31)uo=KUsmUcm/2cos∮

632、用開關(guān)式相敏檢波電路鑒相（ppt32)3、用相加式相敏檢波電路鑒相（ppt34)為什么常取參考信號的幅值等于調(diào)相信號的幅值？b)a)Us-UsU1UcU2Ψ1Ψ2φ-ππ2_π2π0Ψuo64（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)UcUsOOtuotUotOB652、RS觸發(fā)器鑒相a)QQSRUs’Uc’c)N,uoφ0π2π21ttttb)OOBQUsUcuoOU/cU/sOOt66