第3章信號(hào)調(diào)制與解調(diào)

第3章信號(hào)調(diào)制解調(diào)電路3.1調(diào)幅式測(cè)量電路及其應(yīng)用3.2調(diào)頻式測(cè)量電路3.3調(diào)相式測(cè)量電路3.4脈沖調(diào)制式測(cè)量電路在非電量測(cè)量?jī)x器中，對(duì)被測(cè)非電量信號(hào)，一般具有較低的頻譜，常在零頻(直流)到幾十kHz范圍內(nèi)變化。當(dāng)被測(cè)信號(hào)比較弱時(shí)，在信號(hào)傳送過(guò)程中，易受其它同頻信號(hào)干擾，如易受工頻干擾及直流放大的低頻噪聲與直流漂移等影響，不宜采用直接放大的形式，經(jīng)常采用調(diào)制——解調(diào)方法，提高電路的抗干擾能力、傳輸能力及有效地提高信噪比。

調(diào)制——解調(diào)的作用在于某種調(diào)制方法，將原始的低頻信號(hào)頻譜調(diào)制到另一個(gè)具有高頻的頻譜上。經(jīng)調(diào)制后的高頻調(diào)制波，具有原始輸入信號(hào)的全部信息，再經(jīng)過(guò)有效的交流放大后，使被調(diào)波信號(hào)增強(qiáng)，然后采用解調(diào)技術(shù)，又從調(diào)制波中解調(diào)出原始的輸入信號(hào)來(lái)，這時(shí)的信號(hào)已經(jīng)是放大了的輸入信號(hào)。由于調(diào)制——解調(diào)方法是將低頻信號(hào)的傳送變?yōu)楦哳l信號(hào)的放大傳送，它將有效的抑制了低頻干擾和直流漂移。調(diào)制和解調(diào)都能引起信號(hào)頻率的變化，電子學(xué)常把調(diào)制與解調(diào)看成頻率變換電路。調(diào)制的頻率變換是由低頻變高頻的過(guò)程。解調(diào)的頻率變換是由高頻變低頻的過(guò)程。調(diào)制是將原始輸入的低頻模擬信息及其時(shí)間變化、載荷到高頻的載波的待征參量之上。如振幅、頻率、相位及脈沖、形成振幅調(diào)制；頻率調(diào)制；相位調(diào)制以及脈沖調(diào)制，使其隨原始輸入信息發(fā)生改變。

將測(cè)量信號(hào)從含有噪聲的信號(hào)中分離出來(lái)測(cè)量是電路的一項(xiàng)重要功用。1.什么是信號(hào)調(diào)制？調(diào)制就是用一個(gè)信號(hào)（稱為調(diào)制信號(hào)）去控制另一個(gè)做為載體的信號(hào)（稱為載波信號(hào)），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(cè)量信號(hào)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(hào)中提取反映被測(cè)量值的測(cè)量信號(hào)，這一過(guò)程稱為解調(diào)。

3.在測(cè)控系統(tǒng)中為什么要采用信號(hào)調(diào)制？

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

4.在測(cè)控系統(tǒng)中常用的調(diào)制方法有哪幾種？

在信號(hào)調(diào)制中常以一個(gè)高頻正弦信號(hào)作為載波信號(hào)。一個(gè)正弦信號(hào)有幅值、頻率、相位三個(gè)參數(shù)，可以對(duì)這三個(gè)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(hào)作載波信號(hào)?？梢詫?duì)脈沖信號(hào)的不同特征參數(shù)作調(diào)制，最常用的是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，稱為脈沖調(diào)寬。5.什么是調(diào)制信號(hào)、載波信號(hào)、已調(diào)信號(hào)？調(diào)制是給測(cè)量信號(hào)賦予一定特征，這個(gè)特征由作為載體的信號(hào)提供。常以一個(gè)高頻正弦信號(hào)或脈沖信號(hào)作為載體，這個(gè)載體稱為載波信號(hào)。用來(lái)改變載波信號(hào)的某一參數(shù)，如幅值、頻率、相位的信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)。在測(cè)控系統(tǒng)中，通常就用測(cè)量信號(hào)作調(diào)制信號(hào)。經(jīng)過(guò)調(diào)制的載波信號(hào)叫已調(diào)信號(hào)。3.1調(diào)幅式測(cè)量電路3.1.1調(diào)幅原理與方法一、調(diào)幅信號(hào)的一般表達(dá)式1.什么是調(diào)幅？寫(xiě)出調(diào)幅信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，畫(huà)出其波形。

調(diào)幅就是用調(diào)制信號(hào)x去控制高頻載波信號(hào)的幅值。常用的是線性調(diào)幅，即讓調(diào)幅信號(hào)的幅值按調(diào)制信號(hào)x的線性函數(shù)變化。調(diào)幅信號(hào)的一般表達(dá)式可寫(xiě)為：

us=(Um+mx)cosωct

ωc——載波信號(hào)角頻率；Um——調(diào)幅波中載波信號(hào)的幅值；

m——調(diào)制的靈敏度；x——調(diào)制信號(hào)。

txOtOucusa)調(diào)制信號(hào)b)載波信號(hào)Otc)雙邊帶調(diào)幅信號(hào)2.何謂雙邊帶調(diào)幅？寫(xiě)出其數(shù)學(xué)表達(dá)式，畫(huà)出波形

設(shè)調(diào)制信號(hào)x(t)是角頻率為Ω的余弦信號(hào)x(t)=XmcosΩt，由式（4-1）調(diào)幅信號(hào)可寫(xiě)為：

它包含三個(gè)不同頻率的信號(hào):角頻率為ωc的載波信號(hào)和角頻率分別為ωc±Ω的上下邊頻信號(hào)。載波信號(hào)中不含調(diào)制信號(hào)x的信息，因此可以取Um=0，只保留兩個(gè)邊頻信號(hào)。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

cosωct對(duì)于雙邊帶調(diào)制：

雙邊帶調(diào)制可用乘法器實(shí)現(xiàn)，稱為相乘調(diào)制。相乘調(diào)制常用電路實(shí)現(xiàn)。常用的串并聯(lián)調(diào)制器實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)相乘調(diào)制器。在輸入端加入測(cè)量信號(hào)Ux，T1

、T2是兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān),在它們的柵極分別加入高頻方波信號(hào)。經(jīng)過(guò)調(diào)制，輸入信號(hào)Ux

，與幅值按1、0變化的載波信號(hào)相乘。如下圖所示：3.在測(cè)控系統(tǒng)中被測(cè)信號(hào)的變化頻率為0~100Hz，應(yīng)怎樣選取載波信號(hào)的頻率？應(yīng)怎樣選取調(diào)幅信號(hào)放大器的通頻帶？信號(hào)解調(diào)后，怎樣選取濾波器的通頻帶？

為了正確進(jìn)行信號(hào)調(diào)制必須要求ωc>>Ω，通常至少要求ωc>10Ω。這樣，解調(diào)時(shí)濾波器能較好地將調(diào)制信號(hào)與載波信號(hào)分開(kāi)，檢出調(diào)制信號(hào)。若被測(cè)信號(hào)的變化頻率為0~100Hz，則載波信號(hào)的頻率ωc>1000Hz。調(diào)幅信號(hào)放大器的通頻帶應(yīng)為900~1100Hz。信號(hào)解調(diào)后，濾波器的通頻帶應(yīng)大于100Hz，即讓0~100Hz的信號(hào)順利通過(guò)，而將900Hz以上的信號(hào)抑制，可選通頻帶為200Hz。

2.傳感器調(diào)制(1)

為什么在測(cè)控系統(tǒng)中常常在傳感器中進(jìn)行信號(hào)調(diào)制？為了提高測(cè)量信號(hào)抗干擾能力，常要求從信號(hào)一形成就已經(jīng)是已調(diào)制的信號(hào)，因此常常在傳感器中進(jìn)行調(diào)制。(2)通過(guò)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。R1FR4R2

R3R1R2UoUR3R4應(yīng)變式傳感器輸出信號(hào)的調(diào)制

3.電路調(diào)制(1)乘法器調(diào)制Kxya)原理圖ucuxuoxyb)實(shí)用電路

-8V47kΩ0.1μF1kΩ0.1μF51Ω1410161kΩ38MC14961kΩ3.3kΩ3.3kΩ750Ω1kΩ680kΩ20μF20μFuc1kΩ0.1μF21254uoux+12V(2)開(kāi)關(guān)電路調(diào)制（前已述及）uxuoUcV2V1Uc

uotO

Uc

OttO

ux(3)信號(hào)相加調(diào)制在線性電路中，兩個(gè)不同頻率的信號(hào)相加，不會(huì)得到第三個(gè)頻率的信號(hào)，從而也就不能進(jìn)行調(diào)制。為了獲得頻率變換，必須在電路中加入非線性器件。下圖是一個(gè)典型的相加型調(diào)幅電路。為了提高調(diào)制線性，電路要求Ucm>>Uxm,這時(shí)二極管D1和D2受uc控制,工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

i

l＝(uc+ux)K(ωct

)／ri2＝(uc-ux)K(ωct)／r式中r為二極管的內(nèi)阻與負(fù)載RL折合到原邊的等效電阻之和。K(ωct)為歸一化的方波信號(hào)展開(kāi)系數(shù)。T1+ux

-+ux

-+uc

-VD1i1VD2i2載波信號(hào)T3T2RLi3+uo_RP調(diào)制信號(hào)

相加型調(diào)幅電路由上兩式得式中n3為變壓器的變比。從上式看到，相加型調(diào)幅電路的輸出中信號(hào)的分量與相乘電路是相同的。這一點(diǎn)是容易理解的。在相乘電路中，T1

、T2起開(kāi)關(guān)作用，即起乘0、1方波信號(hào)的作用。相加電路中，D1、D2同樣起開(kāi)關(guān)作用，起乘0、1方波信號(hào)的作用。所不同的是加到開(kāi)關(guān)上的僅是調(diào)制信號(hào)ux，UC僅起控制開(kāi)關(guān)通斷的作用。因?yàn)橹挥幸粋€(gè)信號(hào)加到開(kāi)關(guān)上與0、1方波信號(hào)相乘，故稱相乘型調(diào)幅電路。而相加型電路的ux與uc同時(shí)加到開(kāi)關(guān)上，故稱相加型調(diào)幅電路。3.1.2包絡(luò)檢波電路什么是包絡(luò)檢波？從已調(diào)信號(hào)中檢出調(diào)制信號(hào)的過(guò)程稱為解調(diào)或檢波。幅值調(diào)制就是讓已調(diào)信號(hào)的幅值隨調(diào)制信號(hào)的幅值變化，因此調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)線形狀與調(diào)制信號(hào)一致。只要能檢出調(diào)幅信號(hào)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。包絡(luò)檢波的基本工作原理是什么？

由圖可見(jiàn)，只要從圖a所示的調(diào)幅信號(hào)中，截去它的下半部，即可獲得圖b所示半波檢波后的信號(hào)(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(hào)，即可獲得所需調(diào)制信號(hào)，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。

usuo'OOtta)b)一、二極管與三極管包絡(luò)檢波1.基本電路：二極管與三極管包絡(luò)檢波電路如圖3-5所示。C1VDRLC2Ti+us_+uo_非線性器件

低通濾波器C1(a)二極管檢波電路VRLC2Tic+us_+_非線性器件

低通濾波器uoEc(b)晶體管檢波電路圖3-5包絡(luò)檢波電路圖3-5是兩種包絡(luò)檢波電路，圖(a)采用二極管作為整流用非線性元件，圖(b)采用晶體管。如果輸入的調(diào)幅波具有圖3-6(a)所示波形，那么經(jīng)整流后其波形如圖(b)所示。為了獲得調(diào)制信號(hào)，還要用濾波器濾除載波分量。圖3-5(b)所示晶體管檢波器與圖(a)所示電路的第一個(gè)區(qū)別是晶體管有放大作用，即晶體管的輸出電壓icRL可能大于us的半波整流值。這一點(diǎn)圖3-6(b)上沒(méi)有得到體現(xiàn)，可以認(rèn)為其比例尺不同。其次是在晶體管檢波電路中,集電極電壓的變化對(duì)集電極電流ic影響很小，因此ic基本上由us確定，而與RLC上的輸出電壓u0無(wú)關(guān)。由于晶體管V只在半個(gè)周期導(dǎo)通，半個(gè)周期ic對(duì)電容C充電，另半個(gè)周期電容C向電阻RL放電，流過(guò)RL的平均電流只有ic/2，這種檢波稱為平均值檢波，其輸出波形如圖3-6(c)所示。當(dāng)尺RLC》1/ωc時(shí)，可以認(rèn)為由于電容C充放電造成的殘余高頻分量很小，輸出信號(hào)的波形是與調(diào)制信號(hào)相似的平滑曲線。平均值檢波輸出波形如圖3-6(c)所示。原因是晶體管V只在半個(gè)周期導(dǎo)通，半個(gè)周期ic對(duì)電容C充電，另半個(gè)周期電容C向電阻RL放電，流過(guò)RL的平均電流只有ic/2，這種檢波稱為平均值檢波。在二極管檢波電路中、由于整個(gè)電路是串聯(lián)的，加在二極管兩端的電壓u是輸入高頻電壓ux與輸出電壓u0之差。如圖3-5中二極管VD與晶體管V都具有理想的線性特性，那么在晶體管檢波器中，余弦電流脈沖的通角為θ＝π／2。而在二極管檢波器中電流脈沖的通角θ＝

cos-1u0/Um。負(fù)載RL與二極管正向電阻r之比越大,需要向?yàn)V波器供電的時(shí)間越短，θ越小。這種檢波器稱為峰值檢波器。低通濾波器的時(shí)間常數(shù)應(yīng)滿足,以濾除載波信號(hào)，同時(shí)保留調(diào)制信號(hào)?！胺逯怠笔侵父哳l信號(hào)的峰值。

2)峰值檢波與平均值檢波

由圖3-6看出，檢波輸出不完全是調(diào)制信號(hào)，它還包含直流分量，其大小由載波信號(hào)的幅值Ucm決定。在通訊中,調(diào)制信號(hào)如聲音或圖像信號(hào)都是交流信號(hào),可以通過(guò)隔直將直流成份去掉，以獲得放大了的圖像或聲音信號(hào)。在電測(cè)量?jī)x中，解調(diào)后得到的交流與直流分量，可分別有不同的含義。例如在振動(dòng)測(cè)量中，直流分量對(duì)應(yīng)于振動(dòng)中心的位置，而交變成份反映振動(dòng)的頻率與幅值。通過(guò)儀器的定標(biāo)，可以確定振動(dòng)中心相對(duì)于給定零位的偏移與振動(dòng)幅值。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(guò)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(huì)給檢波帶來(lái)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或精密整流電路。關(guān)于精密整流電路DR++--uIuO0概念：將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，稱為整流。如下圖所示。精密整流電路的功能是將微弱的交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓。iu0Uon0tuIuO0tA－＋uOR’RfRuID1D2u’O當(dāng)uI>0時(shí)，u’O<0，當(dāng)uI<0時(shí)，u’O>0，

UD=0.7V，Aod=5×105，為使二極管D1導(dǎo)通D1截止，uO=0。從而D2導(dǎo)通，從而D1導(dǎo)通，D2截止，A1－＋R12RRuID1D2uO1A2－＋uOR2RRR0tuIuO10tuO0t當(dāng)uI>0時(shí)，uO1=-

2uI，當(dāng)uI>0時(shí)，uO=2uI-uI=uI；當(dāng)uI<0時(shí)，uO1=0。當(dāng)uI<0時(shí)，uO=-uI

。課堂練習(xí)1.由運(yùn)放組成的電路如圖所示，求輸出uo1、uo的表達(dá)式。2.

如圖所示電路為波形發(fā)生電路，是說(shuō)明它是由那些單元電路組成的，各起什么作用，并定性畫(huà)出uo1、uo2、uo3各點(diǎn)的波形，R1取值的范圍。A1+-uI1R1R2uO1uI2RfCA2＋－R3R4uOA3＋－R3R4uO3RC

－＋RfR1RC＋－

－＋uO1DZR2CuO2A2A110K20K0.1μ10K10K1μ1.由運(yùn)放組成的電路如圖所示，求輸出uo1、uo的表達(dá)式。A1+-uI1R1R2uO1uI2RfCA2＋－R3R4uOA1為電壓跟隨器A2為積分電路A3＋－R3R4uO3RC

－＋RfR1RC＋－

－＋uO1DZR2CuO2A2A110K20K0.1μ10K10K1μ2.

如圖所示電路為波形發(fā)生電路，是說(shuō)明它是由那些單元電路組成的，各起什么作用，并定性畫(huà)出uo1、uo2、uo3各點(diǎn)的波形，R1取值的范圍。A1為正弦波振蕩電路A2為過(guò)零比較器A3為積分電路uo1uo2uo3(1)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?AA在調(diào)幅波Us為正的半周期，經(jīng)運(yùn)算放大器N1倒相后,VD1導(dǎo)通、VD2截止,A點(diǎn)電位接近于虛地，UA=0。在負(fù)半周，VD1截止,VD2導(dǎo)通、有UA輸出。VD1的反饋支路是用來(lái)防止Us為正半周期時(shí)因VD2截止而使運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，由此可能造成運(yùn)放飽和而設(shè)置的。VD1反饋支路的加入也使Us在兩個(gè)半周期負(fù)載基本對(duì)稱。(2)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線性全波檢波電路如下圖所示。其中

uoR4VD1VD2R2R5VD3VD4R3usR1∞-++N1∞-++N2線性全波檢波電路之二線性全波檢波電路結(jié)構(gòu)繁多，如檢波電路之二、三所示。原理自行分析。

usuAVD2VD1uoR1R3R4∞-++N1R2∞-++N2(a)電路圖uo=usus>0usR2R1R3R4us∞-++N1∞-++N2(b)正輸入等效電路uo=-usus<0uAR2R1R3R4us∞-++N1∞-++N2(c)負(fù)輸入等效電路線性全波檢波電路之三其中線性全波檢波電路之三是高輸入阻抗線性全波整流電路。(3)綜合練習(xí)V1V2V3V4V5V6分析下面電路的工作原理。通過(guò)V1~V6的波形說(shuō)明。測(cè)量原理1)220V交流電經(jīng)過(guò)3V變壓器T0輸出為3V交流電V1（波形如圖1所示）

。0V1ωt圖1交流電壓波形圖2)V1經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器U2A輸出信號(hào)V2。運(yùn)算放大器U2A是個(gè)電壓跟隨器,由于電壓跟隨器的輸入阻抗很高,輸出阻抗很低,可以避免上級(jí)電路影響下級(jí)電路。（波形如圖2所示）

。0V2ωt圖2交流電壓V2的波形圖3)信號(hào)V2分成兩路,一路經(jīng)過(guò)運(yùn)放U2B和二極管的半波整流后輸出信號(hào)V3（波形如圖3所示）。另一路經(jīng)電阻R3。這兩路信號(hào)和運(yùn)算放大器U2C構(gòu)成反向加法運(yùn)算電路

（波形如圖4所示）

。圖4交流電壓V4的波形圖ωt０V4V30ωt圖3交流電壓V3的波形圖4)信號(hào)V4經(jīng)過(guò)運(yùn)放U1D（LM324反向）輸出正向的脈動(dòng)電壓信號(hào)V5（波形如圖5所示）。W1是調(diào)零電位器，可以校正運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。W2是調(diào)滿度電位器，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)電路送到AD轉(zhuǎn)換器可以得到比較精確的值。圖5交流電壓V5的波形圖ωtV5０5)信號(hào)V5經(jīng)過(guò)R8和C1的阻容濾波后得到平滑的直流電壓V6（波形如圖6所示）。這樣處理后，即可接入A/D轉(zhuǎn)換芯片，進(jìn)行測(cè)量。圖6直流電壓V6的波形圖ωtV6０3.1.3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(hào)相位和選頻能力的檢波電路。2.為什么要采用相敏檢波？包絡(luò)檢波有兩個(gè)問(wèn)題：一是解調(diào)的主要過(guò)程是對(duì)調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行半波或全波整流，無(wú)法從檢波器的輸出鑒別調(diào)制信號(hào)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(hào)的能力。對(duì)于不同載波頻率的信號(hào)它都以同樣方式對(duì)它們整流，以恢復(fù)調(diào)制信號(hào)，這就是說(shuō)它不具有鑒別信號(hào)頻率的能力。為了使檢波電路具有判別信號(hào)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.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(hào)相位，從而判別被測(cè)量變化的方向，同時(shí)相敏檢波電路還具有選頻的能力，從而提高測(cè)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(hào)外，還要輸入一個(gè)參考信號(hào)。有了參考信號(hào)就可以用它來(lái)鑒別輸入信號(hào)的相位和頻率。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(hào)ux乘以幅值為1的載波信號(hào)就可以得到雙邊帶調(diào)幅信號(hào)us，將雙邊帶調(diào)幅信號(hào)us再乘以載波信號(hào)，經(jīng)低通濾波后就可以得到調(diào)制信號(hào)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(hào)與高頻載波信號(hào)相乘，輸出為高頻調(diào)幅信號(hào)；而相敏檢波器實(shí)現(xiàn)高頻調(diào)幅信號(hào)與高頻載波信號(hào)相乘，經(jīng)濾波后輸出低頻解調(diào)信號(hào)。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。二、乘法器式相敏檢波電路

乘法器式相敏檢波電路框圖和實(shí)用電路如下圖所示。ucusuoxyKxyN0.1μF47kΩ0.1μF1kΩ0.1μF51Ω910Ω

-8V1410161kΩ38MC14961kΩ3.3kΩ3.3kΩ910Ω1kΩ6.8kΩ0.1μFuc1kΩ0.01μF+12V21254uo∞-++N20kΩ20kΩ10kΩ10kΩ200kΩRCRC0.01μF200kΩF007us三、相加式相敏檢波電路相加式相敏檢波電路和其輸出波形如圖3-13所示。圖4-13相敏檢波電路tuoOuoOtucOtusOtuxOtˊ相敏檢波電路輸出波形雙邊帶調(diào)幅半波相敏檢波全波相敏檢波載波信號(hào)調(diào)制信號(hào)相加式調(diào)幅電路如下圖所示。它和前面的圖3-13都是半波相敏檢波電路。T1+ux

-+ux

-+uc

-VD1i1VD2i2載波信號(hào)T3T2RLi3+uo_RP調(diào)制信號(hào)相加式調(diào)幅電路（前面也有）輸出高頻1.半波相敏檢波電路圖3-13是一種常用的相敏檢波電路。它與相加式調(diào)制電路相似。只是調(diào)制電路中輸出是高頻信號(hào)，可通過(guò)變壓器輸出。而檢波電路輸出為低頻或直流信號(hào)，不能用變壓器輸出。電容C1、C2為濾除載波信號(hào)作用。經(jīng)放大后的調(diào)幅信號(hào)us經(jīng)變壓器B1輸入，由變壓器B2輸入的是由振蕩器送來(lái)的載波信號(hào)uc

，uc常稱為參考信號(hào)。如果被測(cè)參數(shù)x為一常量,那么us與uc頻率相同。即使被測(cè)參數(shù)為一變化信號(hào),但通常它的變化頻率較低，而且us的中心頗率仍等于uc

，所以常說(shuō)us與uc同頻。此外，還要求us與uc同相(反相仍可視為同相，只是矢量的符號(hào)相反)。與調(diào)制器一樣，uc的幅值Ucm應(yīng)遠(yuǎn)大于us的幅值Usm

。二極管D1、D2起開(kāi)關(guān)作用，其通斷由參考電壓uc決定。因此常說(shuō)，在相敏檢波器中，要求參考電壓與被檢信號(hào)(調(diào)幅測(cè)量信號(hào))同頻、同相，并具有高幅值。相敏檢波器也常稱為同步檢波器。在上述條件下，只有在uc左端為正的半周期內(nèi)二極管D1、D2才導(dǎo)通。

當(dāng)調(diào)幅信號(hào)相位改變1800時(shí)，輸出信號(hào)改變符號(hào)，這就是相敏檢波器的相敏作用。通過(guò)相敏檢波檢得與調(diào)制信號(hào)波形相同、幅值成正比的解調(diào)信號(hào)。2.全波相敏檢波電路

uc2uc1C0usC1R4R1VD3VD2VD1R3R2R5RPVD4PucTI4I3R4VD4+–+–VD3+_uc1uc2usR3–C0+ucTRPR1VD1+–+–VD2+_i1i2uc1uc2usC1R2R5P–C0+ucT全波相敏檢波電路之一和其正負(fù)半周等效電路如下圖所示。

uc2uc1CR5PR4R1VD3VD2VD1R3R2VD4usTuous1us2+–+++–––T2ucVD1T2R1++–VD2_i1i2uc1uc2+uoCR2P–us1+usT1i2-i1R5_ucucVD4T1R4+–+VD3_I4i3uc1uc2+uoCR3T2P–us2+R5_i4-i3us全波相敏檢波電路之二和其正負(fù)半周等效電路如下圖所示。注意調(diào)幅信號(hào)us

。四、精密整流型相敏檢波電路CR4uoR1R’2R2R3Uc∞-++N1∞-++N2R’3V1V2uAUcus精密整流型相敏檢波電路如下圖所示。五、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(duì)不同頻率的輸入信號(hào)有不同的傳遞特性。以參考信號(hào)為基波，所有偶次諧波在載波信號(hào)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(duì)于n=1,3,5等各奇次諧波，輸出信號(hào)的幅值相應(yīng)衰減為基波的1/n，即信號(hào)的傳遞系數(shù)隨諧波次數(shù)增高而衰減，對(duì)高次諧波有一定抑制作用。

b)a)c)usustOuotO++––++––UctOuotO–+++tO+–tUcO+–ustOuotO+++–––++++––tO+–Uc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？

如果輸入信號(hào)us為與參考信號(hào)uc(或Uc)同頻信號(hào)，但有一定相位差，這時(shí)輸出電壓uo=Usmcosφ，即輸出信號(hào)隨相位差φ的余弦而變化。由于在輸入信號(hào)與參考信號(hào)同頻但有一定相位差時(shí)，輸出信號(hào)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(hào)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。

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六、相敏檢波電路的應(yīng)用相敏檢波電路由于它具有鑒相與選頻功能，能較好地抑制干擾和噪聲，在精密儀器中獲得了廣泛應(yīng)用。它的主要用途有：①用作各種測(cè)量?jī)x器中的解調(diào)電路，它常用于電感式、互感式、電容式儀器中。它還常用作各種交流電橋的檢波電路，其連接如下圖所示。橋臂可接應(yīng)變片、熱敏電阻等等。濾波器可為相敏檢波電路一部分，也可視需要另接符合給定要求的濾波器。②用于鎖相放大器中。上圖中虛線框內(nèi)為常用的為鎖相放大器。③用作鑒相器。④用作基波與奇次諧波檢出器，例如用在光電顯微鏡與激光穩(wěn)頻管中等。⑤用作模擬式乘法器。⑥調(diào)幅式幾何量測(cè)量電路。它是一個(gè)電感測(cè)微儀器，如圖3-17所示。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++15VRP5P3-17調(diào)幅式電感測(cè)微儀器晶體管晶體管V與變壓器T電容C構(gòu)成三點(diǎn)式LC振蕩器。振蕩器的輸出一方面通過(guò)二次側(cè)4、5、6、7給傳感器供電，實(shí)現(xiàn)測(cè)量信號(hào)的幅值調(diào)制，另一方面通過(guò)二次側(cè)1、2、3向相敏檢波器提供參考電壓。

調(diào)幅測(cè)量信號(hào)經(jīng)RP3與R1~R4構(gòu)成的分壓器衰減后送入相加放大器IC1，RP3作調(diào)節(jié)整個(gè)儀器靈敏度用。送到相加放大器還有由電位器RP2取出調(diào)零電壓，通過(guò)調(diào)節(jié)RP2使儀器指零。變換量程時(shí)測(cè)量與調(diào)零電壓按同樣比例衰減。RP1用來(lái)補(bǔ)償減小零點(diǎn)殘余電壓。放大器IC1采用BG305組件，通過(guò)同相輸入可提高輸入阻抗。閉環(huán)放大倍數(shù)為200，熱敏電阻Rt作溫度補(bǔ)償用。放大器的輸出送到相敏檢波器，還可從電位器RP5取出信號(hào)送數(shù)字式電壓表，實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示。3.2調(diào)頻式測(cè)量電路3.2.1調(diào)頻原理與方法一、調(diào)頻信號(hào)us的一般表達(dá)式1.什么是調(diào)頻？寫(xiě)出調(diào)頻信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，畫(huà)出其波形。

調(diào)頻就是用調(diào)制信號(hào)x去控制高頻載波信號(hào)的頻率。常用的是線性調(diào)頻，即讓調(diào)頻信號(hào)的頻率按調(diào)制信號(hào)x的線性函數(shù)變化。調(diào)頻信號(hào)us的一般表達(dá)式可寫(xiě)為：us=Umcos(ωc+mx)t

xtOOtusa)調(diào)制信號(hào)b)調(diào)頻信號(hào)調(diào)頻信號(hào)的波形這種調(diào)頻信號(hào)的波形如下圖所示。二、傳感器調(diào)制421TNS3測(cè)力或壓力的振弦式傳感器與調(diào)幅的情況一樣，為了提高測(cè)量信號(hào)的抗干擾能力，常要求從信號(hào)一形成就已經(jīng)是已調(diào)信號(hào)，因此常常在傳感器中進(jìn)行調(diào)制。測(cè)力或壓力的振弦式傳感器如下圖所示。振弦3的一端與支承4相連，另一端與膜片1相連，振弦3的固有頻率隨張力T變化。振弦3在磁鐵2形成的磁場(chǎng)內(nèi)振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其輸出為調(diào)頻信號(hào)。三、電路調(diào)制1.電容三點(diǎn)式LC振蕩器調(diào)頻電路LCTC1C2+Ec2.多諧振蕩器調(diào)頻電路uo∞-++NCR310k5k10kR1RRPR4VS15k30k10kR2+FUruuouc+Ur-Ur-FUrOtT2T1T0a)b)3.2.2鑒頻電路什么是鑒頻？對(duì)調(diào)頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)解調(diào)，從調(diào)頻信號(hào)中檢出反映被測(cè)量變化的調(diào)制信號(hào)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(hào)us=Umcos(ωc+mx)t

對(duì)t求導(dǎo)數(shù)得到

-Um(ωc+mx)sin(ωc+mx)t這一調(diào)頻調(diào)幅信號(hào)。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(hào)的信息Um(ωc+mx)。2.微分鑒頻電路C1uousVDVRLC2+Ec-ieic微分網(wǎng)絡(luò)包絡(luò)檢波C1usud+r++---微分鑒頻電路原理圖如下圖所示。3.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usUsUsˊ窄脈沖鑒頻電路的工作原理如下圖所示。二、斜率鑒頻將一個(gè)調(diào)頻信號(hào)送到一個(gè)具有變化的幅頻特性網(wǎng)絡(luò)，就可以得到調(diào)頻調(diào)幅信號(hào)輸出，然后通過(guò)包絡(luò)檢波檢出它的幅值變化就可以得到所需的調(diào)制信號(hào)。鑒頻網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性的斜率越大，同樣大小的頻率變化引起的幅值變化就越大，幅值調(diào)制度越大，鑒頻的靈敏度越高。由于調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率通常只在很小的范圍內(nèi)變化，為獲得較高的鑒頻靈敏度，常常用諧振回路作斜率鑒頻網(wǎng)絡(luò)，如下圖所示。us+–us1us2fo1fo2RLRLuo1uo2uoVD2VD1TC1C2c)d)e)f)usUsmus1us2uooooottttuo1uo2uo回路2回路1fo2fo1fofofcof=fc+fmsinΩtfcfm調(diào)頻波瞬時(shí)頻率變化Ωtff三、數(shù)字式頻率計(jì)CpusUU′計(jì)數(shù)器鎖存器清零DG&SRQDZDS測(cè)控系統(tǒng)中調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)就是要頻率變化的信息。只要能測(cè)得調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率，即可實(shí)現(xiàn)調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)。測(cè)量頻率有兩種方法：一種是測(cè)量某一時(shí)間段的周期數(shù)。由于此法不能測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)頻率，難于用于調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)。另一種是測(cè)量信號(hào)的周期，根據(jù)在信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)入計(jì)數(shù)器的高頻時(shí)鐘脈沖數(shù)即可測(cè)得信號(hào)的周期，從而確定它的頻率，可用于調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)。適用于低頻測(cè)量。電路原理圖如下圖所示。四、差頻測(cè)量法被測(cè)頻率較高時(shí)，應(yīng)采用差頻測(cè)量法。電路原理圖如下圖所示。拍頻電路頻率計(jì)調(diào)頻信號(hào)基準(zhǔn)信號(hào)差拍信號(hào)輸出3.3調(diào)相式測(cè)量電路3.3.1調(diào)相原理與方法一、調(diào)相信號(hào)的一般表達(dá)式1.

什么是調(diào)相？寫(xiě)出調(diào)相信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，畫(huà)出其波形。

調(diào)相就是用調(diào)制信號(hào)x去控制高頻載波信號(hào)的相位。常用的是線性調(diào)相，即讓調(diào)相信號(hào)的相位按調(diào)制信號(hào)x的線性函數(shù)變化。調(diào)相信號(hào)us的一般表達(dá)式可寫(xiě)為：

us=Umcos(ωc

t

+mx)調(diào)相信號(hào)的波形如下圖所示。

a)b)c)txOttucusOO調(diào)制信號(hào)載波信號(hào)調(diào)相信號(hào)二、傳感器調(diào)制13245M扭矩測(cè)量與調(diào)幅調(diào)頻的情況一樣，為了提高測(cè)量信號(hào)的抗干擾能力，常要求從信號(hào)一形成就已經(jīng)是已調(diào)信號(hào)，因此常常在傳感器中進(jìn)行調(diào)制。扭矩測(cè)量實(shí)例如下圖所示。

XY21a)aabWB12VP1VPnYOb)NS1S2SnVP1VP2VP3VPn莫爾條紋信號(hào)的調(diào)制1—標(biāo)尺光柵2—指示光柵下圖是對(duì)增量碼信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制的實(shí)例。三、電路調(diào)制1.調(diào)相電橋oURUCUsUUCURUTRCUs∞-++N2∞-++N1RR1R1CUsU2U2U2-變壓器T在二次側(cè)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)U，電橋兩臂是傳感器電容C和固定電阻R?？梢?jiàn)US幅值不變，其相位隨傳感器電容C變化，輸出調(diào)相信號(hào)。由于變壓器制作麻煩，體積大，可用運(yùn)放代替變壓器，如右圖所示。2.脈沖采樣式調(diào)相電路脈沖采樣式調(diào)相電路及其波形如下圖所示。U0門(mén)限檢測(cè)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)UcU03.3.2鑒相電路鑒相就是從調(diào)相信號(hào)中將反映被測(cè)量變化的調(diào)制信號(hào)檢出來(lái)，