張國雄版測控電路PPTChapter3-5-2

第三章信號調(diào)制解調(diào)電路第一節(jié)調(diào)制解調(diào)的功用與類型第二節(jié)調(diào)幅式測量電路第三節(jié)調(diào)頻式測量電路第四節(jié)調(diào)相式測量電路第五節(jié)脈沖調(diào)制式測量電路第一節(jié)調(diào)制解調(diào)的功用與類型1、什么是信號調(diào)制？調(diào)制就是用一個信號(稱為調(diào)制信號)去控制另一個做為載體的信號(稱為載波信號)，讓后者的某一特征參數(shù)按前者的變化而變化，這一過程稱為調(diào)制

2、什么是解調(diào)？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)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，傳感器的輸出信號一般又很微弱，在傳輸及放大過程中往往會引入噪聲為了便于區(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)制的主要功用而到了接收端，將測量信號從已調(diào)制信號中分離出來第一節(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)制中常以一個高頻正弦信號作為載波信號一個正弦信號有幅值、頻率、相位三個參數(shù)，可以對這三個參數(shù)進行調(diào)制，分別稱為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相也可以用脈沖信號作載波信號可以對脈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行調(diào)制，稱為脈沖調(diào)寬PWM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、脈沖寬度的信號稱為調(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)幅信號的一般表達式

調(diào)幅用調(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)變化數(shù)學(xué)表達式：us=(Um+mx)cosωct(一)調(diào)幅信號的一般表達式

數(shù)學(xué)表達式：us=(Um+mx)cosωctUm:調(diào)幅信號中載波信號的幅值x:調(diào)制信號m:

調(diào)制度ωc:載波信號的角頻率(一)調(diào)幅信號的一般表達式

波形雙邊帶調(diào)幅:假設(shè)調(diào)制信號x是角頻率為Ω的余弦信號x=XmcosΩt，調(diào)幅信號可寫為：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(一)調(diào)幅信號的一般表達式

波形txOtOucusa)調(diào)制信號b)載波信號Otc)雙邊帶調(diào)幅信號雙邊帶調(diào)幅: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)制數(shù)學(xué)表達式為：

us=mXmcosΩt

cosωct=UxmcosΩt

cosωct雙邊帶調(diào)幅:數(shù)學(xué)表達式為：

us=mXmcosΩt

cosωct=UxmcosΩt

cosωct雙邊帶調(diào)制可以用調(diào)制信號與載波信號相乘來實現(xiàn)必須要求ωc>>Ω，通常至少要求ωc>10Ω在這種情況下，解調(diào)時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？必須要求ωc>>Ω，通常至少要求ωc>10Ω若被測信號的變化頻率為0~100Hz，則載波信號的頻率ωc>1000Hz調(diào)幅信號放大器的通頻帶應(yīng)為900~1100Hz信號解調(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100Hz以上的信號抑制，可選通頻帶為200Hz

(二)傳感器調(diào)制為了提高測量信號抗干擾能力，常要求從信號一旦形成就已經(jīng)是已調(diào)信號，因此常常在傳感器中進行調(diào)制

(二)傳感器調(diào)制1、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~電阻應(yīng)變式傳感器輸出信號的調(diào)制(二)傳感器調(diào)制用4個應(yīng)變片測量梁的變形，并由此確定作用在梁上的力F的大小采用交流電壓U供電設(shè)4個應(yīng)變片在沒有應(yīng)力作用的情況下它們的阻值(名義電阻)R1=R2=R3=R4=R。則電橋的輸出：

實現(xiàn)了載波信號口與測量信號的相乘，即調(diào)制

2、用機械或光學(xué)的方法實現(xiàn)調(diào)制Ψθθ12345671、被測工件2、調(diào)制盤3、光欄4、激光器5、濾光片6、光欄7、光電敏感元件工件表面的微觀不平度測量由激光器4發(fā)出的光束經(jīng)光欄3、調(diào)制盤2照到被測工件1上。工件表面的微觀不平度使反射光產(chǎn)生漫反射根據(jù)鏡面反射方向與其它方向接收到的光能量之比可以測定被測件1的表面粗糙度光欄6與光電元件7一起轉(zhuǎn)動，依次接收各個方向的反射光能。用同一光電元件接收各個方向的反射光能可以消除用不同光電元件接收時光電元件特性不一致帶來的測量誤差由于鏡面反射方向接收到的光能量比其它方向強得多，會使光電元件飽和，為避免其飽和，加入濾光片5

為了減小雜散光的影響，采用多孔盤或多槽盤2使光信號得到調(diào)制，以提高信噪比也可以不用多孔盤，而采用頻閃燈作光源，同樣可以實現(xiàn)信號調(diào)制

(三)電路調(diào)制1、乘法器調(diào)制a)原理圖ucuxuoxyKxyb)實用電路-8V47kΩ0.1μF1kΩ0.1μF51Ω750Ω1410161kΩ38MC14961kΩ3.3kΩ3.3kΩ750Ω1kΩ680kΩ20μF20μFuc1kΩ0.1μF21254uoux+12V用乘法器將與測量信號x成正比的調(diào)制信號ux與載波信號uc相乘，就可以實現(xiàn)雙邊帶調(diào)幅2、開關(guān)電路調(diào)制2、開關(guān)電路調(diào)制在輸入端加入調(diào)制信號ux

V1、V2是兩個場效應(yīng)晶體管，工作在開關(guān)狀態(tài)。在它們的柵極分別加入高頻載波方波信號Uc與/Uc

當(dāng)Uc為-1電平、/Uc為0電平時，V1導(dǎo)通，V2截止:輸出電壓uo=ux當(dāng)Uc為0電平、Uc為-1電平時，V1截止，V2導(dǎo)通:輸出電壓uo=0其波形如圖b所示。經(jīng)過調(diào)制,ux與幅值按0、1變化的載波信號相乘3、信號相加調(diào)制3、信號相加調(diào)制調(diào)制信號ux=UxmcosΩt與載波信號uc=Ucmcosωct相加減后去控制開關(guān)器件選取uc>>ux，實際起控制作用的是載波信號uc。如上頁圖調(diào)制信號ux與載波信號uc分別通過變壓器T1和T2輸入,加到兩個起開關(guān)作用的二極管VD1、VD2加到VD1的電壓為：uc+ux加到VD2的電壓為：uc-ux

通過兩個二極管VD1、VD2的電流分別為：r:二極管的內(nèi)阻Rp(有效部分)與負載電阻RL折合到T3一次側(cè)的等效電阻之和3、信號相加調(diào)制由上兩式有：式中n3：變壓器T3的電壓比

通過濾波器濾除角頻率為Ω的低頻信號與角頻率為3ωc及更高頻率的高頻信號后，就可以得到雙邊帶調(diào)幅信號UxmcosΩtcosωct3、信號相加調(diào)制這里采用兩個二極管VD1、VD2進行兩路調(diào)制兩個載波電流以相反方向通過變壓器T3的一次側(cè)靠調(diào)整Rp使uc在變壓器T3的兩個一次側(cè)產(chǎn)生的電流相等，從而使其影響得以消除這種電路常稱為平衡調(diào)制電路

兩個信號線性相加是不能實現(xiàn)調(diào)制的，這里還是通過控制開關(guān)電路獲得乘積項，實現(xiàn)調(diào)制第二節(jié)調(diào)幅式測量電路二、包絡(luò)檢波電路包絡(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)檢波包絡(luò)檢波的基本工作原理只要從圖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原理基礎(chǔ)上的檢波方法

usuo'OOtta)b)(一)二極管與三極管包絡(luò)檢波1、基本電路VDRLC2Ti+u’s_+uo_非線性器件低通濾波器C1a)二極管檢波電路+us_LC諧振器調(diào)幅信號us，通過由電容C1與變壓器T的一次側(cè)構(gòu)成的諧振回路輸入，這樣有利于濾除雜散信號二極管VD檢出半波信號，再經(jīng)由RL和C2構(gòu)成的低通濾波器檢出調(diào)制信號，實現(xiàn)解調(diào)(一)二極管與三極管包絡(luò)檢波1、基本電路C1VRLC2Tic+u's_+uo_Ecb)晶體管檢波電路+us_晶體管V只有在us為負的半周期有電流通過，其余部分原理與圖a相同非線性器件低通濾波器LC諧振器2、峰值檢波與平均值檢波圖a電路，作用在二極管VD上的電壓等于us-uo只有當(dāng)us>uo時，二極管VD才導(dǎo)通導(dǎo)通區(qū)間所對應(yīng)的相位角稱為導(dǎo)通角θ，

θ=arccos(uo/Usm)在二極管導(dǎo)通期間，二極管VD上的壓降很小，uo=us

由于二極管導(dǎo)通電阻很小，電容器C2充電很快，uo≈Usm

即輸出電壓uo接近us在一個載波信號周期內(nèi)的峰值，這種檢波稱為峰值檢波

需要指出，這種檢波方法由于導(dǎo)通角很小，負載能力較差，只有當(dāng)RL足夠大時電路才能正常工作

VDRLC2Ti+u’s_+uo_C1a)二極管檢波電路+us_a)二極管峰值檢波波形iiθUsmωctωctuuo0us=usmcosωct0πimaxπ/20uo0t峰值檢波2、峰值檢波與平均值檢波圖b晶體管檢波電路中,信號經(jīng)過了放大，晶體管的輸出電壓icRL可能大于us的半波整流值晶體管檢波電路中集電極電壓對ic的影響很小，基本上由us決定，而與輸出電壓uo無關(guān)由于晶體管V只在半個周期導(dǎo)通，導(dǎo)通時向電容C2充電;在另半個周期電容C2向RL放電。電容C2的充電量等于放電量也就是說流經(jīng)電阻RL的電流等于載波信號一個周期ic的平均值，這種檢波方式稱為平均值檢波

C1VRLC2Tic+u's_+uo_Ecb)晶體管檢波電路+us_平均值檢波ωctb)晶體管平均值檢波iθ0ube0Usmus=usmcosωcti0θicicmaxωctuo0t(二)精密檢波電路為什么要采用精密檢波電路？二極管、晶體管檢波電路非線性誤差二極管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，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

(二)精密檢波電路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(二)精密檢波電路1、半波精密檢波電路+us–

半波整流器+u?s–iiR1R?2R2VD1VD2+u–i∞-++N1+–uA+–u?AA1、半波精密檢波電路在調(diào)幅波us為正的半周期，由于運算放大器N1的倒相作用，N1輸出低于0電平的信號，因此VD1導(dǎo)通、VD2截止，A點接近于虛地，uA≈0

在調(diào)幅波us為負的半周期，N1輸出高于0電平的信號，因此VD1截止、VD2導(dǎo)通，uA有輸出Kd為N1開環(huán)放大倍數(shù)+us–

半波整流器+u?s–iiR1R?2R2VD1VD2+u–i∞-++N1+–uA+–u?AA1、半波精密檢波電路加入VD1反饋回路一是為了防止在us的正半周期因VD2截止而使運放處于開環(huán)狀態(tài)而進入飽和，另一方面也使us在兩個半周期負載基本對稱，對前級有利N2與R3、R4、C等構(gòu)成低通濾波器對于低頻信號電容C接近開路，增益為-R4/R3對于高頻信號電容C接近短路，增益為0/R3使高頻信號受到抑制本檢波電路屬于平均值檢波Kd很大，這時上式可簡化為：

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2、全波精密檢波電路us通過R'3與uA相加,取R'3=2R3。在不加電容器C時，N2的輸出為：

+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2、全波精密檢波電路圖a為輸入調(diào)幅信號us的波形圖b為N1輸出的反相半波整流信號uA圖c為N2輸出的全波整流信號uo電容C起濾除載波頻率信號的作用

uoR4VD1VD2R2R5VD3VD4R3usR1∞-++N1∞-++N2線性全波檢波電路之二2、全波精密檢波電路第二節(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(一)相敏檢波的功用和原理2、為什么要采用相敏檢波？包絡(luò)檢波有兩個問題：一是解調(diào)是對調(diào)幅信號進行半波或全波整流，無法從檢波器的輸出鑒別調(diào)制信號的相位二是包絡(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頻率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？主要區(qū)別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相敏檢波電路還具有選頻的能力，從而提高測控系統(tǒng)的抗干擾能力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？相敏檢波電路的主要特點除了所需解調(diào)的調(diào)幅信號外，還要輸入一個參考信號有了參考信號就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)幅信號具有同樣的頻率

采用載波信號作參考信號就能滿足這一條件由于相敏檢波電路需要有一個與輸入的調(diào)幅信號同頻的信號作參考信號，因此相敏檢波電路又稱為同步檢波電路

txOtOucusOt(一)相敏檢波的功用和原理將調(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(一)相敏檢波的功用和原理利用低通濾波器濾除頻率為2ωc-Ω和2ωc+Ω的高頻信號后就得到調(diào)制信號UxmcosΩt，只是乘上了系數(shù)1/2

第二節(jié)調(diào)幅式測量電路三、相敏檢波電路(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∞-++N20kΩ20kΩ10kΩ10kΩ200kΩRCRC0.01μF200kΩF007us1、乘法器式相敏檢波電路將它與前圖調(diào)幅電路相比，十分相似。主要區(qū)別是:(1)在前圖中，接到輸入端l的輸入電容與接在引腳4的補償電容均為20uf，而在上圖b中，它們的值為0.1uf。這是因為在前圖中接到輸入端1的輸入信號為低頻調(diào)制信號ux。而在圖上圖b中，輸入信號為高頻調(diào)幅信號us

(2)在上圖b中增加了一級由運算放大器F007和R、C等構(gòu)成的低通濾波器幅值調(diào)制器a)原理圖ucuxuoxyKxyb)調(diào)制器實用電路-8V47kΩ0.1μF1kΩ0.1μF51Ω750Ω1410161kΩ38MC14961kΩ3.3kΩ3.3kΩ750Ω1kΩ680kΩ20μF20μFuc1kΩ0.1μF21254uoux+12V2、開關(guān)式相敏檢波電路tuoOuoOtucOtusOtuxOtˊusuoUcV2V1Uc2、開關(guān)式相敏檢波電路開關(guān)式相乘調(diào)制電路同樣可用作相敏檢波電路這時在輸入端送入雙邊帶調(diào)幅信號，而在V1、V2的柵極輸入方波參考信號由于載波信號的頻率遠高于調(diào)制信號，可以認為載波信號與調(diào)幅信號具有相同的頻率2、開關(guān)式相敏檢波電路在載波信號uc(圖b)正半周期：Uc=-1,/Uc=0，V1導(dǎo)通、V2截止，有信號輸出。這里Uc是uc整形后的方波信號在載波信號uc(圖b)負半周期：Uc=0,/Uc=-1，V1截止、V2導(dǎo)通，輸出為零輸出信號uo的波形如圖d所示

經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量后得到與調(diào)制信號ux(見圖a)成正比的輸出2、開關(guān)式相敏檢波電路從圖d中還可看出當(dāng)調(diào)幅信號us(見圖c)與載波信號uc(見圖b)同相時，輸出信號uo為正當(dāng)調(diào)幅信號us與載波信號uc反相時，輸出信號uo為負半波相敏檢波電路的不足是輸出信號的脈動較大，為了減小脈動量可采用全波相敏檢波電路

圖e是全波相敏檢波輸出波形2、開關(guān)式相敏檢波電路

uousUcRVRR∞-++Na)uousR2R3R1R6R4R5V1UcV2∞-++NUcb)UcOtusOtuoOtc)UcOtuoOtusOtd)全波2、開關(guān)式相敏檢波電路

uousUcRVRR∞-++Na)UcOtusOtuoOtc)Us與Uc同相全波UcOtuoOtusOtd)Us與Uc反相2、開關(guān)式相敏檢波電路

圖a中:在Uc=“1”的半周期，同相輸入端被接地，us只從反相輸入端輸入，放大器的放大倍數(shù)為-1，輸出信號uo,如圖c和圖d中實線所示Uc="0"的半周期，V截止，us同時從同相輸入端和反相輸入端輸入，放大器的放大倍數(shù)為+1，輸出信號uo如圖c和圖d中虛線所示2、開關(guān)式相敏檢波電路uousR2R3R1R6R4R5V1UcV2∞-++NUcb)UcOtuoOtusOtd)Us與Uc反相全波UcOtusOtuoOtc)Us與Uc同相2、開關(guān)式相敏檢波電路

圖b中:取R1=R2=R3=R4=R5=R6/2。在Uc="1"的半周期，V1導(dǎo)通、V2截止，同相輸入端被接地，us從反相輸入端輸入，放大倍數(shù)為：

-R6/(R2+R3)=-1在Uc=“0”的半周期，V1截止、V2導(dǎo)通，反相輸入端通過R3接地，us從同相輸入端輸入,放大倍數(shù)為+1:效果與圖a相同，實現(xiàn)了全波相敏檢波三、相敏檢波電路4、精密整流型相敏檢波電路在前面的討論中，都把相敏檢波電路中的開關(guān)器件視為理想開關(guān)器件。忽略了晶體管導(dǎo)通時的等效內(nèi)阻和截止時的漏電流為了減小由于開關(guān)器件不理想而帶來的誤差，可以仿照精密整流包絡(luò)檢波電路的原理構(gòu)成精密整流型相敏檢波電路三、相敏檢波電路Us,Uc同相 Us,Uc反相Us+Ua+2-1=1 Us+Ua-0-1=-1Us-Ua-0+1=1 Us-Ua+-2+1=-1 A=-1A=-2A=-1UcOtusOtuoOtc)UcOtuoOtusOtd)三、相敏檢波電路4、精密整流型相敏檢波電路在Uc為正、/Uc為負的半周期:V1截止，V2導(dǎo)通，N1用作反相放大器，uA為us的反相信號

在Uc為負、/Uc為正的半周期:V1導(dǎo)通，V2截止，N1的輸出uA為零。這樣，uA的波形為一半波整流信號

取R'3=2R3，N2對uA的放大倍數(shù)比對us的放大倍數(shù)大一倍，在不接電容C情況下，N2的輸出uo波形為全波整流信號，其原理與圖3-11相同三、相敏檢波電路4、精密整流型相敏檢波電路該圖與前圖(精密檢波)相比，其輸出的區(qū)別在于:前圖輸出的全波整流信號的極性是固定的。而該圖中，在Uc與us同相時，在Uc為正的半周期uA為負，輸出uo為正的全波檢波信號

在Uc與us反相時，在Uc為正的半周期uA為正，輸出uo為負的全波檢波信號;實現(xiàn)相敏檢波電容C用來濾除經(jīng)全波檢波后us中的高頻成分，以獲得調(diào)制信號ux三、相敏檢波電路5、脈沖箝位式相敏檢波電路ttuottttttR2R1CVusuoUc′∞-++NUcDsAuA,uousOOuAUc′OUcOuA,uousOOuAuoUcOUc′O單穩(wěn)Dsb)φ=90°時波形c)φ=270°時波形5、脈沖箝位式相敏檢波電路參考信號Uc經(jīng)單穩(wěn)Ds形成窄脈沖U’c,使開關(guān)管V瞬時導(dǎo)通，A點瞬時接地電容C被充電到此時us的瞬時值:Usmsinφ

其中Usm為us的幅值，φ為us與Uc的相位差窄脈沖過去后，V被切斷，C的放電回路時間常數(shù)很大，可以認為C上一直保持充電電壓UsmsinφA點的電位為:uA=us-Usmsinφ當(dāng)φ=90°時，uA為全負值，其波形如圖b所示當(dāng)φ=270°時，uA為全正值，其波形如圖c所示經(jīng)接在N后面的低通濾波器(圖中未表示)濾波后得到解調(diào)后的uo輸出需要指出，這種相敏檢波電路沒有實現(xiàn)輸入信號與載波信號的相乘，它不能用于信號的調(diào)制。抑制干擾的性能也不如其它相敏檢波電路第二節(jié)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。以參考信號為基波，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第二節(jié)調(diào)幅式測量電路

b)n=2a)n=1c)n=3usustOuotO++––++––UctOuotO–+++tO+–tUcO+–ustOuotO+++–––++++––tO+–Uc第二節(jié)調(diào)幅式測量電路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=Usm/2cos∮，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

第二節(jié)調(diào)幅式測量電路a)us與Uc同相b)us與Uc反相c)us與Uc相位差90°d)us與Uc相位差30°UctO+–ustO–+uotO++UctO+–UctO+–UctO+–ustO–+ustO–+ustO–++OtO–++O–uouotO–++–uotO––第二節(jié)調(diào)幅式測量電路(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第三節(jié)調(diào)頻式測量電路一、調(diào)頻原理與方法(一)調(diào)頻信號的數(shù)學(xué)表達式調(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的一般表達式可寫為：us=Umcos(ωc+mx)t

第三節(jié)調(diào)頻式測量電路(一)調(diào)頻信號的數(shù)學(xué)表達式ωc:載波信號的角頻率

Um:調(diào)頻信號中載波信號的幅度

m:調(diào)制度若

x=XmcosΩt，則調(diào)頻信號的頻率可在:

ωc±m(xù)Xm范圍內(nèi)變化為了避免發(fā)生頻率混疊現(xiàn)象，并便于解調(diào)要求：ωc>>mXm

第三節(jié)調(diào)頻式測量電路一、調(diào)頻原理與方法(一)調(diào)頻信號的數(shù)學(xué)表達式xtOOtusa)調(diào)制信號b)調(diào)頻信號

一、調(diào)頻原理與方法421TNS3測力或壓力的振弦式傳感器(二)傳感器調(diào)制振弦式3的一端與支撐4相連，另一端與膜片1相連振弦3的固有頻率與張力T相關(guān)振弦3的振動在磁鐵2中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，輸出信號為調(diào)頻信號一、調(diào)頻原理與方法(三)電路調(diào)制1、電容三點式LC振蕩器調(diào)頻電路LCTC1C2+Ec一、調(diào)頻原理與方法2、多諧振蕩器調(diào)頻電路一、調(diào)頻原理與方法2、多諧振蕩器調(diào)頻電路uo∞-++NCR310k5k10kR1RRPR4VS15k30k10kR2+FUruuouc+Ur-Ur-FUrOtT2T1T0a)b)2、多諧振蕩器調(diào)頻電路輸出電壓uo為穩(wěn)壓管Vs的穩(wěn)定電壓±Ur。若輸出電壓為+Ur，則它通過R+Rp向電容C充電，uc升高當(dāng)：uc>[R4/(R3+R4)]Ur

N的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，使uo=-Ur，電容C放電，uc降低當(dāng)：uc<-[R4/(R3+R4)]Ur

N的狀態(tài)再次翻轉(zhuǎn)，使uo=+Ur，又對電容C充電這樣就構(gòu)成一個在±Ur間來回振蕩的多諧振蕩器，其振蕩頻率由充電回路的時間常數(shù)(R+Rp)C決定可以用一個電容傳感器作為圖中的C，這樣就可使振蕩器頻率得到調(diào)制也可以用一個電阻式傳感器的電阻作R

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)或鑒頻微分鑒頻斜率鑒頻相位鑒頻比例鑒頻(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)得這是調(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)2、微分鑒頻電路2、微分鑒頻電路電容C與晶體正向電阻r組成微分電路二極管VD為晶體管V提供直流偏壓，同時為電容C1提供放電回路。電容C2為濾除高頻載波信號用微分時，微分電流：為了正確微分，要求：因而，這種電路靈敏度較低

3、窄脈沖鑒頻電路3、窄脈沖鑒頻電路調(diào)頻信號窄脈沖輸出3、窄脈沖鑒頻電路調(diào)頻信號us經(jīng)放大后進入電平鑒別器，當(dāng)輸入信號超過一定電平時，電平鑒別器翻轉(zhuǎn)，它使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出窄脈沖。us的瞬時頻率越高，窄脈沖越密，經(jīng)低通濾波后輸出的電壓越高。它將頻率變化轉(zhuǎn)換為電壓變化。為了避免發(fā)生混疊現(xiàn)象，要求單穩(wěn)脈寬：fm、xm分別為us的最高瞬時頻率和x的最大值。第三節(jié)調(diào)頻式測量電路(二)斜率鑒頻us+–us1us2fo1fo2RLRLuo1uo2uoVD2VD1TC1C2c)d)e)f)usUsmus1us2uooooottttuo1uo2uo回路2回路1fo2fo1fofofcof=fc+fmsinΩtfcfm調(diào)頻波瞬時頻率變化Ωtff在測控系統(tǒng)中為實現(xiàn)解調(diào)，并不一定需要恢復(fù)原調(diào)制信號，只要能把代表被測量值的儲息檢出即可對于調(diào)頻信號，就是要檢出頻率變化的信息，只要能測得調(diào)頻信號的瞬時頻率，即可實現(xiàn)調(diào)頻信號的解調(diào)測量頻率有兩種方法：(三)數(shù)字式頻率計測量頻率有兩種方法：一種是

測量在某一時段內(nèi)信號變化的周期數(shù)這種方法難以用于測量信號的瞬時頻率，從而難以用于調(diào)頻信號的解調(diào)另一種方法是

測量信號的周期。根據(jù)在信號的一個周期內(nèi)進入計數(shù)器的高頻時鐘脈沖數(shù)即可測得信號的周期，從而確定頻率這種方法可用于調(diào)頻信號的解調(diào)(五)數(shù)字式頻率計第三節(jié)調(diào)頻式測量電路(三)數(shù)字式頻率計整形器單穩(wěn)(三)數(shù)字式頻率計調(diào)頻信號us，經(jīng)整形器Dz成為方波信號U經(jīng)單穩(wěn)Ds形成窄脈沖窄脈沖U’的后沿使RS觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)為“1”態(tài)，計數(shù)器的門DG打開，時鐘脈沖CP進入計數(shù)器信號us變化一個周期后，出現(xiàn)第二個窄脈沖U’，它的前沿發(fā)出鎖存指令，將計數(shù)器計的數(shù)送入鎖存器鎖存器中存的數(shù)代表信號的周期，由它可以確定信號的瞬時頻率第二個窄脈沖的后沿將計數(shù)器清零同時計數(shù)器對信號的第二個周期計數(shù)這樣每次送到鎖存器的數(shù)代表信號的周期(三)數(shù)字式頻率計為使測量正確，必須要求在U’的脈沖寬度間隔時段內(nèi)，能完成計數(shù)器對鎖存器送數(shù)與此同時U’的脈沖寬度應(yīng)小于鐘脈沖的一個周期，以減小由于送數(shù)與清零所需的時間帶來的誤差這種方法個缺點是：鎖存器的示數(shù)代表信號周期，它與頻率間的轉(zhuǎn)換關(guān)系是非線性的第五節(jié)脈沖調(diào)制式測量電路一、脈沖調(diào)制原理與方法脈沖調(diào)制是指用脈沖作為載波信號的調(diào)制方法在脈沖調(diào)制中具有廣泛應(yīng)用的一種方式是脈沖調(diào)寬脈沖調(diào)寬的數(shù)學(xué)表達式為：B=b+mxb:常量;

m:調(diào)制度脈沖的寬度為調(diào)制信號x的線性函數(shù)。它的波形見圖

一、脈沖調(diào)制原理與方法Ua)調(diào)制信號b)脈沖調(diào)寬信號txOxTBtOT:為脈沖周期，它等于載波頻率的倒數(shù)

(一)傳感器調(diào)制

(一)傳感器調(diào)制

由激光器4發(fā)出的光束經(jīng)反射鏡5與6反射后，照到掃描棱鏡2的表面棱鏡2由電動機3帶動連續(xù)回轉(zhuǎn)，它使由棱鏡2表面反射返回的光束方向不斷變化，掃描角θ為棱鏡2中心角的2倍透鏡1將這一掃描光束變成一組平行光，對工件8進行掃描。這一平行光束經(jīng)透鏡10匯聚，由光電元件11接收。7和9為保護玻璃，使光學(xué)系統(tǒng)免受污染當(dāng)光束掃過工件時，它被工件擋住，沒有光線照到光電元件門上，對應(yīng)于"暗"的信號寬度與被測工件8的直徑成正比，即脈沖寬度受工件直徑調(diào)制(二)電路調(diào)制1、參量調(diào)寬R2RP3VD1RP2R4VD2RP1CuCuoVSR3∞-++NR1用電阻變化實現(xiàn)脈沖調(diào)寬的電路在兩個半周期是通過同一電阻通道R+Rp向電容C充電，兩半周期充電時間常數(shù)相同，從而輸出占空比為1：1的方波信號如果讓電路在兩個半周期通過不同的電阻通道向電容充電那么兩半周期充電時間常數(shù)不同，從而輸出信號的占空比也隨兩支充電回路的阻值而變化2、電壓調(diào)寬用電壓變化實現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制uCu–R3R4CR2RR1uxVSuou+∞-++N2、電壓調(diào)寬運算放大器N同相輸入端的電位為：若ux為正，則它使u+升高，在uo為正的半周期，只有當(dāng)電容C上的電壓uc超過u+時，為正時，才使輸出電壓uo發(fā)生負跳變u+升高使充電時間延長，即使輸出信號uo處以高電平的時間延長在uo為負的半周期，u+升高使uc能快速降至u+之下。當(dāng)uc<u+時，uo發(fā)生正跳變，使輸出信號uo處于低電平時間縮短這就是說,u+升高使輸出信號uo處于高電平的脈寬加大，uo處于低平的脈寬減?。环粗畊+下降使輸出信號uo處于低電平的脈寬加大，uo處于高平的脈寬減小，從而使脈寬受到調(diào)制二、脈沖調(diào)制信號的解調(diào)脈沖調(diào)寬信號的解調(diào)主要有兩種方式。一種是將脈寬信號Uo送入一個低通濾波器，濾波后的輸出uo與脈寬B成正比另一種方法是Uo用作門控信號，只有當(dāng)Uo為高電平時，時鐘脈沖Cp才能通過門電路進入計數(shù)器。這樣進入計數(shù)器的脈沖數(shù)N與脈寬B成正比兩種方法均具有線性特性三、脈沖調(diào)制測量電路應(yīng)用舉例(電容測量電路)

∞-++N2∞-++N1SR∞-++N3uoR2R1VD1VD2DFV1V2V3V4-6V+12VUcC1C2QQC1，C2敏感電容end2、全波精密檢波電路

usuAVD2VD1uoR1R3R4∞-++N1R2∞-++N2電路圖高輸入阻抗線性全波整流電路高輸入阻抗線性全波整流電路

uo=usus>0usR2R1R3R4us∞-++N1∞-++N2b)正輸入等效電路us>0時，

VD1導(dǎo)通、VD2截止，N2的同相輸入端與反相輸入端輸入相同信號，得到：uo=us

uo=-usus<0uAR2R1R3R4us∞-++N1∞-++N2c)負輸入等效電路高輸入阻抗線性全波整流電路

us<0時，VD1截止、VD2導(dǎo)通，取R1=R2=R3=R4/2，這時N2的輸出為：uo=|us|,實現(xiàn)了全波檢波。

高輸入阻抗線性全波整流電路

高輸入阻抗線性全波整流電路

高輸入阻抗線性全波整流電路

3、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3、相加式相敏檢波電路

uc2uc1C0usC1R4R1VD3VD2VD1R3R2R5RPVD4PucTI4I3R4VD4+–+–VD3+_uc1uc2usR3–C0+ucTRPR1VD1+–+–VD2+_i1i2uc1uc2usC1R2R5P–C0+ucT

uc2uc1CR5PR4R1VD3VD2VD1R3R2VD4usTuous1us2+–+++–––T2ucVD1T2R1++–VD2_i1i2uc1uc2+uoCR2P–us1+usT1i2-i1R5_ucucVD4T1R4+–+VD3_I4i3uc1uc2+uoCR3T2P–us2+R5_i4-i3us三、相敏檢波電路4、精密整流型相敏檢波電路CR4uoR1R’2R2R3Uc∞-++N1∞-++N2R’3V1V2uAUcus第二節(jié)調(diào)幅式測量電路

txtOtOtxΦ,uOOΦ,ux21a)b)c)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第三節(jié)調(diào)頻式測量電路(三)相位鑒頻I1L1C2usE0U1C1MC0L2VD1放大U22U22L3VD2RLU1Cuo1uo2uo耦合網(wǎng)絡(luò)平衡疊加型鑒相器U2RLCˊU2EΦI2U1ˊ第三節(jié)調(diào)頻式測量電路(四)比例鑒頻U5L1C2usE0U1C1MC0L2VD1放大U22U22L3VD2RLCU3auo耦合網(wǎng)絡(luò)U2R1C3C4C5R2U4bU1ˊa)b)c)U3U4U22_U3U4U3U4U22_U1ˊU1ˊU1ˊ_U22U22U22U22第三節(jié)調(diào)頻式測量電路(三)數(shù)字式頻率計CpusUU′計數(shù)器鎖存器清零DG&SRQDZDS第四節(jié)調(diào)相式測量電路一、調(diào)相原理與方法(一)調(diào)相信號的數(shù)學(xué)表達式調(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的一般表達式可寫為：

us=Umcos(wct

+mx)ωc:載波信號的角頻率Um：調(diào)相信號中載波信號的幅度;m：調(diào)制度。一、調(diào)相原理與方法

a)b)c)txOttucusOO一、調(diào)相原理與方法

調(diào)相信號與載波信號的相位差隨x變化一、調(diào)相原理與方法當(dāng)x<O時，

調(diào)相信號滯后于載波信號。當(dāng)x>0時，

調(diào)相信號超前于載波信號。實際上調(diào)相信號的瞬時頻率也在不斷變化，由上式可以得到調(diào)相信號的瞬時頻率為：可以看到，若調(diào)制信號為x,us是調(diào)相信號;若調(diào)制信號為dx/dt，則us是調(diào)頻信號。一、調(diào)相原理與方法(二)傳感器調(diào)制13245M扭矩測量一、調(diào)相原理與方法(二)傳感器調(diào)制

XY21a)aabWB12VP1VPnYOb)NS1S2SnVP1VP2VP3VPn莫爾條紋信號的調(diào)制

(三)電路調(diào)制1、調(diào)相電橋oURUCUsUUCURUTRCUs(三)電路調(diào)制1、調(diào)相電橋例如，C為電容式傳感器的電容，而R為一個固定電阻;也可以C為固定電容，而R為電阻式傳感器的電阻。由于電容C上的壓降Uc和電阻R上的壓降UR相位差90°，當(dāng)傳感器的電阻或電容變化時，輸出電壓矢量Us的末端在以O(shè)為圓心、以U/2為半徑的半圓上移動，如圖b。Us的幅值不變，其相位隨傳感器的電阻或電容變化，輸出調(diào)相信號。變壓器制作麻煩、體積較大，可用運算放大器代替變壓器。(三)電路調(diào)制1、調(diào)相電橋∞-++N2∞-++N1RR1R1CUsU2U2U2-由運算放大器N1、N2形成兩個幅值相同、極性相反的電壓U/2與-U/2，(三)電路調(diào)制1、調(diào)相電橋(三)電路調(diào)制1、調(diào)相電橋2、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)UcU02、脈沖采樣式調(diào)相電路2、脈沖采樣式調(diào)相電路二、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，實現(xiàn)調(diào)相信號的解調(diào)，又稱為相位檢波。二、鑒相電路(一)用相敏檢波器或乘法器鑒相1、乘法器鑒相ucusuoxyKxyN1、乘法器鑒相乘法器的兩個輸入信號分別為：調(diào)相信號：us=Usmcos(wct+φ)

與參考信號：uc=Ucmcoswct

乘法器的輸出送低通濾波器濾除由于載波信號引起的高頻成分，低通濾波相當(dāng)于求平均值，整個程可用下述數(shù)學(xué)式表示，輸出電壓：輸出信號隨相位差φ的余弦而變化。在φ=π/2附近，有較高的靈敏度與較好的線性。這種乘法器電路簡單，不足之處是輸出信號同時受調(diào)相信號與參考信號幅值的影響。2、用開關(guān)式相敏檢波電路鑒相3、用相加式相敏檢波電路檢相b)a)Us-UsU1UcU2Ψ1Ψ2φ-ππ2_π2π0Ψuo(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