测控电路3-1(精品).ppt

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第二节第二节调幅式测量电路调幅式测量电路第三节第三节调频式测量电路调频式测量电路第四节第四节调相式测量电路调相式测量电路第五节第五节脉冲调制式测量电路脉冲调制式测量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 1 1 1、什么是信号调制？、什么是信号调制？、什么是信号调制？、什么是信号调制？l调制就是用一个信号（称为调制信号）去控制就是用一个信号（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），让另一个做为载体的信号（称为载波信号），让后者的某一后者的某一特征参数特征参数按前者变化。按前者变化。2 2 2 2、什么是解调？、什么是解调？、什么是解调？、什么是解调？l从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，这一过程称为信号，这一过程称为解调。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3 3 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？l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出的测量信号外，还往往有各种噪声。的测量信号外，还往往有各种噪声。l传感器的输出信号一般又很微弱，将测量信号从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含有噪声的信号中分离出来是测控电路的一项重要任务。要任务。l为了便于区别信号与噪声，往往给测量信号赋予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。一定特征，这就是调制的主要功用。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4 4 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？l在信号调制中常以一个在信号调制中常以一个高频高频正弦信号作为载波正弦信号作为载波信号。一个正弦信号有信号。一个正弦信号有幅值、频率、相位幅值、频率、相位幅值、频率、相位幅值、频率、相位三个三个参数，可以对这三个参数进行调制，分别称为参数，可以对这三个参数进行调制，分别称为调幅、调频和调相调幅、调频和调相调幅、调频和调相调幅、调频和调相。l也可以用脉冲信号作载波信号。可以对脉冲信也可以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，称为的宽度进行调制，称为脉冲调宽脉冲调宽脉冲调宽脉冲调宽。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5 5 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？、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，这个特征由作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，这个载体称为冲信号作为载体，这个载体称为载波信号载波信号载波信号载波信号。用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位的信号称为相位的信号称为调制信号调制信号调制信号调制信号。经过调制的载波信号叫经过调制的载波信号叫已调信号已调信号已调信号已调信号。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)调幅信号的一般表达式调幅信号的一般表达式l调幅调幅用调制信号用调制信号x去控制高频载波信号的幅值。去控制高频载波信号的幅值。l常用的是线性调幅，即让调幅信号的幅值按调制信常用的是线性调幅，即让调幅信号的幅值按调制信号号x的线性函数变化。的线性函数变化。l数学表达式：数学表达式：us=(Um+mx)coswct(一一)调幅信号的一般表达式调幅信号的一般表达式l数学表达式：数学表达式：us=(Um+mx)coswctcc:载波信号的角频率载波信号的角频率;Um:Um:调幅信号中载波信号的幅值调幅信号中载波信号的幅值;m:m:调制度。调制度。(一一)调幅信号的一般表达式调幅信号的一般表达式l波形。(一一)调幅信号的一般表达式调幅信号的一般表达式l波形。txOtOucusa)调制信号b)载波信号Otc)双边带调幅信号双边带调幅双边带调幅:假设调制信号假设调制信号x是角频率为是角频率为的余弦信号的余弦信号x=Xmcost，调幅信号可写为：调幅信号可写为：它包含三个不同频率的信号它包含三个不同频率的信号:角频率为角频率为c c的载波信号的载波信号和角频率分别为和角频率分别为c c的上下边频信号。的上下边频信号。双边带调幅双边带调幅:载波信号中不含调制信号载波信号中不含调制信号x的信息，因此可以取的信息，因此可以取Um=0，只保留两个边频信号。只保留两个边频信号。这种调制称为这种调制称为双边带调制双边带调制。数学表达式为：数学表达式为：us=mXmcostcosct=Uxmcostcosct双边带调幅双边带调幅:数学表达式为：数学表达式为：us=mXmcostcosct=Uxmcostcosct双边带调制可以用调制信号与载波信号相乘来实现。双边带调制可以用调制信号与载波信号相乘来实现。必须要求必须要求c，通常至少要求，通常至少要求c10。在这种在这种情况下，解调时滤波器能较好地将调制信号与载波情况下，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。信号分开，检出调制信号。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？必须要求必须要求c c，通常至少要求通常至少要求c c1010。若若被被测测信信号号的的变变化化频频率率为为0100Hz0100Hz，则则载载波波信信号号的的频率频率c1000 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9001100 Hz。信信号号解解调调后后，滤滤波波器器的的通通频频带带应应100 100 HzHz，即即让让0100Hz0100Hz的的信信号号顺顺利利通通过过，而而将将900 900 HzHz以以上上的的信信号抑制，可选通频带为号抑制，可选通频带为200 Hz。（二）传感器调制（二）传感器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，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成就已经是已调信号，因此常常在传感器中进行调制。调制。（二）传感器调制（二）传感器调制1、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号的调制（二）传感器调制（二）传感器调制用用4个应变片测量梁的变形，并由此确定作用在梁个应变片测量梁的变形，并由此确定作用在梁上的力上的力F的大小。的大小。采用交流电压采用交流电压U供电。供电。设设4个应变片在没有应力作用的情况下它们的阻值个应变片在没有应力作用的情况下它们的阻值R1=R2=R3=R4=R。则电桥的输出：。则电桥的输出：实现了载波信号口与测量信号的相乘，即调制，实现了载波信号口与测量信号的相乘，即调制，2、用机械或光学的方法实现调制、用机械或光学的方法实现调制 1234567由激光器由激光器4发出的光束经光栏发出的光束经光栏3、调制盘、调制盘2照到被测工件照到被测工件1上。上。工件表面的微观不平度使反射光产生漫反射。工件表面的微观不平度使反射光产生漫反射。根据镜面反射根据镜面反射方向与其它方向接收到的光能量之比可以测定被测件方向与其它方向接收到的光能量之比可以测定被测件1的表面的表面粗糙度。粗糙度。光栏光栏6与光电元件与光电元件7一起转动，依次接收各个方向的反射光能。一起转动，依次接收各个方向的反射光能。这样用同一光电元件接收各个方向的反射光能可以消除用不这样用同一光电元件接收各个方向的反射光能可以消除用不同光电元件接收时光电元件特性不一致带来的测量误差。同光电元件接收时光电元件特性不一致带来的测量误差。由于镜面反射方向接收到的光能量比其它方向强得多，会使由于镜面反射方向接收到的光能量比其它方向强得多，会使光电元件饱和，光电元件饱和，为避免其饱和，加入滤光片为避免其饱和，加入滤光片5。为了为了减小杂散光的影响，采用多孔盘或多糟盘减小杂散光的影响，采用多孔盘或多糟盘2使光信号得到使光信号得到调制，以提高信噪比。也可以不用多孔盘，而采用频闪灯作调制，以提高信噪比。也可以不用多孔盘，而采用频闪灯作光源，同样可以实现信号调制光源，同样可以实现信号调制。（三）电路调制（三）电路调制1、乘法器调制、乘法器调制a)原理图ucuxuoxyKxyb)实用电路-8V47k0.1F1k0.1F5175014 10 161k38MC14961k3.3k3.3k7501k680k20F20Fuc1k0.1F21254uoux+12V用乘法器将与测量信号用乘法器将与测量信号x成正比的调制信号成正比的调制信号ux与载波信号与载波信号uc相乘，就可以实现双边带调幅相乘，就可以实现双边带调幅2、开关电路调制、开关电路调制uxuoUcV2V1Uc uotO Uc OttO ux2、开关电路调制、开关电路调制在输入端加入调制信号在输入端加入调制信号ux，V1、V2是两个场效应晶体管，工作在开关状态。是两个场效应晶体管，工作在开关状态。在它们在它们的栅极分别加入高频载波方波信号的栅极分别加入高频载波方波信号Uc与与Uc。当当Uc为高电平、为高电平、Uc为低电平时，为低电平时，V1导通，导通，V2截止截止:输出输出电压电压uo=ux.当当Uc为低电平、为低电平、Uc为高电平时，为高电平时，V1截止，截止，V2导通导通:输出输出电压电压uo=0.其波形如图其波形如图b所示。经过调制所示。经过调制,ux与幅值按与幅值按0、1变化的载波变化的载波信号相乘。信号相乘。3、信号相加调制、信号相加调制T1+ux -+ux -+uc -VD1i1VD2i2载波信号T3T2RLi3+uo_RP调制信号3、信号相加调制、信号相加调制3、信号相加调制、信号相加调制l调制信号调制信号ux=Uxmcost与载波信号与载波信号uc=Ucmcosct相加相加减后去控制开关器件，减后去控制开关器件，l选取选取ucux，实际起控制作用的是载波信号实际起控制作用的是载波信号uc。如图，。如图，l调制信号调制信号ux与载波信号与载波信号uc分别通过变压器分别通过变压器T1和和T2输入输入,加加到两个起开关作用的二极管到两个起开关作用的二极管VD1、VD2的电压分别为的电压分别为:uc+uxuc-uxl通过两个二极管通过两个二极管VD1、VD2的电流分别为：的电流分别为：r:r:二极管的内阻、二极管的内阻、RpRp(有效部分有效部分)与负载电阻与负载电阻RLRL折合到折合到T3T3一次一次侧的等效电阻之和。侧的等效电阻之和。3、信号相加调制、信号相加调制由上两式有：由上两式有：式中式中n3：变压器：变压器T3的电压比。的电压比。通过滤波器滤除角频率为通过滤波器滤除角频率为的低频信号与角频率为的低频信号与角频率为3c3c及更高频率的高频信号后，就可以得到双边及更高频率的高频信号后，就可以得到双边带调幅信号带调幅信号UxmcostcosctUxmcostcosct。3、信号相加调制、信号相加调制这里采用两个二极管VD1、VD2进行两路调制，两个载波电流以相反方向通过变压器T3的一次侧，靠调整Rp使uc在变压器T3的两个一次侧产生的电流相等，从而使其影响消除。这种电路常称为平衡调制电路平衡调制电路平衡调制电路平衡调制电路。两个信号线性相加是不能实现调制的，这里还是通过控制开关电路获得乘积项，实现调制。第二节第二节调幅式测量电路调幅式测量电路二、包络检波电路二、包络检波电路l包络检波？包络检波？从从已已调调信信号号中中检检出出调调制制信信号号的的过过程程称称为为解解解解调调调调或或或或检检检检波。波。波。波。幅幅值值调调制制就就是是让让已已调调信信号号的的幅幅值值随随调调制制信信号号的的值值变变化化，因因此此调调调调幅幅幅幅信信信信号号号号的的的的包包包包络络络络线线线线形形形形状状状状与与与与调调调调制制制制信信信信号号号号一一一一致致致致。只只要要能能检检出出调调幅幅信信号号的的包包络络线线即即能能实实现现解解调调。这种方法称为这种方法称为包络检波包络检波包络检波包络检波。包络检波的基本工作原理包络检波的基本工作原理只要从图只要从图a所示的调幅信号中，截去它的下半部，即可获得所示的调幅信号中，截去它的下半部，即可获得图图b所示半波检波后的信号所示半波检波后的信号(经全波检波或截去它的上半部经全波检波或截去它的上半部也可也可)，再经低通滤波，滤除高频信号，即可获得所需调，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。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。包络检波就是建立在整流的原理基础上的。包络检波就是建立在整流的原理基础上的。包络检波就是建立在整流的原理基础上的。usuoOOtta)b)（一）二极管与三极管包络检波（一）二极管与三极管包络检波1 1、基本电路、基本电路VDRLC2Ti+us_+uo_非线性 器件 低通滤波器C1a)二极管检波电路调幅信号us，通过由电容C1与变压器T的一次侧构成的谐振回路输入，这样有利于滤除杂散信号。二极管VD检出半波信号，再经由RL和C2构成的低通滤波器检出调制信号，实现解调。（一）二极管与三极管包络检波（一）二极管与三极管包络检波1 1、基本电路、基本电路C1VRLC2Tic+us_+_非线性 器件 低通滤波器uoEcb)晶体管检波电路晶体管V只有在us为负 的半周期有电流通过，其余部分原理与图a相同。2、峰值检波峰值检波峰值检波峰值检波与平均值检波与平均值检波图图a电路，作用在二极管电路，作用在二极管VD上的电压等于上的电压等于us-uo。只有当只有当usuo时，二极管时，二极管VD才导通，才导通，导通区间所对应的相位角称为导通角导通区间所对应的相位角称为导通角，=arccos(uo/Usm)在二极管导通期间，二极管在二极管导通期间，二极管VD上的压降很小，上的压降很小，uo=us由于二极管导通电阻很小，电容器由于二极管导通电阻很小，电容器C2充电很快，充电很快，uoUsm即输出电压即输出电压uo接近接近us在一个载波信号周期内的峰值，在一个载波信号周期内的峰值，这种检这种检波称为波称为峰值检波峰值检波峰值检波峰值检波。需要指出，这种检波方法由于导通角很小，负载能力较差，需要指出，这种检波方法由于导通角很小，负载能力较差，只有当只有当RL足够大时电路才能正常工作。足够大时电路才能正常工作。VDRLC2Ti+us_+uo_C1a)二极管iiUsmctctuuo0us=usmcosct0imax/20uo0t峰值检波峰值检波2、峰值检波与、峰值检波与平均值检波平均值检波平均值检波平均值检波图图b晶体管检波电路中晶体管检波电路中,信号经过了放大，晶体管的输出电压信号经过了放大，晶体管的输出电压icRL可能大于可能大于us的半波整流值。的半波整流值。晶体管检波电路中集电极电压对晶体管检波电路中集电极电压对ic的影响很小，基本上由的影响很小，基本上由us决定，而与输出电压决定，而与输出电压uo无关。无关。由于晶体管由于晶体管V只在半个周期导通，导通时向电容只在半个周期导通，导通时向电容C2充电充电;在另在另半个周期电容半个周期电容C2向向RL放电。放电。电容电容C2的充电量等于放电量，的充电量等于放电量，也就是说流经电阻也就是说流经电阻RL的电流等于载波信号一个周期的电流等于载波信号一个周期ic的平均的平均值，这种检波方式称为值，这种检波方式称为平均值检波平均值检波平均值检波平均值检波。C1VRLC2Tic+us_+_uoEc平均值检波平均值检波ctb)晶体管i0ube0Usmus=usmcoscti0Icicmaxctuo0t（二）精密检波电路（二）精密检波电路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VD和晶体管和晶体管V都有一定死区电压，即二都有一定死区电压，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。二定值时才导通，它们的特性也是一根曲线。二极管极管VD和晶体管和晶体管V的特性偏离理想特性会给检的特性偏离理想特性会给检波带来误差。波带来误差。为了提高检波精度，常需采用为了提高检波精度，常需采用精密检波电路，它又称为它又称为线性检波电路。（二）精密检波电路（二）精密检波电路1、半波精密检波电路、半波精密检波电路+us 半波整流器低通滤波器+usiiCR4uoR1R2R2R3VD1VD2+u i-+N1-+N2+uA+uAA（二）精密检波电路（二）精密检波电路1、半波精密检波电路、半波精密检波电路（二）精密检波电路（二）精密检波电路1、半波精密检波电路、半波精密检波电路+us 半波整流器+usiiR1R2R2VD1VD2+u i-+N1+uA+uAA1、半波精密检波电路、半波精密检波电路l在调幅波在调幅波us为正的半周期，为正的半周期，由于运算放大器N1的倒相作用，N1输出低电平，因此VD1导通、VD2截止，A点接近于虚地，uA0。l在调幅波在调幅波us为负的半周期，为负的半周期，N1输出高电平，因此VD1截止、VD2导通，uA有输出。+us 半波整流器+usiiR1R2R2VD1VD2+u i-+N1+uA+uAAKd为N1开环放大倍数。1、半波精密检波电路、半波精密检波电路l加入加入VD1反馈回路一是为了防止在反馈回路一是为了防止在us的正半周期因的正半周期因VD2截止而使截止而使运放处于开环状态而进入饱和，另一方面也使运放处于开环状态而进入饱和，另一方面也使us在两个半周期负在两个半周期负载基本对称载基本对称lN2与与R3、R4、C等构成低通滤波器。等构成低通滤波器。l对于低频信号电容对于低频信号电容C接近开路，增益为接近开路，增益为-R4/R3。对于高频信号电容。对于高频信号电容C接近短路，使高频信号受到抑制。属于平均值检波器。接近短路，使高频信号受到抑制。属于平均值检波器。Kd很大，这时上式可简化为：很大，这时上式可简化为：2、全波精密检波电路、全波精密检波电路+us 半波整流器低通滤波器+usiiCR4uoR1R2R2R3VD1VD2+u i-+N1-+N2R3+uA+uAAOtuAOtuoOtus线性全波检波电路2、全波精密检波电路、全波精密检波电路us通过R3与uA相加,取R3=2R3。在不加电容器C时，N2的输出为：2、全波精密检波电路、全波精密检波电路2、全波精密检波电路、全波精密检波电路图a为输入调幅信号us的波形，图b为N1输出的反相半波整流信号uA，图c为N2输出的全 波整流信号uo。电容C起滤除载波频率信号的作用。uoR4VD1VD2R2R5VD3VD4R3usR1-+N1-+N2线性全波检波电路之二2、全波精密检波电路、全波精密检波电路2、全波精密检波电路、全波精密检波电路usuAVD2VD1uoR1R3R4-+N1R2-+N2a)电 路 图高输入阻抗线性全波整流电路高输入阻抗线性全波整流电路uo=usus0usR2R1R3R4us-+N1-+N2b）正输入等效电路us0时，时，VD1导通、VD2截止，N2的同相输入端与反相输入端输入相同信号，得到：uouo=us=usuo=-usus0uAR2R1R3R4us-+N1-+N2c)负输入等效电路高输入阻抗线性全波整流电路 us0us0us0usmXm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）调频信号的数学表达式（一）调频信号的数学表达式xtOOtusa)调制信号b)调频信号一、调频原理与方法一、调频原理与方法421TNS3测力或压力的振弦式传感器（二）传感器调制（二）传感器调制一、调频原理与方法一、调频原理与方法（三）电路调制三）电路调制1、电容三点式LC振荡器调频电路LCTC1C2+Ec一、调频原理与方法一、调频原理与方法2、多谐振荡器调频电路uo-+NCR310k5k10kR1RRPR4VS15k30k10kR2+FUruuouc+Ur-Ur-FUrOtT2T1T0a)b)一、调频原理与方法一、调频原理与方法2、多谐振荡器调频电路2、多谐振荡器调频电路l输出电压uo为稳压管Vs的稳定电压Ur。若输出电压为+Ur，则它通过R+Rp向电容C充电，uc升高。l当：当：ucucR4/(R3+R4)Ur R4/(R3+R4)Ur N N的状态翻转，使的状态翻转，使uouo=-Ur=-Ur，电容，电容C C放电，放电，ucuc降低。降低。l当：当：ucuc-R4/(R3+R4)Ur-R4/(R3+R4)Ur N N的状态再次翻转，使的状态再次翻转，使uouo=+Ur=+Ur，又对电容，又对电容C C充电，充电，l这样就构成一个在Ur间来回振荡的多谐振荡器，其振荡频率由充电回路的时间常数(R+Rp)C决定。l可以用一个电容传感器作为图中的C，这样就可使振荡器频率得到调制 也可以用一个电阻式传感器的电阻作R。二、鉴频电路二、鉴频电路p什么是鉴频？对调频信号实现解调，从调频信号中检出反映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被测量变化的调制信号称为频率解调频率解调或或或或鉴频鉴频。p微分鉴频微分鉴频p斜率鉴频斜率鉴频p相位鉴频相位鉴频p比例鉴频比例鉴频（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求导数求导数得得这是调频调幅信号。这是调频调幅信号。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息信息Um(wc+mx)。2、微分鉴频电路、微分鉴频电路C1uousVDVRLC2+Ec-ieic微分网络包络检波C1usud+r+-2、微分鉴频电路、微分鉴频电路2、微分鉴频电路、微分鉴频电路l电容C与晶体正向电阻r组成微分电路l二极管VD为晶体管V提供直流偏压，同时为电容C1提供放电回路。电容C2为滤除高频载波信号用。l微分时，微分电流：l 为了正确微分，要求：l 因而，这种电路灵敏度较低。3、窄脉冲鉴频电路、窄脉冲鉴频电路uoOc)ustttOOb)a)Usuo放大与电平鉴别器单稳态触发器 低通滤波器usUsUs3、窄脉冲鉴频电路、窄脉冲鉴频电路3、窄脉冲鉴频电路、窄脉冲鉴频电路调频信号窄脉冲输出3、窄脉冲鉴频电路、窄脉冲鉴频电路调频信号us经放大后进入电平鉴别器，当输入信号超过一定电平时，电平鉴别器翻转，它使单稳态触发器输出窄脉冲。us的瞬时频率越高，窄脉冲越密，经低通滤波后输出的电压越高。它将频率变化转换为电压变化。为了避免发生混叠现象，要求单稳脉宽：fm、xm分别为us的最高瞬时频率和x的最大值。第三节第三节调频式测量电路调频式测量电路（二）斜率鉴频二）斜率鉴频us+us1us2fo1fo2RLRLuo1uo2uoVD2VD1TC1C2c)d)e)f)usUsmus1us2uooooottttuo1uo2uo回路2回路1fo2fo1fofofcof=fc+fmsintfcfm调频波瞬时频率变化tff第三节第三节调频式测量电路调频式测量电路（三）相位鉴频三）相位鉴频I1L1C2usE0U1C1MC0L2VD1放大U22U22L3VD2RLU1Cuo1uo2uo耦合网络平衡叠加型鉴相器U2RLCU2EI2U1第三节第三节调频式测量电路调频式测量电路（四）比例鉴频四）比例鉴频U5L1C2usE0U1C1MC0L2VD1放大U22U22L3VD2RLCU3auo耦合网络U2R1C3C4C5R2U4bU1a)b)c)U3U4U22_U3U4U3U4U22_U1U1U1_U22U22U22U22l在测控系统中为实现解调，并不一定需要恢复原在测控系统中为实现解调，并不一定需要恢复原调制信号，调制信号，只要能把代表被测量值的储息检出即只要能把代表被测量值的储息检出即可。可。l对于调频信号，就是要检出频率变化的信息，对于调频信号，就是要检出频率变化的信息，只只要能测得调频信号的瞬时频率，即可实现调频信要能测得调频信号的瞬时频率，即可实现调频信号的解调。号的解调。l测量频率有两种方法：测量频率有两种方法：（五）数字式频率计（五）数字式频率计测量频率有两种方法：测量频率有两种方法：l一种是：一种是：测量在某一时段内信号变化的周期数，这种方法难测量在某一时段内信号变化的周期数，这种方法难以用于测量信号的瞬时频率。从而难以用于调频信以用于测量信号的瞬时频率。从而难以用于调频信号的解调。号的解调。l另一种方法是：另一种方法是：测量信号的周期。根据在信号的一个测量信号的周期。根据在信号的一个周期内进入计周期内进入计数器的高频时钟脉冲数即可测得信号的周期，从而数器的高频时钟脉冲数即可测得信号的周期，从而确定频率。确定频率。这种方法可用于调频信号的解调。这种方法可用于调频信号的解调。（五）数字式频率计（五）数字式频率计第三节第三节调频式测量电路调频式测量电路（五）数字式频率计五）数字式频率计CpusUU计数器锁存器清零DG&SRQDZDS第三节第三节调频式测量电路调频式测量电路（五）数字式频率计五）数字式频率计（五）数字式频率计（五）数字式频率计调频信号us，经整形器Dz成为方波信号U，经单稳Ds形成窄脉冲。窄脉冲窄脉冲U的后沿的后沿使RS触发器为时“1”态，计数器的门DG打开，时钟脉冲CP进入计数器。信号us变化一个周期后，出现第二个窄脉冲U，它的前沿前沿发出锁存指令，将计数器计的数送入锁存器。锁存器中存的数代表信号的周期，由它可以确定信号的瞬时频率。第二个窄脉冲的后沿第二个窄脉冲的后沿将计数器清零。计数器对信号的第二个周期计数。这样每次送到锁存器的数代表信号的周期。（五）数字式频率计（五）数字式频率计为使测量正确，必须要求在U的脉冲宽度间隔时段内，能完成计数器对锁存器送数。与此同时U的脉冲宽度应小于钟脉冲的一个周期，以减小由于送数与清零所需的时间带来的误差。这种方法个缺点是：锁存器的示数代表信号周期，它与频率间的转换关系是非线性的。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）调相信号的数学表达式一）调相信号的数学表达式l调相就是用调制信号就是用调制信号x去控制高频载波信号的相去控制高频载波信号的相位。位。l常用的是线性调相，即让调相信号的相位按调制常用的是线性调相，即让调相信号的相位按调制信号信号x的线性函数变化。的线性函数变化。l调相信号调相信号us的的一般表达式可写为：可写为：us=Umcos(wc t+mx)c:载波信号的角频率Um：调相信号中载波信号的幅度;m：调制度。一、调相原理与方法一、调相原理与方法a)b)c)txOttucusOO一、调相原理与方法一、调相原理与方法调相信调相信号与载波号与载波信号的相信号的相位差随位差随x变化变化一、调相原理与方法一、调相原理与方法当当x0时，时，调相信号超前于载波信号。调相信号超前于载波信号。实际上调相信号的瞬时频率也在不断变化，实际上调相信号的瞬时频率也在不断变化，由上式由上式可以得到调相信号的瞬时频率为：可以得到调相信号的瞬时频率为：可以看到，若调制信号为可以看到，若调制信号为x,us是调相信号是调相信号;若调制信号为若调制信号为dx/dt，则，则us是调频信号。是调频信号。一、调相原理与方法一、调相原理与方法（二）传感器调制二）传感器调制13245M扭矩测量一、调相原理与方法一、调相原理与方法（二）传感器调制二）传感器调制XY21a)aabWB12VP1VPnYOb)NS1S2SnVP1VP2VP3VPn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oURUCUsUUCURUTRCUs（三）电路调制（三）电路调制1、调相电桥、调相电桥l例如，例如，lC C为电容式传感器的电容，而为电容式传感器的电容，而R R为一个固定电阻为一个固定电阻;l也可以也可以C C为固定电容，而为固定电容，而R R为电阻式传感器的电阻。为电阻式传感器的电阻。l由于电容由于电容C C上的压降上的压降UcUc和电阻和电阻R R上的压降上的压降URUR相位差相位差9090，l当传感器的电阻或电容变化时，输出电压矢量当传感器的电阻或电容变化时，输出电压矢量UsUs的的末端在以末端在以O O为圆心、以为圆心、以U/2U/2为半径的半圆上移动，如为半径的半圆上移动，如图图b b。UsUs的幅值不变，其相位随传感器的电阻或电容的幅值不变，其相位随传感器的电阻或电容变化，输出调相信号。变化，输出调相信号。l变压器制作麻烦、体积较大，可用运算放大器代替变压器制作麻烦、体积较大，可用运算放大器代替变压器。变压器。（三）电路调制（三）电路调制1、调相电桥、调相电桥-+N2-+N1RR1R1CUsU2U2U2-由运 算放大器N1、N2形成两个幅值相同、极性相反的电压U/2与-U/2，（三）电路调制（三）电路调制1、调相电桥、调相电桥（三）电路调制（三）电路调制1、调相电桥、调相电桥2、脉冲采样式调相电路、脉冲采样式调相电路U0门限检测电路脉冲发 生器载波频率锯齿波发生器输出调相脉冲ujux+a)UcususOttOujtOuj=kux+ujtOuxb)d)c)e)UcU02、脉冲采样式调相电路、脉冲采样式调相电路2、脉冲采样式调相电路、脉冲采样式调相电路二、鉴相电路二、鉴相电路鉴相就是从调相信号中将反映被测量变化的调制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，又称为信号检出来，实现调相信号的解调，又称为相位检波。二、鉴相电路二、鉴相电路（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ucusuoxyKxyNl1、乘法器鉴相、乘法器鉴相l乘法器的两个输入信号分别为：乘法器的两个输入信号分别为：l调相信号：调相信号：us=Usmcos(wct+)l与参考信号：与参考信号：uc=Ucmcoswctl乘法器的输出送低通滤波器滤除由于载波信号引起的高乘法器的输出送低通滤波器滤除由于载波信号引起的高频成分，频成分，低通滤波相当于求平均值，低通滤波相当于求平均值，l整个程可用下述数学式表示，整个程可用下述数学式表示，输出电压：输出电压：l输出信号随相位差输出信号随相位差的余弦而变化。的余弦而变化。在在=/2附近，有较高的灵敏度与较好的线附近，有较高的灵敏度与较好的线性。性。这种乘法器电路简单，这种乘法器电路简单，l不足之处是输出信号同时受调相信号与参考信号幅值的影响。不足之处是输出信号同时受调相信号与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 b)a)Us-UsU1UcU212-2_20uo（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=1Uoc)CPUs计数器锁存器 延时时钟脉冲DG2Uo锁存指令清零UcDG1=1&Nd)-2-0N,uo2b)UcUsOOtuotUotOB（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（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、异或门鉴相将调相信号与参考信号整形后形成占空将调相信号与参考信号整形后形成占空为为l:1的方波信号的方波信号Us和和Uc。将它们送到异或门将它们送到异或门DGl，异或门输出，异或门输出Uo的脉宽的脉宽B与与Us和和Uc的相位差的相位差相相对应，如图对应，如图b所示。所示。这一脉宽有两种处理方法。这一脉宽有两种处理方法。一种方法：将一种方法：将Uo送入一个低通滤波器，滤波后的输出送入一个低通滤波器，滤波后的输出uo与脉宽与脉宽B成正比，成正比，也即与相位差也即与相位差成正比，根据成正比，根据uo可以确定相位差可以确定相位差。另一种方法：是另一种方法：是Uo作问控信号。如图作问控信号。如图c所示，所示，只有当只有当Uo为高电平时，时为高电平时，时钟脉冲钟脉冲CP才能通过门才能通过门DG2进入计数器。进入计数器。这样进入计数器的脉冲数这样进入计数器的脉冲数N与脉与脉宽宽B成正比，也即与相位差成正比，也即与相位差成正比。成正比。Uo的下跳沿来到时，发出锁存指的下跳沿来到时，发出锁存指令，将计数器计的脉冲令，将计数器计的脉冲N送入锁存器。延时片刻后将计数器清零。送入锁存器。延时片刻后将计数器清零。这样这样锁存器锁存的数锁存器锁存的数N为在为在Us和和Uc的一个周期内进入计数器的脉冲数，它反的一个周期内进入计数器的脉冲数，它反映映Us和和Uc的相位差的相位差电路的输出特性如图电路的输出特性如图d所示，所示，在在0-范围内它具有线性关系，它不能鉴别范围内它具有线性关系，它不能鉴别Us和和Uc哪个相位超前。鉴哪个相位超前。鉴相器的鉴相范围为相器的鉴相范围为0-。鉴相器要求。鉴相器要求Us和和Uc的占空比的占空比均为均为1:1，否则会，否则会带来误差。带来误差。2、RS触发器鉴相触发器鉴相a)QQSRUcUsc)N,uo0221ttttb)OOBQUsUcuoOUcUsOOt2、RS触触发发器器鉴鉴相相2、RS触发器鉴相触发器鉴相l将由调相信号Us和参考信号Uc形成窄脉冲Us、Uc分别加到RS触发器的S端和R端，如图所示，lQ=1的脉宽B与Us和Uc的相位差相对应，如图b所示。这一脉宽与异或门鉴相一样有两种处理方法。l一种方法:是将Q端输出送入一个低通滤波器，滤波后的输出uo与脉宽B成正比，也即与相位差成正比，根据uo可以确定相位差。l另一种方法：是用Q代替c中的Uo作门控信号，锁 存器锁存的数代表Us和Uc的相位差。l这种鉴相器的鉴相范围为-(2-)。其中为窄脉冲宽度所对应的相位角，其输出特性如图c中实线1。如果将Q与Q分别送到差分放大器的同相和反相输入端;或者在Q=1时，让计数器作加法计数，Q=0时作减法计数，就可以使鉴相器具有图c中虚 线2所示输出特性，鉴相范围为(-)。lRS触发器鉴相线性好，鉴相范围宽。并且对Us和Uc的占空比没有要求。应用广泛。（三）脉冲采样式鉴相（三）脉冲采样式鉴相uo单稳锯齿波发生器采 样保 持滤波器Ucuj UcUsue)tOa)b)c)d)UcOttOUstOujtOuuo（三）脉冲采样式鉴相（三）脉冲采样式鉴相脉冲采样式鉴相电路的工作原理与脉冲采样式调相电路相似。脉冲采样式鉴相电路的工作原理与脉冲采样式调相电路相似。它实现脉冲采样调相的逆过程，其原理图如图它实现脉冲采样调相的逆过程，其原理图如图（三）（三）脉冲采脉冲采样式鉴样式鉴相相（三）脉冲采样式鉴相（三）脉冲采样式鉴相由参考信号由参考信号Uc形成窄脉冲形成窄脉冲Uc送到锯齿波发生器的输入端，送到锯齿波发生器的输入端，形成图形成图c所示锯齿波信号所示锯齿波信号uj。l由调相信号由调相信号Us形成窄脉冲形成窄脉冲Us,通过采样保持电路采集此时通过采样保持电路采集此时的的uj值，并将其保持。值，并将其保持。l采样保持电路来得的电压值由采样保持电路来得的电压值由Us与与Uc的相位差的相位差p决定。采决定。采样保持电路输出样保持电路输出u的波形如图的波形如图d所示，所示，l经平滑滤波后得到图经平滑滤波后得到图e所示输出波形。实现调相信号的解调。所示输出波形。实现调相信号的解调。l脉冲采样式鉴相电路的工作原理基于相位脉冲