测控电路03_信号调制解调电路.ppt
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1、测控电路 3.信号调制解调电路张国雄天津大学精密仪器与光电子工程学院精密测试技术及仪器国家重点实验室电子邮件: 精2023/1/3 测控电路23.信号调制解调电路信号调制解调电路 调制解调的功用与类型 调幅式测量电路 调相式测量电路 调频式测量电路脉冲调制式测量电路2023/1/3 测控电路3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?什么是信号调制?调制调制(Modulation)就是用一个信号(称为调制信号,modulating signal)去控制另一个做为载体的信号(称为载波信号carrying signal),让后者的某一特征参数按前者变化。(2)什么是解调?什么是
2、解调?从已经调制的信号(称为已调信号,modulated signal)中提取反映被测量值的测量信号,称为解调解调(Demodulation)。3.信号调制解调电路信号调制解调电路2023/1/3 测控电路4调制解调的功用与类型调制解调的功用与类型(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,往往给测量信号赋予一定特征,这就是调制的主要功用。调制还有利于减小漂移的影响,是提高测
3、控系统精度的重要手段。3.信号调制解调电路信号调制解调电路2023/1/3 测控电路5调制解调的功用与类型调制解调的功用与类型(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载波信号。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,分别称为调幅调幅(Amplitude modulation)、调频、调频(Frequency modulation)和和调相调相(Phase modulation)。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,最常用的是对脉冲的宽度进行调制,称为脉冲调宽脉冲调宽(
4、Pulse width modulation)。3.信号调制解调电路信号调制解调电路2023/1/3 测控电路63.1 调幅式测量电路一、一、调幅信号的一般表达式调幅信号的一般表达式(1)什么是调幅?写出调幅信号的数学表达式,画什么是调幅?写出调幅信号的数学表达式,画出其波形。出其波形。调幅调幅就是用调制信号x去控制高频载波信号的幅值。常用的是线性调幅,即让调幅信号的幅值按调制信号x的线性函数变化。调幅信号的一般表达式一般表达式可写为:Us=(Um+mx)cosct 3.信号调制解调电路信号调制解调电路3.1.1 调幅原理与方法调幅原理与方法2023/1/3 测控电路73.1 调幅式测量电路3
5、.信号调制解调电路信号调制解调电路a)调制信号调制信号b)载波信号载波信号d)双边带调幅信号双边带调幅信号c)调幅信号调幅信号3.1.1 调幅原理与方法调幅原理与方法tttxOOucOusustO2023/1/3 测控电路83.1 调幅式测量电路调幅式测量电路(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 假设调制信号x是角频率为的余弦信号x=Xmcost,由式us=(Um+mx)cosct调幅信号可写为:us=Umcosct+mXmcos(c+)t+mXmcos(c-)t/2 它包含三个不同频率的信号:角频率为c的载波信号和角频率分别为 c的上下边
6、频信号。载波信号中不含调制信号x的信息,因此可以取Um=0,只保留两个边频信号。这种调制称为双边带调制双边带调制。其数学表达式数学表达式为:3.信号调制解调电路信号调制解调电路3.1.1 调幅原理与方法调幅原理与方法2023/1/3 测控电路93.1 调幅式测量电路(3)(3)在测控系统中被测信号的变化频率为在测控系统中被测信号的变化频率为0100Hz,应,应怎样选取载波信号的频率?应怎样选取调幅信号放大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c,通常至少要求c10。
7、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。若被测信号的变化频率为0100Hz,则载波信号的频率c1000 Hz。调幅信号放大器的通频带应为9001100 Hz。3.信号调制解调电路信号调制解调电路3.1.1 调幅原理与方法调幅原理与方法2023/1/3a)a)检出最大值检出最大值b)b)误差最大情况误差最大情况2112nAB3.1 调幅式测量电路3.信号调制解调电路信号调制解调电路3.信号调制解调电路信号调制解调电路3.1 调幅式测量电路(3)在测控系统中被测信号的变化频率为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应怎样
8、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,怎样选取滤波器的放大器的通频带?信号解调后,怎样选取滤波器的通频带?通频带?信号解调后,滤波器的通频带应100 Hz,即让0100Hz的信号顺利通过,而将900 Hz以上的信号抑制,可选通频带为200 Hz。3.1.1 调幅原理与方法调幅原理与方法 测控电路123.1 调幅式测量电路二、传感器调制(1)为什么在测控系统中常常在传感器中进行为什么在测控系统中常常在传感器中进行信号调制?信号调制?为了提高测量信号抗干扰能力,常要求从信号一形成就已经是已调信号,因此常常在传感器中进行调制。3.1.1 调幅原理与方法调幅原理与方法3.信
9、号调制解调电路信号调制解调电路2023/1/3 测控电路133.1 调幅式测量电路(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。3usucx12143.信号调制解调电路信号调制解调电路3.1.1 调幅原理与方法调幅原理与方法txOtOucOtusustO2023/1/3 测控电路143.1 调幅式测量电路(2)(2)通过交流供电实现调制通过交流供电实现调制R1FR4R2 R3R1R2UoUR3R4应变式传感器输出信号的调制 3.1.1 调幅原理与方法调幅原理与方法3.信号调制解调电路信号调制解调电路2023/1/3(3)用机械或光学的方法实现调制
10、3.1.1 调幅原理与方法调幅原理与方法3.信号调制解调电路信号调制解调电路3.1 调幅式测量电路123456 测控电路163.1 调幅式测量电路三、电路调制(1)乘法器调制乘法器调制a)原理图ucuxusxyKxy3.信号调制解调电路信号调制解调电路3.1.1 调幅原理与方法调幅原理与方法b)实用电路-8V47k0.1F1k0.1F5175014 10 161k38MC14961k3.3k3.3k7501k680k20F20Fuc1k0.1F21254usux+12V2023/1/3 测控电路173.1 调幅式测量电路(2)开关电路调制开关电路调制3.信号调制解调电路信号调制解调电路3.1.
11、1 调幅原理与方法调幅原理与方法uxuo=usUcV2V1Uc uotO Uc OttO uxuo=us2023/1/3 测控电路183.1 调幅式测量电路(3)信号相加调制信号相加调制相加只是形式,实际上由相加只是形式,实际上由uc控制,工作在开关模式。控制,工作在开关模式。T1+ux _+ux _+uc -VD1i1VD2i2载波信号载波信号T3T2RLi3+uo_RP调调制制信信号号3.信号调制解调电路信号调制解调电路3.1.1 调幅原理与方法调幅原理与方法2023/1/3 测控电路193.1 调幅式测量电路3.1.2 包络检波电路包络检波电路什么是包络检波?什么是包络检波?从已调信号中
12、检出调制信号的过程称为解解调调或检波检波。幅值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。只要能检出调幅信号的包络线即能实现解调。这种方法称为包络检波包络检波。3.信号调制解调电路信号调制解调电路2023/1/3 测控电路203.1 调幅式测量电路包络检波的基本工作原理是什么?包络检波的基本工作原理是什么?由图可见,只要从图a所示的调幅信号中,截去它的下半部,即可获得图b所示半波检波后的信号(经全波检波或截去它的上半部也可),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。包络检波就是建立在整流的原理基础上的。3.信号调制解调电路信号调制解调
13、电路3.1.2 包络检波电路包络检波电路usOOtta)b)uo2023/1/3 测控电路213.1 调幅式测量电路(一)二极管与三极管包络检波 (1)基本电路基本电路a)二极管检波电路二极管检波电路VDRLC2Ti+us_+uo_非线性非线性 器件器件 低通低通滤波器滤波器C1VRLC2Tic+us_+_非线性非线性 器件器件 低通低通滤波器滤波器uoEcb)晶体管检波电路晶体管检波电路3.信号调制解调电路信号调制解调电路3.1.2 包络检波电路包络检波电路2023/1/3 测控电路223.1 调幅式测量电路(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VD和晶
14、体管V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导通,它们的特性也是一根曲线。二极管VD和晶体管V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,常需采用精密检波电精密检波电路路,它又称为线性检波电路线性检波电路。3.信号调制解调电路信号调制解调电路3.1.2 包络检波电路包络检波电路2023/1/3 测控电路233.1 调幅式测量电路3.1.2 包络检波电路包络检波电路3.信号调制解调电路信号调制解调电路(1)半波精密检波电路半波精密检波电路+i1CR4uoR1+us R2R3VD1VD2半波整流器低通滤波器uA+u i-+N1-+N2+A2023/1/3
15、测控电路243.1 调幅式测量电路(2)(2)全波精密检波电路全波精密检波电路3.信号调制解调电路信号调制解调电路3.1.2 包络检波电路包络检波电路OtuAOtuoOtusOtus/2+us 半波整流器低通滤波器+i1CR4uoR1R2R3VD1VD2+u i-+N1-+N2+uA+A3R2023/1/3 测控电路253.1 调幅式测量电路线性全波检波电路之二3.1.2 包络检波电路包络检波电路3.信号调制解调电路信号调制解调电路Otu2OtuoOtu1OtusuoR4VD1VD2R2R5VD3VD4R3usR1-+N1-+N2u1u22023/1/3 测控电路263.1 调幅式测量电路线性
16、全波检波电路之三高输入阻抗线性全波整流电路3.信号调制解调电路信号调制解调电路3.1.2 包络检波电路包络检波电路a)电路图usuAVD2VD1R1R3R4-+N1R2-+N2uob)正输入等效电路R2uo=usus0usR1R3R4-+N1-+N2N2的同相输入端与反相输入端输入相同信号,得到uo=us N1跟随器2023/1/33.信号调制解调电路信号调制解调电路3.1.2 包络检波电路包络检波电路3.1 调幅式测量电路线性全波检波电路之三:高输入阻抗线性全波整流电路取R1=R2=R3=R4/2,N1的输出为 N2的输出为 线性全波检波电路常线性全波检波电路常用作绝对值运算电路用作绝对值运
17、算电路c)负输入等效电路a)电路图usuAVD2VD1R1R3R4-+N1R2-+N2uoR2uo=-ususv 时 测控电路633.2 调频式测量电路调频式测量电路(三)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LCTC1C2+Ec3.信号调制解调电路信号调制解调电路3.2.1 3.2.1 调频原理与方法调频原理与方法2023/1/3 测控电路643.2 调频式测量电路调频式测量电路uo-+NCR310k 5k10kR1RRPR4VS15k30k10kR2+FUr-FUruuouc+Ur-UrOtT2T1T0a)b)3.信号调制解调电路信号调制解调电路(三)电路调制(
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