《信号调制解调》PPT课件.ppt

第三章 信号调制解调电路第一节 调制解调的功用与类型,1、什么是信号调制？调制就是用一个信号（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），让后者的某一特征参数按前者变化。2、什么是解调？在将测量信号调制，并将它和噪声分离，放大等处理后，还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，这一过程称为解调。,什么是信号调制？,第一节 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，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。,第一节 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(AM)、调频(FM)和调相(PM)。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。,第一节 调制解调的功用与类型,5、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，这个载体称为载波信号。用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位的信号称为调制信号。在测控系统中，通常就用测量信号作调制信号。经过调制的载波信号叫已调信号。,第二节 调幅式测量电路,一、调幅原理与方法（一）调幅波的一般数学表达式 1、什么是调幅？写出调幅信号的数学表达式.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可写为：us=(Um+mx)coswct m 为调制度,Um0,Um=0,第二节 调幅式测量电路,2、调幅波的频谱 假设调制信号x是角频率为的余弦信号 x=Xmcost，则调幅信号可写为：us=Umcosct+mXmcos(c+)t+mXmcos(c-)t/2 它包含三个不同频率的信号:一个是角频率为c的载波信号，其幅值是Um，和角频率分别为c，幅值为mXm/2的两个分量。,第二节 调幅式测量电路,c-c c+,第二节 调幅式测量电路,我们知道，信号的时域相乘等于频域卷积。即x(t).y(t)x(f)*y(f)卷积的结果就产生了频谱搬移，即从低频搬移到了载频的两侧。所以，调幅过程也是一个频率搬移或频率变换的过程。调幅波的带宽为：BW=2。,第二节 调幅式测量电路,3、何谓双边带调幅？画出波形 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。其数学表达式为：us=Uxmcost cosct 双边带调制可以用调制信号与载波信号相乘来实现 如果调制信号是一个复杂的信号，则已调信号频谱将出现下边带和上边带。此时带宽应为BW=2 m,-m m,第二节 调幅式测量电路,4、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？为了正确进行信号调制必须要求c，通常至少要求c10。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。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。,第二节 调幅式测量电路,5、调幅波的功率 载波功率=(Ucm)2/2 边频功率=2*1/2*（mXm/2）2=(MUcm)2/4 可见，在AM调制中，载波功率占了总功率的相当大的一部分。当M=1时，边频功率也只有载波频率的50%。实际上。M一般为0.30.5。而有用信息仅包含在边频之中，所以，从功率角度看，AM调制是很不经济的。,第二节 调幅式测量电路,6、实现AM调幅的方案,x,Um,cosct,us,cosct,x,增益=Um,us,第二节 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。,第二节 调幅式测量电路,2、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。,第二节 调幅式测量电路,3、用机械或光学的方法实现调制,第二节 调幅式测量电路,（三）电路调制1、乘法器调制 MC1496,第二节 调幅式测量电路,2、开关电路调制,第二节 调幅式测量电路,3、信号相加调制,第二节 调幅式测量电路,二、包络检波电路什么是包络检波？从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波。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。,第二节 调幅式测量电路,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。,第二节 调幅式测量电路,（一）二极管与三极管包络检波1、基本电路,C1,第二节 调幅式测量电路,2、峰值检波与平均值检波,第二节 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？二极管VD和晶体管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路，它又称为线性检波电路。,第二节 调幅式测量电路,1、半波精密检波电路,第二节 调幅式测量电路,2、全波精密检波电路,线性全波检波电路之一,第二节 调幅式测量电路,us0，二极管VD1，VD4导通，VD2，VD3截止，uOus;,us0，二极管VD1，VD4截止，VD2，VD3导通，uO-us;,1.分析电路结构；2.分析各部分输入输出关系；3.虚短，虚断，电流和为零。,第二节 调幅式测量电路,a)电路图,线性全波检波电路之三高输入阻抗线性全波整流电路,us0，二极管VD1导通，VD2截止；,线性全波检波电路之三高输入阻抗线性全波整流电路,Us0，二极管VD1截止，VD2导通；,取R1=R2=R3=R4/2,uo=|us|,第二节 调幅式测量电路,三、相敏检波电路（一）相敏检波的功用和原理1、什么是相敏检波电路？相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。,第二节 调幅式测量电路,2、为什么要采用相敏检波？包络检波有两个问题：一是解调的主要过程是对调幅信号进行半波或全波整流，无法从检波器的输出鉴别调制信号的相位。第二，包络检波电路本身不具有区分不同载波频率的信号的能力。对于不同载波频率的信号它都以同样方式对它们整流，以恢复调制信号，这就是说它不具有鉴别信号的能力。为了使检波电路具有判别信号相位和频率的能力，提高抗干扰能力，需采用相敏检波电路。,第二节 调幅式测量电路,3、相敏检波电路与包络检波电路在功能与电路构成上最主要的区别是什么？相敏检波电路与包络检波电路在功能上的主要区别是相敏检波电路能够鉴别调制信号相位，从而判别被测量变化的方向，同时相敏检波电路还具有选频的能力，从而提高测控系统的抗干扰能力。从电路结构上看，相敏检波电路的主要特点是，除了所需解调的调幅信号外，还要输入一个参考信号。有了参考信号就可以用它来鉴别输入信号的相位和频率。,第二节 调幅式测量电路,4、相敏检波电路与调幅电路在结构上有哪些相似之处？它们又有哪些区别？将调制信号ux乘以幅值为1的载波信号就可以得到双边带调幅信号us，将双边带调幅信号us再乘以载波信号，经低通滤波后就可以得到调制信号ux。这就是相敏检波电路在结构上与调制电路相似的原因。二者主要区别是调幅电路实现低频调制信号与高频载波信号相乘，输出为高频调幅信号；而相敏检波器实现高频调幅信号与高频载波信号相乘，经滤波后输出低频解调信号。这使它们的输入、输出耦合回路与滤波器的结构和参数不同。,us=Uxmcost cosct,相敏检波可以用与调制电路相似的电路来实现。,第二节 调幅式测量电路,（二）常用相敏检波电路1、乘法器式相敏检波电路,第二节 调幅式测量电路,2、开关式相敏检波电路,半波相敏检波电路,优点：具有鉴相功能缺点：脉动较大，精度低,2、全波相敏检波电路,Uc“1”，场效应管V导通，uO-us;,Uc“0”，场效应管V截止，uOU+(1+R/R)-R/R U-=us;,Us和Uc同相时，uO0，具有鉴相作用。,2、全波相敏检波电路,Uc“1”，场效应管V1导通，V2截止，uO-R6/（R2R3）-us;,Us和Uc同相时，uO0，具有鉴相作用。,Uc“0”，场效应管V1截止，V2导通，,4、精密整流型相敏检波电路,Uc为正，场效应管V1截止，V2导通；Uc为负，UA=0；,取R1R2R3R42R3,Us和Uc反相时，uO0，具有鉴相作用。,第二节 调幅式测量电路,3、相加式相敏检波电路,相加式半波相敏检波电路之一,相加式调幅电路,（自学）,3、相加式相敏检波电路,第二节 调幅式测量电路,相加式半波相敏检波电路之二,相加式全波相敏检波电路,第二节 调幅式测量电路,5、脉冲箝位式相敏检波电路,（自学）,第二节 调幅式测量电路,（三）相敏检波电路的选频与鉴相特性1、相敏检波电路的选频特性 相敏检波电路的工作原理 相敏检波电路的数学表达式 相敏检波电路具有抑制各种高次谐波的能力,（三）相敏检波电路的选频与鉴相特性1、相敏检波电路的选频特性,滤除载波信号在数学上可以用在载波信号一个周期内取平均值来表示。这样对于调幅信号的相敏检波可表示为,（三）相敏检波电路的选频与鉴相特性1、相敏检波电路的选频特性,如果输入信号中含有高次谐波，设为uncosnct，其中n为大于1的整数，由它产生的附加输出为,即相敏检波电路具有抑制各种高次谐波的能力。,（三）相敏检波电路的选频与鉴相特性1、相敏检波电路的选频特性,在实用的相敏检波电路中，常采用方波信号作参考信号。这时输入信号不是与单位参考信号cosct相乘，而是与归一化的方波载波信号相乘。输出电压,n为偶数，输出为零。n为奇数，输出信号的幅值相应为un/，un/（3），un/（5）等,（三）相敏检波电路的选频与鉴相特性1、相敏检波电路的选频特性,什么是相敏检波电路的选频特性？相敏检波电路对不同频率的输入信号有不同的传递特性。以参考信号为基波，所有偶次谐波在载波信号的一个周期内平均输出为零，即它有抑制偶次谐波的功能。对于n=1,3,5等各奇次谐波，输出信号的幅值相应衰减为基波的1/n，即信号的传递系数随谐波次数增高而衰减，对高次谐波有一定抑制作用。,第二节 调幅式测量电路,b)n=2,a)n=1,c)n=3,us,us,t,O,uo,t,O,+,+,+,+,Uc,t,O,uo,t,O,+,+,+,t,O,+,t,Uc,O,+,us,t,O,uo,t,O,+,+,+,+,+,+,+,t,O,+,Uc,图3-22 相敏检波电路的选频特性,2、相敏检波电路的鉴相特性,什么是相敏检波电路的鉴相特性？由于在输入信号与参考信号同频但有一定相位差时，输出信号的大小与相位差有确定的函数关系，可以根据输出信号的大小确定相位差的值，相敏检波电路的这一特性称为鉴相特性。,如果输入信号us为与参考信号uc(或Uc)同频信号，但有一定相位差，这时输出电压,第二节 调幅式测量电路,图3-23相敏检波电路的鉴相特性,相敏检波电路的鉴相特性应用,相位计提高电路抑制干扰的能力。在干扰信号中，相位具随机性。相敏检波电路的鉴相特性使频率与参考信号很接近的干扰也受到抑制。只要干扰的频率与参考信号略有差别，它与参考信号的相位差就不断变化，经低通滤波后平均输出接近零。,第二节 调幅式测量电路,（四）相敏检波电路的应用（自学）调幅式电感测微仪电路,第二节 调幅式测量电路,光电显微镜瞄准原理,第三节 调频式测量电路,一、调频原理与方法（一）什么是调频？写出调频信号的数学表达式，画出其波形。调频就是用调制信号x去控制高频载波信号的频率。常用的是线性调频，即让调频信号的频率按调制信号x的线性函数变化。调频信号us的一般表达式可写为：us=Umcos(wc+mx)t,第三节 调频式测量电路,调频信号的波形,不同采样率的采样结果,数据采集系统结构,说明混叠的例子采样的结果将会是低于奈奎斯特频率(fs/2=50 Hz)的信号可以被正确采样。而频率高于50HZ的信号成分采样时会发生畸变。分别产生了30、40和10 Hz 的畸变频率 F2、F3和F4。计算混频偏差的公式是：混频偏差ABS(采样频率的最近整数倍输入频率)其中ABS表示“绝对值”，例如：混频偏差 F2=|10070|=30 Hz 混频偏差 F3=|(2)100160|=40 Hz 混频偏差 F4=|(5)100510|=10 Hz,为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集(A/D)之前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。在图的例子中，这个滤波器的截止频率自然是25HZ。这个滤波器称为抗混叠滤波器。采样频率应当怎样设置呢？也许你可能会首先考虑用采集卡支持的最大频率。但是，较长时间使用很高的采样率可能会导致没有足够的内存或者硬盘存储数据太慢。理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的2倍就够了，实际上工程中选用510倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。,第三节 调频式测量电路,（二）传感器调制,测力或压力的振弦式传感器,第三节 调频式测量电路,（三）电路调制1、电容三点式LC振荡器调频电路,第三节 调频式测量电路,2、多谐振荡器调频电路,第三节 调频式测量电路,二、鉴频电路什么是鉴频？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频率解调或鉴频。（一）微分鉴频1、工作原理将调频信号us=Umcos(wc+mx)t 对t求导数得到-Um(wc+mx)sin(wc+mx)t这一调频调幅信号。利用包络检波检出其幅值变化，即可得到含有调制信号的信息 Um(wc+mx)。,第三节 调频式测量电路,2、微分鉴频电路,第三节 调频式测量电路,3、窄脉冲鉴频电路,第三节 调频式测量电路,（二）斜率鉴频,第三节 调频式测量电路,（三）数字式频率计,第四节 调相式测量电路,一、调相原理与方法（一）什么是调相？写出调相信号的数学表达式，画出其波形。调相就是用调制信号x去控制高频载波信号的相位。常用的是线性调相，即让调相信号的相位按调制信号x的线性函数变化。调相信号us的一般表达式可写为：us=Umcos(wc t+mx),第四节 调相式测量电路,第四节 调相式测量电路,（二）传感器调制,扭矩测量,第四节 调相式测量电路,莫尔条纹信号的调制,第四节 调相式测量电路,（三）电路调制1、调相电桥,-,+,+,N2,-,+,+,N1,R,R1,R1,C,Us,U,2,U,2,U,2,第四节 调相式测量电路,2、脉冲采样式调相电路,第四节 调相式测量电路,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信号检出来，实现调相信号的解调，又称为相位检波。（一）用相敏检波器或乘法器鉴相1、乘法器鉴相uo=KUsmUcm/2cos,(ppt28),第四节 调相式测量电路,2、用开关式相敏检波电路鉴相（ppt37)3、用相加式相敏检波电路检相（ppt38)为什么常取参考信号的幅值等于调相信号的幅值？,第四节 调相式测量电路,（二）通过相位脉宽变换鉴相1、异或门鉴相,第四节 调相式测量电路,2、RS触发器鉴相,第四节 调相式测量电路,（三）脉冲采样式鉴相,第四节 调相式测量电路,各种鉴相方法比较（精度、误差因素、鉴相范围）影响鉴相误差的主要因素有：非线性、信号幅值、占空比、门电路与时钟脉冲频率等。RS触发器鉴相精度最高，线性好，对Us和Uc的占空比没有要求。鉴相范围接近2。相敏检波器或乘法器鉴相原理上有非线性，信号幅值影响鉴相误差。鉴相范围为/2。脉冲采样鉴相中锯齿波的非线性影响鉴相误差。鉴相范围接近2。异或门鉴相中占空比影响鉴相误差。鉴相范围为0-。通过相位脉宽变换鉴相时门电路的动作时间与时钟脉冲频率误差对精度有影响，但一般误差较小。,第五节 脉冲调制式测量电路,一、脉冲调制原理与方法（一）什么是脉冲调宽？写出脉冲调宽信号的数学表达式，画出其波形。脉冲调制是指用脉冲作为载波信号的调制方法。在脉冲调制中具有广泛应用的一种方式是脉冲调宽。脉冲调宽的数学表达式为：B=b+mx,第五节 脉冲调制式测量电路,第五节 脉冲调制式测量电路,（二）传感器调制,用激光扫描的方法测量工件直径,第五节 脉冲调制式测量电路,（三）电路调制1、参量调宽,第五节 脉冲调制式测量电路,2、电压调宽,第五节 脉冲调制式测量电路,二、脉冲调制信号的解调脉冲调宽信号的解调主要有哪些方式？脉冲调宽信号的解调主要有两种方式。一种是将脉宽信号Uo 送入一个低通滤波器，滤波后的输出uo 与脉宽B成正比。另一种方法是Uo 用作门控信号，只有当Uo 为高电平时，时钟脉冲Cp才能通过门电路进入计数器。这样进入计数器的脉冲数N与脉宽B 成正比。两种方法均具有线性特性,第五节 脉冲调制式测量电路,三、脉冲调制测量电路应用举例（电容测量电路）,管脚图,