1、第三章 信号调制解调电路,第一节 调制解调的功用与类型 第二节 调幅式测量电路 第三节 调频式测量电路 第四节 调相式测量电路 第五节 脉冲调制式测量电路,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？ 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。,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。 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
2、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、调频和调相。 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
3、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。 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)调幅信号的一般表达式 调幅 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。 数学表达式： us=(Um+mx)coswct,(一)调幅信号的一般表达式 数学表达式： us=(Um+mx)coswctc:载波信号的角频率; Um: 调幅信号中载波信号的幅值; m: 调制度。,(一)调幅信号的一般表达式 波形。,(一)调幅信号的一般表达式 波形。,双边带调
4、幅:,假设调制信号x是角频率为的余弦信号 x=Xmcost， 调幅信号可写为：,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的上下边频信号。,双边带调幅:,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。数学表达式为：us=mXmcost cosct= Uxmcost cosct,双边带调幅:,数学表达式为：us=mXmcost cosct= Uxmcost cosct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c，通常至少要求c10。 在这种情况下，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。,
5、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c，通常至少要求c10。 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。,（二）传感器调制,为了提高测量信号抗干扰能力，常要求从信号一形成就已经是已调信号，因此常常在传感器中进行调制。,（二）传感器调制,1、通过交流供电实现调制 如，电阻式
6、传感器、电感式传感器和电容式传感器。,（二）传感器调制,用4个应变片测量梁的变形，并由此确定作用在梁上的力F的大小。 采用交流电压U供电。 设4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： 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,由激光器4发出的光束经光栏3、调制盘2照到被测工件1上。 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的表面粗糙度。 光栏6与光电元件7一起转动，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同光电元件
7、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，会使光电元件饱和， 为避免其饱和，加入滤光片5。 为了 减小杂散光的影响，采用多孔盘或多糟盘2使光信号得到调制，以提高信噪比。也可以不用多孔盘，而采用频闪灯作光源，同样可以实现信号调制。,（三）电路调制,1、乘法器调制,用乘法器将与测量信号x成正比的调制信号ux与载波信号uc相乘，就可以实现双边带调幅,2、开关电路调制,2、开关电路调制 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。 在它们的栅极分别加入高频载波方波信号Uc与Uc。 当Uc为高电平、Uc为低电平时，V1导通，V
8、2截止:输出电压uo=ux. 当Uc为低电平、Uc为高电平时，V1截止，V2导通:输出电压uo=0. 其波形如图b所示。经过调制,ux与幅值按0、1变化的载波 信号相乘。,3、信号相加调制,3、信号相加调制,3、信号相加调制 调制信号ux=Uxmcost与载波信号uc=Ucmcosct相加减后去控制开关器件， 选取ucux， 实际起控制作用的是载波信号uc。如图， 调制信号ux与载波信号uc分别通过变压器T1和T2输入, 加到两个起开关作用的二极管VD1、VD2的电压分别为: uc+ux uc-ux 通过两个二极管VD1、VD2的电流分别为：,r:二极管的内阻、Rp(有效部分)与负载电阻RL折
9、合到T3一次侧的等效电阻之和。,3、信号相加调制 由上两式有：,式中 n3：变压器T3的电压比。通过滤波器滤除角频率为的低频信号与角频率为3c及更高频率的高频信号后，就可以得到双边带调幅信号Uxmcostcosct。,3、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。 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 调幅式测量电路,二、包络检波电路 包络检波？ 从已调信号中检出调制信号的
10、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。,包络检波的基本工作原理,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。,（一）二极管与三极管包络检波,1、基本电路,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
11、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,1、基本电路,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、峰值检波与平均值检波 图a电路，作用在二极管VD上的电压等于us-uo。 只有当usuo时，二极管VD才导通， 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VD上的压降很小，uo=us 由于二极管导通电阻很小，电容器C2充电很快，uoUsm 即输出电压uo接近us在一个载波信号周期内的峰值， 这种检波称为峰值检波。 需要指出，这种检波方法由于导通角很小，负载能力较差， 只有当RL足够大时电路才能正常
12、工作。,峰值检波,2、峰值检波与平均值检波 图b晶体管检波电路中,信号经过了放大，晶体管的输出电压icRL可能大于us的半波整流值。 晶体管检波电路中集电极电压对ic的影响很小，基本上由us决定，而与输出电压uo无关。 由于晶体管V只在半个周期导通，导通时向电容C2充电; 在另半个周期电容C2向RL放电。 电容C2的充电量等于放电量， 也就是说流经电阻RL的电流等于载波信号一个周期ic的平均值，这种检波方式称为平均值检波。,平均值检波,（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
13、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。,（二）精密检波电路,1、半波精密检波电路,（二）精密检波电路,1、半波精密检波电路,（二）精密检波电路,1、半波精密检波电路,1、半波精密检波电路,在调幅波us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。 在调幅波us为负的半周期， N1输出高电平，因此VD1截止、VD2导通，uA有输出。,Kd为N1开环放大倍数。,1、半波精密检波电路,加入VD1反馈回路一是为了防止在us的正半周期因VD2截止
14、而使运放处于开环状态而进入饱和，另一方面也使us在两个半周期负载基本对称 N2与R3、R4、C等构成低通滤波器。 对于低频信号电容C接近开路，增益为-R4/R3。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。,Kd很大，这时上式可简化为：,2、全波精密检波电路,线性全波检波电路,2、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,2、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。,2、全波精密检波
15、电路,2、全波精密检波电路,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,us0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： uo=us,高输入阻抗线性全波整流电路,us0时， VD1截止、VD2导通，取R1=R2=R3=R4/2，这时N2的输出为：,uo=|us|,实现了全波检波。,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,高输入阻抗线性全波整流电路,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。,（一）相敏检波的功用和原理 2、
16、为什么要采用相敏检波？ 包络检波有两个问题： 一是解调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。 二是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频率的能力。 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。,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？ 主要区别 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， 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。,3、相敏检波电路与包络检波电路
17、在功能与电路构成上最主要的区别是什么？ 相敏检波电路的主要特点 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。 参考信号应与所需解调的调幅信号具有同样的频率， 采用载波信号作参考信号就能满足这一条件。,由于相敏检波电路需要有一个与输入的调幅信号同频的信号作参考信号，因此相敏检波电路又称为同步检波电路。,（一）相敏检波的功用和原理,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,（一）相敏检波的功用和原理,利用低通滤波器滤除频率为2c-和2c+的高频信号后就得到调制信号Uxmcost，
18、只是乘上了系数1/2。,第二节 调幅式测量电路,三、相敏检波电路 （二）常用相敏检波电路 1、乘法器式相敏检波电路,1、乘法器式相敏检波电路,将它与前图调幅电路相比，十分相似。 主要区别是: (1)在前图中，接到输入端l的输入电容与接在引脚4的补 偿电容均为20uf，而在上图b中，它们的值为0.1uf。 这是因为在前图中接到 输入端1的输入信号为低频调制信号ux。 而在图上图b中，输入信号为高频调幅信号us。 (2)在图上图b中增加了一级由运算放大器F007和R、C等构成的低通滤波器。,2、开关式相敏检波电路,2、开关式相敏检波电路,us,2、开关式相敏检波电路,开关式相乘调制电路同样可用作相
19、敏检波电路。 这时在输入端送入双边带调幅信号， 而在V1、V2的栅极输入方波参考信号。 由于载波 信号的频率远高于调制信号，可以认为载波信号与调幅信号具有相同的频率。,2、开关式相敏检波电路,在载波信号uc(图b)正半周期： Uc=1, /Uc=0，V1导通、V2截止，有信号输出。这里Uc是uc整形后的方波信号。 在载波信号uc(图b)负半周期： Uc=0, /Uc=1，V1截止、V2导通，输出为零。 输出信 号uo的波形如图d所示。 经低通滤波器滤除高 频分量后得到与调制信号ux(见图a)成正比的输出。,2、开关式相敏检波电路,从图d中还可看出， 当调幅信号us(见图c) 与载波信号uc(见
20、图b)同相时，输出信号uo为正。 当调幅信号us与载波信号uc反相时，输出信号uo为负。 半波相敏检波电路的不足是输出信号的脉动较大，为了减小脉动量可采用全波相敏检波电路。 图e是全波相敏检波输出波形。,2、开关式相敏检波电路,全波,2、开关式相敏检波电路,全波,2、开关式相敏检波电路,图a中: 在Uc=“1”的半周期，同相输入端被接地，us 只从反相输入端输入，放大器的放大倍数为-1，输 出信号uo,如图c和图d中实线所示。 Uc=“0“的半周期，V截止，us同时从同相输入端和反相输入端输入，放大器的放大倍数为+1，输出信号uo如图c和图d中虚线所示。,2、开关式相敏检波电路,全波,2、开关
21、式相敏检波电路,图b中: 取R1=R2=R3=R4=R5=R6/2。 在Uc=“1“的半周期，V1导通、V2截止，同 相输入端被接地，us从反相输入端输入，放大倍数为：-R6/(R2+R3)=-1 在Uc=“0“的半周期，V1截 止、V2导通，反相输入端通过R3接地，us从同相输入端输入,放大倍数为: 效果与图a相同，实现了全波相敏检波。,3、相加式相敏检波电路,相加式半波相敏检波电路,相加式调幅电路,3、相加式相敏检波电路,三、相敏检波电路,4、精密整流型相敏检波电路 在前面的讨论中，都把相敏检波电路中的开关器件视为理想开关器件。 忽略了晶体管导通时的 等效内阻和截止时的漏电流， 为了减小由
22、于开关器件不理想而带来的误差， 可以仿照精密整流包络检波电路的原理构成精密整流型相敏检波电路，,三、相敏检波电路,4、精密整流型相敏检波电路,三、相敏检波电路,4、精密整流型相敏检波电路,三、相敏检波电路,4、精密整流型相敏检波电路 在Uc为正、/Uc为负的半周期:V1截止，V2导通，N1用作反相放大器，uA为us的反相信号; 在Uc为负、/Uc为正的半周期:V1导通，V2截止，N1的输出uA为零。 这样，uA的波形为一半波整流信号。 取R3=2R3，N2对uA的放大倍数比对us的放大倍数大一倍， 在不接电容C情 况下，N2的输出uo波形为全波整流信号， 其原理与图3-11相同。,三、相敏检波
23、电路,4、精密整流型相敏检波电路 该图与前图（精密检波）相比，其输出的区别在于: 前图输出的全波整流信号的极性是固定的。 而该图中，在Uc与us同相时，在Uc为正的半周期uA为负，输出uo为正的全波检波信号; 在Uc与us反相时，在Uc为正的半周期uA为正，输出uo为负的全波检波信号;实现相敏检波。 电容C用来滤除经全波检波后us中的高频成分，以获得调制信号ux。,三、相敏检波电路,5、脉冲箝位式相敏检波电路,5、脉冲箝位式相敏检波电路,参考信号Uc经单稳Ds形成窄脉冲Uc,使开关管V瞬时导通，A点瞬时接地。 电容C被充电到此时us的瞬时值:Usmsin 其中Usm为us的幅值，为us与Uc的
24、相位差。 窄脉冲过去后，V被切断，C的放电回路时间常数很大，可以认为C上一直保持充电电压Usmsin, A点的电 位为: uA=us-Usmsin 当=90时，uA为全负值，其波形如图b所示。 当=270时，uA为全正值，其波形如图c所示。 经接在N后面的低通滤波器(图中未表示)滤波后得到解 调后的uo输出。 需要指出，这种相敏检波电路没有实现输入信号与载波信号的相乘，它不能用于信号的调制。抑制干扰的性能也不如其它相敏检波电路。,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 什么是相敏检波电路的选频特性？ 相敏检波电路的选频特性是指它对不同频率的输入信
25、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,第二节 调幅式测量电路,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？ 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uo=Usm/2cos，即输出信号随相位差的余弦而变化。 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
26、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。,第二节 调幅式测量电路,第二节 调幅式测量电路,（四）相敏检波电路的应用,第二节 调幅式测量电路,第三节 调频式测量电路,一、调频原理与方法 （一）调频信号的数学表达式 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,（一）调频信号的数学表达式 c:载波信号的角频率; Um:调频信号中载波信号的幅度; m:调制度。 若 x=Xmcost， 则调频信号的频率可在: cmXm 范围内变
27、化。 为了避免发生频率混叠现象，并便于解调，要求： cmXm,第三节 调频式测量电路,一、调频原理与方法 （一）调频信号的数学表达式,一、调频原理与方法,测力或压力的振弦式传感器,（二）传感器调制,一、调频原理与方法,（三）电路调制 1、电容三点式LC振荡器调频电路,一、调频原理与方法,2、多谐振荡器调频电路,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,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。 当： ucR4/(R3+R4)Ur N的状态翻转，使uo=-Ur，电容C放电，uc降低。 当：uc-R4/(R3+R4
28、)Ur N的状态再次翻转，使uo=+Ur，又对电容C充电， 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。 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,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。微分鉴频 斜率鉴频 相位鉴频 比例鉴频,（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,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信息 Um (wc+mx)。,2、
29、微分鉴频电路,2、微分鉴频电路,2、微分鉴频电路,电容C与晶体正向电阻r组成微分电路 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。 微分时，微分电流： 为了正确微分，要求： 因而，这种电路灵敏度较低。,3、窄脉冲鉴频电路,3、窄脉冲鉴频电路,3、窄脉冲鉴频电路,调频信号,窄脉冲,输出,3、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、
30、xm分别为us的最高瞬时频率和x的最大值。,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）相位鉴频,I1,第三节 调频式测量电路,（四）比例鉴频,在测控系统中为实现解调，并不一定需要恢复原调制信号， 只要能把代表被测量值的储息检出即可。 对于调频信号，就是要检出频率变化的信息， 只要能测得调频信号的瞬时频率，即可实现调频信号的解调。 测量频率有两种方法：,（五）数字式频率计,测量频率有两种方法： 一种是： 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号的解调。另一种方法是： 测量信号的周期。根据在信号的一个 周期内进入计数器的
31、高频时钟脉冲数即可测得信号的周期，从而确定频率。 这种方法可用于调频信号的解调。,（五）数字式频率计,第三节 调频式测量电路,（五）数字式频率计,第三节 调频式测量电路,（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U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
32、器的数代表信号的周期。,（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 调相式测量电路,一、调相原理与方法 （一）调相信号的数学表达式 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),c:载波信号的角频率Um：调相信号中载波信号的幅度; m：调
33、制度。,一、调相原理与方法,一、调相原理与方法,调相信号与载波信号的相位差随x变化,一、调相原理与方法,当x0时， 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， 由上式可以得到调相信号的瞬时频率为：,可以看到，若调制信号为x,us是调相信号; 若调制信号为dx/dt，则us是调频信号。,一、调相原理与方法,（二）传感器调制,扭矩测量,一、调相原理与方法,（二）传感器调制,莫尔条纹信号的调制,（三）电路调制,1、调相电桥,（三）电路调制,1、调相电桥 例如， C为电容式传感器的电容，而R为一个固定电阻; 也可以C为固定电容，而R为电阻式传感器的电阻。 由于电容C上的压降Uc和
34、电阻R上的压降UR相位差90， 当传感器的电阻或电容变化时，输出电压矢量Us的末端在以O为圆心、以U/2为半径的半圆上移动，如图b。Us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。 变压器制作麻烦、体积较大，可用运算放大器代替变压器。,（三）电路调制,1、调相电桥,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,1、调相电桥,（三）电路调制,1、调相电桥,2、脉冲采样式调相电路,2、脉冲采样式调相电路,2、脉冲采样式调相电路,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信号检出来，实现调相信号的解调，又称为相位检波。,二、鉴
35、相电路,（一）用相敏检波器或乘法器鉴相 1、乘法器鉴相,1、乘法器鉴相 乘法器的两个输入信号分别为： 调相信号：us=Usmcos(wct+) 与参考信号： uc=Ucmcoswct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， 低通滤波相当于求平均值， 整个程可用下述数学式表示， 输出电压：,输出信号随相位差的余弦而变化。 在=/2附近，有较高的灵敏度与较好的线性。 这种乘法器电路简单， 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,3、用相加式相敏检波电路检相,（二）通过相位脉宽变换鉴相,1、异或门鉴相,（二）通过相位脉宽变换鉴相,1、异或
36、门鉴相,（二）通过相位脉宽变换鉴相,1、异或门鉴相 将调相信号与参考信号整形后形成占空 为l:1的方波信号Us和Uc。 将它们送到异或门DGl，异或门输出Uo的脉宽B与 Us和Uc的相位差相对应，如图b所示。 这一脉宽有两种处理方法。 一种方法：将Uo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。 另一种方法：是Uo作问控信号。如图c所示， 只有当Uo为高电平时，时钟脉冲CP才能通过门DG2进入计数器。 这样进入计数器的脉冲数N与脉宽B成正比，也即与相位差成正比。 Uo的下跳沿来到时，发出锁存指令，将计数器计的脉冲 N送入锁存器。延时片刻后将
37、计数器清零。 这样锁存器锁存的数N为在Us和Uc 的一个周期内进入计数器的脉冲数，它反映Us和Uc的相位差 电路的输出特性如图d所示， 在0-范围内它具有线性关系，它不能鉴别Us 和Uc哪个相位超前。鉴相器的鉴相范围为0-。鉴相器要求Us和Uc的占空比 均为1:1，否则会带来误差。,2、RS触发器鉴相,2、RS触发器鉴相,2、RS触发器鉴相,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， Q=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。 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
38、成正比， 也即与相位差成正比，根据uo可以确定相位差。 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。 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(-)。 RS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,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
39、脉冲采样调相的逆过程，其原理图如图,（三）脉冲采样式鉴相,（三）脉冲采样式鉴相,由参考信号Uc形成窄脉冲Uc送到锯齿波发生器的输入端， 形成图c所示锯齿波信号uj。 由调相信号Us形成窄脉冲Us,通过采样保持电路采集此时的uj值，并将其保持。 采样保持电路来得的电压值由Us与Uc的相位差p决定。采样保持电路输出u的波形如图d所示， 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。 脉冲采样式鉴相电路的工作原理基于相位-时间-电压的变换。随Us与Uc的相位差的变化，采样脉冲Us出现的时刻不同，通过对锯齿波引的采样实现时间-电压的变换。 这种鉴相器的鉴相范围为0-(2-)，其中为与锯齿波回扫
40、区所对应的相位角。锯齿波uj的非线性对鉴相精度有较大影响。,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
41、冲调制原理与方法 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,b: 常量; m: 调制度 脉冲的宽度为调制信号x的线性函数。它的波形见图,一、脉冲调制原理与方法,一、脉冲调制原理与方法,T:为脉冲周期，它等于载波频率的倒数。,（一）传感器调制,用激光扫描的方法测量工件直径,（一）传感器调制,（一）传感器调制,由激光器4发出的光束 经反射镜5与6反射后，照到扫描棱镜2的表面。 棱镜2由电动机3带动连续回转，它使由棱镜2表面反射返回的光束方向不断变化， 扫描角为棱镜2中心角的2 倍。 透镜1将这一扫描光束变成一
42、组平行光，对工件8进行扫描。 这一平行光束经 透镜10汇聚，由光电元件11接收。7和9为保护玻璃，使光学系统免受污染。 当光束扫过工件时，它被工件挡住，没有光线照到光电元件门上，对应于 “暗“的信号宽度与被测工件8的直径成正比，即脉冲宽度受工件直径调制。,（二）电路调制,1、参量调宽,（二）电路调制,1、参量调宽,在两个半周期是通过同一电阻通道R+Rp向电容C充电，两半周期充电时间常数相同，从而输出占空比为1：1的方波信号。 如果让电路在两个半周期通过不同的电阻通道向电容充电。那么两半周期充电时间常数不同，从而输出信号的占空比也随两支充电回路的阻值而变化。,2、电压调宽,2、电压调宽,2、电压
43、调宽,运算放大器N同相输入端的电位为： 若ux为正，则它使u+升高， 在uo为正的半周期，只有当电容C上的电压uc超过u+时，为正时，才使输出电压uo发生负跳变。 u+升高使充电时间延长，即使输出信号uo处以高电平的时间延长。 在uo为负的半周期，u+升高使uc能快速降至u+之下。当ucu+时，uo发生正跳变，使输出信号uo处于低电平时间缩短。 这就是说,u+升高使输出信号uo处于高电平的脉宽加大，uo处于低平的脉宽减小。 反之u+下降使输出信号uo处于低电平的脉宽加大，uo处于高平的脉宽减小， 从而使脉宽受到调制。,二、脉冲调制信号的解调,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。,三、脉冲调制测量电路应用举例（电容测量电路）,
