第三章信號調制解調電路第一節調幅式測量電路第二節調頻式測量電路第三節調相式測量電路第四節脈沖調制式測量電路調制解調的功用與類型(1)什么是信號調制？調制(Modulation)就是用一個信號（稱為調制信號,modulatingsignal）去控制另一個做為載體的信號（稱為載波信號carryingsignal），讓后者的某一特征參數按前者變化。(2)什么是解調？從已經調制的信號中（稱為已調信號，modulatedsignal）提取反映被測量值的測量信號，稱為解調(Demodulation)。(3)在測控系統中為什么要采用信號調制？

在測控系統中，進入測控電路的除了傳感器輸出的測量信號外，還往往有各種噪聲。而傳感器的輸出信號一般又很微弱，將測量信號從含有噪聲的信號中分離出來是測控電路的一項重要任務。為了便于區別信號與噪聲，往往給測量信號賦予一定特征，這就是調制的主要功用。調制還有利于減小漂移的影響，是提高測控系統精度的重要手段。(4)

在測控系統中常用的調制方法有哪幾種？

在信號調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，可以對這三個參數進行調制，分別稱為：

調幅(Amplitudemodulation)

調頻

(Frequencymodulation)

調相(Phasemodulation)

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作調制，最常用的是對脈沖的寬度進行調制，稱為脈沖調寬(Pulsewidthmodulation)。3.1調幅式測量電路3.1.1調幅原理與方法一、調幅信號的一般表達式(1)什么是調幅？寫出調幅信號的數學表達式，畫出其波形。

調幅就是用調制信號x去控制高頻載波信號的幅值。常用的是線性調幅，即讓調幅信號的幅值按調制信號x的線性函數變化。調幅信號的一般表達式可寫為：

Us=(Um+mx)cosωct

a)調制信號b)載波信號d)雙邊帶調幅信號c)調幅信號tttxOOucOusustO3.1調幅式測量電路3.1.1調幅原理與方法(2)何謂雙邊帶調幅？寫出其數學表達式，畫出波形

假設調制信號x是角頻率為Ω的余弦信號x=XmcosΩt，由式us=(Um+mx)cosωct，則調幅信號可寫為：

us=Umcosωct+[mXmcos(ωc+Ω)t+mXmcos(ωc-Ω)t]/2

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。

載波信號中不含調制信號x的信息，因此可以取Um=0，只保留兩個邊頻信號。這種調制稱為雙邊帶調制。其數學表達式為：(3)在測控系統中被測信號的變化頻率為0~100Hz，應怎樣選取載波信號的頻率？應怎樣選取調幅信號放大器的通頻帶？信號解調后，怎樣選取濾波器的通頻帶？為了正確進行信號調制必須要求ωc>>Ω，通常至少要求ωc>10Ω。這樣，解調時濾波器能較好地將調制信號與載波信號分開，檢出調制信號。若被測信號的變化頻率為0~100Hz，則載波信號的頻率ωc>1000Hz。

調幅信號放大器的通頻帶應為900~1100Hz。信號解調后，濾波器通頻帶應>100Hz，即讓0~100Hz的信號順利通過，而將900Hz以上的信號抑制，可選通頻帶為200Hz。3.1調幅式測量電路3.1.1調幅原理與方法：載波信號頻率的選取ωc>10Ω防止混疊現象cosn1-cosn=2/2n23.1調幅式測量電路二、傳感器調制：通過交流供電實現調制

為了提高測量信號抗干擾能力，常要求從信號一形成就已經是已調信號，因此常常在傳感器中進行調制。3.1調幅式測量電路二、傳感器調制：通過交流供電實現調制應變式傳感器輸出信號的調制R4R1FR2

R3uuoR＋ΔRR＋ΔRR－ΔRR－ΔR實現了載波信號u與測量信號的相乘，即實現了調制。3.1調幅式測量電路二、傳感器調制：用機械方法實現調制1－被測工件2－調制盤3、6－光欄4－激光器5－濾光片7－光電元件測工件的表面粗糙度3.1調幅式測量電路三、電路調制：乘法器調制a)原理圖b）實用電路(3–2)3.1調幅式測量電路三、電路調制:開關電路調制3.1調幅式測量電路三、電路調制:信號相加調制調制信號與載波信號加減后去控制開關器件。T1+

ux_

+ux

_+uc-VD1i1VD2i2載波信號T3T2RLi3+uo_RP調制信號相加只是形式，實際上由uc控制開關電路獲得乘積項目，實現調制。3.1調幅式測量電路3.1.2包絡檢波電路從已調信號中檢出調制信號的過程稱為解調或檢波。

調幅信號的包絡線形狀與調制信號一致。包絡檢波：檢出調幅信號的包絡線即能實現解調。圖a所示的調幅信號中，通過二、三極管截去它的一半部分（整流），再經低通濾波濾除高頻信號，即可獲得所需的調制信號，實現解調。包絡檢波就是建立在整流的原理基礎上的。3.1調幅式測量電路3.1.2包絡檢波電路（一）二極管與三極管包絡檢波a)二極管檢波電路b)晶體管檢波電路3.1調幅式測量電路3.1.2包絡檢波電路Us通過電容C1和變壓器T構成的諧振回路輸入，有利于濾除雜散信號。二極管VD檢出半波信號。晶體管V只有在Us’為負的半周期有電流流過，檢出半波信號。為什么要采用精密檢波電路？二極管VD和晶體管V都有一定死區電壓，即二極管的正向壓降、晶體管的發射結電壓超過一定值時才導通，它們的特性也有一定的非線性。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。3.1調幅式測量電路3.1.2包絡檢波電路（二）精密檢波電路(1)半波精密檢波電路3.1調幅式測量電路3.1.2包絡檢波電路：精密檢波電路當us為正時，uA’為負，VD1通，VD2斷，A點虛地，即uA＝0當us為負時，uA’為正，VD2通，VD1斷，不受二極管死區和非線性的影響。3.1調幅式測量電路3.1.2包絡檢波電路：精密檢波電路(2)線性全波精密檢波電路：將us通過R3’與uA相加線性全波整流信號的形成3.1調幅式測量電路3.1.2包絡檢波電路：精密檢波電路(2)線性全波精密檢波電路之二R2=R1//R4，R3=R5減小偏置電流的影響。3.1調幅式測量電路3.1.2包絡檢波電路：精密檢波電路(2)全波精密檢波電路之三：高輸入阻抗全波精密檢波當輸入us>0時，N1跟隨器，N2的同相輸入端與反相輸入端輸入相同信號，得到uo=us

3.1調幅式測量電路3.1.2包絡檢波電路：精密檢波電路(2)全波精密檢波電路之三：高輸入阻抗全波精密檢波當輸入us<0時,取R1=R2=R3=R4/2，N1的輸出為N2的輸出為

線性全波檢波電路常用作絕對值運算電路3.1調幅式測量電路3.1.3相敏檢波電路(一)相敏檢波的功用和原理(1)為什么要采用相敏檢波？包絡檢波有兩個問題：第一，解調是對調幅信號進行半波或全波整流，無法鑒別調

制信號的相位。第二，包絡檢波電路本身不具有區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。即不具有區分信號和噪聲的能力。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。3.1調幅式測量電路3.1.3相敏檢波電路(一)相敏檢波的功用和原理(2)什么是相敏檢波電路？相敏檢波電路是具有鑒別調制信號相位和選頻能力的幅值檢波（檢幅）電路。（3）相敏與包絡檢波在功能與電路構成上的區別是什么？功能：相敏檢波電路能鑒別調制信號相位，從而判別被測量變化方向，同時還具選頻能力，從而提高測控系統的抗干擾能力。電路結構：相敏檢波電路除了所需解調的調幅信號外，還要輸入一個參考信號，用來鑒別輸入信號的相位和頻率。(3)相敏檢波的基本原理將輸入的調制信號，乘以幅值為1的載波信號

就可以得到雙邊帶調幅信號

若將再乘以，就得到利用低通濾波器濾除兩個高頻信號后就得到調制信號，只是乘上了系數1/2。即將調制信號ux乘以幅值為1的載波信號就可以得到雙邊帶調幅信號us，將雙邊帶調幅信號us再乘以載波信號，經低通濾波后就可以得到調制信號ux。3.1調幅式測量電路3.1.3相敏檢波電路(二)相乘式相敏檢波電路a）原理圖b）實用電路相敏檢波與調幅電路在結構上有哪些相似之處？哪些區別？

將調制信號ux乘以幅值為1的載波信號就可以得到雙邊帶調幅信號us，將雙邊帶調幅信號us再乘以載波信號，經低通濾波后就可以得到調制信號ux。這就是相敏檢波電路在結構上與調制電路相似的原因。二者主要區別是調幅電路實現低頻調制信號與高頻載波信號相乘，輸出為高頻調幅信號；而相敏檢波器實現高頻調幅信號與高頻載波信號相乘，經濾波后輸出低頻解調信號。這使它們的輸入、輸出耦合回路與濾波器的結構和參數不同。3.1調幅式測量電路3.1.3相敏檢波電路3.1調幅式測量電路3.1.3相敏檢波電路(二)開關式相敏檢波電路：半波檢波如果us反相，uo反向。缺點：輸出信號脈動較大。3.1調幅式測量電路3.1.3相敏檢波電路(二)開關式相敏檢波電路：全波檢波在Uc=1的半周期，同相輸入端被接地，us只從反相輸入端輸入，放大倍數為-1；在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，放大器的放大倍數為+1。

檢波：兩個半周期輸出相同相敏：輸出的極性取決于

us與Uc相位關系3.1調幅式測量電路3.1.3相敏檢波電路(二)開關式相敏檢波電路：全波檢波R1=R2=R3=R4=R5=

R6/2Uc=1半周期，V1導通、V2截止，增益Uc=0半周期，V1截止、V2導通，增益3.1調幅式測量電路3.1.3相敏檢波電路(三)相加式相敏檢波電路相加式調幅電路相加式半波相敏檢波電路C1，C2起濾除載波頻率信號的作用調整電位器RP使3.1調幅式測量電路3.1.3相敏檢波電路(三)相加式相敏檢波電路：半波檢波只需一路調幅信號us輸入，并且采用電容C0耦合。有利于電路的簡化。b)正半周等效電路C0很大，先不考慮C13.1調幅式測量電路3.1.3相敏檢波電路(三)相加式相敏檢波電路選配電阻

R1與R2

，使us=0時，時，流經電表P的電流R5上輸出電壓：

b)正半周等效電路3.1調幅式測量電路3.1.3相敏檢波電路(三)相加式相敏檢波電路：半波檢波c)負半周等效電路調節電位器RP使i4-i3=i1-i2。實際調整中，通過調整RP，使us=0時流經電表P的電流為零來達到這一要求。電容C1用于濾除載波頻率的信號3.1調幅式測量電路3.1.3相敏檢波電路(三)相加式相敏檢波電路：全波檢波正半周期相加式相敏檢波電路3.1調幅式測量電路3.1.3相敏檢波電路(三)相加式相敏檢波電路：全波檢波負半周期相加式相敏檢波電路相敏：輸出與uc和us之間的相位關系有關檢波：輸出的極性在兩個半周期不變3.1調幅式測量電路3.1.3相敏檢波電路(三)相加式相敏檢波電路相加式調幅電路相加式半波相敏檢波電路C1，C2起濾除載波頻率信號的作用調整電位器RP使3.1調幅式測量電路3.1.3相敏檢波電路(四)精密整流型相敏檢波電路在精密整流型包絡檢波電路中開關器件是二極管，它的通斷由N1的輸出極性決定，與Uc和us之間的相位關系無關。在精密整流型相敏檢波電路中開關器件是場效應管，通斷由Uc的極性決定，輸出的極性與Uc和us之間的相位關系相關。包絡檢波OtuAOtuoOtusOtus/2OtuAOtuoOtusOtus/2Uc與us同相Uc與us反相（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？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，輸出信號被抑制或幅值相應衰減為基波的1/n，即信號的傳遞系數隨諧波次數增高而衰減，對高次諧波有一定抑制作用。

3.1調幅式測量電路3.1.3相敏檢波電路相敏檢波的工作機理是將輸入信號與頻率為的單位參考信號相乘，再通過濾波將高頻載波信號濾除。濾波可以用在載波信號的一個周期內取平均值表示對于n次諧波分量只要。3.1調幅式測量電路3.1.3相敏檢波電路(1)相敏檢波電路的選頻特性？

在實用的相敏檢波電路中，常采用方波信號作參考信號。這時輸入信號與歸一化的方波載波信號相乘。輸出電壓有抑制偶次諧波的功能。對于n=1、3、5等各次諧波，輸出信號的幅值相應為、、等。、、3.1調幅式測量電路3.1.3相敏檢波電路b)n=2a)n=1c)n=3usustOuotO++––++––UctOuotO–+++tO+–tUcO+–ustOuotO+++–––++++––tO+–Uc3.1調幅式測量電路3.1.3相敏檢波電路(2)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關系，可以根據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。

3.1調幅式測量電路3.1.3相敏檢波電路(2)相敏檢波電路的鑒相特性

3.1調幅式測量電路3.1.3相敏檢波電路輸出與相位差有確定關系。相位計同相反相相位差90相位差30（四）相敏檢波電路的應用：用于調幅電路的解調相敏檢波電路還有利于減小零點殘余電壓影響RP2：電橋調零RP1：調零殘電壓RP3：電橋靈敏度RP4：檢波調零RP5：輸出靈敏度3.1調幅式測量電路

3.1.3相敏檢波電路電感測微儀a)b)c)（四）相敏檢波電路的應用：用于對稱判別電路3.1調幅式測量電路

3.1.3相敏檢波電路兩個光電元件接收狹縫兩側的光通量，相等時發出瞄準信號。瞄準精度受到照明光斑不均勻和光電元件特性的差異影響。3.2調頻式測量電路3.2.1調頻原理與方法（一）調頻信號的一般表達式調頻就是用調制信號x去控制高頻載波信號的頻率。常用的是線性調頻，即讓調頻信號的頻率按調制信號x的線性函數變化。調頻信號us的一般表達式可寫為：a)調制信號b)調頻信號3.2調頻式測量電路3.2.1調頻原理與方法測力或壓力的振弦式傳感器（二）傳感器調制膜片磁鐵振弦支撐T.張力振弦在磁鐵形成的磁場內振動時產生感應電動勢，其輸出為調頻信號。3.2調頻式測量電路3.2.1調頻原理與方法（二）傳感器調制當V>>v

時多普勒測速波束（電磁波、機械波）反射波束頻率3.2調頻式測量電路3.2.1調頻原理與方法（三）電路調制：用調制信號控制產生載波信號的振蕩器頻率電容三點式LC振蕩器調頻電路CT：電容傳感器3.2調頻式測量電路3.2.1調頻原理與方法（三）電路調制：用調制信號控制產生載波信號的振蕩器頻率a)多諧振蕩器b)波形圖穩壓管RP：用來調整信號的中心頻率振幅在Ur間來回震蕩的多諧振蕩器傳感器3.2調頻式測量電路3.2.2鑒頻電路

對調頻信號實現解調，從調頻信號中檢出反映被測量變化的調制信號稱為頻率解調或鑒頻。（一）微分鑒頻—工作原理將調頻信號對t求導數得到

這是一個調頻調幅信號。利用包絡檢波檢出其幅值變化，即可得到含有調制信號的信息。通過定零，可以求出Umc。通過靈敏度標定，即測定x改變時輸出的變化，可以求出Umm，進而獲得調制信號x。3.2調頻式測量電路3.2.2鑒頻電路（一）微分鑒頻電路電容C1與晶體管V的發射結正向電阻r組成微分電路。電容C2用于濾除高頻載波信號。3.2調頻式測量電路3.2.2鑒頻電路（一）窄脈沖鑒頻電路uoOc)ustttOOτb)a)Usˊuo放大與電平鑒別器單穩態觸發器低通濾波器usUsUsˊ當輸入信號Us超過一定電平，電平鑒別器翻轉，推動單穩態觸發器輸出窄脈沖。Us瞬時頻率越高，窄脈沖越密，經低通濾波后輸出的電壓越高。頻率變化電壓變化3.2調頻式測量電路3.2.2鑒頻電路（二）斜率鑒頻：鑒頻網絡的幅頻特性的斜率越大，同樣大小頻率變化引起的幅值變化越大。雙失諧回路鑒頻電路鑒頻網絡包絡檢波回路1：輸出信號隨頻率升高而增大回路2：輸出信號隨頻率升高而減小雙失諧回路鑒頻電路3.2調頻式測量電路3.2.2鑒頻電路（三）數字式頻率計：只要能測得調頻信號的瞬時頻率，即可實現調頻信號的解調。測量頻率（解調）的兩種方法：測量單位時間內信號變化周期數基于測量信號的周期，測量一個周期內進入計數器的高頻

時鐘脈沖數。基于測量周期的調頻信號解調方法3.3調相式測量電路3.3.1調相原理與方法（一）調相信號的一般表達式

調相就是用調制信號x去控制高頻載波信號的相位。常用的是線性調相，即讓調相信號的相位按調制信號x的線性函數變化。調相信號us的一般表達式可寫為：調制信號載波信號調相信號3.3調相式測量電路3.3.1調相原理與方法調相與調頻的關系調相信號的頻率也在變化：調相信號的瞬時頻率：例：多普勒測速系統中，對于速度是調頻信號對于位移是調相信號VvPW3.3調相式測量電路3.3.1調相原理與方法（二）傳感器調制例：感應式轉矩傳感器1：彈性軸25：齒輪34：傳感器齒輪2與彈性軸1一起轉動時，在感應式傳感器3中產生感應電動勢。因彈性軸1產生扭轉，齒輪5在傳感器4中產生的感應電動勢為一調相信號。傳感器3和4中產生的感應電動勢的相位差與轉矩M成正比152436783.信號調制解調電路3.3調相式測量電路3.3.1調相原理與方法

（二）傳感器調制

OIstφ3.3調相式測量電路莫爾條紋信號的調制3.信號調制解調電路3.3.1調相原理與方法

（二）傳感器調制

a)

莫爾條紋形成原理aabWB12YOb)光通量波形c)光電元件的排列d)調相信號的形成XY21VP1VPnS1S2SnVP1VP2VP3VPnN3.3調相式測量電路3.3.1調相原理與方法（三）電路調制：調相電橋：電橋的兩臂為不同性質的阻抗元件。電容C上的壓降與電阻R上的壓降相位差90電路圖相量圖Us的幅值不變，相位隨傳感器的電阻或電容變化，輸出調相信號。N1、N2輸出幅值相同，極性相反。傳感器信號變化輸出相位變化3.3調相式測量電路(2)脈沖采樣式調相電路U0門限檢測電路脈沖發生器載波頻率鋸齒波發生器輸出調相脈沖ujux+a)UcususOttOujtOuj=kΨux+ujtOuxb)d)c)e)UcU03.信號調制解調電路3.3.1調相原理與方法

（三）電路調制

3.3調相式測量電路3.3.2鑒相電路

鑒相就是從調相信號中將反映被測量變化的調制信號檢出來，實現調相信號的解調，又稱為相位檢波。乘法器鑒相在附近，有較高的靈敏度與較好的線性。輸出信號同時受調相信號與參考信號幅