现代电子测量技术-补充.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,现代电子测量技术,*,现代电子测量技术,赵志斌,电力系电信教研室,补充知识,6/19/2026,1,1,、基本元件,乘法器,混频器,倍频器,2,、滤波、滤波器,3,、调制与解调,4,、超外差无线电接收器,概述,输出信号是两个输入信号的乘积,V,o,(t,)=,KV,x,(t)v,y,(t,),其中,K,是乘法器的增益系数（比例系数、标尺因子）。,理想乘法器：,输出为输入的瞬时值的乘积,输入任意，波形、幅度、频率不受限制,常用元件,双级型或,MOS,型的四象限乘法器,乘法器,混频器,混频，又称变频，是一种频谱的线性搬移过程，它是使信号自某一个频率变换成另一个频率。完成这种功能的电路称为混频器,(,或变频器,),。,混频器可以看作是一个三端口器件，有两个输入端口，包括接受信号端口和本地振荡器端口，输出是中频端口。混频器输出两种基本信号，分别是两个输入信号的和频和差频。他们之间的选择由滤波器完成,混频是频谱的线性搬移过程。完成频谱的线性搬移功能的关键是要获得两个输入信号的乘积，能找到这个乘积项，就可完成所需的线性搬移功能。,混频器,设输入到混频器中的输入已调信号,V,S,（,t,）,和本振电压,V,L,（,t,）,分别为：,这两个信号相乘后，其输出电压为：,经带通虑波器取出所需信号。,混频器功能示意图,混频器频谱图,6/19/2026,6,现代电子测量技术,倍频器,倍频是在保持原信号调制情况不变的前提下，将载波频率成倍增加的频率变换电路，若将乘法器的两个输入端联在一起，即令,V,x,=,V,y,则可实现平方运算。即：,6/19/2026,7,现代电子测量技术,设,V,x,（,t,）,为某一频率,f,s,的信号电压,V,x,（,t,）,，即,V,x,（,t,）,V,xm,cos,s,t,，,则输出电压为：,输出中的直流分量可用高通滤波器滤除。,6/19/2026,8,现代电子测量技术,滤波是一种选择过程，选择合适的频率传输。,应用范围：,分离信号、抑制干扰,阻抗变换，阻抗匹配,延迟信号,滤波器的设计取决于：,所需的滤波作用,实现滤波的网络,实现这一网络的元件,LC,滤波，有源,RC,滤波,滤波与滤波器,滤波器类型：,增益型滤波器,低通（,0,）,高通（,）,带通（,1,2,）,带阻,全通和延迟均衡器：用来校正传输系统引起的延迟失真,LC,滤波，有源,RC,滤波,滤波,RC,滤波电路,在整流电路输出的直流电压脉动较大，一般不能满足实际需要，必须用滤波电路滤除交流分量，得到平滑的直流电压。在小功率直流电源中，常用的滤波电路有电容滤波、,型滤波和,滤波。,在整流电路输出端与负载之间并联一只大容量的电容，即可构成最简单的电容滤波器。其工作原理是利用电容两端的电压在电路状态改变时不能跃变的特性。,6/19/2026,11,现代电子测量技术,组成及工作原理,u,o,t,O,O,t,iD,t,1,t,2,t,3,t,4,t,5,t,6,b,a,C,VD1VD4,Tr,u,1,u,2,a,b,R,L,u,o,u,C,电容滤波原理及波形图,a.,原理图,b.,波形图,6/19/2026,12,现代电子测量技术,原理,加了一只电容后，二极管导通时，一方面给负载,R,L,供电，一方面对电容,C,充电。在忽略二极管正向压降后，充电时，充电时间常数,充电,=2,R,D,C,，,其中,R,D,为二极管的正向导通电阻，其值非常小，充电电压,u,C,与上升的正弦电压,u,2,一致，,u,o,=,u,C,u,2,，当,u,C,充到,u,2,的最大值时，,u,2,开始下降，且下降速率逐渐加快。当,|,u,2,|,u,C,时，四个二极管均截止，电容,C,经负载,R,L,放电，放电时间常数为,放电,=,R,L,C,，,故放电较慢，直到负半周。,在负半周，当,|,u,2,|,u,C,时，另外二个二极管,(VD,2,、,VD,4,),导通，再次给电容,C,充电，当,u,C,充到,u,2,的最大值时，,u,2,开始下降，且下降速率逐渐加快。当,|,u,2,|,u,C,时，四个二极管再次截止，电容,C,经负载,R,L,放电。,6/19/2026,13,现代电子测量技术,负载上电压的计算,由上述讨论可见，电容放电时间常数为,放电,=,R,L,C,，,即输出电压的大小和脉动程度与负载电阻直接相关。若,R,L,开路，即输出电流为零，电容,C,无放电通路，一直保持最大充电电压；若,R,L,很小，放电时间常数很小，输出电压几乎与没有滤波时一样。,因此，电容滤波电路的输出电压在,0.9,U,2,范围内波动，在工程上一般采用估算公式,（半波）,（桥式、全波）,6/19/2026,14,现代电子测量技术,电容滤波的特点,电容滤波电路结构简单、输出电压高、脉动小。但在接通电源的瞬间，将产生很大的充电电流，这种电流称为“浪涌电流”，同时，因负载电流太大，电容器放电的速度加快，会使负载电压变得不够平稳，所以电容滤波电路只使用于负载电流较小的场合。,6/19/2026,15,现代电子测量技术,有源滤波器,有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。,分类,低通（,LPF,）,高通（,HPF,）,带通（,BPF,）,带阻（,BEF,）,全通（,APF,）,6/19/2026,16,现代电子测量技术,一阶有源滤波电路,6/19/2026,17,现代电子测量技术,一阶有源滤波电路,2.,高,通滤波电路,可由低通和高通串联得到,必须满足,3.,带,通滤波电路,低通特征角频率,高通特征角频率,6/19/2026,18,现代电子测量技术,一阶有源滤波电路,4.,带阻,滤波电路,可由低通和高通并联得到,必须满足,一阶有源滤波电路通带外衰减速率慢（,-20dB/,十倍频程），与理想情况相差较远。一般用在对滤波要求不高的场合。,6/19/2026,19,现代电子测量技术,实际滤波器,理想滤波器是不存在的，实际滤波器幅频特性中通带和阻带间没有严格界限,，存在过渡带。,0,f,A,6/19/2026,20,现代电子测量技术,0,f,f,c1,f,c2,A,0,0.707A,0,1),截止频率,fc,：,0.707A,0,所对应的频率,d,2),纹波幅度,d,：,绕,幅频特性均值,A,0,波动值,3),带宽,B,和品质因数,Q,：,下两截频间的频率范围称为带宽。中心频率和带宽之比称为品质因数,。,B,Q,=,W,0,/B,6/19/2026,21,现代电子测量技术,通带增益,A,0,谐振频率,f,0,、截至频率,f,p,频带宽度,BW,品质因素,Q,6/19/2026,22,现代电子测量技术,6/19/2026,23,现代电子测量技术,产品,LineDa,:LTC1564,MAXIM:MAX74xx,6/19/2026,24,现代电子测量技术,机床轴心轨迹的滤波处理,6/19/2026,25,现代电子测量技术,机床轴心轨迹的滤波处理,滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律,6/19/2026,26,现代电子测量技术,在某一频段内，提升某些频率成分同时抑制另一些频率成,分，或对相邻的某些频率成分提出不同的衰减要求,理想情况：,1,、选频网络不受信号源与负载的影响,2,、选频网络满足信号源与负载间的最佳能量传输条件,LC,谐振电路,有源选频,选频电路,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。,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,调制的目的：,进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而提高系统信息传输的有效性和可靠性。,调制与解调,6/19/2026,28,现代电子测量技术,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。,调制的方式,6/19/2026,29,现代电子测量技术,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,6/19/2026,30,现代电子测量技术,幅度调制的原理,幅度调制的一般模型,用调制信号去控制高频正弦载波的幅度，使其按调制信号的规律变化的过程。,6/19/2026,31,现代电子测量技术,常规双边带调幅（,AM,）,AM,信号的表达式、频谱及带宽,若假设滤波器为全通网络：,为了保证包络检波时不发生失真，必须满足,6/19/2026,32,现代电子测量技术,AM,信号是带有载波的双边带信号，它的带宽为基带信号带宽的两倍，即,6/19/2026,33,现代电子测量技术,AM,信号的解调,调制的逆过程叫做解调。,AM,信号的解调方法有两种：相干解调和包络检波解调。,（,1,）,相干解调,用一个低通滤波器，就无失真的恢复出原始的调制信号：,6/19/2026,34,现代电子测量技术,（,2,）,包络检波法,电路由二极管,D,、,电阻,R,和电容,C,组成。,RC,满足条件：,这时,，包络检波器的输出与输入信号的包络十分相近，即：,6/19/2026,35,现代电子测量技术,调频,x,t,O,O,t,u,s,a),调制信号,b),调频信号,调频信号的波形,6/19/2026,36,现代电子测量技术,调频信号的产生与解调,1.,调频信号的产生,（,1,）,直接法,就是利用调制信号直接控制振荡器的频率，使其按调制信号的规律线性变化。,振荡频率由外部电压控制的振荡器叫做压控振荡器（,VCO,），,它的输出频率正比于所加的控制电压，即,6/19/2026,37,现代电子测量技术,（,2,）,间接法,经,N,次倍频后可以使调频信号的载频和调制指数增为,N,倍。,积分器,相 位,调制器,),(,t,m,),(,t,NBFM,s,N,倍频器,),(,t,WBFM,s,t,A,c,w,cos,积分器,-90,移相,t,A,c,w,cos,),(,t,m,),(,t,NBFM,s,-,+,6/19/2026,38,现代电子测量技术,2.,调频信号的解调,（,1,）,非相干解调,最简单的解调器是具有频率,-,电压转换作用的鉴频器。,6/19/2026,39,现代电子测量技术,理想鉴频器可看成是微分器与包络检波器的级联。则微分器输出,用包络检波器取出其包络，并滤去直流后输出：,K,d,称为鉴频器灵敏度。,（,2,）,相干解调,6/19/2026,40,现代电子测量技术,调制方式的判别指标,1,、抗干扰性,脉冲编码调制最好、调频调相次之、调幅最弱,2,、实现的简易程度,调幅最容易,3,、已调波信号所占的频带宽度,调幅为二倍（窄带调制）,4,、电子器件的效率和输出功率,5,、保真度,所有的调制方式都可以达到要求的保真度，发射机的大小和重量有差别,调制与解调,频分复用（,FDM,）,“复用”是一种将若干个彼此独立的信号，合并为一个可在同一信道上同时传输的复合信号的方法。,有三种基本的多路复用方式：频分复用（,FDM,）、,时分复用（,TDM,）,与码分复用（,CDM,）。,6/19/2026,42,现代电子测量技术,单边带信号的总频带宽度为：,6/19/2026,43,现代电子测量技术,频分复用系统的最大优点是信道复用率高，容许复用的路数多，分路也很方便。因此，它成为目前模拟通信中最主要的一种复用方式。特别是在有线和微波通信系统中应用十分广泛。,6/19/2026,44,现代电子测量技术,超外差无线电接收器,最简单的收音机组成框图,LC,谐振回路是收音机输入回路，改变电容,C,使谐振回路固有频率与无线电发射频率相同，从而引起电磁共振，谐振回路两端电压最大，将该电波接收下来。,经高频放大电路放大后，通过由二极管,D,和滤波电容,C,1,构成的检波电路，将调幅信号包络解调下来，得到调制前的音频信号，再将音频信号进行低频放大，送到喇叭，就完全还原成可闻的声波信号。,超外差无线电接收器,这就是最简,AM,收音机（也称高放式收音机）的工作原理，它简单，但可行性、可使用性太差，不适合日常使用。,由于高放式收音机中高频放大器只能适应较窄频率范围的放大，要想在整个中波频段,535kHZ1605kHZ,获得一致放大是很困难的。因此用超外差接收方式来代替高放式收音机。,超外差无线电接收器,所谓超外差式，就是通过输入回路先将电台高频调制波接收下来，和本地振荡回路产生的本地信号一并送入混频器，再经中频回路进行频率选择，得到一固定的中频载波（如：调幅中频国际上统一为,465KHz,或,455KHz,）调制波。,超外差的实质就是将调制波不同频率的载波，变成固定的且频率较低的中频载波。在广播、电视、通讯领域，超外差接收方式被广泛采用。,超外差无线电接收器,超外差无线电接收器,超外差无线电接收器,在超外差的设计中，本振频率高于输入频率。用同轴双联可变电容器，使输入回路电容,C,1-2,和本振回路电容,C,1-1,同步变化，从而使频率差值始终保持近似一致，其差值即为中频，即：,如接收信号频率是：,600kHz,，则本振频率是,1055kHz,；,1000kHz,，则本振频率是,1455kHz,；,1500kHz,，则本振频率是,1955kHz,；,小结,了解本节课介绍的概念,