测控电路内科大老师上课.pptx

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？、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，这个载体称为载波载波信号信号。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、调幅原理与方法（一一）1、什么是调幅？写出调幅信号的数学表、什么是调幅？写出调幅信号的数学表达式，画出其波形。达式，画出其波形。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)coswct 第二节 调幅式测量电路 txOtOucusa)调制信号b)载波信号Otc)双边带调幅信号第二节 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（3-1）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：us=Uxmcost cosct第二节 调幅式测量电路 3、在在测测控控系系统统中中被被测测信信号号的的变变化化频频率率为为0100Hz，应应怎怎样样选选取取载载波波信信号号的的频频率率？应应怎怎样样选选取取调调幅幅信信号号放放大大器器的通频带？信号解调后，怎样选取滤波器的通频带？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（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为什么在测控系统中常常在传感器中进行信号调制？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、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。R1FR4R2 R3R1R2UoUR3R4应变式传感器输出信号的调制 第二节 调幅式测量电路3、用机械或光学的方法实现调制、用机械或光学的方法实现调制1234567第二节 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ucuxuoxyKxyb)实用电路-8V47k0.1F1k0.1F5175014 10 161k38MC14961k3.3k3.3k7501k680k20F20Fuc1k0.1F21254uoux+12V第二节 调幅式测量电路2、开关电路调制、开关电路调制uxuoUcV2V1Uc uotO Uc OttO ux第二节 调幅式测量电路3、信号相加调制、信号相加调制T1+ux -+ux -+uc -VD1i1VD2i2载波信号T3T2RLi3+uo_RP调制信号第二节 调幅式测量电路二、包络检波电路二、包络检波电路n什么是包络检波？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解调调或检检波波。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。第二节 调幅式测量电路n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。usuoOOtta)b)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、基本电路VDRLC2Ti+us_+uo_非线性 器件 低通滤波器C1a)二极管检波电路C1VRLC2Tic+us_+_非线性 器件 低通滤波器uoEcb)晶体管检波电路第二节 调幅式测量电路2、峰值检波与平均值检波、峰值检波与平均值检波a)二极管iiUsmctctuuo0us=usmcosct0imax/20uo0tctb)晶体管i0ube0Usmus=usmcoscti0Icicmaxctuo0t第二节 调幅式测量电路（二）精密检波电路n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，常需采用精精密检波电路密检波电路，它又称为线性检波电路线性检波电路。第二节 调幅式测量电路1、半波精密检波电路、半波精密检波电路+us 半波整流器低通滤波器+usiiCR4uoR1R2R2R3VD1VD2+u i-+N1-+N2+uA+uAA+us 半波整流器低通滤波器+usiiCR4uoR1R2R2R3VD1VD2+u i-+N1-+N2+uA+uAA+us 半波整流器低通滤波器+usiiCR4uoR1R2R2R3VD1VD2+u i-+N1-+N2+uA+uAA对于高频信号，电容接近于短路，深负反馈，高频信号受到抑制。而且电容的左端虚地，电容上的充电电压不影响二极管的通断。因此完成平均值检波。第二节 调幅式测量电路2、全波精密检波电路、全波精密检波电路+us 半波整流器低通滤波器+usiiCR4uoR1R2R2R3VD1VD2+u i-+N1-+N2R3+uA+uAAOtuAOtuoOtus+us 半波整流器低通滤波器+usiiCR4uoR1R2R2R3VD1VD2+u i-+N1-+N2R3+uA+uAA第二节 调幅式测量电路 uoR4VD1VD2R2R5VD3VD4R3usR1-+N1-+N2线性全波检波电路之二第二节 调幅式测量电路 uo=usus0usR2R1R3R4us-+N1-+N2b）正输入等效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uo=-usus0,Vd1,Vd2导通;Uc0,Vd1,Vd2截止;当不接电容C1，C2时调Rp使则不接C1，C2时tuoOuoOtucOtusOtuxOt第二节 调幅式测量电路（相加式半波相敏检波）第二节 调幅式测量电路（相加式半波相敏检波）uc2uc1C0usC1R4R1VD3VD2VD1R3R2R5RPVD4PucTI4I3R4VD4+VD3+_uc1uc2usR3C0+ucTRPR1VD1+VD2+_i1i2uc1uc2usC1R2R5PC0+ucT先不考虑电容C1的影响，并认为C0很大，视为短路通过选配电阻R1，R2，使us=0时,i1=i2Us不为0时，流过电表P的电流R5上输出电压uonUc副半周时，作用在VD3，R3所经回路上的电压：uc2-usnUc副半周时，作用在VD4，R4所经回路上的电压：uc1+us第二节 调幅式测量电路（相加式半波相敏检波）在此半周内流经电容C0的电流为i4-i3,方向与i1-i2相反。调RP使i4-i3=i1-i2避免了VD1，VD2阻塞。uc2uc1CR5PR4R1VD3VD2VD1R3R2VD4usTuous1us2+T2ucVD1T2R1+VD2_i1i2uc1uc2+uoCR2Pus1+usT1i2-i1R5_uc第二节 调幅式测量电路（相加式全波相敏检波）二极管的通断由uc决定Uc正半周通过选电阻使us1=0时i1=i2输出=0此时us1 不为0时，流经电流表的电流输出电压Uc负半周us2 不为0时，流经电流表的电流当第二节 调幅式测量电路4、精密整流型相敏检波电路、精密整流型相敏检波电路CR4uoR1R2R2R3Uc-+N1-+N2R3V1V2uAUcus第二节 调幅式测量电路5、脉冲箝位式相敏检波电路、脉冲箝位式相敏检波电路ttuottttttR2R1CVusuoUc-+NUcDsAuA,uousOOuAUcOUcOuA,uousOOuAuoUcOUcO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、相敏检波电路的选频特性什么是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？设输入信号中含有高次谐波，由它产生的附加误差：对高次谐波有抑制作用。用方波信号作参考信号时第二节 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、相敏检波电路的选频特性什么是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)a)c)usustOuotO+UctOuotO+tO+tUcO+ustOuotO+tO+Uc如果输入信号与参考信号同频，但有一定的相位差，这时输出电压2、相敏检波电路的鉴相特性、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？什么是相敏检波电路的鉴相特性？第二节 调幅式测量电路（相敏检波电路的鉴相特）性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鉴相特性。第二节 调幅式测量电路 a)b)c)d)UctO+ustO+uotO+UctO+UctO+UctO+ustO+ustO+ustO+OtO+OuouotO+uotO第二节 调幅式测量电路（四）相敏检波电路的应用振荡器+15V传感器uoVCT1234576相敏检波电路RP4-15VRt放大器R1R2R3R4量程切换电路RP1RP3RP2-+N+15VRP5P第二节 调幅式测量电路 txtOtOtx,uOO,ux21a)b)c)如图所示光电显微镜中，利用相敏检波器的选频如图所示光电显微镜中，利用相敏检波器的选频特性，当光电显微镜瞄准被测刻线时，光电信号特性，当光电显微镜瞄准被测刻线时，光电信号中不含参考信号的基波频率和奇次谐波信号，相中不含参考信号的基波频率和奇次谐波信号，相敏检波电路输出为零，确定显微镜的瞄准状态。敏检波电路输出为零，确定显微镜的瞄准状态。第三节 调频式测量电路一、调频原理与方法一、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，什么是调频？写出调频信号的数学表达式，画出其波形。画出其波形。调频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的一般表达式一般表达式可写为：us=Umcos(wc+mx)t 第三节 调频式测量电路 xtOOtusa)调制信号b)调频信号调频信号的波形第三节 调频式测量电路（二）传感器调制421TNS3测力或压力的振弦式传感器 当声源与接收器的位置在均匀介质中发生相对运动时,接收器所接收的声波频率不同于声源所辐射的声频率,这种相对运动产生的声波之差值,称为多普勒频移。它与相对运动的速度成正比。“多普勒效应”是由奥地利物理学家1842年ChrjstianDoppler首先发现并加以研究而得名。由于多普勒效应,当反射体在波的传播方向上有速度分量时,反射波的频率会发生改变,反射前后频率改变量称为多普勒频移。应用于测量速度、转速、加速度、流速、以及医疗中的多普勒超生仪。多普勒频移(传感器中进行调频）第三节 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+Ec第三节 调频式测量电路2、多谐振荡器调频电路、多谐振荡器调频电路uo-+NCR310k 5k10kR1RRPR4VS15k30k10kR2+FUruuouc+Ur-Ur-FUrOtT2T1T0a)b)第三节 调频式测量电路二、鉴频电路二、鉴频电路什么是鉴频？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频率解调或鉴频鉴频。（一）微分鉴频1、工作原理、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、微分鉴频电路C1uousVDVRLC2+Ec-ieic微分网络包络检波C1usud+r+-微分时间远小于载波周期第三节 调频式测量电路3、窄脉冲鉴频电路、窄脉冲鉴频电路uoOc)ustttOOb)a)Usuo放大与电平鉴别器单稳态触发器 低通滤波器usUsUs为了避免发生混叠现象，要求：第三节 调频式测量电路（二）斜率鉴频us+us1us2fo1fo2RLRLuo1uo2uoVD2VD1TC1C2c)d)e)f)usUsmus1us2uooooottttuo1uo2uo回路2回路1fo2fo1fofofcof=fc+fmsintfcfm调频波瞬时频率变化tff双失谐幅频特性网使电路的灵敏度提高一倍，单幅频回路的非线性得到补偿第三节 调频式测量电路（三）相位鉴频I1L1C2usE0U1C1MC0L2VD1放大U22U22L3VD2RLU1Cuo1uo2uo耦合网络平衡叠加型鉴相器U2RLCU2EI2U1第三节 调频式测量电路（四）比例鉴频U5L1C2usE0U1C1MC0L2VD1放大U22U22L3VD2RLCU3auo耦合网络U2R1C3C4C5R2U4bU1a)b)c)U3U4U22_U3U4U3U4U22_U1U1U1_U22U22U22U22第三节 调频式测量电路（五）数字式频率计测测量量频频率率有有两两种种方方法法：一一种种是是测测量量在在某某一一时时段段内内（例例如如1 1秒秒或或0.10.1秒秒内内）信信号号变变化化的的周周期期数数，即即测测量量频频率率的的方方法法。这这种种方方法法测测量量的的是是这这一一时时段段内内的的平平均均频频率率，难难以以用用于于测测量量信信号号的的瞬瞬时时频频率率，从从而而难难以以用用于于调调频频信信号号的的解解调调；另另一一种种方方法法基基于于测测量量信信号号的的周周期期，根根据据在在信信号号的的一一个个周周期期内内进进入入计计数数器器的的高高频频时时钟钟脉脉冲冲数数即即可可测测得得信信号号的的周周期期，从从而而确确定定它它的的频频率率。后后一一种种方方法法可可用用于于调调频频信信号号的的解解调调。它它的的缺缺点点是是进进入入计计数数器器的的脉脉冲冲数数代代表表信信号号周周期期，它它与与频频率率间间的转换关系是非线性的。的转换关系是非线性的。CpusUU计数器锁存器清零DG&SRQDZDS（五）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、调相原理与方法（一）什么是调相？写出调相信号的数学表达什么是调相？写出调相信号的数学表达式，画出其波形。式，画出其波形。调相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的一般表达式一般表达式可写为：us=Umcos(wc t+mx)第四节 调相式测量电路 a)b)c)txOttucusOO第四节 调相式测量电路（二）传感器调制13245M扭矩测量第四节 调相式测量电路 XY21a)aabWB12VP1VPnYOb)NS1S2SnVP1VP2VP3VPn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、调相电桥oURUCUsUUCURUTRCUs-+N2-+N1RR1R1CUsU2U2U2-第四节 调相式测量电路2、脉冲采样式调相电路、脉冲采样式调相电路U0门限检测电路脉冲发 生器载波频率锯齿波发生器输出调相脉冲ujux+a)UcususOttOujtOuj=kux+ujtOuxb)d)c)e)UcU0第四节 调相式测量电路二、鉴相电路二、鉴相电路鉴相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，又称为相位检波相位检波。（一）用相敏检波器或乘法器鉴相1、乘法器鉴相、乘法器鉴相(ppt28)uo=(KUsmUcm/2)cos ucusuoxyKxyN第四节 调相式测量电路2、用开关式相敏检波电路鉴相、用开关式相敏检波电路鉴相（ppt30)3、用相加式相敏检波电路检相、用相加式相敏检波电路检相（ppt31)为什么常取参考信号的幅值等于调相信号的幅值为什么常取参考信号的幅值等于调相信号的幅值？b)a)Us-UsU1UcU212-2_20uo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、异或门鉴相a)UCUSDG1=1Uoc)CPUs计数器锁存器 延时时钟脉冲DG2Uo锁存指令清零UcDG1=1&Nd)-2-0N,uo2b)UcUsOOtuotUotOB第四节 调相式测量电路2、RS触发器鉴相触发器鉴相a)QQSRUsUcc)N,uo0221ttttb)OOBQUsUcuoOUcUsOOt第四节 调相式测量电路（三）脉冲采样式鉴相uo单稳锯齿波发生器采样保 持滤波器Ucuj UcUsue)tOa)b)c)d)UcOttOUstOujtOuuo第四节 调相式测量电路各种鉴相方法比较各种鉴相方法比较（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0-。脉冲采样鉴相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-。通过相位通过相位脉宽变换鉴相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、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。数学表达式，画出其波形。脉脉冲冲调调制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数学表达式为：B=b+mx第五节 脉冲调制式测量电路 Ua)调制信号b)脉冲调宽信号txOxTBtO第五节 脉冲调制式测量电路（二）传感器调制12435 67910118M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、参量调宽R2RP3VD1RP2R4VD2RP1CuCuoVSR3-+NR1