第三章 信號(hào)調(diào)制解調(diào)電路3-1 什么是信號(hào)調(diào)制？在測(cè)控系統(tǒng)中為什么要采用信號(hào)調(diào)制？什么是解調(diào)？在測(cè)控系統(tǒng)中常用的調(diào)制方法有哪幾種？在精密測(cè)量中，進(jìn)入測(cè)量電路的除了傳感器輸出的測(cè)量信號(hào)外，還往往有各種噪聲而傳感器的輸出信號(hào)一般又很微弱，將測(cè)量信號(hào)從含有噪聲的信號(hào)中分離出來(lái)是測(cè)量電路的一項(xiàng)重要任務(wù)為了便于區(qū)別信號(hào)與噪聲，往往給測(cè)量信號(hào)賦以一定特征，這就是調(diào)制的主要功用調(diào)制就是用一個(gè)信號(hào)（稱為調(diào)制信號(hào)）去控制另一作為載體的信號(hào)（稱為載波信號(hào)），讓后者的某一特征參數(shù)按前者變化在將測(cè)量信號(hào)調(diào)制，并將它和噪聲分離，放大等處理后，還要從已經(jīng)調(diào)制的信號(hào)中提取反映被測(cè)量值的測(cè)量信號(hào)，這一過(guò)程稱為解調(diào)在信號(hào)調(diào)制中常以一個(gè)高頻正弦信號(hào)作為載波信號(hào)一個(gè)正弦信號(hào)有幅值、頻率、相位三個(gè)參數(shù)，可以對(duì)這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)制，分別稱為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相也可以用脈沖信號(hào)作載波信號(hào)可以對(duì)脈沖信號(hào)的不同特征參數(shù)作調(diào)制，最常用的是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，稱為脈沖調(diào)寬3-2 什么是調(diào)制信號(hào)？什么是載波信號(hào)？什么是已調(diào)信號(hào)？調(diào)制是給測(cè)量信號(hào)賦以一定特征，這個(gè)特征由作為載體的信號(hào)提供常以一個(gè)高頻正弦信號(hào)或脈沖信號(hào)作為載體，這個(gè)載體稱為載波信號(hào)。

用需要傳輸?shù)男盘?hào)去改變載波信號(hào)的某一參數(shù)，如幅值、頻率、相位這個(gè)用來(lái)改變載波信號(hào)的某一參數(shù)的信號(hào)稱調(diào)制信號(hào)在測(cè)控系統(tǒng)中需傳輸?shù)氖菧y(cè)量信號(hào)，通常就用測(cè)量信號(hào)作調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制的載波信號(hào)叫已調(diào)信號(hào)3-3 什么是調(diào)幅？請(qǐng)寫出調(diào)幅信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并畫出它的波形調(diào)幅就是用調(diào)制信號(hào)x去控制高頻載波信號(hào)的幅值常用的是線性調(diào)幅，即讓調(diào)幅信號(hào)的幅值按調(diào)制信號(hào)x線性函數(shù)變化調(diào)幅信號(hào)的一般表達(dá)式可寫為： 式中 ──載波信號(hào)的角頻率； ──調(diào)幅信號(hào)中載波信號(hào)的幅度； m──調(diào)制度圖X3-1繪出了這種調(diào)幅信號(hào)的波形c)a)b)tuxOtOucusOt圖X3-1 雙邊帶調(diào)幅信號(hào)a) 調(diào)制信號(hào) b) 載波信號(hào) c) 雙邊帶調(diào)幅信號(hào)3-4 已知調(diào)幅信號(hào)表示為us(t)=(10+0.5×cos(2π×100t))cos(2π×104t) mV，確定載波信號(hào)頻率，調(diào)制信號(hào)頻率，調(diào)制度載波信號(hào)頻率為104Hz，調(diào)制信號(hào)頻率為100Hz，調(diào)制度m = 0.5/Xm3-5 什么是調(diào)頻？請(qǐng)寫出調(diào)頻信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并畫出它的波形調(diào)頻就是用調(diào)制信號(hào)x去控制高頻載波信號(hào)的頻率常用的是線性調(diào)頻，即讓調(diào)頻信號(hào)的頻率按調(diào)制信號(hào)x的線性函數(shù)變化。

調(diào)頻信號(hào)us的一般表達(dá)式可寫為：式中 ── 載波信號(hào)的角頻率； ── 調(diào)頻信號(hào)中載波信號(hào)的幅度； m ── 調(diào)制度圖X3-2繪出了這種調(diào)頻信號(hào)的波形圖a為調(diào)制信號(hào)x的波形,它可以按任意規(guī)律變化; 圖b為調(diào)頻信號(hào)的波形,它的頻率隨x變化若x=XmcosΩt，則調(diào)頻信號(hào)的頻率可在范圍內(nèi)變化為了避免發(fā)生頻率混疊現(xiàn)象，并便于解調(diào)，要求xtOOtusa)b)圖X3-2 調(diào)頻信號(hào)的波形a) 調(diào)制信號(hào) b) 調(diào)頻信號(hào)3-6 什么是調(diào)相？請(qǐng)寫出調(diào)相信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并畫出它的波形調(diào)相就是用調(diào)制信號(hào)x去控制高頻載波信號(hào)的相位常用的是線性調(diào)相，即讓調(diào)相信號(hào)的相位按調(diào)制信號(hào)x的線性函數(shù)變化調(diào)相信號(hào)us的一般表達(dá)式可寫為：式中 ── 載波信號(hào)的角頻率； ── 調(diào)相信號(hào)中載波信號(hào)的幅度； m ── 調(diào)制度圖X3-3繪出了這種調(diào)相信號(hào)的波形圖a為調(diào)制信號(hào)x的波形，它可以按任意規(guī)律變化；圖b為載波信號(hào)的波形，圖c為調(diào)相信號(hào)的波形，調(diào)相信號(hào)與載波信號(hào)的相位差隨x變化當(dāng)時(shí)，調(diào)相信號(hào)滯后于載波信號(hào)時(shí)，則超前于載波信號(hào)ttta)b)c)xucusφooo圖X3-3 調(diào)相信號(hào)的波形a) 調(diào)制信號(hào) b) 載波信號(hào) c) 調(diào)相信號(hào)3-7 什么是脈沖調(diào)寬？請(qǐng)寫出脈沖調(diào)寬信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并畫出它的波形。

脈沖調(diào)制是指用脈沖作為載波信號(hào)的調(diào)制方法在脈沖調(diào)制中具有廣泛應(yīng)用的一種方式是脈沖調(diào)寬脈沖調(diào)寬的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：式中b為常量，m為調(diào)制度脈沖的寬度為調(diào)制信號(hào)x的線性函數(shù)它的波形見圖X3-4，圖a為調(diào)制信號(hào)x的波形，圖b為脈沖調(diào)寬信號(hào)的波形圖中T為脈沖周期，它等于載波頻率的倒數(shù)xBtta)b)xT圖X3-4 脈沖調(diào)寬信號(hào)的波形a) 調(diào)制信號(hào)波形 b) 調(diào)寬信號(hào)波形3-8 為什么說(shuō)信號(hào)調(diào)制有利于提高測(cè)控系統(tǒng)的信噪比，有利于提高它的抗干擾能力？它的作用通過(guò)哪些方面體現(xiàn)？在精密測(cè)量中，進(jìn)入測(cè)量電路的除了傳感器輸出的測(cè)量信號(hào)外，還往往有各種噪聲而傳感器的輸出信號(hào)一般又很微弱，將測(cè)量信號(hào)從含有噪聲的信號(hào)中分離出來(lái)是測(cè)量電路的一項(xiàng)重要任務(wù)為了便于區(qū)別信號(hào)與噪聲，往往給測(cè)量信號(hào)賦以一定特征，這就是調(diào)制的主要功用在將測(cè)量信號(hào)調(diào)制，并將它和噪聲分離，再經(jīng)放大等處理后，還要從已經(jīng)調(diào)制的信號(hào)中提取反映被測(cè)量值的測(cè)量信號(hào)，這一過(guò)程稱為解調(diào) 通過(guò)調(diào)制，對(duì)測(cè)量信號(hào)賦以一定的特征，使已調(diào)信號(hào)的頻帶在以載波信號(hào)頻率為中心的很窄的范圍內(nèi)，而噪聲含有各種頻率，即近乎于白噪聲這時(shí)可以利用選頻放大器、濾波器等，只讓以載波頻率為中心的一個(gè)很窄的頻帶內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，就可以有效地抑制噪聲。

采用載波頻率作為參考信號(hào)進(jìn)行比較，也可抑制遠(yuǎn)離參考頻率的各種噪聲3-9 為什么在測(cè)控系統(tǒng)中常常在傳感器中進(jìn)行信號(hào)調(diào)制？為了提高測(cè)量信號(hào)抗干擾能力，常要求從信號(hào)一形成就已經(jīng)是已調(diào)信號(hào)，因此常常在傳感器中進(jìn)行調(diào)制3-10 請(qǐng)舉若干實(shí)例，說(shuō)明在傳感器中進(jìn)行幅值、頻率、相位、脈寬調(diào)制的方法圖X3-5為通過(guò)交流供電實(shí)現(xiàn)幅值調(diào)制的一例這里用4個(gè)應(yīng)變片測(cè)量梁的變形，并由此確定作用在梁上的力F的大小4個(gè)應(yīng)變片接入電橋，并采用交流電壓U供電設(shè)4個(gè)應(yīng)變片在沒(méi)有應(yīng)力作用的情況下它們的阻值R1=R2=R3=R4=R，電橋的輸出實(shí)現(xiàn)了載波信號(hào)U與測(cè)量信號(hào)的相乘，即幅值調(diào)制lR1 R3R2 R4FR1R2U0UR3R4h圖X3-5 應(yīng)變式傳感器輸出信號(hào)的調(diào)制圖X3-6是在傳感器中進(jìn)行頻率調(diào)制的例子這是一個(gè)測(cè)量力或壓力的振弦式傳感器，振弦3的一端與支承4相連，另一端與膜片1相連接，振弦3的固有頻率隨張力T變化振弦3在磁鐵2形成的磁場(chǎng)內(nèi)振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，其輸出為調(diào)頻信號(hào)421TNS3圖X3-6 振弦式傳感器 圖X3-7是在傳感器中進(jìn)行相位調(diào)制的例子在彈性軸1上裝有兩個(gè)相同的齒輪2與5。

齒輪2以恒速與軸1一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在感應(yīng)式傳感器3和4中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)由于扭矩M的作用，使軸1產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，使傳感器4中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為一調(diào)相信號(hào)，它和傳感器3中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)的相位差與扭矩M成正比13245M圖X3-7 感應(yīng)式扭矩傳感器圖X3-8是在傳感器中進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制的例子由激光器4發(fā)出的光束經(jīng)反射鏡5與6反射后，照到掃描棱鏡2的表面棱鏡2由電動(dòng)機(jī)3帶動(dòng)連續(xù)回轉(zhuǎn)，它使由棱鏡2表面反射返回的光束方向不斷變化，掃描角θ為棱鏡2中心角的2倍透鏡1將這一掃描光束變成一組平行光，對(duì)工件8進(jìn)行掃描這一平行光束經(jīng)透鏡10匯聚，由光電元件11接收7和9為保護(hù)玻璃，使光學(xué)系統(tǒng)免受污染當(dāng)光束掃過(guò)工件時(shí)，它被工件擋住，沒(méi)有光線照到光電元件11上，對(duì)應(yīng)于“暗”的信號(hào)寬度與被測(cè)工件8的直徑成正比，即脈沖寬度受工件直徑調(diào)制1243567910118Mθ圖X3-8 用激光掃描的方法測(cè)量工件直徑3-11 用電路進(jìn)行幅值、頻率、相位、脈寬調(diào)制的基本原理是什么？在電路進(jìn)行調(diào)制的基本原理是用測(cè)量信號(hào)ux去控制（改變）載波信號(hào)幅值、頻率、相位或脈寬，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)制只要用乘法器將測(cè)量信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）ux 與載波信號(hào)uc相乘，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)幅。

用調(diào)制信號(hào)去控制產(chǎn)生載波信號(hào)的振蕩器頻率，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻用調(diào)制信號(hào)與鋸齒波載波信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)它們的值相等時(shí)電壓比較器發(fā)生跳變，電壓比較器的輸出就是調(diào)相信號(hào)利用調(diào)制信號(hào)去改變方波發(fā)生器的脈寬就可以實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制3-12 什么是雙邊帶調(diào)幅？請(qǐng)寫出其數(shù)學(xué)表達(dá)式，畫出它的波形可以假設(shè)調(diào)制信號(hào)x為角頻率為Ω的余弦信號(hào)x=XmcosΩt，當(dāng)調(diào)制信號(hào)x不符合余弦規(guī)律時(shí)，可以將它分解為一些不同頻率的余弦信號(hào)之和在信號(hào)調(diào)制中必須要求載波信號(hào)的頻率遠(yuǎn)高于調(diào)制信號(hào)的變化頻率調(diào)幅信號(hào)可寫為：它包含三個(gè)不同頻率的信號(hào): 角頻率為的載波信號(hào)Umcosωct和角頻率分別為ωc±Ω的上下邊頻信號(hào)載波信號(hào)中不含調(diào)制信號(hào)，即不含被測(cè)量x的信息，因此可以取Um=0，即只保留兩個(gè)邊頻信號(hào)這種調(diào)制稱為雙邊帶調(diào)制，對(duì)于雙邊帶調(diào)制 雙邊帶調(diào)制的調(diào)幅信號(hào)波形見圖X3-9圖a為調(diào)制信號(hào)，圖b為載波信號(hào)，圖c為雙邊帶調(diào)幅信號(hào)tuxOtOucusOta) b)c)圖X3-9 雙邊帶調(diào)幅信號(hào)a) 調(diào)制信號(hào) b) 載波信號(hào) c) 雙邊帶調(diào)幅信號(hào)3-13 已知載波信號(hào)為uc(t)=5cos(2π×105t) mV，調(diào)制信號(hào)為x(t)=3cos(2π×103t) mV，調(diào)制度m=0.3，繪制調(diào)幅信號(hào)一般形式、雙邊帶以及單邊帶調(diào)幅信號(hào)的波形及頻譜。

波形如圖X3-10所示幅信號(hào)一般形式雙邊帶調(diào)幅信號(hào)單邊帶調(diào)幅信號(hào)圖X3-10 雙邊帶調(diào)幅信號(hào)3-14 在測(cè)控系統(tǒng)中被測(cè)信號(hào)的變化頻率為0~100Hz，應(yīng)當(dāng)怎樣選取載波信號(hào)的頻率？應(yīng)當(dāng)怎樣選取調(diào)幅信號(hào)放大器的通頻帶？信號(hào)解調(diào)后，怎樣選取濾波器的通頻帶？為了正確進(jìn)行信號(hào)調(diào)制必須要求ωc>>Ω，通常至少要求ωc>10Ω在這種情況下，解調(diào)時(shí)濾波器能較好地將調(diào)制信號(hào)與載波信號(hào)分開，檢出調(diào)制信號(hào)若被測(cè)信號(hào)的變化頻率為0~100Hz，應(yīng)要求載波信號(hào)的頻率ωc>1000 Hz調(diào)幅信號(hào)放大器的通頻帶應(yīng)為900~1100 Hz信號(hào)解調(diào)后，濾波器的通頻帶應(yīng)>100 Hz，即讓0~100Hz的信號(hào)順利通過(guò)，而將900 Hz以上的信號(hào)抑制，可選通頻帶為200 Hz3-15 什么是包絡(luò)檢波？試述包絡(luò)檢波的基本工作原理從已調(diào)信號(hào)中檢出調(diào)制信號(hào)的過(guò)程稱為解調(diào)或檢波幅值調(diào)制就是讓已調(diào)信號(hào)的幅值隨調(diào)制信號(hào)的值變化，因此調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)線形狀與調(diào)制信號(hào)一致只要能檢出調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)線即能實(shí)現(xiàn)解調(diào)這種方法稱為包絡(luò)檢波從圖X3-11中可以看到，只要從圖a所示的調(diào)幅信號(hào)中，截去它的下半部，即可獲得圖b所示半波檢波后的信號(hào) (經(jīng)全波檢波也可)，再經(jīng)低通濾波，濾除高頻信號(hào)，即可獲得所需調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)解調(diào)。

包絡(luò)檢波就是建立在整流的原理基礎(chǔ)上的usuo'OOtta)b)圖X3-11 包絡(luò)檢波的工作原理a) 調(diào)幅信號(hào) b) 半波檢波后的信號(hào)3-16 如圖3-9a的二極管包絡(luò)檢波電路，已知輸入信號(hào)的載波頻率為500 kHz，調(diào)制信號(hào)頻率為6 kHz，調(diào)制度為0.3，負(fù)載電路RL=10 kΩ，確定濾波電容C2的大小則可取300pF3-17 為什么要采用精密檢波電路？試述圖3-10b所示全波線性檢波電路工作。