调幅式测量电路
ref 《测控电路 第五版》
- 调制: 用调制信号控制载波信号, 让后者的(幅值, 频率, 相位, 脉冲宽度等)按前者的值变化
- 调幅, 调频, 调相, 调脉宽
- 载波信号频率远高于调制信号频率
- 解调: 从已调制信号提取反应测量值的测量信号
调幅原理
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线性调幅信号 u s = ( U m 0 + m x ) cos ω c t u_s=(U_{m0}+mx)\cos\omega_c t us=(Um0+mx)cosωct
- ω c \omega_c ωc: 载波信号角频率
- U m 0 U_{m0} Um0: 调幅信号中载波信号幅值
- m m m: 调制度
- x x x: 调制信号, 假设为 x = X m cos Ω t x=X_m\cos\Omega t x=XmcosΩt
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- u s = U m 0 cos ω c t + m X m cos Ω t cos ω c t = U m 0 cos ω c t + m X m 2 cos ( ω c + Ω ) t + m X m 2 cos ( ω c − Ω ) t \begin{matrix} u_s & = & U_{m0}\cos\omega_ct+mX_m\cos\Omega t~\cos\omega_c t \\ & = & U_{m0}\cos\omega_ct +\frac{mX_m}{2}\cos(\omega_c+\Omega)t+\frac{mX_m}{2}\cos(\omega_c-\Omega)t\end{matrix} us==Um0cosωct+mXmcosΩt cosωctUm0cosωct+2mXmcos(ωc+Ω)t+2mXmcos(ωc−Ω)t
- 角频率为 ω c \omega_c ωc的载波信号 U m 0 cos ω c t U_{m0}\cos\omega_c t Um0cosωct
- 不含被测量x信息
- 角频率为 ω c ± Ω \omega_c\pm \Omega ωc±Ω的上下边频信号
- 含被测量x信息, 功率最多占总功率 1 3 \frac{1}{3} 31
- 角频率为 ω c \omega_c ωc的载波信号 U m 0 cos ω c t U_{m0}\cos\omega_c t Um0cosωct
- 双边带调制: 为提高利用率只保留两个边频信号
- u s = U m 0 cos ω c t + m X m cos Ω t cos ω c t = U m 0 cos ω c t + m X m 2 cos ( ω c + Ω ) t + m X m 2 cos ( ω c − Ω ) t \begin{matrix} u_s & = & U_{m0}\cos\omega_ct+mX_m\cos\Omega t~\cos\omega_c t \\ & = & U_{m0}\cos\omega_ct +\frac{mX_m}{2}\cos(\omega_c+\Omega)t+\frac{mX_m}{2}\cos(\omega_c-\Omega)t\end{matrix} us==Um0cosωct+mXmcosΩt cosωctUm0cosωct+2mXmcos(ωc+Ω)t+2mXmcos(ωc−Ω)t
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传感器调制
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交流供电实现调制
- 无应力: R 1 = R 2 = R 3 = R 4 = R R_1=R_2=R_3=R_4=R R1=R2=R3=R4=R
- 有应力: U o = U 4 ( Δ R 1 R − Δ R 2 R + Δ R 3 R − Δ R 4 R ) U_o=\frac{U}{4}(\frac{\Delta R_1}{R}-\frac{\Delta R_2}{R}+\frac{\Delta R_3}{R}-\frac{\Delta R_4}{R}) Uo=4U(RΔR1−RΔR2+RΔR3−RΔR4)
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机械/光学方法调制
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- 工件表面微观不平度使反射光产生漫反射, 由镜面反射方向, 由镜面反射方向与其他方向接收到的光能量比可测定被测工件1表面粗糙度
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电路调制
- 乘法器调制: 测量信号 u x = U x m cos Ω t u_x=U_{xm}\cos\Omega t ux=UxmcosΩt X 载波信号 u c = U c m cos Ω t u_c=U_{cm}\cos\Omega t uc=UcmcosΩt 得双边带调幅
- 开关电路调制: 栅极+高频载波方波信号
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归一化方波正弦波信号 K ( ω c t ) = 1 2 + 2 π sin ω c t + 2 3 π sin 3 ω c t + . . . K(\omega_c t)=\frac{1}{2}+\frac{2}{\pi}\sin\omega_c t+\frac{2}{3\pi}\sin3\omega_c t+... K(ωct)=21+π2sinωct+3π2sin3ωct+...
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带通滤去低频信号 1 2 u x \frac{1}{2}u_x 21ux与高频信号 2 u x 3 π sin 3 ω c t \frac{2 u_x}{3\pi }\sin 3\omega_c t 3π2uxsin3ωct及更高次谐波得调制信号 2 π u x sin ω c t \frac{2}{\pi}u_x\sin\omega_c t π2uxsinωct
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- 信号相加式调制: 调制信号与载波信号相加减后控制开关器件
包络检波电路
- 检波: 将调幅波的边带信号不失真地从载频附近搬移到零频附近, 从已调信号中检出调制信号
- 包络检波: 原理简单, 电路简单
- 解调主要过程为调幅信号半波/全波整流, 无法从检波器输出鉴别调制信号的相位
- 不区分不同载波频率的信号的能力, 不能区别信号与噪声
二极管&晶体管包络检波
原理:
- [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-eTRcKW81-1660562785758)(…/images/0cbb0b07875b1974712e09c215651251c34386b7a152d15ac4dab7b4ca629c8f.png)]
- 截去下半部, 低通滤波滤除高频信号
- [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-hcJxAQFg-1660562785758)(…/images/838cee674e14f456e53c1c14aa1f0e10226923a0643d883a9fb4e269fb1fe575.png)]
- 1 ω < < R L C 2 < < 1 Ω \frac{1}{\omega}<<R_LC_2<<\frac{1}{\Omega} ω1<<RLC2<<Ω1 滤除载波信号, 保留调制信号
- 有一定死区电压, 非线性, 带来误差
精密检波电路
- 半波精密检波电路
- [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-bFsXFIbE-1660562785759)(…/images/87e122f6026a7cd2d9e008311dccc80ebeb0fe2cbe8fa249f3ce099fc66da393.png)]
- 只在 u s u_s us为负的半周期检波器 N 1 N_1 N1有 u A u_A uA输出
- 全波精密检波电路
- [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-0D02p6sD-1660562785759)(…/images/d00e1e10291ea6e453a3f55ee27f270773996b7ea75ed1d9845be42faf18bee7.png)]
- R 1 = R 2 , R 3 ′ = 2 R 3 R_1=R_2, R_3'=2R_3 R1=R2,R3′=2R3
- u o = − R 4 R 3 ( u A + u s 2 ) u_o=-\frac{R_4}{R_3}(u_A+\frac{u_s}{2}) uo=−R3R4(uA+2us)
- R 1 = R 2 , R 3 ′ = 2 R 3 R_1=R_2, R_3'=2R_3 R1=R2,R3′=2R3
- [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-0D02p6sD-1660562785759)(…/images/d00e1e10291ea6e453a3f55ee27f270773996b7ea75ed1d9845be42faf18bee7.png)]
- 高输入阻抗全波精密检波电路
- [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-KezT1ddQ-1660562785759)(…/images/0e40186735e1bf63a9690b1431c63630439a3bc2ab490dee2c8d33b5fb91b475.png)]
- R 1 = R 2 = R 3 = R 4 / 2 R_1=R_2=R_3=R_4/2 R1=R2=R3=R4/2
- u s > 0 u_s>0 us>0 N 2 N_2 N2的同相输入端与反相输入端输入同信号, u o = u s u_o=u_s uo=us
- u s < 0 u_s<0 us<0 N 1 N_1 N1输出 u A = 2 u s u_A=2u_s uA=2us, N 2 N_2 N2输出 u o = − u s u_o=-u_s uo=−us
- u o = ∣ u s ∣ u_o=|u_s| uo=∣us∣全波检波
- [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-KezT1ddQ-1660562785759)(…/images/0e40186735e1bf63a9690b1431c63630439a3bc2ab490dee2c8d33b5fb91b475.png)]
相敏检波电路
特点
- 具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路
- 输入
- 需要解调的调幅信号
- 参考信号: 鉴别输入信号的相位与频率1
- 与调幅信号同频
比较
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解调对调幅信号做半波/全波整流, 无法鉴别调制信号相位
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包络检波电路无法区分不同载波频率信号
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功能上
- 相敏检波电路可鉴别调制信号相位, 判别被测变化的方向
- 有选频能力, 提高测控系统抗干扰能力
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电路结构上
- 需输入参考信号, 频率同调幅信号
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调幅
- 输入调制信号 u x = U x m cos Ω t u_x=U_{xm}\cos\Omega t ux=UxmcosΩt X 载波信号 cos ω c t \cos\omega_c t cosωct = 双边带调幅信号 u s = U x m cos Ω t cos ω c t u_s=U_{xm}\cos\Omega t\cos \omega_c t us=UxmcosΩtcosωct
- 再乘载波信号 cos ω c t \cos\omega_c t cosωct 得 u s u_s us X cos ω c t \cos\omega_ct cosωct = u o = 1 2 U x m cos Ω t + 1 4 U x m [ cos ( 2 ω c − Ω ) t + cos ( 2 ω c + Ω ) t ] u_o=\frac{1}{2}U_{xm}\cos\Omega t+\frac{1}{4}U_{xm}[\cos(2\omega_c-\Omega)t+\cos(2\omega_c+\Omega)t] uo=21UxmcosΩt+41Uxm[cos(2ωc−Ω)t+cos(2ωc+Ω)t]
- 低通滤波器滤除高频信号后得调制信号 U x m cos Ω t U_{xm}\cos\Omega t UxmcosΩt
相乘式相敏检波电路
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-tQTyCzFY-1660562828958)(…/images/325594e6061a27891206c6e448c54eee40c33c13155080ee8409a10ce4b8fb5b.png)]
- 乘法器构成的相敏检波电路
- [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-3k9Om6l5-1660562828958)(…/images/f2472d3b802a41527da13e93813c1d9529699cecd96457891ef88181e2eda4cb.png)]
- 与调幅电路区别
- 输入输出的信号不同, 导致不同耦合回路
- 多了一级滤波电路
- 开关式相敏检波电路
- [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-j8LjrPBI-1660562828959)(…/images/0c1aea4aff90ac8049beca0936a13196383b05d20c338a470b6f7471fd61bcd4.png)]
- 相加式相敏检波电路
- [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Mouej50p-1660562828959)(…/images/23374c55e708b864f7009b4a9e15d8dc9e539c1604809a47ceacb054f1d91a17.png)]
- 输入信号 u s u_s us与参考信号 u c u_c uc以相加减方式加到同一开关器件, u c > > u s u_c>>u_s uc>>us
- 滤波后输出低频信号
- u o = k 0 ( u s 1 + u s 2 ) u_o=k_0(u_{s1}+u_{s2}) uo=k0(us1+us2)
- [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Mouej50p-1660562828959)(…/images/23374c55e708b864f7009b4a9e15d8dc9e539c1604809a47ceacb054f1d91a17.png)]
- 精密整流型全波相敏检波电路
- 脉冲钳位式相敏检波电路
- 无输入信号与载波信号相乘, 不能用于信号调制, 抑制干扰得性能不如其他相敏检波电路
特性
- 选频
- 对不同频率的输入信号有不同传递特性
- 抑制偶次谐波: 以参考信号为基波, 所有偶次谐波在载波信号一个周期内平均输出0
- 抑制高次谐波: 对n=1,3,5各奇次谐波, 输出信号的幅值衰减为基波 1 n \frac{1}{n} n1
- 提高系统抗干扰能力, 抑制偶次谐波,高次谐波
- [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-OqQJ5ktq-1660562828960)(…/images/12d66812a93234fc181a78ac4873c99127eb8607945da61ab91306961a125e20.png)]
- n = 1 n=1 n=1: V c V_c Vc有相同极性, 输出正
- n = 2 n=2 n=2: V c V_c Vc正半周期内, v s v_s vs变化一个周期, 平均输出0
- n = 3 n=3 n=3: V c V_c Vc正半周期内, v s v_s vs变化1.5个周期, 仍有 1 / 3 1/3 1/3正信号输出
- 对不同频率的输入信号有不同传递特性
- 鉴相
- 判别被测量变化方向, 由输出信号大小确定相位差值
- 输入信号 u s u_s us与参考信号 u c u_c uc同频, 有一定相位差, 输出 u o = U s m cos φ 2 u_o=\frac{U_{sm}\cos\varphi}{2} uo=2Usmcosφ 随相位差 φ \varphi φ变化
- [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Vp5t03bx-1660562828960)(…/images/6c85ebde9fb733252a0ef2286ef1731718196b7c5431b9b99c908b113bbd30c5.png)]
- 同极性输出+, 反极性输出-