《机械工程测试技术》课程授课教案（讲稿）第4章 信号调理装置（123）

机械工程测试技术4.3 调制器与解调器4.3.1调制与解调1.调制用原始的缓变信号控制特定高频信号的某个特征参数（幅值、频率或相位），使这些参数随被测量的变化而变化。2.解调从已调波中恢复原始缓变信号的过程。调制信号一一用来控制高频信号的缓变信号。●载波一一被控的高频信号。已调波一一经过调制后所得到的高频信号（调幅波、调频波等）。（用收音机的调幅、调频过程加以说明）3.调制的目的●提高信号传输中的抗干扰能力和信噪比，且有利于信号的远距离传输?便于实现不失真测试4.调制方法?幅值调制（调幅，AM）?频率调制（调频，FM）?相位调制（调相，PM）?脉冲宽度调制（调宽，PWM）4.3.2调幅及其解调1.调幅原理在时域内，调幅就是用调制信号与高频载波信号相乘，所得到的高频调幅波（调幅的已调波称为调幅波或调幅信号）的幅值随调制信号的变化而变化。xm(t)= x(t)x (t)X.()=X(f)*X.()1.=x()8(f -f)+x()8(f + f)22X(-f)+X(f+f)2《机械工程测试技术》第11讲1 /6

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 11 讲 1 / 6 4.3 调制器与解调器 4.3.1 调制与解调 1. 调制 用原始的缓变信号控制特定高频信号的某个特征参数（幅值、频率或相位），使这些参 数随被测量的变化而变化。 2. 解调 从已调波中恢复原始缓变信号的过程。 ● 调制信号——用来控制高频信号的缓变信号。 ● 载波——被控的高频信号。 ● 已调波——经过调制后所得到的高频信号（调幅波、调频波等）。 （用收音机的调幅、调频过程加以说明） 3. 调制的目的 ● 提高信号传输中的抗干扰能力和信噪比，且有利于信号的远距离传输 ● 便于实现不失真测试 4. 调制方法 ● 幅值调制（调幅，AM） ● 频率调制（调频，FM） ● 相位调制（调相，PM） ● 脉冲宽度调制（调宽，PWM） 4.3.2 调幅及其解调 1. 调幅原理 ● 在时域内，调幅就是用调制信号与高频载波信号相乘，所得到的高频 调幅波（调幅的已调波称为调幅波或调幅信号）的幅值随调制信号的变化而变化。 x (t) x(t)x (t) m = c X ( f ) X ( f ) * X ( f ) m = c ( ) ( ) 2 1 ( ) ( ) 2 1 c c = X f  f − f + X f  f + f ( ) 2 1 ( ) 2 1 c c = X f − f + X f + f

机械工程测试技术x(0)ALx()调制信号TJm0Jmcos2nf,!X0)xe(t)4422载波信号0feXmU)Xm(lm(0)=x(0)x(0)Xm()=X()*x0)m调幅信号V0-Jefb)调幅原理a)）时域波形b）频域频谱。在频域内，调幅过程是一个“频谱搬移”过程。若调制信号的频谱分布在-～f.之间，那么调幅波的频谱将分布在-f.+f）~-(f.-f)和(f,-f）～（f,+f）之间。●调幅过程中的载波不仅要保证幅值的高度稳定，其频率也要足够高，一般要保证f。≥10fm。调幅波的频谱分布在相对变化很窄的一个范围内，有利于信号的交流放大、有用信号与无用信号的鉴别，易于保证不失真测试条件的实现。A(の)A(0) A.0±0Ao00o信号频带i@mWp(の) p(の) 0maa-t.ot.o调制前调制后2.调幅装置调幅装置有交流电桥（应变电桥、电感传感器电桥、差动变压器传感器电桥及电容传感器电桥等）、霍尔传感器、开关电路以及其他可以实现乘法运算的装置。■交流应变电桥调幅2/6《机械工程测试技术》第11讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 11 讲 2 / 6 调幅原理 a) 时域波形 b) 频域频谱 ● 在频域内，调幅过程是一个“频谱搬移”过程。若调制信号的频谱分布在 m m − f ~ f 之间，那么调幅波的频谱将分布在 ( ) ~ ( ) c m c m − f + f − f − f 和 ( ) ~ ( ) c m c m f − f f + f 之间。 ● 调幅过程中的载波不仅要保证幅值的高度稳定，其频率也要足够高，一般要保证 c m f 10 f 。 ● 调幅波的频谱分布在相对变化很窄的一个范围内，有利于信号的交流放大、有用信 号与无用信号的鉴别，易于保证不失真测试条件的实现。 A() () A0 − t0 o  o  信号频带  m  m 调制前 A() () A0 − t0 o  o  c  m 调制后 2. 调幅装置 调幅装置有交流电桥（应变电桥、电感传感器电桥、差动变压器传感器电桥及电容传 感器电桥等）、霍尔传感器、开关电路以及其他可以实现乘法运算的装置。 ■ 交流应变电桥调幅

机械工程测试技术调制信号改变极性时，调R+AR(t)Y幅信号相位发生180突变e(0)=Esin 2n fmtXm(t)AR(0)=RSEsin 2nJm)Xm(t)x(0)调制信号调幅信号xe(0)Xsin 2/ fel载波应变电桥调幅?载波（高频稳幅交流电源）x,(0)= X sin 2元f,t●调制信号（缓慢应变变化）s(t)=Esin2元fmt (f,>>fm)工作桥臂的电阻变化△R(t)= RSc(t)= RSE sin 2f.1()= R(O) ,(SEXsin2元fmt)x.(t):sin2f?调幅信号（电桥输出）44R当应变随时间缓慢变化时，输出调幅信号的幅值亦按相同的规律变化。3.调幅的解调调幅的解调称为鉴幅，即是将调幅信号的幅值变化鉴别出来，还原出被测量的变化。■同步解调同步解调指的是将经放大等处理后的调幅信号再与载波相乘一次。调幅过程是一个“频谱搬移”过程，放大处理后的信号经过与载波信号的再次相乘，又进行了一次“频谱搬移”，其低频部分就保留了原始信号的信息。xe(0e(0)x(0)低通x(0)Xm(0)Axm(0)Xm(0)放大器柔法器柔法器滤波器a)1 Xm(f)X()mIJe2ixi)Xm()Y小A00f212.f.b)同步解调a)原理b)频谱变化过程3/6《机械工程测试技术》第11讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 11 讲 3 / 6 应变电桥调幅 ● 载波（高频稳幅交流电源） x t X f t c 2π c ( ) = sin ● 调制信号（缓慢应变变化） t E f t 2π m  ( ) = sin （ c m f  f ） 工作桥臂的电阻变化 R t RS t RSE f t  m  ( ) =  ( ) = sin 2 ● 调幅信号（电桥输出） f t SEX f t x t R R t x t c m m c sin 2π 4 sin 2π ( ) 4 ( ) ( )         =  = 当应变随时间缓慢变化时，输出调幅信号的幅值亦按相同的规律变化。 3. 调幅的解调 调幅的解调称为鉴幅，即是将调幅信号的幅值变化鉴别出来，还原出被测量的变化。 ■ 同步解调 同步解调指的是将经放大等处理后的调幅信号再与载波相乘一次。 调幅过程是一个“频谱搬移”过程，放大处理后的信号经过与载波信号的再次相乘， 又进行了一次“频谱搬移”，其低频部分就保留了原始信号的信息。 同步解调 a) 原理 b) 频谱变化过程

机械工程测试技术■包络检波●包络检波通过整流、滤波两个环节，将调幅波中的包络线（与原信号波形一致）还原出来，即得到了原信号的波形。整流一一将双边变化的调幅信号整理成单边变化的调幅信号。滤波一一将单边调幅信号中的高频成分滤除，得到反映调制信号变化的低频成分。?常用的包络检波装置有：一般的二极管环形检波电路、运算放大器构成的精密整流电路+适当的滤波电路，等等。●包络检波主要适用于调制信号为单边（单极性）变化的调幅信号的解调。■相敏检波使用相敏检波既可检测出调制信号幅值的变化，又可以检测出调制信号极性的变化。x(n)r0VD;TRVDXm(0)()VDVD此处相位变化180°m(0)xe(1)a)b)二极管环型相敏检波电路a）电路b）调制信号、载波及调幅信号的波形e(0)b)S负载上的电压波形a）无滤波电容时b）有滤波电容时4.调幅的应用■动态电阻应变仪c(t).AR(0)AR+AR()低通相敏放大器滤波器检波器H振荡器显示记录装置应变电桥动态电阻应变仪4/6《机械工程测试技术》第11讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 11 讲 4 / 6 ■ 包络检波 ● 包络检波通过整流、滤波两个环节，将调幅波中的包络线（与原信号波形一致）还 原出来，即得到了原信号的波形。 整流——将双边变化的调幅信号整理成单边变化的调幅信号。 滤波——将单边调幅信号中的高频成分滤除，得到反映调制信号变化的低频成分。 ● 常用的包络检波装置有：一般的二极管环形检波电路、运算放大器构成的精密整流 电路+适当的滤波电路，等等。 ● 包络检波主要适用于调制信号为单边（单极性）变化的调幅信号的解调。 ■ 相敏检波 使用相敏检波既可检测出调制信号幅值的变化，又可以检测出调制信号极性的变化。 二极管环型相敏检波电路 a) 电路 b) 调制信号、载波及调幅信号的波形 负载上的电压波形 a) 无滤波电容时 b) 有滤波电容时 4. 调幅的应用 ■ 动态电阻应变仪 动态电阻应变仪

机械工程测试技术■差动变压器式电感测微仪相敏低通放大器检波器滤波器川x(0)振荡器b显示记录装置差动变压器式传感器差动变压器式电感测微仪■JDC智能化精密电容测微测振仪4.3.3调频及其解调1.调频原理调频是将调制信号的变化转换成已调波（调频的已调波称为调频波）频率的变化。具体地讲，就是用调制信号控制一个振荡器，使振荡器的振荡频率随调制信号的变化而变化。当调制信号为零时，振荡器输出的调频波的频率f称为中心频率（或载波频率）。为保证调制及解调过程中不丢失有用信息，中心频率应远高于调制信号中的最高频率成分的频率。el调制信号2调频波f>6faf<f调频原理2.调频装置■直接调频电路直接调频电路是将电容传感器、电感传感器等元件接入到谐振式调频电路中，这些传感器结构参数（L、C）作为调制信号，它们的变化将使谐振回路的振荡频率随之变化。调谐振荡器传感器C,=Co+AC并联谐振调频电路对于图5-32所示的电容传感器的并联谐振调频电路，振荡频率为12元/L(C+C。+△C)5/6《机械工程测试技术》第11讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 11 讲 5 / 6 ■ 差动变压器式电感测微仪 差动变压器式电感测微仪 ■ JDC 智能化精密电容测微测振仪 4.3.3 调频及其解调 1. 调频原理 调频是将调制信号的变化转换成已调波（调频的已调波称为调频波）频率的变化。具 体地讲，就是用调制信号控制一个振荡器，使振荡器的振荡频率随调制信号的变化而变化。 当调制信号为零时，振荡器输出的调频波的频率 0 f 称为中心频率（或载波频率）。为保 证调制及解调过程中不丢失有用信息，中心频率应远高于调制信号中的最高频率成分的频 率。 调频原理 2. 调频装置 ■ 直接调频电路 直接调频电路是将电容传感器、电感传感器等元件接入到谐振式调频电路中，这些传感 器结构参数（L、C）作为调制信号，它们的变化将使谐振回路的振荡频率随之变化。 并联谐振调频电路 对于图 5-32 所示的电容传感器的并联谐振调频电路，振荡频率为 2π ( ) 1 L C C0 C f + +  =

机械工程测试技术设fo2元/L(C+C)则当AC<<C。时,AC= fo[1 - Kx(t)]z12(C +C)■压控振荡器压控振荡器的输出瞬时频率与输入的控制电压成线性关系。4M6R压控振荡器3.调频的解调调频波的解调过程称为鉴频，即把调频波频率的变化转换成电压幅值的变化，还原出调制信号的原始波形。实现鉴频的装置称为鉴频器。ea(r)VDea(t)feo(r)V借摄eo(t)em(t)频率一电压幅值幅值检波部分线性变换部分a)b)谐振式振幅鉴频器a)电路b)谐振特性《机械工程测试技术》第11讲6/6

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 11 讲 6 / 6 设 2π ( ) 1 0 0 L C C f + = 则当 C  C0 时， [1 ( )] 2( ) 1 0 0 0 f Kx t C C C f f  = −      +   − ■ 压控振荡器 压控振荡器的输出瞬时频率与输入的控制电压成线性关系。 压控振荡器 3. 调频的解调 调频波的解调过程称为鉴频，即把调频波频率的变化转换成电压幅值的变化，还原出调 制信号的原始波形。实现鉴频的装置称为鉴频器。 谐振式振幅鉴频器 a) 电路 b) 谐振特性