第3章信号调制与解调

以上的信号抑制，可选通频带为200 Hz。
2. 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
形成就已经是已调制的信号，因此常常在传感器中进 行调制。
(2)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。
R1 R1 R2 R3 R4 R2 Uo R3 U
号Ux，T1 、T2是两个场效应管开关,在它们的栅极
与幅值按1、0变化的载波信号相乘。如下图所示：
分别加入高频方波信号。经过调制，输入信号Ux ，
U U
c
1 , T1导通， 0 , T1 截止，
T 2 截止， T 2 导通，
U U
0
U U
x
( 1) U ( 0 ) 0
x
u s U m cos c t mX 2
m
cos( c ) t
mX 2
m
cos( c ) t
它包含三个不同频率的信号: 角频率为ωc的载波信号和 角频率分别为ωc±Ω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。 其数学表达式为：us=UxmcosΩt cosωct
频干扰及直流放大的低频噪声与直流漂移等影响，
不宜采用直接放大的形式，经常采用调制——解
调方法，提高电路的抗干扰能力、传输能力及有
效地提高信噪比。
调制——解调的作用在于某种调制方法， 将原始的低频信号频谱调制到另一个具有高频的 频谱上。经调制后的高频调制波，具有原始输入 信号的全部信息，再经过有效的交流放大后，使
T+ us _
VD i RL C2
ic
+ uo _ C1 + V T us Ec RL C2 _ 非线性 低通 器件 滤波器
(b) 晶体管检波电路
+ uo _
C1
非线性 低通 器件 滤波器
(a) 二极管检波电路
图3-5 包络检波电路
图3-5是两种包络检波电路，图(a)采用二极管作为整流用 非线性元件，图(b)采用晶体管。如果输入的调幅波具有图36(a)所示波形，那么经整流后其波形如图(b)所示。为了获得调 制信号，还要用滤波器滤除载波分量。
c
0
x
3. 在测控系统中被测信号的变化频率为0~100Hz， 应怎样选取载波信号的频率？应怎样选取调幅信 号放大器的通频带？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ωc>>Ω，通常至 少要求ωc>10Ω。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 0~100Hz ， 则 载 波 信 号 的 频 率 ωc>1000 Hz 。 调 幅 信 号 放 大 器 的 通 频 带 应 为 900~1100 Hz。信号解调后，滤波器的通频带应大于 100 Hz，即让0~100Hz的信号顺利通过，而将900 Hz
5. 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。
由图3-6看出，检波输出不完全是调制信号，它还包 含直流分量，其大小由载波信号的幅值Ucm决定。在通讯
中,调制信号如声音或图像信号都是交流信号,可以通过隔
直将直流成份去掉，以获得放大了的图像或声音信号。 在电测量仪中，解调后得到的交流与直流分量，可分别 有不同的含义。例如在振动测量中，直流分量对应于振 动中心的位置，而交变成份反映振动的频率与幅值。通
对于双边带调制：
us mX mX 2
m m
cos( c ) t
mX 2
xm
m
cos( c ) t
cos t cos c t U
cos t cos c t
双边带调制可用乘法器实现，称为相乘调制。
相乘调制常用电路实现。常用的串并联调制器
实质上就是一个相乘调制器。在输入端加入测量信
F R4
应变式传感器输出信号的调制
3. 电路调制
(1)乘法器调制
+12V
1kΩ 51Ω 0.1μF 1kΩ 0.1μF 1kΩ 3.3kΩ 3.3kΩ
ux uc
Kxy x y
uc
uo
ux 20μF 750Ω 47kΩ
a)原理图
82 3 6 uo 10 12 1MC1496 0.1μF 4 14 5 680kΩ 1kΩ1kΩ 20μF
过仪器的定标，可以确定振动中心相对于给定零位的偏
移与振动幅值。
二、 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， 常需采用精密检波电路，它又称为线性检波 电路或精密整流电路。
ωc——载波信号角频率； Um——调幅波中载波信号的幅值； m——调制的灵敏度；x——调制信号。
x O uc O t b)载波信号
a)调制信号
t
us O t c)双边带调幅信号
2. 何谓双边带调幅？写出其数学表达式，画出波形
设调制信号x(t)是角频率为Ω的余弦信号x(t)=XmcosΩt， 由式（4-1）调幅信号可写为：
b)
t
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。
一、二极管与三极管包络检波
1. Leabharlann Baidu本电路：二极管与三极管包络检波电路如图3-5所示。
3
i3
+ RL uo _
相加型调幅电路
由上两式得
i 3 n 3 ( i1 i 2 ) 2 n 3 u x K ( c t ) / r 2 n3 n 3U r U
xm
cos t (
1 2

2
r
xm

cos c t
2 3
cos 3 c t ) 4 n 3U 3 r


3. 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。
3.1.2 包络检波电路

什么是包络检波？
从已调信号中检出调制信号的过程称为
解调或检波。幅值调制就是让已调信号的幅
值随调制信号的幅值变化，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。

包络检波的基本工作原理是什么？
us uo '
O
a)
t
O
第3章 信号调制解调电路

3.1 调幅式测量电路及其应用 3.2 调频式测量电路 3.3 调相式测量电路
3.4 脉冲调制式测量电路
在非电量测量仪器中，对被测非电量信号，
一般具有较低的频谱，常在零频(直流)到几十
kHz范围内变化。当被测信号比较弱时，在信号
传送过程中，易受其它同频信号干扰，如易受工
被调波信号增强，然后采用解调技术，又从调制
波中解调出原始的输入信号来，这时的信号已经 是放大了的输入信号。由于调制——解调方法是 将低频信号的传送变为高频信号的放大传送，它 将有效的抑制了低频干扰和直流漂移。
调制是将原始输入的低频模拟信息及其时间
变化、载荷到高频的载波的待征参量之上。如振
幅、频率、相位及脉冲、形成振幅调制；频率调
3.1 调幅式测量电路
3.1.1 调幅原理与方法
一、调幅信号的一般表达式
1. 什么是调幅？写出调幅信号的数学表达式，画出其波形。 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可写为：
us=(Um+mx)cosωct
为平均值检波，其输出波形如图3-6(c)所示。当尺RLC 》
1/ωc时，可以认为由于电容C充放电造成的残余高频分量 很小，输出信号的波形是与调制信号相似的平滑曲线。
2) 峰值检波与平均值检波 平均值检波输出波形如图3-6(c)所示。原因是晶体管V 只在半个周期导通，半个周期ic对电容C充电，另半个周期 电容C向电阻RL放电，流过RL的平均电流只有ic / 2，这种检 波称为平均值检波。 在二极管检波电路中、由于整个电路是串联的，加在 二极管两端的电压u是输入高频电压ux与输出电压u0之差。 如图3-5中二极管VD与晶体管V都具有理想的线性特性，那 么在晶体管检波器中，余弦电流脉冲的通角为θ＝π／2。而 在二极管检波器中电流脉冲的通角θ＝ cos-1 u0 /Um。负载RL 与二极管正向电阻r之比越大,需要向滤波器供电的时间越短， θ越小。这种检波器称为峰值检波器。低通滤波器的时间常 1 c R L C 1,以滤除载波信号，同时保留 数应满足 调制信号。“峰值”是指高频信号的峰值。
xm
cos t
4 n 3U
xm
r
cos t cos c t
cos t cos 3 c t
式中n3为变压器的变比。
从上式看到，相加型调幅电路的输出中信号的分量与相乘 电路是相同的。这一点是容易理解的。在相乘电路中， T1 、T2 起开关作用，即起乘0、1方波信号的作用。相加电路中，D1、 D2同样起开关作用，起乘0、1 方波信号的作用。所不同的是加 到开关上的仅是调制信号ux，UC仅起控制开关通断的作用。因 为只有一个信号加到开关上与0、1方波信号相乘，故称相乘型 调幅电路。而相加型电路的ux与uc同时加到开关上，故称相加 型调幅电路。
4. 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。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。
图3-5(b)所示晶体管检波器与图(a)所示电路的第一个 区别是晶体管有放大作用，即晶体管的输出电压icRL可能 大于us的半波整流值。这一点图3-6(b)上没有得到体现，可
以认为其比例尺不同。其次是在晶体管检波电路中,集电极
电压的变化对集电极电流ic影响很小，因此ic基本上由us确 定，而与RLC上的输出电压u0无关。由于晶体管V只在半 个周期导通，半个周期ic对电容C充电，另半个周期电容C 向电阻RL放电，流过RL的平均电流只有ic / 2，这种检波称
要求Ucm>>Uxm,这时二极管D1和D2受uc控制,工作在开关状态。 i l＝(uc+ux)K(ωct )／r i2＝(uc-ux) K(ωct ) ／r 式中 r为二极管的内阻与负载RL折合到原边的等效电阻之和。 K(ωct )为归一化的方波信号展开系数。
调 制 信 号 T + VD1 i1 1 ux -R + u c P T + 2 ux 载波信号 VD2 i2 T
-8V
b) 实用电路
(2)开关电路调制（前已述及）
ux
V1
ux V2 uo
O Uc O uo O
t
t
t
Uc Uc
(3)信号相加调制
在线性电路中，两个不同频率的信号相加，不会得
到第三个频率的信号，从而也就不能进行调制。为了获 得频率变换，必须在电路中加入非线性器件。
下图是一个典型的相加型调幅电路。为了提高调制线性，电路
制；相位调制以及脉冲调制，使其随原始输入信 息发生改变。
调制的频率变换是由低频变高频的过程。 解调的频率变换是由高频变低频的过程。
调制和解调都能引起信号频率的变化，电子
学常把调制与解调看成频率变换电路。

将测量信号从含有噪声的信号中分离出 来测量是电路的一项重要功用。
1. 什么是信号调制？ 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。 2. 什么是解调？ 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。