第五章 信号变换

生物医学电子学
第五章 信号变换
电压—频率变换（VFC） 一、电压—频率变换（VFC）
将电压变换为相应的脉冲频率。 电路形式很多，常见的有 ：
无稳态多谐振荡式VFC 恢复型VFC 反馈式VFC
1、无稳态多谐振荡式VFC 无稳态多谐振荡式VFC
电路构成： 波形图 ：
分析： 分析：
当VI不接时，电路与无稳态多谐振荡器完 全一样。
二进制数字信号并行输入并控制模拟开关， 模拟开关将电阻网络与基准电源接通，电阻 网络根据模拟开关的通断，将相应的数字转 换成模拟电压输出，相加器将电阻网络的各 输出分量求和，得到模拟输出。
示意图
权电阻网络DAC 权电阻网络DAC
权电阻网络中各个电阻值不相同，阻值分散性很大， 权电阻网络中各个电阻值不相同，阻值分散性很大，不能实现集成
由此可见，采用单一频率的正 余弦波调制正弦载波时 余弦波调制正弦载波时， 由此可见，采用单一频率的正/余弦波调制正弦载波时， 调幅波的频谱是由载波 载波（ ＝ ）、上边频 调幅波的频谱是由载波（ω＝ωc）、上边频 ）、下边频 下边频（ 组成。 （ω=ωc+ ）、下边频（ω=ωc- ）组成。
ë若调制信号是包含多种频率成分的复合波，则调 若调制信号是包含多种频率成分的复合波， 若调制信号是包含多种频率成分的复合波 幅波的频谱将有上边带、下边带分立于载波左右。 幅波的频谱将有上边带、下边带分立于载波左右。
PDM波形图： PDM波形图： 波形图
3、脉冲位置调制（PPM） 脉冲位置调制（PPM）
原理图：
4、PAM、PWM(PDM)、PPM的解调 PAM、PWM(PDM)、PPM的解调
PAM的解调可采用普通的二极管振幅检波器电 路。
需注意的是检波器中的低通滤波器，其截止频率应高 于调制信号频谱中的最高频率成分，而低于采样频率 脉冲频率。
二极管包络检波： 二极管包络检波：
电路结构： 电路结构：
波形图： 波形图：
同步检波器
包络检波器只能用来作为普通调幅波的解 调器。而载波抑制的双边带调幅信号和单 边带调制信号的解调必须采用同步检波器
同步检波器原理图：
必须有一个与输入载波同频同相的同步信号
2、频率调制及解调： 频率调制及解调：
使载波的瞬时频率随着调制信号的强弱而 产生频率偏移而载波幅度维持不变的调制 方式称为频率调制。
量 化
量化
量化的意义是将整个信号幅度范围分层，每一层 就是一个标准电平，称为量化电平。 相邻量化电平之间的差值，称为量化间隔。 量化值是近似采样值，实际采样值与近似采样值 （量化值）间的误差称为量化误差ε 显然最大的量化误差为量化间隔Δ的1/2。 每个量化值与实际采样值之间的量化误差是随机 的，不断出现的不同量化误差可以看成是一种噪 声，称作量化噪声。
运算放大器同相输入端的基准电压为：
V = βVO max
+ p
R4 = VO max R3 + R4 R4 VO max R3 + R4 R4 R3 + R4
V p− = − βVO max = −
式中β为分压系数，β =
t＝0时， 0<t<t1时，
VC = V P− = − β VO max
− t R1C1
mA用来表示调幅波的深度，称为调幅系数。 mA越大， 表示调幅的深度越深。若mA>1，会出现过量调幅，调幅 波的包络线已不同于调制信号，在解调时将不能恢复原 始的调制信号。
ë为了确定已调信号传输系统的通频带宽，需了解 为了确定已调信号传输系统的通频带宽， 为了确定已调信号传输系统的通频带宽 已调信号的频谱。对频谱信号来说， 已调信号的频谱。对频谱信号来说，利用简单的 三角变换，将前面式子展开成： 三角变换，将前面式子展开成：
由调幅波的表示和频谱图可以看出，载波分量不携带信息， 由调幅波的表示和频谱图可以看出，载波分量不携带信息， 上边带和下边带携带的信息相同。 上边带和下边带携带的信息相同。
节约功率——载波抑制 节约功率——载波抑制
当调幅波送至负载电阻R时，其载波功率 与上下边频的功率分别为：
载波与上、 载波与上、下边频的总功率为 显然，即便在＝ 时 显然，即便在＝1时，携带信息的上下边频也只是载波功率的 一半。因此为了节省功率，可采用载波抑制技术， 一半。因此为了节省功率，可采用载波抑制技术，抑制载波 而仅传输上、下边频。称为载波抑制的双边带幅度调制。 而仅传输上、下边频。称为载波抑制的双边带幅度调制。
VC (t ) = (1 + β )VO max (1 − e
若波形对称，当t＝t1＝T/2时，
) − βVO max
T VC ( ) = (1 + β )VO max (1 − e 2
−
T 2 R1C1
) − β VO max = β VO max
1+ β 2 R4 ∴ T = 2 R1C2 ln = 2 R1C1 ln( + 1) R3 1− β
编码
编码的意义是将每一个量化值编制成用二 进制数字来表示的电码。 二进制电码是一组一组的电脉冲，每个脉 冲只有两个电平，0或1。 利用N位二进制数进行编码，就可以编成 2N组码
1、脉冲振幅调制（PAM） 脉冲振幅调制（PAM）
原理图：
2、脉冲宽度调制（PWM、PDM） 脉冲宽度调制（PWM、PDM）
PWM原理图：
PDM也是一种脉冲宽度调制的形式， PWM属于双边（脉冲前后沿）宽度的脉 冲调制的方式。PDM与PWM一样，可采 用电压比较器来完成，不同的是，PDM中 一般是将方波载波变换成锯齿波，然后再 与调制信号进行比较来完成。PDM的宽度 调制仅反映在脉冲的后沿单边受调制。
调幅电路举例： 调幅电路举例：
三极管基极调幅电路：
利用调制信号去改 变三极管的基极电 压，使三极管的集 电极基波振幅随调 制电压线性变化。 制电压线性变化。
解调： 解调：
与调制相反，在接收端，需有从已调波中 恢复出调制信号的过程，这一过程称为解 调。 调幅波的解调装置通常称为幅度检波器， 简称检波器。 解调必须与调制方式相对应。
频带压缩——单边带传输 频带压缩——单边带传输
由于上、下两个边带包含的信息具有相同 的特征，因此可以对上、下两个边带进行 抑制，只传送其中一个边频带，称为单边 带传输 。 采用载波抑制的单边带传输方式可以节约 功率和压缩频带，但要求以复杂的设备， 尤其是复杂的接收解调设备为代价。因此 在小功率的遥测技术中较少采用。
四、模拟/数字转换器（ADC） 模拟/数字转换器（ADC）
将连续变化的电量(模拟量)转换成数字量 目前这类电路已大部分用集成电路代替 实质：→采样
遵循采样定律
五、晶体管混频器
先将两个频率不同的信号叠加，然后经过晶体管 进行非线性变换，产生和频分量和差频分量，最 后用谐振回路选择其差频分量（常称中频ωi＝ ω1-ω2） 两个频率的信号一个为输入信号，通常是已调波 （调幅或调频），另一个为本机振荡 经过混频后的信号载频变低，但调制信号中各频 谱分量的关系保持不变。 主要将高频信号或已调波变成低频率信号或较低 频率的已调波。
PWM或PDM的解调，可先将其变换成PAM信 号，然后采用PAM解调的方法进行解调： PPM的解调方法,是先将PPM信号变换成为PDM 信号，再变换成PAM信号，最后用PAM的解调 方法进行解调：
PDM的解调 PDM的解调
将调宽脉冲加到积分 电路， 电路，便可输出振幅 正比与脉冲宽度的锯 齿波或梯形波电压。 齿波或梯形波电压。 也可在梯形波上叠加 等宽的矩形脉冲， 等宽的矩形脉冲，然 后通过限幅器， 后通过限幅器，取出 超过限幅电压的部分， 超过限幅电压的部分， 就可以获得振幅正比 与脉冲宽度的调幅脉 冲信号。 冲信号。
高频振荡—→载波 低频信号—→调制信号（调制波） 调制后的信号—→已调波 若载波是一个连续的正弦振荡信号Vc,可以 写成：
Vc = Vcm sin(ωc t + θ 0 ) = Vcm sin(2π f c t + θ 0 )
正弦振荡信号有三个基本特征参数——振 幅、频率和相位； 与此相应的调制方式分别称为幅度调制（ 简称调幅AM）频率调制（简称调频FM） 和相位调制（简称调相PM）； 由此获得的已调波分别称为调幅波、调频 波、调相波。
T型电阻网络DAC 型电阻网络DAC
T型电阻网络电阻 型电阻网络电阻 类别少,制作方便 制作方便， 类别少 制作方便， 各位的模拟开关均 在同一工作电流下 工作,电子开关容易 工作 电子开关容易 设计
反T型电阻网络DAC 型电阻网络DAC
反T型DAC中，开关的切换是在地和“虚地”之间进行，所以 进入电阻网络的电流是恒定的，不随输入数字信号改变而改 变。
1、幅度调制及解调： 幅度调制及解调：
调制过程中，正弦载波信号的幅值随信号的 强弱而变换，而其频率不变。
ë简化起见，设调制信号为余弦信号： 简化起见，设调制信号为余弦信号： 简化起见
vΩ = VΩ cos Ωt = VΩ cos 2πFt
式中V 、F和 分别为调制信号的振幅、频率和角频率
若令载波的初相位θ0＝0，则调幅波可表示成：
实际FVC电路举例： 实际FVC电路举例： FVC电路举例
调输出脉冲宽度
迟滞比较器
触发器
低通滤波
缓冲器
2、数字变换式FVC 数字变换式FVC
（施密特触发器）
三、数字/模拟转换器（DAC） 数字/模拟转换器（DAC）
将数字量转变为模拟量 按输入信号的形式分为并行DAC和串行 DAC两种。 并行DAC工作原理：
1 1 f0 = = T 2 R C ln( 2 R4 + 1) 1 1 R3
当VI不等于0时，运放同相端由Vo与VI 共同决定。 改变VI值，则改变了基准电压值，从 而改变振荡频率。
VI>0时，电路输出的脉冲频率变低，小于f0 VI<0时，电路输出的脉冲频率增高，大于f0