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

• 线性调幅信号 $u_s=(U_{m0}+mx)\cos {\omega }_{c}t$

  • ${\omega }_c$: 载波信号角频率
  • $U_{m0}$: 调幅信号中载波信号幅值
  • $m$: 调制度
  • $x$: 调制信号, 假设为 $x=X_m\cos \Omega t$

• 

  • 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
    us=Um0cos⁡ωct+mXmcos⁡Ωt cos⁡ωct=Um0cos⁡ωct+mXm2cos⁡(ωc+Ω)t+mXm2cos⁡(ωc−Ω)t" role="presentation" style="position: relative;">us==Um0cosωct+mXmcosΩt cosωctUm0cosωct+mXm2cos(ωc+Ω)t+mXm2cos(ωc−Ω)t$$\begin{array}{ccc}{u}_s& =& U_{m0}\cos {\omega }_{c}t+m{X}_m\cos \mathrm{\Omega }t\cos {\omega }_{c}t\\ & =& U_{m0}\cos {\omega }_{c}t+\frac{m{X}_m}{2}\cos ({\omega }_c+\mathrm{\Omega })t+\frac{m{X}_m}{2}\cos ({\omega }_c-\mathrm{\Omega })t\end{array}$$
    us​​==​Um0​cosωc​t+mXm​cosΩt cosωc​tUm0​cosωc​t+2mXm​​cos(ωc​+Ω)t+2mXm​​cos(ωc​−Ω)t​
    • 角频率为${\omega }_c$的载波信号$U_{m0}\cos {\omega }_{c}t$
      • 不含被测量x信息
    • 角频率为${\omega }_c\pm \Omega$的上下边频信号
      • 含被测量x信息, 功率最多占总功率$\frac{1}{3}$
  • 双边带调制: 为提高利用率只保留两个边频信号

• 传感器调制

  • 交流供电实现调制

    • 无应力: $R_1=R_2=R_3=R_4=R$
    • 有应力: $U_o=\frac{U}{4}(\frac{\Delta R_1}{R}-\frac{\Delta R_2}{R}+\frac{\Delta R_3}{R}-\frac{\Delta R_4}{R})$

  • 机械/光学方法调制

    • 

      • 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

• 电路调制

  • 乘法器调制: 测量信号$u_x=U_{xm}\cos \Omega t$ X 载波信号$u_c=U_{cm}\cos \Omega t$ 得双边带调幅
  • 开关电路调制: 栅极+高频载波方波信号

    • 

    • 归一化方波正弦波信号 $K({\omega }_{c}t)=\frac{1}{2}+\frac{2}{\pi }\sin {\omega }_{c}t+\frac{2}{3\pi }\sin 3{\omega }_{c}t+...$

    • 带通滤去低频信号$\frac{1}{2}{u}_x$与高频信号$\frac{2u_x}{3\pi }\sin 3{\omega }_{c}t$及更高次谐波得调制信号$\frac{2}{\pi }{u}_x\sin {\omega }_{c}t$

  • 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:

• 

  • 截去下半部, 低通滤波滤除高频信号

  • 

  • $\frac{1}{\omega }<<R_L{C}_2<<\frac{1}{\Omega }$ 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

  • 

  • 只在$u_s$为负的半周期检波器$N_1$有$u_A$输出

• 全波精密检波电路

  • 

    • $R_1=R_2,R_3^{\prime }=2R_3$
      • $$u_o=-\frac{R_4}{R_3}(u_A+\frac{u_s}{2})$$
• 高输入阻抗全波精密检波电路

  • 

    • $R_1=R_2=R_3=R_4/2$
    • $u_s>0$ $N_2$的同相输入端与反相输入端输入同信号, $u_o=u_s$
    • $u_s<0$ $N_1$输出$u_A=2u_s$, $N_2$输出$u_o=-u_s$
    • $u_o=|u_s|$全波检波

相敏检波电路

• 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

• 解调对调幅信号做半波/全波整流, 无法鉴别调制信号相位

• 包络检波电路无法区分不同载波频率信号

• 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

• 电路结构上

  • 需输入参考信号, 频率同调幅信号

• 调幅

  • 输入调制信号$u_x=U_{xm}\cos \Omega t$ X 载波信号$\cos {\omega }_{c}t$ = 双边带调幅信号 $u_s=U_{xm}\cos \Omega t\cos {\omega }_{c}t$
  • 再乘载波信号$\cos {\omega }_{c}t$ 得 $u_s$ X $\cos {\omega }_{c}t$ = $u_o=\frac{1}{2}{U}_{xm}\cos \Omega t+\frac{1}{4}{U}_{xm}[\cos (2{\omega }_c-\Omega )t+\cos (2{\omega }_c+\Omega )t]$
  • 低通滤波器滤除高频信号后得调制信号$U_{xm}\cos \Omega t$

相乘式相敏检波电路

• 乘法器构成的相敏检波电路

  • 

  • 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

  • 

• 相加式相敏检波电路

  • 

    • 输入信号$u_s$与参考信号$u_c$以相加减方式加到同一开关器件, $u_c>>u_s$
    • 滤波后输出低频信号
    • $u_o=k_0(u_{s1}+u_{s2})$

• 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$\frac{1}{n}$

  • 提高系统抗干扰能力, 抑制偶次谐波,高次谐波

  • 

    • $n=1$: $V_c$有相同极性, 输出正
    • $n=2$: $V_c$正半周期内, $v_s$变化一个周期, 平均输出0
    • $n=3$: $V_c$正半周期内, $v_s$变化1.5个周期, 仍有$1/3$正信号输出
• 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$u_s$与参考信号$u_c$同频, 有一定相位差, 输出 $u_o=\frac{U_{sm}\cos \phi }{2}$ 随相位差$\phi$变化

  • 

    • 同极性输出+, 反极性输出-