调幅式测量电路在线视频

大家好

这一节我们来学习调幅式测量电路

因为调幅的调制方式和

解调电路都比较简单

调幅是测量中最常用的调制方式

因此

本节也是我们这一章的学习重点

我们本节主要内容是

调幅式测量电路原理和实现方法

我们这一节的学习目标包括以下三个

1. 记忆、理解调幅式测量电路的概念原理

2. 记忆、理解双边带调制的原理

波形及设计要求

3. 理解信号调制的方法

能够分析常用的调幅式电路

上一节我们学习了信号调制的概念

就是用调制信号去控制载波信号

使载波信号的某一个特征

随调制信号而变化

明显的，调幅作为信号调制的一种

就是用调制信号去控制载波信号的幅值

使载波信号的幅值

这一特征

随调制信号而变化

在信号调幅中

常用的是线性调幅

即让调幅信号的幅值

按调制信号的线性函数而变化

下面我们看一下线性调幅的基本原理

用 us 表示调幅信号，一般表达式

可以表示为 us 等于

(Um0+mx)*cosωct

其中我们那个 ωc 是载波信号的

角频率

Um0 是调幅信号中

载波信号的幅值

m 是调制度

可以看出 Um0+mx

是高频信号的幅值

它反映了调制信号的变化规律

称为调制信号 us 的包络

在信号调制中

调制信号 x 可以按任意规律变化

为了方便起见

我们假设调制信号的角频率 Ω 的

余弦信号 x=XmcosΩt

当调制信号不符合余弦规律时

可以将它分解为不同频率的余弦信号之和

当调制信号为角频率 Ω 的

余弦信号 x=XmcosΩt 时

代进调幅信号的一般表达式

得到由 (1) 表示的调幅信号 us

我们可以看到

调幅信号包括三个不同频率成分的信号

角频率为 ωc 的载波信号

载波信号

Um0cosωct

和角频率分别为

ωc+Ω 和 ωc-Ω 的

上下边频信号，其中

载波信号不含调制信号

即不含被测量 x 的信息

而含被测量 x 信息的两个边频信号

功率最多占

总功率的三分之一

为了提高功率利用率

取 Um=0

只保留两个边频

这种调制

称为“双边带调制”

双边带调整的结果可以用表达式 (2) 表示

由它的表达式可见，双边带调制信号

与调制信号的幅值、频率

调制度以及载波信号的频率相关

是调制信号与载波信号相乘得来的

双边带调制的调制波形如图所示

图 a) 是调制信号

图 b) 是载波信号

c) 是没有去除载波信号的调幅信号

d) 是去除载波信号的双边带调制信号

这是双边带调制

从频率上看

调制过程实质上是一种线性频率搬移过程

将调制信号的频谱不失真地搬移到了

载波频谱的两边

称为双边频带

此外

还存在抑制一个边带仅传输另一个边带的

调幅方式

称单边带调制

这里我们不再赘述

前面我们学习了信号调幅的原理

那么怎么才能正确的进行信号调幅呢

比如

怎样先取载波信号的频率

也就是调制信号与载波信号频率上

应该满足什么样的关系

在测控系统中

为了正确的进行调制

使得载波信号

随调制信号变化并能

反映调制信号的特征

要求载波信号的频率要

远远大于调制信号的频率

至少是十倍的关系，来防止频率混叠

原因是什么呢

首先，若载波信号频率远大于调制信号频率

在解调时可以通过滤波器

较好的

将调制信号与载波信号分开

另外，在有些应用场合，满足这一要求

可以有效的减小测量误差

如右图 a)、b) 所示

1 为调制信号，2 为载波信号

在图 a) 这种情况，有一个载波的波峰

正好在调制信号的最高点

可以反映调制信号的大小

而在图 b) 所示的这种情况

载波信号的两个波峰

对称地分布于调制信号的两侧

则无法准确反映调制信号的大小

如果载波信号频率 ωc 是

调制信号 Ω 的 n 倍

那么 B 点调制信号的值与 A 点的

比值为

cos(π/n)

cos(π/n)

产生相对误差为

1-cos(π/n)

如果要求误差小于百分之一

则需要 n 大于 23

若要求误差小于百分之零点一

需要 n 大于 71

可见，载波信号与调制信号的频率比值越大

测量信号误差越小

了解了调幅的原理和设计要求以后

我们一起学习一下怎么实现信号调幅

调幅的方法有两种

传感器调制和电路调制

首先我们来学习一下

传感器调制

它的优势是从信号一形成

就已经是调制信号，可以有效地

提高测量信号的抗干扰能力

因此呢，应用比较普遍

传感器调制包括两种

一种是通过交流供电实现调制

另外一种呢，是机械或光学方法实现调制

对于交流供电实现调制

我们看图 a) 和图 b)

图 a) 是电感式传感器工件轮廓测量

图中，4 是待测工件

1 是测杆

2 是线圈，3 是磁芯，组成电感式传感器

载波信号 uc 加在线圈上

当测杆和磁芯随工件形状而运动时

产生的感应电压 us 是交流供电 uc

经工件轮廓信号调制产生的信号

这样用电源作为载波信号就

完成了测量信号的调幅

图 b) 所示为四个应变片接入

电桥测量梁的变形

若用交流电压 U 供电，当有应力作用时

电阻阻值发生变化

电桥输出电压 U0

如给出的公式所示

实现了载波信号 U 与

测量信号相乘，完成了信号的调幅

除了通过传感器交流供电方式

引入载波信号

实现信号调幅以外

还可以用机械或光学的方法

实现信号调幅

如图所示

是用机械方法实现光电信号调幅的例子

其中

激光器 4 发出光束，经光栏 3，调制盘 2

照射到被测工件 1 上

工件表面的微观不平整度

使反射光产生漫反射

根据镜面反射方向与其他方向

接收到光能量之比

可以测定被测工件 1

它的表面粗糙度，为了减小杂散光的影响

采用多孔盘或多槽调制盘 2

使信号得到调制

使得反射信号的强度受到调制盘

转速的调制来提高信噪比

前面是传感器调制

下面我们来看一下第二种方法

电路调制

即传感器输出非调制信号以后

用电路对信号进行调制

电路调制方法有三种

乘法器调制、开关电路调制

和信号相加式调制

首先，我们一起看一下乘法器调制

它的原理非常简单

就是将与测量信号 x 成正比的 ux 与

载波信号 uc 相乘

这样呢，就产生了双边带调幅

如图所示

图 a) 是它的原理图

图 b) 是用乘法器 MC1496

实现双边带调幅的电路

需要注意的是

因为输入信号 ux 为低频信号

所以接到输入端 1 的

输入电容与接到引脚 4 的

补偿电容均为 20uF

第二种方法是由开关电路调制

其中

图 a) 是一个典型电路调制信号 ux

加在输入端，V1 和 V2是

两个场效应晶体管

工作在开关状态

在他们的栅极分别加高频载波信号 Uc

和 Uc 的反相

当 Uc 为高电平时

Uc 的反相为低电平，这时

V1 导通，V2 截止

我们把 V1 和 V2 看作理想开关

那么输出 US=Ux

当 Uc 为低电平

他的反相为高电平

这时 V1截止，V2导通

输出为 0

他的波形如图 b) 所示

这个开关电路实现了调制信号与

按 0、1变化的载波信号相乘

我们知道归一化的方波正弦信号

按傅立叶级数展开，得到表达式 (1)

将 K(ωct)与

输入信号 ux

相乘后

得到表达式 (2)

用带通滤波器滤掉

低频信号 ux/2 和高频信号

(2/3π)ux*sin3ωct

及更高频次的谐波后

得到

相乘调制信号

(π/2)*uxsinωct

这样，通过用方波信号控制开关器件

就完成了相乘调制

这就是开关电路调制的原理

第三种电路调制方法是信号相加式调制

从它的电路形式而言呢

就是将调制信号与载波信号相加

去控制开关电路

如图所示

调制信号 ux 载波信号 uc

分别通过变压器 T1 和 T2 输入

我们选择 Ucm 大于 Uxm

也就是载波信号的幅值远大于

调制信号的幅值

来保证载波信号的控制作用

这样

加到两个二极管 VD1、VD2的

电压分别为 uc+ux 和

uc-ux

通过两个二极管的电流可以用表达式 (1)

和表达是 (2) 表示，式中 R 为二极管的内阻

电位器 RP 串联的有效电阻与

负载电阻 RL 折合到 T3 一次侧的

等效电阻之和

K(ωct) 呢

是归一化的方波余弦信号

它表示

当二极管导通时

电流为电压和电阻的比值

二极管截止时电流为 0

这个归一化方波余弦信号傅立叶展开

用表达式 (3) 表示

有了这个表达式

我们可以得到 T3 二次侧电流 i3

带入 K(ωct) 后得到表达式 (4)

式中 n3 为变压器 T 的

电压比

从表达式 (4) 可以看出

通过滤波器，滤除角频率为 Ω 的

低频信号和角频率为 3ωc 的

及更高频率的高频信号

可以得到

uxcosΩtcosωct

可以得到与uxmcosΩtcosωct

成正比的双边带调幅信号

这个电路调制方法叫信号相加式调幅

但实际上调幅不仅仅是通过

两个信号线性相加实现的

而是通过控制开关电路获得乘积项实现的

此外

因为调制信号与载波信号的幅值无关

要求乘积项中不含 Ucm

而只与幅值为 1 的载波信号相乘获得

双边带调幅信号

uxmcosΩtcosωct

最后我们总结一下

本节主要学习了信号调幅的概念和原理

双边带调原理以及调幅电路的几种方法

这就是本节的学习内容

再见