测控电路李醒飞第五版第三章习题答案.doc

第三章 信号调制解调电路3-1 什么是信号调制？在测控系统中为什么要采用信号调制？什么是解调？在测控系统中常用的调制方法有哪几种？在精密测量中，进入测量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量电路的一项重要任务。为了便于区别信号与噪声，往往给测量信号赋以一定特征，这就是调制的主要功用。调制就是用一个信号（称为调制信号）去控制另一作为载体的信号（称为载波信号），让后者的某一特征参数按前者变化。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。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。3-2 什么是调制信号？什么是载波信号？什么是已调信号？调制是给测量信号赋以一定特征，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。用需要传输的信号去改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位。这个用来改变载波信号的某一参数的信号称调制信号。在测控系统中需传输的是测量信号，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。3-3 什么是调幅？请写出调幅信号的数学表达式，并画出它的波形。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线性函数变化。调幅信号的一般表达式可写为： 式中 载波信号的角频率； 调幅信号中载波信号的幅度； m调制度。图X3-1绘出了这种调幅信号的波形。c)a)b)tuxOtOucusOt图X3-1 双边带调幅信号a) 调制信号 b) 载波信号 c) 双边带调幅信号3-4 已知调幅信号表示为us(t)=(10+0.5cos(2100t)cos(2104t) mV，确定载波信号频率，调制信号频率，调制度。载波信号频率为104Hz，调制信号频率为100Hz，调制度m = 0.5/Xm。3-5 什么是调频？请写出调频信号的数学表达式，并画出它的波形。调频就是用调制信号x去控制高频载波信号的频率。常用的是线性调频，即让调频信号的频率按调制信号x的线性函数变化。调频信号us的一般表达式可写为：式中 载波信号的角频率； 调频信号中载波信号的幅度； m 调制度。图X3-2绘出了这种调频信号的波形。图a为调制信号x的波形,它可以按任意规律变化; 图b为调频信号的波形,它的频率随x变化。若x=Xmcost，则调频信号的频率可在范围内变化。为了避免发生频率混叠现象，并便于解调，要求。xtOOtusa)b)图X3-2 调频信号的波形a) 调制信号 b) 调频信号3-6 什么是调相？请写出调相信号的数学表达式，并画出它的波形。调相就是用调制信号x去控制高频载波信号的相位。常用的是线性调相，即让调相信号的相位按调制信号x的线性函数变化。调相信号us的一般表达式可写为：式中 载波信号的角频率； 调相信号中载波信号的幅度； m 调制度。图X3-3绘出了这种调相信号的波形。图a为调制信号x的波形，它可以按任意规律变化；图b为载波信号的波形，图c为调相信号的波形，调相信号与载波信号的相位差随x变化。当时，调相信号滞后于载波信号。时，则超前于载波信号。ttta)b)c)xucusooo图X3-3 调相信号的波形a) 调制信号 b) 载波信号 c) 调相信号3-7 什么是脉冲调宽？请写出脉冲调宽信号的数学表达式，并画出它的波形。脉冲调制是指用脉冲作为载波信号的调制方法。在脉冲调制中具有广泛应用的一种方式是脉冲调宽。脉冲调宽的数学表达式为：式中b为常量，m为调制度。脉冲的宽度为调制信号x的线性函数。它的波形见图X3-4，图a为调制信号x的波形，图b为脉冲调宽信号的波形。图中T为脉冲周期，它等于载波频率的倒数。xBtta)b)xT图X3-4 脉冲调宽信号的波形a) 调制信号波形 b) 调宽信号波形3-8 为什么说信号调制有利于提高测控系统的信噪比，有利于提高它的抗干扰能力？它的作用通过哪些方面体现？在精密测量中，进入测量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量电路的一项重要任务。为了便于区别信号与噪声，往往给测量信号赋以一定特征，这就是调制的主要功用。在将测量信号调制，并将它和噪声分离，再经放大等处理后，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。 通过调制，对测量信号赋以一定的特征，使已调信号的频带在以载波信号频率为中心的很窄的范围内，而噪声含有各种频率，即近乎于白噪声。这时可以利用选频放大器、滤波器等，只让以载波频率为中心的一个很窄的频带内的信号通过，就可以有效地抑制噪声。采用载波频率作为参考信号进行比较，也可抑制远离参考频率的各种噪声。3-9 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信号，因此常常在传感器中进行调制。3-10 请举若干实例，说明在传感器中进行幅值、频率、相位、脉宽调制的方法。图X3-5为通过交流供电实现幅值调制的一例。这里用4个应变片测量梁的变形，并由此确定作用在梁上的力F的大小。4个应变片接入电桥，并采用交流电压U供电。设4个应变片在没有应力作用的情况下它们的阻值R1=R2=R3=R4=R，电桥的输出实现了载波信号U与测量信号的相乘，即幅值调制。lR1 R3R2 R4FR1R2U0UR3R4h图X3-5 应变式传感器输出信号的调制图X3-6是在传感器中进行频率调制的例子。这是一个测量力或压力的振弦式传感器，振弦3的一端与支承4相连，另一端与膜片1相连接，振弦3的固有频率随张力T变化。振弦3在磁铁2形成的磁场内振动时产生感应电势，其输出为调频信号。421TNS3图X3-6 振弦式传感器 图X3-7是在传感器中进行相位调制的例子。在弹性轴1上装有两个相同的齿轮2与5。齿轮2以恒速与轴1一起转动时，在感应式传感器3和4中产生感应电势。由于扭矩M的作用，使轴1产生扭转，使传感器4中产生的感应电势为一调相信号，它和传感器3中产生的感应电势的相位差与扭矩M成正比。13245M图X3-7 感应式扭矩传感器图X3-8是在传感器中进行脉冲宽度调制的例子。由激光器4发出的光束经反射镜5与6反射后，照到扫描棱镜2的表面。棱镜2由电动机3带动连续回转，它使由棱镜2表面反射返回的光束方向不断变化，扫描角为棱镜2中心角的2倍。透镜1将这一扫描光束变成一组平行光，对工件8进行扫描。这一平行光束经透镜10汇聚，由光电元件11接收。7和9为保护玻璃，使光学系统免受污染。当光束扫过工件时，它被工件挡住，没有光线照到光电元件11上，对应于“暗”的信号宽度与被测工件8的直径成正比，即脉冲宽度受工件直径调制。1243567910118M图X3-8 用激光扫描的方法测量工件直径3-11 用电路进行幅值、频率、相位、脉宽调制的基本原理是什么？在电路进行调制的基本原理是用测量信号ux去控制（改变）载波信号幅值、频率、相位或脉宽，就可以实现调制只要用乘法器将测量信号（调制信号）ux 与载波信号uc相乘，就可以实现调幅。用调制信号去控制产生载波信号的振荡器频率，就可以实现调频。用调制信号与锯齿波载波信号进行比较，当它们的值相等时电压比较器发生跳变，电压比较器的输出就是调相信号。利用调制信号去改变方波发生器的脉宽就可以实现脉宽调制。3-12 什么是双边带调幅？请写出其数学表达式，画出它的波形。可以假设调制信号x为角频率为的余弦信号x=Xmcost，当调制信号x不符合余弦规律时，可以将它分解为一些不同频率的余弦信号之和。在信号调制中必须要求载波信号的频率远高于调制信号的变化频率。调幅信号可写为：它包含三个不同频率的信号: 角频率为的载波信号Umcosct和角频率分别为c的上下边频信号。载波信号中不含调制信号，即不含被测量x的信息，因此可以取Um=0，即只保留两个边频信号。这种调制称为双边带调制，对于双边带调制。 双边带调制的调幅信号波形见图X3-9。图a为调制信号，图b为载波信号，图c为双边带调幅信号。tuxOtOucusOta) b)c)图X3-9 双边带调幅信号a) 调制信号 b) 载波信号 c) 双边带调幅信号3-13 已知载波信号为uc(t)=5cos(2105t) mV，调制信号为x(t)=3cos(2103t) mV，调制度m=0.3，绘制调幅信号一般形式、双边带以及单边带调幅信号的波形及频谱。波形如图X3-10所示。幅信号一般形式双边带调幅信号单边带调幅信号图X3-10 双边带调幅信号3-14 在测控系统中被测信号的变化频率为0100Hz，应当怎样选取载波信号的频率？应当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c>>，通常至少要求c>10。在这种情况下，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0100Hz，应要求载波信号的频率c>1000 Hz。调幅信号放大器的通频带应为9001100 Hz。信号解调后，滤波器的通频带应>100 Hz，即让0100Hz的信号顺利通过，而将900 Hz以上的信号抑制，可选通频带为200 Hz。3-15 什么是包络检波？试述包络检波的基本工作原理。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。从图X3-11中可以看到，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。usuoOOtta)b)图X3-11 包络检波的工作原理a) 调幅信号 b) 半波检波后的信号3-16 如图3-9a的二极管包络检波电路，已知输入信号的载波频率为500 kHz，调制信号频率为6 kHz，调制度为0.3，负载电路RL=10 k，确定滤波电容C2的大小。则可取300pF。3-17 为什么要采用精密检波电路？试述图3-10b所示全波线性检波电路工作原理，电路中哪些电阻的阻值必须满足一定的匹配关系，并说明其阻值关系。二极管和晶体管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。二极管和晶体管V的特性偏离理想特性会给检波带来误差。在一般通信中，只要这一误差不太大，不致于造成明显的信号失真。而在精密测量与控制中，则有较严格的要求。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。图3-10b是一种由集成运算放大器构成的精密检波电路。在调幅波us为正的半周期，由于运算放大器N1的倒相作用，N1输出低电平，因此V1导通、V2截止，A点接近于虚地，ua0。在us的负半周，有ua输出。若集成运算放大器的输入阻抗远大于R2，则i- i1 。按图上所标注的极性，可写出下列方程组： 其中Kd为N1的开环放大倍数。解以上联立方程组得到通常，N1的开环放大倍数Kd很大，这时上式可简化为：或 二极管的死区和非线性不影响检波输出。 图3-10b中加入V1反馈回路一是为了防止在us的正半周期因V2截止而使运放处于开环状态而进入饱和，另一方面也使us在两个半周期负载基本对称。图中N2与R3、R4、C等构成低通滤波器。对于低频信号电容C接近开路，滤波器的增益为-R4/R3。对于载波频率信号电容C接近短路，它使高频信号受到抑制。因为电容C的左端接虚地，电容C上的充电电压不会影响二极管V2的通断，这种检波器属于平均值检波器。为了构成全波精密检波电路需要将us通过与ua相加，图3-10b中N2组成相加放大器，为了实现全波精密检波必须要求。在不加电容器C时，N2的输出为：图X3-12a为输入调幅信号us的波形，图b为N1输出的反相半波整流信号ua，图c为N2输出的全波整流信号uo。电容C起滤除载波频率信号的作用。tuouausttoooa)c)b)图X3-12 线性全波整流信号的形成a) 输入信号 b) 半波整流信号波形 c) 全波整流输出3-18 什么是相敏检波？为什么要采用相敏检波？相敏检波电路是能够鉴别调制信号相位的检波电路。包络检波有两个问题：一是解调的主要过程是对调幅信号进行半波或全波整流，无法从检波器的输出鉴别调制信号的相位。如书中图1-3所示用电感传感器测量工件轮廓形状的例子中，磁芯3由它的平衡位置向上和向下移动同样的量，传感器的输出信号幅值相同，只是相位差180。从包络检波电路的输出无法确定磁芯向上或向下移动。第二，包络检波电路本身不具有区分不同载波频率的信号的能力。对于不同载波频率的信号它都以同样方式对它们整流，以恢复调制信号，这就是说它不具有鉴别信号的能力。为了使检波电路具有判别信号相位和频率的能力，提高抗干扰能力，需采用相敏检波电路。3-19 相敏检波电路与包络检波电路在功能、性能与在电路构成上最主要的区别是什么？相敏检波电路与包络检波电路在功能上的主要的区别是相敏检波电路能够鉴别调制信号相位，从而判别被测量变化的方向、在性能上最主要的区别是相敏检波电路具有判别信号相位和频率的能力，从而提高测控系统的抗干扰能力。从电路结构上看，相敏检波电路的主要特点是，除了所需解调的调幅信号外，还要输入一个参考信号。有了参考信号就可以用它来鉴别输入信号的相位和频率。参考信号应与所需解调的调幅信号具有同样的频率，采用载波信号作参考信号就能满足这一条件。3-20 已知双边带调幅波us(t)= 5cos(25t)cos(2200t) V，该信号可否采用二极管检波电路进行解调？如不能，说明原因，并给出一个可用电路，并设置参数。不可以采用二极管包络检波电路进行解调，因为双边带调幅波的包络已经不能反映调制信号的变化规律，可采用图3-14的乘法器构成的相敏检波电路。取截止频率为100Hz，则 F可取0.15uF。3-21 从相敏检波器的工作机理说明为什么相敏检波器与调幅电路在结构上有许多相似之处？它们又有哪些区别？只要将输入的调制信号乘以幅值为1的载波信号就可以得到双边频调幅信号。若将再乘以，就得到利用低通滤波器滤除频率为和的高频信号后就得到调制信号，只是乘上了系数1/2。这就是说，将调制信号ux乘以幅值为1的载波信号就可以得到双边频调幅信号us，将双边频调幅信号us再乘以载波信号，经低通滤波后就可以得到调制信号ux。这就是相敏检波电路在结构上与调制电路相似的原因。相敏检波器与调幅电路在结构上的主要区别是调幅电路实现低频调制信号与高频载波信号相乘，输出为高频调幅信号；而相敏检波器实现高频调幅信号与高频载波信号相乘，经滤波后输出低频解调信号。这使它们的输入、输出耦合回路与滤波器的结构和参数不同。3-22 试述图3-16开关式全波相敏检波电路工作原理，电路中哪些电阻的阻值必须满足一定的匹配关系？并说明其阻值关系。图a中，在Uc=1的半周期，同相输入端被接地，us只从反相输入端输入，放大器的放大倍数为-1，输出信号uo如图c和图d中实线所示。在Uc=0的半周期，V截止，us同时从同相输入端和反相输入端输入，放大器的放大倍数为+1，输出信号uo如图c和图d中虚线所示。 图b中，取R1= R2= R3= R4= R5= R6/2。在Uc=1的半周期，V1导通、V2截止，同相输入端被接地，us从反相输入端输入，放大倍数为。在Uc=0的半周期，V1截止、V2导通，反相输入端通过R3接地，us从同相输入端输入，放大倍数为。效果与图a相同，实现了全波相敏检波。R1= R2= R3= R4= R5= R6/2是阻值必须满足的匹配关系。3-23 什么是相敏检波电路的鉴相特性与选频特性？为什么对于相位称为鉴相，而对于频率称为选频？相敏检波电路的选频特性是指它对不同频率的输入信号有不同的传递特性。以参考信号为基波，所有偶次谐波在载波信号的一个周期内平均输出为零，即它有抑制偶次谐波的功能。对于n=1,3,5等各次谐波，输出信号的幅值相应衰减为基波的1/ n等，即信号的传递系数随谐波次数增高而衰减，对高次谐波有一定抑制作用。对于频率不是参考信号整数倍的输入信号，只要二者频率不太接近，由于输入信号与参考信号间的相位差不断变化，在一段时间内的平均输出接近为零，即得到衰减。如果输入信号us为与参考信号uc(或Uc)同频信号，但有一定相位差，这时输出电压，即输出信号随相位差的余弦而变化。由于在输入信号与参考信号同频，但有一定相位差时，输出信号的大小与相位差有确定的函数关系，可以根据输出信号的大小确定相位差的值，相敏检波电路的这一特性称为鉴相特性。而在输入信号与参考信号不同频情况下，输出信号与输入信号间无确定的函数关系，不能根据输出信号的大小确定输入信号的频率。只是对不同频率的输入信号有不同的传递关系，这种特性称为选频特性。3-24 举例说明相敏检波电路在测控系统中的应用。电感测微仪电路中采用相敏检波器作它的解调电路，相敏检波器的输出指示电感传感器测杆的偏移量。光电显微镜中，利用相敏检波器的选频特性，当光电显微镜瞄准被测刻线时，光电信号中不含参考信号的基波频率和奇次谐波信号，相敏检波电路输出为零，确定显微镜的瞄准状态。3-25 试述图3-33所示双失谐回路鉴频电路的工作原理，工作点应怎么选取？ 两个调谐回路的固有频率f01、 f02 分别比载波频率fc高和低f0。随着输入信号us的频率变化，回路1的输出us1和回路2的输出us2如图3-33d和e所示。回路1的输出灵敏度，即单位频率变化引起的输出信号幅值变化随着频率升高而增大，而回路2的输出灵敏度随着频率升高而减小。总输出为二者绝对值之和，采用双失谐回路鉴频电路不仅使输出灵敏度提高一倍，而且使线性得到改善。图a中二极管V1、V2用作包络检波，电容C1、C2用于滤除高频载波信号。RL为负载电阻。滤波后的输出如图f所示。工作点应选在图b中回路1和回路2幅频特性线性段中点，也即斜率最大、线性最好的点上。3-26 在用数字式频率计实现频率信号的解调中，为什么采用测量周期的方法，而不用测量频率的方法？采用测量周期的方法又有什么不足？测量频率有两种方法：一种是测量在某一时段内（例如1秒或0.1秒内）信号变化的周期数，即测量频率的方法。这种方法测量的是这一时段内的平均频率，难以用于测量信号的瞬时频率，从而难以用于调频信号的解调；另一种方法基于测量信号的周期，根据在信号的一个周期内进入计数器的高频时钟脉冲数即可测得信号的周期，从而确定它的频率。后一种方法可用于调频信号的解调。它的缺点是进入计数器的脉冲数代表信号周期，它与频率间的转换关系是非线性的。3-27 一般调相信号是指调制后的信号相位与参考信号的相位差随调制信号变化，而图3-40中是调制后的信号自己的两个脉冲之间的相位差随调制信号变化。这里有没有参考信号？如有，什么是参考信号？实际上还是有的。它是两个脉冲的对称中心。3-28 试述用乘法器或开关式相敏检波电路鉴相的基本原理。用乘法器实现鉴相时，乘法器的两个输入信号分别为调相信号与参考信号。乘法器的输出送入低通滤波器滤除由于载波信号引起的高频成分，低通滤波相当于求平均值，整个过程可用下述数学式表示，输出电压 即输出信号随相位差的余弦而变化。 开关式相敏检波电路中采用归一化的方波信号Uc作参考信号，用它与调相信号相乘。归一化的方波信号Uc中除频率为的基波信号外，还有频率为3和5等的奇次谐波成分。但它们对输出电压uo没有影响，因为和等在的一个周期内积分值为零。其输出信号仍可用上式表示，只是取。在开关式相敏检波电路中参考信号的幅值对输出没有影响，但调相信号的幅值仍然有影响。3-29 在本章介绍的各种鉴相方法中，哪种方法精度最高？主要有哪些因素影响鉴相误差？它们的鉴相范围各为多少？RS触发器鉴相精度最高，因为它线性好，并且对Us和Uc的占空比没有要求。影响鉴相误差的主要因素有非线性误差，信号幅值的影响，占空比的影响，门电路与时钟脉冲频率影响等。用相敏检波器或乘法器鉴相从原理上说就是非线性的，其输出与相位差（或其半角）的余弦成正比。脉冲采样式鉴相中锯齿波的非线性也直接影响鉴相误差。用相敏检波器或乘法器鉴相时信号的幅值也影响鉴相误差。采用异或门鉴相时占空比影响鉴相误差。门电路的动作时间与时钟脉冲频率误差对通过相位脉宽变换鉴相方法精度有影响，但一般误差较小。用相敏检波电路或乘法器构成的鉴相器鉴相范围为，异或门鉴相器的鉴相范围为0，RS触发器鉴相和脉冲采样式鉴相的鉴相范围接近2。3-30 在图3-46c所示数字式相位计中锁存器的作用是什么？为什么要将计数器清零，并延时清零？延时时间应怎样选取？图3-46c所示数字式相位计中计数器计的脉冲数是随时变化的，当Uo 的下跳沿来到时，计数器计的脉冲数N反映Us和Uc的相位差，为了记录这一值，需要将它送入锁存器。为了在下一周期比相时，计的是下一周期Us和Uc的相位差，要在锁存后将计数器清零，否则计数器计的是若干周期总共脉冲数，而不是Us和Uc到来之间的脉冲数。但是只有在锁存后才能将计数器清零，所以要延时片刻后才将计数器清零。延时时间应大于锁存所需要的时间，但又应小于时钟脉冲周期，以免丢数。3-31 脉冲调制主要有哪些方式？为什么没有脉冲调幅？脉冲调制的方式有调频、调相和调宽。脉冲信号只有0、1两个状态，所以没有脉冲调幅。3-32 为什么图3-30所示电路实现的是调频，而图3-52所示电路实现的是脉冲调宽，它们的关键区别在哪里？图3-30中，在两个半周期是通过同一电阻通道R+Rw向电容C充电，两半周期充电时间常数相同，从而输出占空比为1: 1的方波信号。当R或C改变时，振荡器的频率发生变化，实现调频。图3-52中，在两个半周期通过不同的电阻通道向电容充电，两半周期充电时间常数不同，从而输出信号的占空比也随两支充电回路的阻值而变化。图中R1、R2为差动电阻传感器的两臂，R1+R2为一常量，输出信号的频率不随被测量值变化，而它的占空比随R1、R2的值变化，即输出信号的脉宽受被测信号调制。3-33 脉冲调宽信号的解调主要有哪些方式？脉冲调宽信号的解调主要有两种方式。一种是将脉宽信号Uo 送入一个低通滤波器，滤波后的输出uo 与脉宽B成正比。另一种方法是Uo 用作门控信号，只有当Uo 为高电平时，时钟脉冲Cp才能通过门电路进入计数器。这样进入计数器的脉冲数N与脉宽B 成正比。两种方法均具有线性特性。15