第四章 信号的转换与调理
第四章 信号调制解调电路
+ + N1
R3 uA us
N+ uo=-us + 2
∞
c) 负输入等效电路
第二节 调幅式测量电路
4.2.3相敏检波电路 一、相敏检波的功用和原理 1、相敏检波电路 相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和 选频能力的检波电路。
第二节 调幅式测量电路
2、相敏检波 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。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。
O u A, u o O t
第二节 调幅式测量电路
三、相敏检波电路的选频与鉴相特性 1、相敏检波电路的选频特性 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 等各奇次谐波，输出信号的幅值相应衰减为基波 的1/ n，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。
第二节 调幅式测量电路
4、相敏检波电路与调幅电路在结构上相似之处及区 别 将调制信号ux乘以幅值为1的载波信号就可以得 到双边带调幅信号us，将双边带调幅信号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。 二者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。
信号的调制过程
俗语信号的调制过程
信号的调制过程是一种将信息编码到载波信号中的过程，以便在信道中进行传输。
调制是通信系统中的核心环节，它将低频信号转换为高频信号，以便在无线信道中传输。
调制的过程可以分为以下几个步骤：
1.信号的调制：将原始信号（基带信号）调制到载波信号上，以搬移基带信号的频谱。
调制可以通过多种方式实现，如调幅、调频和调相。
2.已调信号的传输：已调信号通过信道传输到接收端。
在传输过程中，可能会受到噪声和其他干扰的影响，导致信号质量下降。
3.信号的解调：在接收端，使用与发送端相反的解调过程将已调信号还原为原始信号。
解调器从已调信号中提取出基带信号，以便后续处理。
4.信号的解调参数：在解调过程中，需要正确设置解调参数，如载波相位、载波频率和调制系数等。
这些参数的设定对于解调质量至关重要。
5.信号的恢复：最后，通过进一步处理和解码，将解调后的基带信号恢复成原始信息形式，以便于终端用户使用。
在实际应用中，调制过程通常由调制器和解调器完成。
调制器负责将基带信号调制到载波上，而解调器则负责从已调信号中还原出基带信号。
不同的调制方案具有不同的特点和适用场景，需要根据实际需求选择合适的调制方式。
《机械工程测试技术基础》课后习题及答案详解
第一章 信号的分类与描述1-1 求周期方波（见图1-4）的傅里叶级数（复指数函数形式），划出|c n |–ω和φn –ω图，并与表1-1对比。
解答：在一个周期的表达式为00 (0)2() (0)2T A t x t T A t ⎧--≤<⎪⎪=⎨⎪≤<⎪⎩积分区间取（-T/2，T/2）00000002202002111()d =d +d =(cos -1) (=0, 1, 2, 3, ) T T jn tjn tjn t T T n c x t et Aet Ae tT T T Ajn n n ωωωππ-----=-±±±⎰⎰⎰所以复指数函数形式的傅里叶级数为001()(1cos )jn tjn t n n n Ax t c ejn e n∞∞=-∞=-∞==--∑∑ωωππ，=0, 1, 2, 3, n ±±± 。
(1cos ) (=0, 1, 2, 3, )0nInR A c n n n c ⎧=--⎪±±±⎨⎪=⎩ ππ21,3,,(1cos )00,2,4,6, n An A c n n n n ⎧=±±±⎪==-=⎨⎪=±±±⎩πππ1,3,5,2arctan1,3,5,200,2,4,6,nI n nRπn c πφn c n ⎧-=+++⎪⎪⎪===---⎨⎪=±±±⎪⎪⎩没有偶次谐波。
其频谱图如下图所示。
图1-4 周期方波信号波形图1-2 求正弦信号0()sin x t x ωt =的绝对均值x μ和均方根值rms x 。
解答：00002200000224211()d sin d sin d cos TTT Tx x x x x μx t t x ωt t ωt t ωt T T TT ωT ωπ====-==⎰⎰⎰rmsx ==== 1-3 求指数函数()(0,0)at x t Ae a t -=>≥的频谱。
chapter4 信号调理和记录new
Z1 Z 3 Z 2 Z 4
把各阻抗代入平衡条件式，得：
Z 01 Z 03 e
j ( 1 3 )
Z 02 Z 04 e
j ( 2 4 )
若此式成立，必须同时满足下列两等式：
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Z 01 Z 03 Z 02 Z 04 1 3 2 4
一、 直流电桥
a
●平衡条件
R1
R1R3 R2 R4
b
R4 E
d
V
R3
c
R2
R1 R3 R2 R4 V E ( R1 R2 )(R3 R4 )
不平衡条件
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如果电桥的4个电阻中任一个或者多个 电阻阻值发生变化，将打破平衡条件，使得 输出电压发生变化。 测量电桥正是利用这一特点。
相对臂阻抗模之积相等 相对臂阻抗角之和相等
为满足上述条件，交流电桥各臂可有不同的组合。常用 的电容、电感电桥，其相邻两臂接入电阻
（例如 Z R , Z R
02 2 03
3
2 3 0
）
而另外两个桥臂接入相同性质的阻抗，例如都是电容或 者都是电感，保持 1 4 。
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第四章 信号的调理与记录
本章学习要求：
1.电桥原理与应用 2.信号调制解调原理
3.信号滤波器工作原理
4.模拟信号放大电路原理 5.信号的记录
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概述
第一节、电桥 第二节、调制与解调
第三节、滤波器
第四节、信号放大
第五节、测试信号的显示与记录
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数字通信第四章
第4章
增量调制
4.1简单增量调制（ΔM或DM） 4.2改进型增量调制系统
4.3 PCM和△M系统性能比较
4.4自适应差分脉冲编码调制ADPCM
第4章 增量调制
增量调制ΔM是不同于PCM的另一种模拟信号数字化的方
法，其基本思想是利用相邻样值信号幅度的相关性，以相邻 样值信号幅度的差值变化来描述模拟信号的变化规律，即将 前一样值点与当前样值点之间的幅值之差编码来传递信息。 因这种差值又称为增量，所以这种利用差值编码进行通信的 方式称为“增量调制（Delta Modulation）”，采用这种编码 方式的主要目的是可以简化语音编码的方法，缩短二进制码
第4章 增量调制
脉冲时钟 输入 信号 ＋ － 本地 译码器 脉冲幅度 调制器 平滑 电路 脉冲幅度 调制器 输出 信号
∑
判决器
译码
滤波
平滑 电路
数字 检测器
数字 检测器
图4-6 数字检测音节压扩自适应增量调制系统原理框图
第4章 增量调制
从图4-6中可以看出，在发送端数字检测音节压扩增量调制
是在简单ΔM的基础上加上数字检测、平滑电路和脉冲幅度调 制器三部分组成，这三部分共同起着音节压缩作用。其工作原 理如下。 当数字检测器检测到一定长度的连“1”或连“0”码时，便
动而造成的失真。而后者是由于当输入信号的斜率较大，调制
器跟踪不上输入信号的变化而产生的。因为在ΔM系统中每个抽 样间隔内只允许有一个量化电平的变化，所以当输入信号的斜 率比抽样周期决定的固定斜率（Δ/Ts）大时，量化阶的大小便 跟不上输入信号的变化，因此产生斜率过载噪声，如图4-3所示。 总之，ΔM系统的最大优点是结构简单，只编一位码，因此， 在发端与收端之间不需要码字同步。由于ΔM系统对差值只用两 个电平，量化太粗糙，其性能不如PCM系统。
第四章 信号调理与处理
幅值调制装置实质上是一个乘法器。现在已有性能 良好的线性乘法器组件。霍尔元件也是一种乘法器。
电桥在本质上也是一个乘法装置，若以高频振荡电 源供给电桥，则输出为调幅波。
霍尔元件： VH kH iB sin
电桥：
Uy
R R0
U
0
三、调制与解调
调幅信号的解调方法
1、同步解调 若把调幅波再次与原载波信号相乘，则
xm (t) xt cos 2f0t cos
xt cos 2f0t
三、调制与解调
调幅信号的频域分析
由傅里叶变换的性质知：在时域中两个信 号相乘，则对应在频域中这两个信号进行卷积，
余弦函数的频域图形是一对脉冲谱线
xt yt
X f Y f
一个函数与单位脉冲函数卷积的结果，就
是将其图形由坐标原点平移至该脉冲函数处。
是利用信号电压的幅值控制一个振荡器，振荡器输出的 是等幅波，但其振荡频率偏移量和信号电压成正比。当 信号电压为零时，调频波的频率就等于中心频率；信号 电压为正值时频率提高，负值时则降低。所以调频波是
随信号而变化的疏密不等的等幅波。
第五章 信号变换及调理
三、调制与解调 调频波的瞬时频率可表示为． f＝fo±△f 式中f。——载波频率，或称为中心频率； △f—频率偏移，与调制信号x(t)的幅值成正比。
四、 滤波器
滤波器还有其它不同分类方法，例如， 根据构成滤波器的大件类型，可分为RC、LC或晶
体谐振滤波器； 根据构成滤波器的电路性质，可分为有源滤波器和
无源滤波器； 根据滤波器所处理的信号性质，分为模拟滤波器与
数字滤波器等等。
滤波器的性能指标
A0
0.707A0
Q=f0 / B
第四章信号调理
第四章信号调理
❖ 本章主要解决信号的传输、放大、滤波、 等问题。
❖ 测量中常遇到以下问题：
传感器输出的电量信号不易传输；（电桥）
传感器输出的电量信号为缓变的微弱信号，无
法直接推动仪表指示；
（调制）
传感器输出的信号含有大量的干扰和噪声；
（滤波）
第四章信号调理
§4-1 电桥
第一节 电桥
灵敏度高。
第四章信号调理
二、交流电桥 ❖ 交流电桥的平衡条件
Z1 A
B
Z2
u0
C
交流电桥采用交流电压供电， 四个桥臂可以是电感L、电容
Z4
Z3
D
u i=Umsint
C或者电阻R，均用阻抗符号Z
表示。
C1
B C2
根据对直流电桥的讨论可以写出 A
R1
R2
u
C
UO(Z1Z1Z Z32)Z (Z32Z 4Z4)Ui
BD —— 输出端(U0) （一般视为开路）
RH——负载电阻
Ui
第四章信号调理
（一）、直流电桥的平衡条件
U 0 U BA U DA
I1R1 I2R4
R1 R1 R
2
U
i
R
3
R4
R
4
U
i
(
R
R1 1
R3 R2
)(
R2 R3
R
4
R
4
)
U
i
Ui
由上式可见：若R1R3=R2R4，则输出电压必为零，此时电
U 0U 4i ( R R 11 R R 22 R R 33 R R 44)
若电桥初始是平衡的，即R1R3=R2R4，略去ΔR/R的平方项，
阎石数电第六版课后习题答案详解第四章答案
阎石数电第六版课后习题答案详解第四章答案4.1 课后习题答案4.1.1 选择题1.D2.A3.C4.B5.D4.1.2 填空题1.根据电压传输特性，高电平有效表示1，低电平有效表示0。
2.BJT的三个极性分别为：发射极（E），基极（B）和集电极（C）。
3.晶体管的三种基本工作状态依次为：截止状态、放大状态和饱和状态。
4.按照输入信号的种类，门电路可以分为与门、或门和非门。
5.集合的补集就是集合中没有包含的元素的集合。
4.1.3 简答题1.电流的方向取决于载流子的类型和移动方向。
对于正电荷载流子而言，电流方向与电荷运动方向相同；对于负电荷载流子而言，电流方向与电荷运动方向相反。
2.PN结正向偏置时，外加电压的正极连接在PN结P 区，负极连接在N区；PN结反向偏置时，外加电压的正极连接在PN结N区，负极连接在P区。
3.开关电路的基本特点是可以根据输入端的信号状态，控制输出端的电信号的开闭状态，实现信号的转换和处理。
4.门电路是由多个晶体管组成的电子元器件，主要用于逻辑运算和处理。
根据输入的不同电平状态，门电路可以控制输出信号的开闭状态，并实现逻辑运算或处理。
5.满足布尔代数规律的基本逻辑运算有与运算、或运算和非运算。
与运算表示两个输入信号都为高电平时输出高电平，否则输出低电平；或运算表示两个输入信号只要有一个高电平时输出高电平；非运算表示输入信号取反输出。
4.2 课后习题详解4.2.1 选择题1.D。
根据题意，要求电路在正常情况下工作，应选择晶体管的工作状态为饱和状态。
2.A。
根据题意，要求晶体管作为开关，VBE应大于0.7V才能导通。
由VBE = 1.5V，符合要求。
3.C。
根据题意，要求晶体管作为开关，VCBO应大于15V才能保证不失效。
由VCBO = 25V，符合要求。
4.B。
根据题意，要求晶体管作为开关，VCEO应大于20V才能保证不失效。
由VCEO = 40V，符合要求。
5.D。
根据题意，要求晶体管作为开关，ICBO应尽可能小以避免漏电流过大。
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A
Rp
I
Δ
B
A3
Uo
U o U o
R1 R2 (1 )(U i U i ) Rp
R2 R6
Ui
A 2 U o R4
R5 R5 R6 R5 Uo Uo (1 ) U o (Uo Uo ) R3 R3 R4 R6 R3
Uo R1 R2 R5 K (1 ) Ui + Ui RP R3
7
U0 K Ui Ui VRe f
Uo 6
PIN
2 U 1 i 8 3 U i
Δ
Rp1
INA114
REF 5
4
VD1 R3
A1
U1 R4
LD
Δ
+5V Rp 2
R2
A2 U REF
VD 2 I
-5V
U2
光功率自动控制电路的作用：克服供电电源波动或光源 老化等因素的影响，确保光源输出功率稳定。
共模信号和差模信号是指差动放大器双端输入时的输入 信号。 共模信号：双端输入时，两个信号同相。
差模信号：双端输入时，两个信号的相位相差180度。 任何两个信号都可以分解为共模信号和差模信号。
3
放大器的性能要求：
开环增益足够大，闭环增益可调；
输入阻抗高(与传感器输出阻抗相匹配)，输出阻抗低；
共模抑制比高：CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc； 足够的带宽和转换速率； 漂移小、噪声低、输入失调电压低、输入失调电流小。
VCC
R2
R3 T Vi A1 OE
A2
VO
R1 E
VCC
图4-5中的电路采用两个光电耦合器，这样可得到较 高的线性。
（二）变压器耦合器件
图4-6所示为284型隔离放大器电路结构图。采用调制式放大 方式，其内部分为输入、输出和电源三个彼此完全隔离的部分， 并且由低泄漏高频载波变压器耦合在一起。这样可以提高微电 流和低频信号的测量精度，减少漂移。
特点：输入阻抗高，但精度低，易受干扰。
3.
差动放大器
Uid= Ui2﹣Ui1 Uic=(Ui1+ Ui2)/2 R1 R3 R4
R2 Ui1 Ui2 ∞ - + + A
R R R4 U o 2 U i1 (1 2 ) U i2 R1 R1 R3 R4
Uo
取 R1=R3，R2=R4，则
A1 R 1
A
Rp
I
Δ
B
A3
Uo
R2 R6
Ui
A 2 U o R4
R1 R2
R3 R4
R5 R6
U o
U o
R1 R1 (1 )U i Ui RP RP
R2 R2 (1 )U i Ui Rp Rp
Ui
U o R3
R5
Δ Δ
A1 R 1
29
1. 抑制调幅: 直接将高频载波与被测信号 (调制波) 相乘，使载波信号的幅值随被测信号而发生变化。
xm (t ) x(t ) y(t ) x(t ) cos2f 0t
调幅
被测信号
高频调 幅信号
放大
放大高频 解调 放大被 调幅信号 测信号
抑制调幅与同步解调过程(波形分析——时域分析)
y(t)
乘法器
xo(t)
滤波器
x(t)
抑制调幅与同步解调过程(数学分析)
x(t)
y(t)
x(t )
乘法器
xm(t)
y(t )
放大器
xm ( t ) x( t ) cos 2f 0 t
y(t )
y(t)
乘法器
xo(t)
xo (t ) x(t ) cos 2 2f 0t
1 1 x( t ) x( t ) cos4f 0 t 2 2
INA114集成仪用放大器为例说明仪用放大器的工作原理。 INA114是一种通用仪用放大器,尺寸小,精度高,价格便宜. 如图4-2所示，为INA114的内部结构图：
7
V
4
V
50kΩ K 1 Rp
Ui
RP
2 1 8
输入 保护
25 kΩ 25 kΩ
25 kΩ
输入 保护
Δ Δ
A1
Δ
A3
二、隔离放大器
在强电或强磁干扰的环境中，有静电耦合、电磁耦合及接地回路的
隔离放大器是指输入、输出、电源、电流和电阻上彼此 干扰。所以除了将模拟信号先经低通滤波器滤掉高频干扰，还必须 隔离，使输人与输出间没有直接耦合的测量放大器。隔 合理接地，并将放大器加上静电屏蔽和电磁屏蔽，称作隔离放大技 离放大器具有以下特点：
（二）集成测量放大器 1、典型的程控仪用放大器集成电路芯片 AD521,AD522，AD612，AD614,AD620，AD623：美国AD 公司生产 INA114/118：BB公司生产的高精度仪用放大器。 MAX4195/4196/4197：MAX公司生产 2、仪用放大器的工作原理 仪用放大器是在运算放大器的基础上演变而来的模拟 集成专用器件，其内部有如图4-1所示的三运放结构。
R2 Uo U id R1
K
R2 R1
特点：CMRR高，但输入阻抗较低，增益调节困难。
4.
仪用放大器
Ui
A1A2：两个对称 的同相放大器，以 提高输入阻抗； A3：差动放大器， 以抵消前级的共模 干扰，而且还将双 端输入转换为单端 输出，适应对地负 载的需要。
U o R3
R5
Δ Δ
现代测控系统都是采用微处理器或微控制器作为系统的控
制核心，因而可变增益放大器总是采用数控放大器的形式。 用模拟开关代替图4-10中可变电阻或波段开关可得到数控增 益放大器。如图4-11、4-12所示。
集成化的可变增益放大器有很多品种。单端输入的可变 增益放大器有PGA100、PGA103；差动输入的可变增益放 大器有PGA204、PGA205等等。 程控放大器是智能仪器的常用部件之一，在智能仪器中， 可变增益放大器的增益由仪器内置计算机的程序控制。 这种由程序控制增益的放大器，称为程控放大器。
术，具有这种功能的放大器称作隔离放大器。 （1）能保护系统中器件不受高共模电压损害，防止高
压对低压信号系统的损坏； （2）泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须提供 偏置电流回路； （3）共模抑制比高，能对直流和低频信号准确安全地 测量。
隔离放大器由输入部件、调制与解调部件、耦合部件和输出部件 组成模块结构。 隔离放大器的耦合方式主要由：变压器耦合和光电耦合。
+5V
R1
+5V
7
I
PIN
2 U 1 i 8 3 U i
U1 U 2 K (U i U i ) R4 R4
Uo 6
Δ
Rp 1
INA114
REF 5
4
VD1 R3
A1
U1 R4
LD
Δ
+5V Rp 2
R2
A2 U REF
VD 2 I
-5V
U2
当激光器LD因某种原因功率增大时，耦合至光敏二极 管PIN的光电流也同比例增大，从而使电阻R1上的电位升 高。此时INA114的输出电压Uo降低，即U1也降低，流过LD 的电流I也相应降低，从而达到降低LD辐射功率。
4. 能量转换型传感器输出的是电信号，但混杂有干扰噪声， 需要进行滤波，提高信噪比。
5. 传感器输出信号若送给计算机进行分析与处理时，必须 进行A/D转换；为了实现远距离传输，必须进行V/I或V/F转换。
第一节 信号的放大与隔离
一、 测量放大器 在典型的工业环境中，传感器到放大器的距离有 时在3m以上，为了测量由远距离处的传感输送的低电 平信号，采用的放大器就应有足够的共模抑制比、电 压增益、输入阻抗和稳定性。
应当注意的是，由于电路存在共模电压，应当选 用共模抑制比较高的集成运放，才能保证一定的 运算精度。
案例：INA114与测量电桥的连接
+5V
350Ω
0.1μF
350Ω
2
7
6
350Ω
350Ω
RP
1 8 3
INA114
4
5
Uo
-5V
0.1μF
案例：INA114在光功率自动控制电路中的应用
+5V
R1
+5V
16
（一）光耦合器件 目前用的较多的是利用光来耦合信号。用光来耦合信号 的器件叫光电耦合器，其内部有作为光源的半导体发 光二极管和作为光接收的光敏二极管或三极管。图4-3 给出了常见的几种光电耦合器的内部电路。
iF
iO
iF
iO
c
c
iF
O
i
iF
iO
(
)
e
e
图4-4所示为采用光电耦合器的光电隔离放大器。 前级电路把输入电压信号转换成与之成正比的电流信 号，经光电耦合器耦合到后级，光电耦合器中的硅光 敏三极管输出电流信号，运放A2把电流信号转换成电 压信号。
第四章 检测系统中信号的转换与调理
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 信号的放大与隔离 调制与解调 滤波电路 信号变换电路 线性化
1
信号转换与调理的目的： 便于信号的传输与处理
1. 传感器输出信号很微弱，无法直接驱动显示记录仪表， 需要进行放大。 2. 传感器输出信号不仅微弱，而且变化缓慢(频率低)，若 用交流放大器放大，需要进行调制解调处理。 3. 能量控制型传感器输出的是电参量，需要转换成电信号 才能进行处理(电桥)。