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1、现代电子测量技术赵志斌电力系电信教研室补充知识12/14/202211 1、基本元件、基本元件乘法器乘法器混频器混频器倍频器倍频器2 2、滤波、滤波器、滤波、滤波器3 3、调制与解调、调制与解调4 4、超外差无线电接收器、超外差无线电接收器概述输出信号是两个输入信号的乘积输出信号是两个输入信号的乘积 V Vo o(t)=KV(t)=KVx x(t)v(t)vy y(t)(t)其中其中K K是乘法器的增益系数（比例系数、标尺因子）。是乘法器的增益系数（比例系数、标尺因子）。理想乘法器：理想乘法器：输出为输入的瞬时值的乘积输出为输入的瞬时值的乘积输入任意，波形、幅度、频率不受限制输入任意，波形、幅
2、度、频率不受限制常用元件常用元件双级型或双级型或MOSMOS型的四象限乘法器型的四象限乘法器乘法器 混频器混频，又称变频，是一种频谱的线性搬移过程，它是混频，又称变频，是一种频谱的线性搬移过程，它是使信号自某一个频率变换成另一个频率。完成这种功能的电使信号自某一个频率变换成另一个频率。完成这种功能的电路称为混频器路称为混频器(或变频器或变频器)。混频器可以看作是一个三端口器件，有两个输入端口，混频器可以看作是一个三端口器件，有两个输入端口，包括接受信号端口和本地振荡器端口，输出是中频端口。混包括接受信号端口和本地振荡器端口，输出是中频端口。混频器输出两种基本信号，分别是两个输入信号的和频和差频
3、。频器输出两种基本信号，分别是两个输入信号的和频和差频。他们之间的选择由滤波器完成他们之间的选择由滤波器完成混频是频谱的线性搬移过程。完成频谱的线性搬移功混频是频谱的线性搬移过程。完成频谱的线性搬移功混频是频谱的线性搬移过程。完成频谱的线性搬移功混频是频谱的线性搬移过程。完成频谱的线性搬移功能的关键是要获得两个输入信号的乘积，能找到这个乘积项，能的关键是要获得两个输入信号的乘积，能找到这个乘积项，能的关键是要获得两个输入信号的乘积，能找到这个乘积项，能的关键是要获得两个输入信号的乘积，能找到这个乘积项，就可完成所需的线性搬移功能。就可完成所需的线性搬移功能。就可完成所需的线性搬移功能。就可完成
4、所需的线性搬移功能。混频器设输入到混频器中的输入已调信号设输入到混频器中的输入已调信号V VS S（t t）和本振电和本振电压压V VL L（t t）分别为：分别为：这两个信号相乘后，其输出电压为：这两个信号相乘后，其输出电压为：经带通虑波器取出所需信号。经带通虑波器取出所需信号。混频器功能示意图混频器功能示意图混频器频谱图混频器频谱图12/14/20226现代电子测量技术倍频器倍频器倍频是在保持原信号调制情况不变的前提倍频是在保持原信号调制情况不变的前提倍频是在保持原信号调制情况不变的前提倍频是在保持原信号调制情况不变的前提下，将载波频率成倍增加的频率变换电路，若下，将载波频率成倍增加的频率
5、变换电路，若下，将载波频率成倍增加的频率变换电路，若下，将载波频率成倍增加的频率变换电路，若将乘法器的两个输入端联在一起，即令将乘法器的两个输入端联在一起，即令将乘法器的两个输入端联在一起，即令将乘法器的两个输入端联在一起，即令V Vx x=V=Vy y则则则则可实现平方运算。即：可实现平方运算。即：可实现平方运算。即：可实现平方运算。即：12/14/20227现代电子测量技术 设Vx（t）为某一频率fs的信号电压Vx（t），即Vx（t）Vxmcosst，则输出电压为：输出中的直流分量可用高通滤波器滤除。12/14/20228现代电子测量技术滤波是一种选择过程，选择合适的频率传输。滤波是一种选
6、择过程，选择合适的频率传输。应用范围：应用范围：分离信号、抑制干扰分离信号、抑制干扰阻抗变换，阻抗匹配阻抗变换，阻抗匹配延迟信号延迟信号滤波器的设计取决于：滤波器的设计取决于：所需的滤波作用所需的滤波作用实现滤波的网络实现滤波的网络实现这一网络的元件实现这一网络的元件LCLC滤波，有源滤波，有源RCRC滤波滤波滤波与滤波器滤波器类型：滤波器类型：增益型滤波器增益型滤波器低通（低通（0 0 ）高通（高通（）带通（带通（1 1 22）带阻带阻全通和延迟均衡器：用来校正传输系统引起的延迟失真全通和延迟均衡器：用来校正传输系统引起的延迟失真LCLC滤波，有源滤波，有源RCRC滤波滤波滤波RC滤波电路
7、在在整整流流电电路路输输出出的的直直流流电电压压脉脉动动较较大大，一一般般不不能能满满足足实实际际需需要要，必必须须用用滤滤波波电电路路滤滤除除交交流流分分量量，得得到到平平滑滑的的直直流流电电压压。在在小小功功率率直直流流电电源源中中，常常用用的的滤滤波波电电路路有有电电容容滤滤波波、型型滤滤波波和和滤滤波波。在在整整流流电电路路输输出出端端与与负负载载之之间间并并联联一一只只大大容容量量的的电电容容，即即可可构构成成最最简简单单的的电电容容滤滤波波器器。其其工工作作原原理理是是利利用用电电容容两两端端的的电电压压在在电电路路状状态态改改变时不能跃变的特性。变时不能跃变的特性。12/14/2
8、02211现代电子测量技术组成及工作原理uotOOtiDt1t2t3t4t5t6baCVD1VD4Tru1u2abRLuouC电容滤波原理及波形图a.原理图b.波形图12/14/202212现代电子测量技术原理 加了一只电容后，二极管导通时，一方面给负载加了一只电容后，二极管导通时，一方面给负载R RL L供电，供电，一方面对电容一方面对电容C C充电。在忽略二极管正向压降后，充电时，充电。在忽略二极管正向压降后，充电时，充电时间常数充电时间常数充电充电=2=2R RD DC C，其中，其中R RD D为二极管的正向导通电阻，为二极管的正向导通电阻，其值非常小，充电电压其值非常小，充电电压u
9、uC C与上升的正弦电压与上升的正弦电压u u2 2一致，一致，u uo o=u uC Cu u2 2，当，当u uC C充到充到u u2 2的最大值时，的最大值时，u u2 2开始下降，且下降速开始下降，且下降速率逐渐加快。当率逐渐加快。当|u u2 2|u uC C时，四个二极管均截止，电容时，四个二极管均截止，电容C C经负经负载载R RL L放电，放电时间常数为放电，放电时间常数为放电放电=R RL LC C，故放电较慢，直到，故放电较慢，直到负半周。负半周。在负半周，当在负半周，当|u u2 2|u uC C时，另外二个二极管时，另外二个二极管(VD(VD2 2、VDVD4 4)导通
10、，再次给电容导通，再次给电容C C充电，当充电，当u uC C充到充到u u2 2的最大值时，的最大值时，u u2 2开始下开始下降，且下降速率逐渐加快。当降，且下降速率逐渐加快。当|u u2 2|u uC C时，四个二极管再次时，四个二极管再次截止，电容截止，电容C C经负载经负载R RL L放电。放电。12/14/202213现代电子测量技术负载上电压的计算 由上述讨论可见，电容放电时间常数为由上述讨论可见，电容放电时间常数为放电放电=R RL LC C，即输出电压的大小和脉动程度与负载电阻直接，即输出电压的大小和脉动程度与负载电阻直接相关。若相关。若R RL L开路，即输出电流为零，电容
11、开路，即输出电流为零，电容C C无放电通路，无放电通路，一直保持最大充电电压；若一直保持最大充电电压；若R RL L很小，放电时间常数很很小，放电时间常数很小，输出电压几乎与没有滤波时一样。小，输出电压几乎与没有滤波时一样。因因此此，电电容容滤滤波波电电路路的的输输出出电电压压在在0.90.9U U2 2 范范围内波动，在工程上一般采用估算公式围内波动，在工程上一般采用估算公式 （半波）（半波）（桥式、全波）（桥式、全波）12/14/202214现代电子测量技术电容滤波的特点 电容滤波电路结构简单、输出电压高、脉动电容滤波电路结构简单、输出电压高、脉动小。但在接通电源的瞬间，将产生很大的充电电
12、小。但在接通电源的瞬间，将产生很大的充电电流，这种电流称为流，这种电流称为“浪涌电流浪涌电流”，同时，因负载，同时，因负载电流太大，电容器放电的速度加快，会使负载电电流太大，电容器放电的速度加快，会使负载电压变得不够平稳，所以电容滤波电路只使用于负压变得不够平稳，所以电容滤波电路只使用于负载电流较小的场合。载电流较小的场合。12/14/202215现代电子测量技术有源滤波器有有源源滤滤波波器器：由由有有源源器器件件构构成成的的滤滤波波器。器。分类分类分类分类低通（低通（LPFLPF）高通（高通（HPFHPF）带通（带通（BPFBPF）带阻（带阻（BEFBEF）全通（全通（APFAPF）12/1
13、4/202216现代电子测量技术一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路12/14/202217现代电子测量技术一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路2.2.高高通滤波电路通滤波电路 可可 由由 低低 通通和和高高通通串串联联得得到到必须满足必须满足3.3.带带通滤波电路通滤波电路低通特征角频率低通特征角频率高通特征角频率高通特征角频率12/14/202218现代电子测量技术一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路4.4.带阻带阻滤波电路滤波电路 可可由由低低通通和和高高通并联得到通并联得到必须满足必须满足 一一一一阶阶阶阶有有有有源源源源滤滤滤滤波波波波电电电电路路路路通通通通带带带带外外外外衰衰衰衰减减减减速速
14、速速率率率率慢慢慢慢（-20dB/-20dB/十十十十倍倍倍倍频频频频程程程程），与与与与理理理理想想想想情情情情况况况况相相相相差差差差较较较较远远远远。一一一一般般般般用用用用在在在在对对对对滤滤滤滤波要求不高的场合。波要求不高的场合。波要求不高的场合。波要求不高的场合。12/14/202219现代电子测量技术实际滤波器实际滤波器 理理想想滤滤波波器器是是不不存存在在的的，实实际际滤滤波波器器幅幅频频特特性中通带和阻带间没有严格界限性中通带和阻带间没有严格界限,，存在过渡带。，存在过渡带。0fA12/14/202220现代电子测量技术0ffc1fc2A00.707A01)1)截止频率截止频
15、率fcfc：0.707A0.707A0 0所对应的频率所对应的频率 d2)2)纹波幅度纹波幅度d d：绕绕幅频特性均值幅频特性均值A A0 0波动值波动值3)3)带宽带宽B B和品质因数和品质因数Q Q：下两截频间的频率范围下两截频间的频率范围称为带宽。中心频率和带宽之比称为品质因数称为带宽。中心频率和带宽之比称为品质因数。BQ=W0/B12/14/202221现代电子测量技术通带增益通带增益A0谐振频率谐振频率f0、截至频率、截至频率fp 频带宽度频带宽度BW品质因素品质因素Q12/14/202222现代电子测量技术12/14/202223现代电子测量技术产品产品LineDa:LTC1564
16、MAXIM:MAX74xx12/14/202224现代电子测量技术机床轴心轨迹的滤波处理机床轴心轨迹的滤波处理 12/14/202225现代电子测量技术机床轴心轨迹的滤波处理机床轴心轨迹的滤波处理 滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律12/14/202226现代电子测量技术在某一频段内，提升某些频率成分同时抑制另一些频率成在某一频段内，提升某些频率成分同时抑制另一些频率成分，或对相邻的某些频率成分提出不同的衰减要求分，或对相邻的某些频率成分提出不同的衰减要求理想情况：理想情况：1 1、选频网络不受信号源与负载的影响、选频网络不受信号源与负载的
17、影响2 2、选频网络满足信号源与负载间的最佳能量传输条件、选频网络满足信号源与负载间的最佳能量传输条件LCLC谐振电路谐振电路有源选频有源选频选频电路调制调制：调制就是用一个信号（称为调制信号）去控制另一个做：调制就是用一个信号（称为调制信号）去控制另一个做为载体的信号（称为载波信号），让后者的某一特征参数按前为载体的信号（称为载波信号），让后者的某一特征参数按前者变化。者变化。解调解调：在将测量信号调制，并将它和噪声分离，放大等处理后，：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
18、一过程称为解调过程称为解调调制的目的：调制的目的：进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而提高系统信息传输的有效性和可靠性。的位置上，从而提高系统信息传输的有效性和可靠性。调制与解调调制与解调 12/14/202228现代电子测量技术在信号调制中常以一个高频正弦信号作为载波信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，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。可以频和调相。
19、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。对脉冲的宽度进行调制，称为脉冲调宽。调制的方式12/14/202229现代电子测量技术调制信号、载波信号、已调信号调制是给测量信号赋予一定特征，这个特征由作为调制是给测量信号赋予一定特征，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，这个载体称为号作为载体，这个载体称为载波信号载波信号用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位的信
20、号称为位的信号称为调制信号调制信号在测控系统中，通常就用测量信号作调制信号。经在测控系统中，通常就用测量信号作调制信号。经过调制的载波信号叫过调制的载波信号叫已调信号已调信号12/14/202230现代电子测量技术幅度调制的原理 幅度调制的一般模型幅度调制的一般模型 用调制信号去控制高频正用调制信号去控制高频正弦载波的幅度，使其按调弦载波的幅度，使其按调制信号的规律变化的过程。制信号的规律变化的过程。12/14/202231现代电子测量技术常规双边带调幅（常规双边带调幅（AM）AM信号的表达式、频谱及带宽信号的表达式、频谱及带宽 若假设滤波器为全通网络：若假设滤波器为全通网络：为了保证包络检波
21、时不发生失真，必须满足为了保证包络检波时不发生失真，必须满足 12/14/202232现代电子测量技术AM信信号号是是带带有有载载波波的的双双边边带带信信号号，它它的的带带宽为基带信号带宽的两倍，即宽为基带信号带宽的两倍，即12/14/202233现代电子测量技术AM信号的解调信号的解调 调制的逆过程叫做解调。调制的逆过程叫做解调。AM信号的解调方法信号的解调方法有两种：相干解调和包络检波解调。有两种：相干解调和包络检波解调。（1）相干解调相干解调 用一个低通滤波器，就无失真的恢复出原始的用一个低通滤波器，就无失真的恢复出原始的调制信号：调制信号：12/14/202234现代电子测量技术（2）
22、包络检波法包络检波法 电电路路由由二二极极管管D、电电阻阻R和和电电容容C组组成成。RC满满足足条件：条件：这这时时，包包络络检检波波器器的的输输出出与与输输入入信信号号的的包包络络十十分相近，即：分相近，即：12/14/202235现代电子测量技术调频 xtOOtusa)调制信号b)调频信号调频信号的波形12/14/202236现代电子测量技术调频信号的产生与解调调频信号的产生与解调 1.调频信号的产生调频信号的产生 （1）直接法直接法 就是利用调制信号直接控制振荡器的频就是利用调制信号直接控制振荡器的频率，使其按调制信号的规律线性变化。率，使其按调制信号的规律线性变化。振荡频率由外部电压控
23、制的振荡器叫做压振荡频率由外部电压控制的振荡器叫做压控振荡器（控振荡器（VCO），它的输出频率正比于所），它的输出频率正比于所加的控制电压，即加的控制电压，即 12/14/202237现代电子测量技术（2）间接法间接法 经经N次倍频后可以使调频信号的载频和次倍频后可以使调频信号的载频和调制指数增为调制指数增为N倍。倍。积分器相 位调制器)(tm)(tNBFMsN倍频器)(tWBFMstAcwcos积分器-90移相tAcwcos)(tm)(tNBFMs-+12/14/202238现代电子测量技术2.调频信号的解调调频信号的解调 （1）非相干解调非相干解调 最简单的解调器是具有频率最简单的解调器是
24、具有频率-电压转换作电压转换作用的鉴频器。用的鉴频器。12/14/202239现代电子测量技术 理想鉴频器可看成是微分器与包络检波理想鉴频器可看成是微分器与包络检波器的级联。则微分器输出器的级联。则微分器输出 用包络检波器取出其包络，并滤去直流用包络检波器取出其包络，并滤去直流后输出：后输出：Kd称为鉴频器灵敏度。称为鉴频器灵敏度。（2）相干解调相干解调 12/14/202240现代电子测量技术调制方式的判别指标调制方式的判别指标1 1、抗干扰性、抗干扰性脉冲编码调制最好、调频调相次之、调幅最弱脉冲编码调制最好、调频调相次之、调幅最弱2 2、实现的简易程度、实现的简易程度调幅最容易调幅最容易3
25、 3、已调波信号所占的频带宽度、已调波信号所占的频带宽度调幅为二倍（窄带调制）调幅为二倍（窄带调制）4 4、电子器件的效率和输出功率、电子器件的效率和输出功率5 5、保真度、保真度所有的调制方式都可以达到要求的保真度，发射机的所有的调制方式都可以达到要求的保真度，发射机的大小和重量有差别大小和重量有差别调制与解调调制与解调频分复用（频分复用（FDM）“复用复用”是一种将若干个彼此独立的信是一种将若干个彼此独立的信号，合并为一个可在同一信道上同时传输号，合并为一个可在同一信道上同时传输的复合信号的方法。的复合信号的方法。有三种基本的多路复用方式：频分复有三种基本的多路复用方式：频分复用（用（FD
26、M）、时分复用（）、时分复用（TDM）与码分复）与码分复用（用（CDM）。）。12/14/202242现代电子测量技术单边带信号的总频带宽度为：单边带信号的总频带宽度为：12/14/202243现代电子测量技术 频分复用系统的最大优点是信道复用率高，频分复用系统的最大优点是信道复用率高，容许复用的路数多，分路也很方便。因此，它容许复用的路数多，分路也很方便。因此，它成为目前模拟通信中最主要的一种复用方式。成为目前模拟通信中最主要的一种复用方式。特别是在有线和微波通信系统中应用十分广泛。特别是在有线和微波通信系统中应用十分广泛。12/14/202244现代电子测量技术超外差无线电接收器最简单的收
27、音机组成框图LCLC谐振回路是收音机输入回路，改变电容谐振回路是收音机输入回路，改变电容谐振回路是收音机输入回路，改变电容谐振回路是收音机输入回路，改变电容C C使使使使谐振回路固有频率与无线电发射频率相同，从谐振回路固有频率与无线电发射频率相同，从谐振回路固有频率与无线电发射频率相同，从谐振回路固有频率与无线电发射频率相同，从而引起电磁共振，谐振回路两端电压最大，将而引起电磁共振，谐振回路两端电压最大，将而引起电磁共振，谐振回路两端电压最大，将而引起电磁共振，谐振回路两端电压最大，将该电波接收下来。该电波接收下来。该电波接收下来。该电波接收下来。经高频放大电路放大后，通过由二极管经高频放大电
28、路放大后，通过由二极管经高频放大电路放大后，通过由二极管经高频放大电路放大后，通过由二极管D D和滤和滤和滤和滤波电容波电容波电容波电容C C1 1构成的检波电路，将调幅信号包络解构成的检波电路，将调幅信号包络解构成的检波电路，将调幅信号包络解构成的检波电路，将调幅信号包络解调下来，得到调制前的音频信号，再将音频信调下来，得到调制前的音频信号，再将音频信调下来，得到调制前的音频信号，再将音频信调下来，得到调制前的音频信号，再将音频信号进行低频放大，送到喇叭，就完全还原成可号进行低频放大，送到喇叭，就完全还原成可号进行低频放大，送到喇叭，就完全还原成可号进行低频放大，送到喇叭，就完全还原成可闻的
29、声波信号。闻的声波信号。闻的声波信号。闻的声波信号。超外差无线电接收器这就是最简这就是最简AMAM收音机（也称高放式收音机）的工作原收音机（也称高放式收音机）的工作原理，它简单，但可行性、可使用性太差，不适合日常使理，它简单，但可行性、可使用性太差，不适合日常使用。用。由于高放式收音机中高频放大器只能适应较窄频率范由于高放式收音机中高频放大器只能适应较窄频率范围的放大，要想在整个中波频段围的放大，要想在整个中波频段535kHZ1605kHZ535kHZ1605kHZ获得获得一致放大是很困难的。因此用超外差接收方式来代替高一致放大是很困难的。因此用超外差接收方式来代替高放式收音机。放式收音机。超
30、外差无线电接收器所谓超外差式，就是通过输入回路先将电台高频调制所谓超外差式，就是通过输入回路先将电台高频调制波接收下来，和本地振荡回路产生的本地信号一并送入波接收下来，和本地振荡回路产生的本地信号一并送入混频器，再经中频回路进行频率选择，得到一固定的中混频器，再经中频回路进行频率选择，得到一固定的中频载波（如：调幅中频国际上统一为频载波（如：调幅中频国际上统一为465KHz465KHz或或455KHz455KHz）调制波。）调制波。超外差的实质就是将调制波不同频率的载波，变成固超外差的实质就是将调制波不同频率的载波，变成固定的且频率较低的中频载波。在广播、电视、通讯领域，定的且频率较低的中频载波。在广播、电视、通讯领域，超外差接收方式被广泛采用。超外差接收方式被广泛采用。超外差无线电接收器超外差无线电接收器超外差无线电接收器在超外差的设计中，本振频率高于输入频率。用同轴双联可变电容器，使输入回路电容C1-2和本振回路电容C1-1同步变化，从而使频率差值始终保持近似一致，其差值即为中频，即：如接收信号频率是：600kHz，则本振频率是1055kHz；1000kHz，则本振频率是1455kHz；1500kHz，则本振频率是1955kHz；小结小结了解本节课介绍的概念