《高频电子线路》课程设计-乘积型相位鉴频器.docx

武汉理工大学高频电子线路课程设计说明书目录1 软件简介12 电路原理简介23 乘积型相位鉴频器33.1 乘积型相位鉴频器的组成33.2 乘积型相位鉴频器的工作原理54 电路仿真及仿真结果分析74.1 总体电路仿真图74.2 电路工作状态74.3 输出电压的测量94.4 仿真结果104.5 电路原理的深入分析115 实物的安装与调试136 心得与体会157 参考文献16本科生课程设计成绩评定表171 软件简介随着计算机技术飞速发展，电路可以通过计算机辅助分析和仿真技来完成设计。计算机仿真在教学中的应用，代替了大包大揽的试验电路，大大减轻验证阶段的工作量；其强大的实时交互性、信息的集成性和生动直观性，为电子专业教学创设了良好的平台；极大地激发了学生的学习兴趣，能够突出教学重点、突破教学难点；并能保存仿真中产生的各种数据，为整机检测提供参考数据，还可保存大量的单元电路、元器件的模型参数。采用仿真软件能满足整个设计及验证过程的自动化。multisim软件就是一个专门用于电子线路仿真与设计的 eda 工具软件。作为 windows 下运行的个人桌面电子设计工具， multisim 是一个完整的集成化设计环境。而且multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好的解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一老大难问题。学员可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来。并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。极大地提高了学员的学习热情和积极性。真正的做到了变被动学习为主动学习。这些在教学活动中已经得到了很好的体现。还有很重要的一点就是：计算机仿真与虚拟仪器对教员的教学也是一个很好的提高和促进。 理论教学计算机仿真实验环节。 multisim的特点：(1)直观的图形界面：整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。 (2)丰富的元器件库：multisim大大扩充了ewb的元器件库， 包括基本元件、半导体器件、运算放大器、ttl和cmos数字ic、dac、adc及其他各种部件，且用户可通过元件编辑器自行创建或修改所需元件模型，还可通过lit公司网站或其代理商获得元件模型的扩充和更新服务。 (3)丰富的测试仪器： 除ewb具备的数字万用表、函数信号发生器、双通道示波器、扫频仪、字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪外，multisim 新增了瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪。尤其与ewb不同的是：所有仪器均可多台同时调用。 (4)完备的分析手段：除了ewb提供的直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真。分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点一零点分析、传输函数分析、灵敏度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析外，multisim 新增了直流扫描分析、批处理分析、用户定义分析、噪声图形分析和射频分析等，基本上能满足一般电子电路的分析设计要求。(5)强大的仿真能力：multisim 既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真，也可进行数模混合仿真，尤其是新增了射频(rf) 电路的仿真功能。仿真失败时会显示出错信息、提示可能出错的原因，仿真结果可随时储存和打印。增加了射频电路仿真功能，这是目前众多通用电路仿真软件所不具备的。极大地扩充了元件数据库，特别是大量新增的与现实元件对应的元件模型，增强了仿真电路的实用性。新增的元件编辑器给用户提供了自行创建或修改所需元件模型的工具。为了扩充电路的测试功能，增加了瓦特计、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪等新的测试仪表，而且所有仪表都允许多台同时调用。改进了元件之间的连接方式，允许连线任意走向。专业版的multisim还支持vhdl和verilog语言的电路仿真与设计。2 电路原理简介调频波的特点是振幅保持不变，而瞬时频率随调制信号的大小线形变化，调制信号代表所要传送的信息，在分析或实验时，常以低频正弦波为代表。鉴频的目的就是从调频波中检出低频调制信号，即完成频率电压的变换作用。从调频信号（fm）中解调出调制信号的电路称为频率检波器或鉴频器。常用的鉴频器有相位鉴频器、比例鉴频器、振幅鉴频器、正交鉴频器、锁相环鉴频器等。将调频波通过频率相位线性变换网络，变换成调频调相波，再通过鉴相器检测出反映相位变化的解调电压。把这种鉴频器称为相位鉴频器，其原理电路框图如图2-1所示。图2-1 相位鉴频器原理框图图2-1中的变换网络具有线性的频率相位转换特性，它可以将等幅的调频信号变成相位也随瞬时频率变化的、既调频又调相的fmpm波。相位鉴频法的关键是相位检波器。相位检波器或鉴相器就是用来检出两个信号之间的相位差，完成相位差电压变换作用的部件或电路。设输入鉴相器的两个信号分别为 (2-1) (2-2)同时加于鉴相器，鉴相器的输出电压uo是瞬时相位差的函数，即: (2-3)相位鉴频器是模拟调频信号解调的一种最基本的解调电路，它具有鉴频灵敏度高、解调线性好等优点。3 乘积型相位鉴频器3.1 乘积型相位鉴频器的组成乘积型相位鉴频器是由模拟乘法器mc1496和低通滤波器组成，下面分别介绍模拟乘法器的内部结构和低通滤波器的组成。3.1.1 mc1496的内部结构模拟乘法器是对两个模拟信号（电压或电流）实现相乘功能的有源非线性器件，主要功能是实现两个互不相关信号相乘，即输出信号与两输入信号相乘积成正比。它有两个输入端口，即x 和y 输入端口。mc1496 是根据双差分对模拟相乘器基本原理制成的四象限的乘法器芯片，是调幅电路中的核心器件。图3-1 mc1496电路模块 图3-2 mc1496芯片引脚图 mc1496的内部电路原理图如图3-1所示，其中q1、q2、q3、q4 组成双差分放大器，q5、q6 组成单差分放大器用于激励q1q4。q7、q8 及其偏置电路构成恒流源电路。引脚io8 与io10 接输入电压，引脚1 与4 接另一个输入电压，输出电压从引脚io6 与io12 输出。引脚io2 与io3 外接电阻，对差分放大器q5，q6 产生电流负反馈，可调节乘法器的信号增益，扩展输入电压的线性动态范围。引脚io14 为负电源端或接地端，引脚io5 外接电阻r5，用来偏置电流以及镜像电流。mc1496芯片引脚图如图3-2所示。3.1.2 低通滤波器低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过， 但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。低通滤波器容许低频信号通过, 但减弱(或减少)频率高于截止频率的信号的通过。对于不同滤波器而言,每个频率的信号的减弱程度不同。当使用在音频应用时,它有时被称为高频剪切滤波器, 或高音消除滤波器。低通滤波器概念有许多不同的形式，其中包括电子线路（如音频设备中使用的hiss 滤波器、平滑数据的数字算法、音障（acoustic barriers）、图像模糊处理等等。低通滤波器在信号处理中的作用等同于其它领域如金融领域中移动平均数（moving average)所起的作用；这两个工具都通过剔除短期波动、保留长期发展趋势提供了信号的平滑形式。基本低通滤波器如下图3-3所示。图3-3 低通滤波器原理图3.2 乘积型相位鉴频器的工作原理3.2.1 乘积型相位鉴频器的原理图图3-4 乘积型相位鉴频器的工作原理图3.2.2 乘积型相位鉴频器的原理分析利用乘积型鉴相器实现鉴频的方法称为乘积型相位鉴频法或积分(quadrature)鉴频法。在乘积型相位鉴频器中，线性相移网络通常是单谐振回路(或耦合回路)，而相位检波器为乘积型鉴相器，如图3-5所示。图3-5 乘积型相位鉴频法设乘法器的乘积因子为k，则经过相乘器和低通滤波器后的输出电压为： (3-1)乘积型相位鉴频器的原理框图分析：可见只有arctan=12,vavvam.vam2qec时，说明乘积型相位鉴频只能解调 很小的调相波。4 电路仿真及仿真结果分析4.1 总体电路仿真图图4-1 乘积型相位鉴频器总体仿真电路4.2 电路工作状态图中调频信号输入，其中一路信号经c2、r4、c5、l1组成的lc串并联移相网络，变为调相调频波，由mc1496的输入端8、10输入，另一路信号由mc1496的输入端1、4端输入。lc串并联移相网络的工作原理：一路经lc串并联移相网络输出的信号，产生的的相移为： (4-1)当 时，上式可近似表示为 (4-2) 或 (4-3) 式中为回路的谐振频率，与调频波的中心频率相等，q为回路品质因数，f为瞬时频率偏移。鉴频器的相移与频偏f的特性曲线如图4-2所示。由图可见：在f=f0即f=0时相位等于，在范围内，相位随频偏呈线性变化，从而实现线性移相。图4-2 相移与频偏mcl496的作用是将调频波与调频调相波相乘，其输出经r17、r18、c6、c7、c8组成的rc低通滤波网络输出。乘法器鉴相的基本原理：设在乘法器的一个输入端输入调频波us(t)设其表达式为 (4-4)式中，为调频系数，或，其中为调制信号产生的频偏。在乘法器的另一输入端输入经线性移相网络移相后的调频调相波，设其表达式为： (4-5)乘法器的输出中，高频分量可以被滤波器滤掉。经低通滤波器得到所需要的频率分量为： (4-6)只要线性移相网络的相频特性在调频波的频率变化范围内是线性的，当 时，,所以输出信号电压为： (4-7)因此鉴频器的输出电压的变化规律与调频波瞬时频率的变化规律相同，从而实现了相位鉴频。所以相位鉴频器的线性鉴频范围受到移相网络相频特性线性范围的限制。乘积型相位鉴频器鉴频特性 ：鉴频器的输出电压u0与调频波瞬时频率的关系称为鉴频特性，特性曲线(或称s曲线)如图4-3所示。图4-3 鉴频器的鉴频特性曲线(或称s曲线)鉴频器的主要性能指标是鉴频灵敏度sd 和线性鉴频范围2fmax 。sd定义为鉴频器输入调频波单位频率变化所引起的输出电压的变化量，通常用鉴频特性曲线uo-f在中心频率处的斜率来表示，即, 2fmax 定义为鉴频器不失真解调调频波时所允许的最大频率变化范围，2fmax可在鉴频特性曲线上求出。4.3 输出电压的测量（1）us：f=0.5mhz;vp-p=0.2v;uo结果如图4-4。图4-4 us：f=0.5mhz;vp-p=0.2v;uo电压（2）us：f=1mhz;vp-p=0.2v;uo结果如图4-5。. 图4-5 us：f=1mhz;vp-p=0.2v;uo电压（3）us：f=1.5mhz;vp-p=0.2v;uo结果如图4-6。 图4-6 us：f=1.5mhz;vp-p=0.2v;uo电压由此可见，输出波形的电压是随输入载波的频率上升而增大的。因此载波的频率的选择对能否准确鉴频有影响。4.4 仿真结果乘积型相位鉴频器输入的调频波如下图4-7所示。图4-7 输入调频波的波形图经过c2、rlc频相转移网络后，调频波变换为调频、调幅波，其输出波形如下图所示。原调频信号为等幅的调频波，波形不仅有疏密之别，经变换电路变换后，波形振幅不等，形成包络。如图4-8所示。图4-8 调频、调幅波的波形图再经二极管包络检波器检波之后，输出所需的原调制信号，得到的仿真波形图如下图4-9所示。图4-9 鉴频器输出的原调制信号波形图4.5 电路原理的深入分析为了分析的简化,先假设相位鉴频器的初级回路的品质因数较高,初、次级回路的互感耦合比较弱。这样在估算初级回路电流时,就不必考虑初级本身的损耗电阻和从次级引人到初级的损耗电阻。初级回路中流过电感l1的电流i1为:i1=u1jl1。在同名端如图所示的条件下，初级回路电流i1在次级回路中感应电动势es为：es=jmi1。代入得：es=ml1u1次级回路路端电压uab可由等效电路求出： (4-8)式中,x2=l2-1c2 ,是次级回路总电抗,其值随频率不同可能为正,可能为负,还可能为零。(1)当输入信号频率时, 。于是 (4-9)此式表明,次级回路电压uab比初级回路电压u1滞后/2,则电压矢量图如图4-10（a）所示。图4-10 矢量合成图因为鉴频器的输出电压与成正比,由矢量图知,则鉴频器的输出电压为：(2)当输入信号频率时, ,这时次级回路总阻抗为 (4-10)式中，是z2模，其值为：是z2的相角，其值为：代入得: uab=ml11c2z2u1e-j(2+) (4-11)此式表明,次级回路电压uab比初级回路电压u1滞后(),对应的矢量图如图4-10(b)所示。从图中可知,则鉴频器的输出电压为：(3)当输入信号频率ffc时,为负。当ffc时, 为正。当频率偏离超过和两点时,曲线弯曲,这是由于两输入谐振回路失谐严重, u1和uab幅度都变小,合成电压也相应减小,鉴频特性曲线下降。5 实物的安装与调试安装好的实物如图5-1所示。图5-1 实物图实物的调试图如图5-2所示。图5-2 实物的调试图6 心得与体会通过为期一个星期的认真学习和实际操作，我终于完成了本次高频电子线路的课程设计。在本次高频电子线路的课程设计的过程中，我学到了很多，充分理解乘积型相位鉴频器的基本原理。在实际仿真过程中，也遇到了很多困难，但都在自己的自我学习和同学的帮助下得到很好的解决，通过对电路的仿真使理论知识更加直观生动的展现了出来，加深了我的理解。本次课程设计对我们的要求是：具较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；具备高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力；能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。通过这次课程设计首先对高频电路原理与分析课程的到了复习和应用。并且对所学的知识的到了应用。使得理论与实践相结合，对知识的掌握更佳的熟练。使我们初步掌握数字高频电子电路设计的一般方法步骤，通过理论联系实际提高和培养学生分析、解决实际问题的能力和创新能力，为后续课程的学习、毕业设计和毕业后的工作打下一定的基础之后分析电路实现的方案，对不同的电路进行分析，