乘法器-调制-锁相环.ppt

模拟电子技术基础 安徽理工大学电气工程系 主讲 黄友锐 第二十讲 19 1模拟乘法器的基本原理19 2模拟乘法器的应用 19模拟乘法器及其应用 简介 乘法器是又一种广泛使用的模拟集成电路 它可以实现乘 除 开方 乘方 调幅等功能 广泛应用于模拟运算 通信 测控系统 电气测量和医疗仪器等许多领域 19 1模拟乘法器的基本原理 19 1 1模拟乘法器的基本原理19 1 2变跨导型模拟乘法器 19 1 1模拟乘法器电路的基本原理 模拟乘法器是一种能实现模拟量相乘的集成电路 设vO和vX vY分别为输出和两路输入 其中K为比例因子 具有的量纲 模拟乘法器的电路符号如图19 01所示 图19 01模拟乘法器符号 图19 02模拟乘法器原理图 如果能用vy去控制IE 即实现IE vy vO就基本上与两输入电压之积成比例 于是实现两模拟量相乘的电路构思 如图19 02所示 对于差动放大电路 输出电压为 19 1 2变跨导型模拟乘法器 根据图19 02的原理可以制成所谓变跨导模拟乘法器 在推导高频微变等效电路时 将放大电路的增益写成为 只不过在式中的gm是固定的 而图19 02中如果gm是可变的 受一个输入信号的控制 那该电路就是变跨导模拟乘法器 由于IE vY 而IE gm 所以vY gm 输出电压为 由于图19 02的电路 对非线性失真等因素没有考虑 相乘的效果不好 实际的变跨导模拟乘法器的主要电路环节如图19 03所示 图19 03变跨导模拟乘法器 19 1 3对数反对数型模拟乘法器 根据两数相乘的对数等于两数的对数之和的原理 因此可以用对数放大器 反对数放大器和加法器来实现模拟量的相乘 方框图如图19 04所示 图19 04对数型模拟乘法器 19 1 4集成模拟乘法器的主要参数 模拟乘法器的主要参数与运放有许多相似之处 分为直流参数和交流参数两大类 1 输出失调电压当时 不等于零的数值 2 满量程总误差当时 实际的输出与理想输出的最大相对偏差的百分数 3 馈通误差当模拟乘法器有一个输入端等于零 另一个输入端加规定幅值的信号 输出不为零的数值 当 为规定值 称为Y通道馈通误差 当 为规定值 称为X通道馈通误差 4 非线性误差模拟乘法器的实际输出与理想输出之间的最大偏差占理想输出最大幅值的百分比 5 小信号带宽BW随着信号频率的增加 乘法器的输出下降到低频时的0 707倍处所对应的频率 6 转换速率将乘法器接成单位增益放大器 输出电压对大信号方波输入的响应速率 与运放中该参数相似 19 1 5集成模拟乘法器 现在有多种模拟乘法器的产品可供选用 表中给出了几个例子 集成模拟乘法器使用时 在它的外围还需要有一些元件支持 早期的模拟乘法器 外围元件很多 使用不便 后期的模拟乘法器外围元件就很少了 19 2模拟乘法器的应用19 2 1乘积和乘方运算19 2 2除法运算电路19 2 3开平方运算电路19 2 4开立方运算电路 19 2 1乘积和乘方运算电路 1 相乘运算模拟乘法运算电路如图19 05所示 图19 05模拟相乘器 图19 06平方运算电路图19 07立方运算电路 2 乘方和立方运算将相乘运算电路的两个输入端并联在一起就是乘方运算电路 电路如图19 06所示 立方运算电路如图19 07所示 19 2 2除法运算电路 除法运算电路如图19 08所示 它是由一个运算放大器和一个模拟乘法器组合而成的 根据运放虚断的特性 有 图19 08除法运算电路 如果令K R2 R1 则 19 2 3开平方运算电路 图19 09为开平方运算电路 根据电路有 显然 vO是 vI平方根 因此只有当vI为负值时才能开平方 也就是说vI为负值电路才能实现负反馈的闭环 图中的二极管即为保证这一点而接入的 图19 09开平方电路 19 2 4开立方运算电路 图19 10是开立方运算电路 根据图中关系有 图19 10开立方电路 当vI为正值时 vO为负值 当vI为负值时 vO为正值 模拟乘法器还有许多应用 在调制解调中将进一步介绍 20调制解调与锁相环 20 1调制与解调 20 2锁相环 PLL 简介 20 1调制与解调 简介 脉冲宽度调制 调幅信号的解调 调幅信号中各分量的功率 调幅信号的频带 调制与解调的基本概念 20 1 1 20 1 2 20 1 3 20 1 4 20 1 5 20 1 6 20 1 7 调幅信号的分析 调幅电路 20 1 1调制与解调的基本概念 幅度调制 使一个信号的幅度受另一个信号幅度的控制 前者称为载波 一般是一个等幅正弦波 后者称为调制信号 幅度调制也称调幅 用AM表示 使一个信号的频率受另一个信号幅度的控制 频率调制也称调频 用FM表示 使一个信号的相位受另一个信号幅度的控制 相位调制也称调相 用PM表示 是调制的反过程 解调也称为检波 解调 示意图 调制 频率调制 相位调制 a 调幅波的时域波形 b 调幅波的频域谱线图20 01调幅波的时域和频域波形 幅度调制的示意图如图20 01所示 20 1 2调幅信号的分析 幅度调制一般是用一个频率较低的调制信号去调制频率较高的载波信号的幅度 可用下式表示 由图20 01可知 调幅波的包络线就是调制信号 只不过幅度不同而已 于是可写出调幅波的表达式 m称为幅度调制系数 显然m越大 调制越深 m 1 调幅波会出现0值 当m 1时 调幅波产生过调制 会出现失真 20 1 3调幅信号的频带 显然 它由三个频率成分构成 在频域坐标平面上的图形如图20 01 b 所示 图20 01 b 当v 是一个具有一定频带的调制信号时 调幅波的频带为 图20 02调幅波的上下边带 这时下边频变为下边带 上边频变为上边带 如图20 02所示 20 1 4调幅信号中各分量的功率 设调幅波的载波为等幅正弦波 于是 调幅波的功率为 当m 1时 为提高功率利用率 可将载波抑制掉 只发送两个边频或边带的功率 称为双边带发送 用DSB表示 由此可以看出 边频功率只是载波功率的一半 效率不高 运载信息的是边带功率 载波只是运载工具 或只发送一个边带的信号 称为单边带发送 用SSB表示 DSB SSB SSB DSB和SSB发送方式会使设备复杂化 特别在接收端需要有一个与发射端载波同步跟踪的信号才能解调 图20 03用模拟乘法器实现调幅的原理 20 1 5调幅电路 构成调幅电路可以通过式 20 3 得到启发 调幅电路是一个乘法器 调幅电路的基本结构如图20 03所示 设 如将调幅波全部频率成分保留 这样的调幅电路称为完全调幅波电路 将载波滤去 则为双边带调幅电路 只保留一个边带则为单边带调幅电路 图20 04为单边带调制的原理图 它由模拟乘法器和相应的滤波器实现 图20 04单边带调幅原理 20 1 6调幅信号的解调 解调 把调幅信号中的载波去掉 把调制信号即包络线取出 即为调幅波的解调 载波信号中虽含有调制信号的信息 但只含有载波信号的频率成分 为此必须通过非线性器件 使之产生调制信号的频率成分 然后通过滤波器将调制信号检出 1 峰值检波器 2 同步检波器 能实现检波这一功能的电路如图20 05所示 1 峰值检波器 峰值检波电路的外形与电容滤波电路相同 只是峰值检波电路的时间常数要小于载波周期的许多倍 这样电容放电才能跟得上包络线的变化 图20 05调幅波的解调 2 同步检波器 图20 06同步检波方框图 图20 07同步检波电路图 设输入的是DSB波 即vS Vsmcos tcos St而vREF Vrmcos St模拟乘法器的输出 应保留等号右侧第一项的调制信号分量 另两项用滤波器滤除 即可得到检波器的输出 设输入的是SSB波 即 模拟乘法器的输出 应保留等号右侧第一项的调制信号分量 另一项高频分量用滤波器滤除 即可得到检波器的输出 20 1 7脉冲宽度调制 脉冲宽度调制中的载波信号是一串序列脉冲 用调制信号去调制这个脉冲串的每一个脉冲的宽度 这种调制方式称为脉冲宽度调制 用PWM表示 PWM有两种工作模式 调制时 脉冲的前沿不变 仅后沿随调制信号的增加而增加脉宽 脉冲的前沿和后沿同时受调制信号的控制 其脉宽的变化量比前一种大一倍 过程