乘积型相位鉴频器的设计仿真与研究.doc

乘积型相位鉴频器的设计、仿真与研究 一、电路基本原理1. 电路原理及用途 乘积型相位鉴频器是由模拟乘法器MC1496和低通滤波器组成。其中低通滤波器的工作原理：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。模拟乘法器MC1496：(a) MC1496内部结构 （b）MC1496引脚图MC1496 是双平衡四象限模拟乘法器。其内部电路图和引脚图如图所示。引脚8与10 接输入电压，1 与4 接另一输入电压，输出电压从引脚6 与12输出。引脚2 与3 外接电阻RE，引脚4与8所对应的三极管构成对差分放大器产生串联电流负反馈，以扩展输入电压的线性动态范围。引脚1与4为负电源端或接地端，引脚5外接电阻。用来调节偏置电流及镜像电流的值。2主要技术指标乘积型鉴相器组成方框图如图2-1所示。图中，两个输入信号分别为：调相波 本地参考信号 （1-1）图1-1 乘积型鉴相器组成方框图（1）和均为小信号 当|26mV、|26mV时，由式(1-1)可得输出电流为式中为乘法器的相乘增益因子。通过低通滤波器后，上式中第二项被滤除，于是可得输出电压为 （1-2）图1-2 乘积型鉴相器的鉴相特性曲线鉴相器灵敏度为 (1-3)（2) 为小信号，为大信号当|26mV、|100mV时，由式(1-1)可得输出电流为 （1-4）鉴相器灵敏度为 （1-5）（3) 和均为大信号 当|100mV,| |100mV时，由式(1-1)可得输出电流为 （1-6）鉴相器灵敏度为 （1-7） 图1-3 电流波形图3乘法器实现同步检波的原理同步检波分为乘积型和叠加型两种方式，它们都需要接收端恢复载波的支持，本实验采用乘积型同步检波。乘积型同步检波是直接把本地恢复载波与调幅信号相乘，用低通滤波器滤除无用的高频分量，提取有用的低频信号，它要求恢复载波与发射端的载波同频同相，否则将使恢复出来的调制信号产生失真。实验中，用MC1496/1596构成的振幅调制电路产生调幅信号，然后采用实验电路实现信号的解调。本实验电路的输出电流中，除了解调所需要的低频分量外，其余所有分量都属于高频范围，很容易滤除，因此不需要载波调零电路，而且可采用单电源供电。本电路可解调DSB或SSB信号，亦可解调AM信号。MC1496/1596的10脚输入载波信号，可用大信号输入，一般为100-500mV；1脚输入已调信号，信号电平应使放大器保持在线性工作区内，一般在100mV以下。二、设计方案1.电路原理图 用MCl496构成的乘积型相位鉴频器电路。（1）MC1496内部结构（2）乘积型相位鉴频器电路原理图2.元件参数图2-2中调频信号通过电缆由输入端IN输入,经D1和D2组成的双限幅器整形，除去寄生调幅，其中一路信号由1496的输入端8、10输入，另一路信号经C9、C10、L1、R15、组成的LC串并联移相网络，变为调相调频波，由1496的输入端1、4端输入。LC串并联移相网络的工作原理另一路经LC串并联移相网络输出的信号，产生的的相移为： (2-1)当 时，上式可近似表示为 (2-2)或 (2-3)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2-3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2-3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R11、C3，C4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： (2-4)式中，为调频系数，或，其中为调制信号产生的频偏。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： （2-5）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： （2-6）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2-4所示。图2-4 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。三、电路调试与仿真分析1.设计电路的性能测评为了分析的简化,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。由图3-5可知，初级回路中流过电感的电流 （3-1）3-1互感耦合相位鉴频器的基本电路在同名端如图3-5所示的的条件下，初级回路电流在次级回路中感应电动势为：代入得：次级回路路端电压Uab可由等效电路求出 （3-2）式中, ,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 （3-3）此式表明,次级回路电压比初级回路电压滞后/2,则电压矢量图如图3-2(a)所示。图3-2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：式中，是模，其值为：,是的相角，其值为：代入得: （3-4）此式表明,次级回路电压比初级回路电压滞后(),对应的矢量图如图3-6 (b)所示。从图中可知,则鉴频器的输出电压为：3） 当输入信号频率时, ,这时次级回路总阻抗为: 式中,带入得： （3-5）此式表明,次级回路电压比初级回路电压滞后(),对应的矢量图如图3-6(c)所示。从图中可知,鉴频器的输出电压为：图3-3 鉴频特性曲线由上分析可得鉴频器输出电压与频率的关系曲线如图3-7所示。在点, ,随着失谐的加大, 与幅度的差值增大, 的幅值加大。当时, 为负。当时, 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, 和幅度都变小,合成电压也相应减小,鉴频特性曲线下降。2.仿真及仿真结果分析双失谐回路鉴频器的输入调频波的波形如下图3-4所示。图3-4 输入调频波的波形图模块一后，调频波变换为调频、调幅波，其输出波形如下图5-2所示。原调频信号为等幅的调频波，波形仅有有疏密之别，经变换电路变换后，波形振幅不等，形成包络。图3-5 调频、调幅波的波形图再经模块二，即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3-6所示。图3-6 双失谐回路鉴频器输出的原调制信号波形图将原输入的调频波与经双失谐回路鉴频器鉴频之后输出的原调制信号进行对比，其仿真波形如下图3-7所示。图3-7输入调频波与输出信号的比较四、总结及体会通过这次为期一周的课程设计通过原理分析，调试和问题的解决，使我掌握了电子电器产品开发的过程。使得在日后的工作过程中对其他产品的开发有了一定的了解。设计过程中查阅了大量有关于高频电子线路的书籍，巩固了以前学过的知识，还掌握了书本上没有的知识。使我懂得了只有在实践中得出理论，才会使我们掌握的更加牢固。同时也使我更加熟练了multisim的使用，以前也用过，但也仅限于对于数电内容的仿真，通过本次课设，让我接触到更多的设计模块，为以后更好的使用它打好了基础。这次课程设计我还对数学公式编辑器有了一定的了解，并且会用它编辑公式。对word也有了进一步的掌握。这次课程实际使我受益匪浅，不仅在设计方面得到了锻炼而且开发了思维，掌握了更多的知识。参考资料1阳昌汉.高频电子线路.北京：高等教育出版社，20062曾兴雯，刘乃安，陈健.高频电路原理与分析.西安：西安电子科技大学出2006.8 3张肃文.高频电子线路.北京：高等教育出版社，19934陈邦媛.射频通信电路.北京：科技出版社.20045董在望.通信电路原理.北京：高等教育出版社.20026谢嘉奎.电子线路：非线性部分.北京：高等教育出版社，20047曾兴雯. 高频电子线路.北京：高等教育出版社，2004袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀