限幅鉴频实现方法概述ppt课件

1、5.3.1限幅鉴频实现方法概述限幅鉴频实现方法概述5.3调频波解调电路调频波解调电路5.3.2斜率鉴频电路斜率鉴频电路5.3.3相位鉴频电路相位鉴频电路5.3调频波解调电路调频波解调电路1概念概念频率检波频率检波( (鉴频鉴频) )：调频波的解调：调频波的解调相位检波相位检波( (鉴相鉴相) )：调相波的解调：调相波的解调2作用作用从已调波中检出反映在频率或相位变化上的调制信号。从已调波中检出反映在频率或相位变化上的调制信号。鉴频鉴相采用的方法不尽一样，本章重点讨论调频波的鉴频鉴相采用的方法不尽一样，本章重点讨论调频波的解调解调鉴频。鉴频。3特点特点限幅与鉴频普通联用限幅与鉴频普通联用统称限幅

2、鉴频器。统称限幅鉴频器。5.3.1限幅鉴频实现方法概述限幅鉴频实现方法概述一、鉴频电路性能要求一、鉴频电路性能要求1功能功能 将输入调频信号的瞬时频率变换为相应解调输出电压。将输入调频信号的瞬时频率变换为相应解调输出电压。2鉴频特性鉴频特性 描画描画 vO vO 随瞬时频偏随瞬时频偏 (f - fc) (f - fc) 的变化特性，如图的变化特性，如图 所示。所示。图图 5-3-15-3-1鉴频特性鉴频特性3鉴频跨导鉴频跨导鉴频特性原点处的斜率鉴频特性原点处的斜率c)(cODffffvS 单位单位 V/HzV/Hz。4对鉴频电路性能要求对鉴频电路性能要求 通频带大于调制信号的最高频率通频带大于

3、调制信号的最高频率 max max 。在传输视。在传输视频信号时，还必需满足相位失真和瞬变失真的要求。频信号时，还必需满足相位失真和瞬变失真的要求。 大的鉴频跨导大的鉴频跨导 SD SD 满足线性和非线性失真的要求。满足线性和非线性失真的要求。二、鉴频的实现方法二、鉴频的实现方法 利用反响环路利用反响环路(例如锁相环例如锁相环)实现鉴频实现鉴频(第第 5 章章) 利用波形变换利用波形变换 将输入的调频信号进展特定的波将输入的调频信号进展特定的波形变换，使变换后的波形含有反映瞬时频率变化的平均分形变换，使变换后的波形含有反映瞬时频率变化的平均分量。再经过检波、低通滤波器输出所需的解调电压。量。再

4、经过检波、低通滤波器输出所需的解调电压。(1)(1)斜率鉴频器斜率鉴频器 将输入调频波经过具有适宜频率特性的线性网络，将输入调频波经过具有适宜频率特性的线性网络，使输出调频波的振幅按照瞬时频率的规律变化使输出调频波的振幅按照瞬时频率的规律变化 。 经过包络检波器输出反映振幅变化的解调电压。经过包络检波器输出反映振幅变化的解调电压。图图 5-3-25-3-2斜率鉴频器的实现模型斜率鉴频器的实现模型(2)(2)相位鉴频器相位鉴频器 将输入调频波经过具有适宜频率特性的线性网络，将输入调频波经过具有适宜频率特性的线性网络，使输出调频波的附加相移按照瞬时频率的规律变化使输出调频波的附加相移按照瞬时频率的

5、规律变化 。 相位检波器将它与输入调频波的瞬时相位进展比较，相位检波器将它与输入调频波的瞬时相位进展比较，检出反映附加相移变化的解调电压。检出反映附加相移变化的解调电压。图图 5-3-35-3-3相位鉴频器的实现模型相位鉴频器的实现模型(3)(3)脉冲计数式鉴频器脉冲计数式鉴频器 调频波经过非线性变换网络变成调频等宽脉冲序列。调频波经过非线性变换网络变成调频等宽脉冲序列。 由低通滤波器输出反映平均分量变化的解调电压。由低通滤波器输出反映平均分量变化的解调电压。图图 5-3-55-3-5脉冲计数式鉴频器的组成方框及其各部分波型脉冲计数式鉴频器的组成方框及其各部分波型图图 5-3-45-3-4脉冲

6、计数式鉴频器的实现模型脉冲计数式鉴频器的实现模型5.3.2斜率鉴频电路斜率鉴频电路一、失谐回路斜率鉴频电路一、失谐回路斜率鉴频电路1电路组成电路组成 单失谐回路单失谐回路(谐振回路对输谐振回路对输入调频波的载波失谐入调频波的载波失谐) 二极管包络检波器二极管包络检波器图图 5-3-155-3-15单失谐回路斜率鉴频器单失谐回路斜率鉴频器2任务原理任务原理3扩展鉴频特性范围扩展鉴频特性范围平衡回路斜率鉴频器平衡回路斜率鉴频器(1)(1)电路电路图图 5-3-165-3-16双失谐回路斜率鉴频器双失谐回路斜率鉴频器vO = vAV1 - vAV2 f = f01 - fc = fc- f02。(2

7、)(2)鉴频特性鉴频特性设设 A1( A1( ) ) 、A2(A2( ) )：上、下两谐振回路的幅频特性：上、下两谐振回路的幅频特性vO vO ：双失谐回路斜率鉴频器输出解调电压，那么：双失谐回路斜率鉴频器输出解调电压，那么vO = vAV1 - vAV2 = VsmdA1( )-A2( ) d：上、下两包络检波器的检波电压传输系数：上、下两包络检波器的检波电压传输系数(3)(3)讨论讨论合成鉴频特性曲线的线性：合成鉴频特性曲线的线性： 与两失谐回路的幅频特性外形有关；与两失谐回路的幅频特性外形有关； 主要取决于主要取决于 f01 f01 和和 f02 f02 的的位置。配置恰当，补偿两曲线中

8、的弯位置。配置恰当，补偿两曲线中的弯曲部分，可获线性范围较大的鉴频特曲部分，可获线性范围较大的鉴频特性曲线。性曲线。图图 5-3-165-3-16双失谐回路斜率鉴频器双失谐回路斜率鉴频器 f 过大时，会在过大时，会在 fc 附近出现弯曲；附近出现弯曲； f 过小时，线性段过小时，线性段范围不能扩展。范围不能扩展。可证，假设可证，假设 ，鉴频特性的线性，鉴频特性的线性范围到达最大。为了实现线性鉴频，应限制范围到达最大。为了实现线性鉴频，应限制 m m BW0.7/4 BW0.7/4 。 7 . 07 . 01 . 0423BWBWf 二、集成电路中采用的斜率鉴频器二、集成电路中采用的斜率鉴频器图

9、图 5-3-175-3-17集成电路中广泛采用的集成电路中广泛采用的斜率鉴频电路斜率鉴频电路1电路电路L1C1C2：线性网络，：线性网络，作用：作用： f V 变换，输出调变换，输出调频调幅电压频调幅电压 v1 (t) ，v2 (t)； T1T2：射随器；：射随器；T3T4：三极管包络检：三极管包络检波器，输出解调波；波器，输出解调波；T5T6：差分放大器，：差分放大器，放大解调电压。放大解调电压。2原理原理图图 5-3-185-3-18鉴频特性曲线鉴频特性曲线 特性曲线如图特性曲线如图 5-3-18(a) 5-3-18(a)所示。所示。 1 1， L1C1 L1C1并联谐振，并联谐振，v1m

10、 v1m 最大，最大， v2m v2m 最小。最小。 2 2， L1C1C2 L1C1C2串联谐振，串联谐振， v1m v1m 最小，最小，v2m v2m 最大。最大。 合成鉴频特性曲线如图合成鉴频特性曲线如图 所示所示 。 vO = A (v1m- v2m ) vO = A (v1m- v2m ) A A：增益常数，取决于射随器、检：增益常数，取决于射随器、检波器、差分放大器。波器、差分放大器。 可调元件可调元件 L1 L1 、C1 C1 、C2 C2 。5.3.3相位鉴频电路相位鉴频电路作用：鉴相，用来检出两信号间的相位差，并输出与作用：鉴相，用来检出两信号间的相位差，并输出与相位差大小相

11、对应的电压。相位差大小相对应的电压。实现电路实现电路叠加型叠加型乘积型乘积型模拟鉴相器模拟鉴相器数字鉴相器数字鉴相器由数字电路构成由数字电路构成一、乘积型鉴相器一、乘积型鉴相器1组成框图组成框图图图 5-3-195-3-19乘积型鉴相器乘积型鉴相器相乘器相乘器( (例如双差分对平衡调制器例如双差分对平衡调制器) + ) + 低通滤波器。低通滤波器。图图 5-3-255-3-25乘积型相位鉴频电路乘积型相位鉴频电路T3 T9、D6：双差分对平衡双差分对平衡调制器、实现调制器、实现乘积型相位鉴乘积型相位鉴频电路。频电路。 2任务原理任务原理设两个输入信号分别为设两个输入信号分别为tVtv cos)

12、(m11 )sin()2cos()(2m2m2 tVtVtv除除 90 90 固定相移外，它们之间的相位差为固定相移外，它们之间的相位差为 。那。那么双差分对管输出差值电流么双差分对管输出差值电流( (见式见式 4-2-23) 4-2-23)为为)2)(th)2)(thT2T10VtvVtvIi (1)V2m 26 mV(1)V2m 260 mVV1m 260 mV，上式简化为，上式简化为( (见式见式 4-2-27) 4-2-27)2sin(sin2mT0 tVVI设双差分对管的直流负载电阻为设双差分对管的直流负载电阻为 RC RC，低通滤波器的传，低通滤波器的传输增益为输增益为 1 1，那

13、么鉴相器的鉴相特性为，那么鉴相器的鉴相特性为 sinsind2mTC0OAVVRIv式中，式中，Ad Ad 为鉴相灵敏度，单位为为鉴相灵敏度，单位为 V V。)sin()3cos34cos4(2)()(22mT022T0 tVttVItKtvVIi sindOAv 图图 5-3-205-3-20乘积型鉴相器的鉴相特性乘积型鉴相器的鉴相特性当当| | | | 0 0 时，时，相乘所得的双向脉冲上、下不等宽。在相乘所得的双向脉冲上、下不等宽。在 | | | /2 /2 范围范围内，相应的平均分量为内，相应的平均分量为图图 5-3-215-3-21两个开关波形相乘后的波形两个开关波形相乘后的波形3实

14、现电路实现电路(1)(1)电路电路图图 5-3-255-3-25乘积型相位鉴频电路乘积型相位鉴频电路T1：射随器，将一路信号：射随器，将一路信号 vS 分为大小两路：分为大小两路：大：接大：接 T7，作用：保证，作用：保证 T7、T8 为开关形状。为开关形状。小：经频相转换网络接小：经频相转换网络接 T3 T6，为相乘器，为相乘器小信号输入电压。小信号输入电压。T3 T9、D6：双差分对平衡调制器，实现：双差分对平衡调制器，实现乘积型鉴相。乘积型鉴相。 频相转频相转换网络换网络D1 D5：T2及 双 差 分 对及 双 差 分 对偏置电路。偏置电路。 0220000av2d dddItttItI

15、I经过低通滤波器，得到鉴相器的经过低通滤波器，得到鉴相器的输出电压为输出电压为 ， C0O2RIv为在为在| | | /2 /2 内的一条经过内的一条经过原点的直线，并向两侧周期性反复。原点的直线，并向两侧周期性反复。(2)(2)频相转换网络频相转换网络 电路电路(a)(a)(b)(b)图图 5-3-265-3-26单谐振回路作为相频转换网络单谐振回路作为相频转换网络参见图参见图 5-3-26(a)5-3-26(a)。将输。将输入电压源入电压源 变换为电流源，变换为电流源，如图如图 5-3-26(b)5-3-26(b)所示，其中，所示，其中，。那么该网络就是在鼓励下的单谐振回路。那么该网络就是

16、在鼓励下的单谐振回路。1V111jVCI 1I 输出电压输出电压 RCVRIVj1jj11112 在在 0 0 附近，网络的增益附近，网络的增益 A(j A(j ) ) 可近似表示为可近似表示为RCRCVVAj1jj1j)j (10112 或或(5-3-25)(5-3-25) arctan2)(1)(A210 ，RCARCRCVVAj1jj1j)j (10112 或或(5-3-25)(5-3-25) arctan2)(1)(A210 ，RCA式中，定义为广义失谐量，其中式中，定义为广义失谐量，其中00e00e2)( QQRCCLRLRQCCL)()(110e10 ， 幅频特性和相频特性幅频特性

17、和相频特性曲线可根据式曲线可根据式(5-3-25) (5-3-25) 画出，画出，如图如图 5-3-26 5-3-26 所示所示 。图图 5-3-265-3-26(3)(3)鉴频特性鉴频特性 设频相转换网络谐振频率设频相转换网络谐振频率 0 = 0 = c c。电路中射随器。电路中射随器 T1 T1 和和 T2 T2 的增益近似为的增益近似为 1 1，那么，那么 v1(t) v1(t) 的振幅的振幅 V1m V1m 近似等于近似等于输入调频信号输入调频信号 vs(t) vs(t) 的振幅的振幅 Vsm Vsm ，v2(t) v2(t) 的振幅的振幅 V2m = V2m = (1/10)A(1/

18、10)A( )Vsm)Vsm。根据根据 vO vO Adsin Adsin，在双差分对管单端输出时，鉴，在双差分对管单端输出时，鉴频器的输出解调电压为频器的输出解调电压为(5-3-27)(5-3-27)AsmTC0A2mCT0Osin)(20sin2 AVVRIVRVIv 式中，式中，A = arctan 根据上式画鉴频特性曲线，如图根据上式画鉴频特性曲线，如图 5-3-27 5-3-27 所示所示 。图图 5-3-275-3-27鉴频特性曲线鉴频特性曲线图图 5-3-27 5-3-27 中，虚线是假设中，虚线是假设 A(A( ) ) 为恒值时画出的特性，而实线为恒值时画出的特性，而实线那么是

19、按那么是按 A( A( ) ) 的变化进展修正后的变化进展修正后画出的实践特性。画出的实践特性。可见，当广义失谐量可见，当广义失谐量 向正、向正、负方向增大时，由于负方向增大时，由于 A( A( ) ) 下降，实下降，实践特性出现正、负两个峰值，而后便践特性出现正、负两个峰值，而后便近似按近似按 A( A( ) ) 的规律单调下降。的规律单调下降。假设假设 arctanarctan 限制在限制在 /12 /12 ，即，即| | | 0.27 | 0.27 时，时， 由由可近似以为可近似以为， arctan2)(1)(A210 RCAA( ) A( 0) = 0C1R00eA222 Q 假设输入

20、调频信号的瞬时角率假设输入调频信号的瞬时角率 (t) = (t) = c + c + (t)(t)，且且 0 = 0 = c c，代入上式，那么，代入上式，那么 ceA)(2 tQ 因此，由式因此，由式(5-3-27)(5-3-27)，可得，可得)()(12)(20)(20)(dce10smTC0A0smTC0OtAtQRCVVRIAVVRItv 式中，鉴相灵敏度。实现了线性鉴频。式中，鉴相灵敏度。实现了线性鉴频。smTe1C0d01VVQRCRIA 二、叠加型鉴相器二、叠加型鉴相器图图 5-3-235-3-23叠加型鉴相器电路叠加型鉴相器电路1原理电路原理电路由两个包络检波器叠加后由两个包络

21、检波器叠加后组成的叠加型鉴相器。组成的叠加型鉴相器。2任务原理任务原理vi1(t) = v1(t) + v2(t)，vi2(t) = v1(t) - v2(t)图图 5-3-245-3-24假设假设 v1(t) = V1mcos v1(t) = V1mcos t t，v2(t) = V2msin(v2(t) = V2msin( t + t + ) )，那么根据矢量叠加原理，那么根据矢量叠加原理，vi1(t) vi1(t) 和和 vi2(t) vi2(t) 可分别表示为：可分别表示为：vi1(t) = Vm+(t) cos t -1(t)vi2(t) = Vm-(t) cos t +2(t)其中

22、，其中， sin2)(2m1m22m2m1mVVVVtV sin2)(2m1m2m22m1mVVVVtV 可见，合成电压的振幅可见，合成电压的振幅Vm+(t) Vm+(t) 和和 Vm-(t) Vm-(t) 均与均与 有关，但它们之间的关系是非有关，但它们之间的关系是非线性的。线性的。)sincosarctan()(2m1m2m1 VVVt)sincosarctan()(2m1m2m2 VVVt 3 3解调电压输出解调电压输出 假设包络检波器的检波电压传输系数为假设包络检波器的检波电压传输系数为 d d，那么鉴相，那么鉴相器的输出电压为器的输出电压为 )sin1()sin1()()(21212

23、m22m1dmmdAV2AV1O KKVVtVtVvvv )sin1()sin1()()(21212m22m1dmmdAV2AV1O KKVVtVtVvvv式中，式中，21m2m1m2m2m22m12m1m)/(1/22VVVVVVVVK 以以 Ksin Ksin 为变量，将上式用幂级数展开：为变量，将上式用幂级数展开：)sin1()sin1(21212m22m1dO KKVVv )sin(81sin32m22m1d KKVV当当 Ksin Ksin 为小量时，为小量时，Ksin Ksin 的三次方及其以的三次方及其以上各次方项可忽略，上式简化为上各次方项可忽略，上式简化为(5-3-23)(5

24、-3-23) sin2m22m1dOKVVv呈正弦鉴相特性。呈正弦鉴相特性。4实践电路实践电路(1)(1)电路电路图图 5-3-285-3-28耦合回路叠加型相位鉴频器电路耦合回路叠加型相位鉴频器电路 频相转换网络：频相转换网络：L1C1 L1C1 和和 L2C2 L2C2 ，互感耦合双调谐回路。，互感耦合双调谐回路。 C0 ： 隔直电容，对输入信号频率呈短路。隔直电容，对输入信号频率呈短路。L3 ：高频扼流圈，高频阻抗很大，接近开路，而对平：高频扼流圈，高频阻抗很大，接近开路，而对平均分量接近短路，为包络检波器提供通路。均分量接近短路，为包络检波器提供通路。图图 5-3-285-3-28耦合

25、回路叠加型相位鉴频器电路耦合回路叠加型相位鉴频器电路(2)(2)原理原理 两个输入信号叠加后加到包络检波器而构成的叠加型鉴两个输入信号叠加后加到包络检波器而构成的叠加型鉴相器。相器。 1 路：调频信号路：调频信号 vS(t) 经经 T、一次回路、一次回路 L1C1 上产生电上产生电压压v1(t) ，经过互感耦合在二次回路，经过互感耦合在二次回路 L2C2 上产生电压上产生电压 v2(t) 。 2 2 路：路：v1(t) v1(t) 又经过又经过 C0 C0 、高扼圈、高扼圈 L3 L3 和滤波电容和滤波电容 C C 通地，构成闭合回路，在这个回路中，通地，构成闭合回路，在这个回路中，v1(t)

26、 v1(t) 几乎全部加到几乎全部加到 L3 L3 上。上。图图 5-3-285-3-28耦合回路叠加型相位鉴频器电路耦合回路叠加型相位鉴频器电路实践加到上、下包络检波器的输入电压分别为实践加到上、下包络检波器的输入电压分别为 v1(t) v1(t) + v2(t)/2 + v2(t)/2 和和 v1(t) - v2(t)/2 v1(t) - v2(t)/2。符合叠加型相位检波。符合叠加型相位检波器对输入电压的要求。器对输入电压的要求。(3)(3)幅频、相频特性幅频、相频特性可证，频相转换网络的幅频、相频特性可证，频相转换网络的幅频、相频特性 arctan2)(1)(A2 ，A(5-3-32)

27、(5-3-32)00e0e)(2 QrLrLQ，图图 5-3-295-3-29互感耦合回路互感耦合回路(4)(4)解调电压解调电压 根据叠加型鉴相器的鉴相特性根据叠加型鉴相器的鉴相特性 sin2m22m1dOKVVv (5-3-23)(5-3-23)解调电压为解调电压为A22m2m1dOsin)2/( KVVv 式中，式中，)(arctan)(411/1m2mA21m2m1m2m AVVVVVVK ，(5)(5)鉴频特性曲线鉴频特性曲线 图图 5-3-305-3-30叠加型鉴频特性曲线叠加型鉴频特性曲线如图如图 5-3-30 5-3-30 所示所示 。虚。虚线为线为 V2m V2m 为恒值时的特性。为恒值时的特性。实线是按实线是按 V2m = V