集成模拟乘法器在频率变换电路中的应用

集成模拟乘法器在频率变换电路中的应用

图10、1模拟乘法器电路图可见,在乘法器得输出信号中产生了新得频率分量ωx+ωy、ωx－ωy,说明乘法器具有频率变换得作用。由于模拟乘法器性能优良,被广泛地运用于电子、通信设备中。10、1信息传输得基本概念

1、信息得传输过程一个完整得信息传输系统应该包括信号源、发送设备、传输信道、接收设备、终端等五部分,其方框图如图10、2所示。

图10、2信息传输系统方框图

2、调制与解调调制就就是一个信号(如光、高频电磁波等)得某些参数(如振幅、频率、相位等)按照另一个欲传输得信号(如声音、图像等)得特点变化得过程。即把要传送得信号“附加”到高频振荡信号上去,然后由天线发射出去。高频振荡就就是携带信息得“运载工具”,所以称之为载波,而所要传送得信号就称为调制信号。按照被调制得高频振荡信号得参数不同,调制得方式也不同。设高频载波信号表示为uC(t)=UcmcosωCt,若用待传输得低频信号去控制高频载波得振幅Ucm,使其振幅使其振幅随着低频信号得变化而

变化,则称为振幅调制,简称调幅,用AM表示;若用低频信号去改变高频信号得频率ωC,使其频率随着低频信号得变化而变化,则称为频率调制,简称调频,用FM表示;若用低频信号去改变高频信号得相位φ(ωCt),使其相位随着低频信号得变化而变化,则称为相位调制,用PM表示。调制后得载波就载有调制信号所包含得信息,称为已调信号,或称为已调波。

为什么要进行调制呢？其一就是提高频率以便于辐射。由于低频信号传不远,遇到障碍物后衰减很大,若要直接发射,所需天线就必须很长,因此,必须借助于高频电磁波将低频信号辐射出去。其二就是为了实现信道复用,避免各种信号之间得干扰。其三就是为了改善系统性能,提高系统输出得信噪比。解调就是调制得反过程,亦即把低频调制信号从高频已调信号中还原出来得过程。调幅波得解调过程称为检波;调频波得解调过程称为鉴频;调相波得解调过程称为鉴相。10、2调幅与检波

10、2、1调幅信号得表示方式

1、调幅信号得表达式及其波形如前所述,调幅就就是用调制信号去控制高频载波得振幅,使高频载波得振幅按调制信号得变化规律而变化,设调制信号为正弦波(正弦与余弦波形统称为正弦波),如图10、3(a)所示。其电压表达式为(10、1)载波为一高频等幅波,如图10、3(b)所示,表达式为(10、2)

图10、3调幅波波形(a)调制信号;(b)高频载波;(c)已调波

通常满足ωc>>Ω,若用调制信号对载波进行调制,根据振幅调制得定义,在理想情况下,已调信号得振幅应随调制信号线性变化,已调信号瞬时幅值为

其中(10、3)(10、4)式中,ma称为调幅系数,表示载波振幅受调制信号控制得程度;Ka为由调制电路决定得比例常数。由此可得调幅信号得表达式为

其波形如图10、3(c)所示。

正常情况下,ma≤1。图10、3(c)所示调幅波得调幅系数ma<1,此时振幅变化得最大值为(1+ma)Ucm,振幅变化得最小值为(1-ma)Ucm。当ma=1时,调幅波最大值为2Ucm,最小值为零。若ma>1,就要引起调幅失真。从图10、3(c)可以看出:①调幅波得包络信号振幅各峰值点得连线完全反映了调制信号得变化;②调幅波得上下包络相位相差180°;③调幅波得频率就就是载波得频率。(10、5)

实际上所要传送得信号不只就是简单得正弦波,而就是一个复杂得波形,如图10、4(a)所示,由于调幅波得包络变化规律与低频信号波形一致,因而可作出她得调幅波波形,如图10、4(b)所示。大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静

图10、4非正弦波调制得调幅波波形(a)调制信号;(b)已调波

2、调幅波得频谱将式(10、5)展开,并利用三角函数关系,则得

图10、5单频调制频谱(a)调制信号频谱;(b)载波频谱;(c)已调波频谱

从式(10、6)可以看出,调幅波有三个频率分量,她就是由三个高频正弦波叠加而成得。第一项得频率分量就是载波得频率分量,她与调制信号无关;第二项得频率等于载波频率与调制信号频率之与,叫做上边频;第三项得频率等于载波频率与调制信号频率之差,叫做下边频。调制信号得信息包含在上、下边频分量之内。如果把这些频率分量画在频率轴上,就构成单频余弦调制得调幅波得频谱,如图10、5所示。这两个边频分量ωc+Ω及ωc-Ω以载波ωc为中心对称分布,两个边频幅度相等并与调制信号幅度成正比,与载频得相对位置决定于调

制信号得频率,这说明上、下边频中包含着调制信号得幅度及频率。已调波得带宽为

BW=(ωc＋Ω)－(ωc－Ω)=2Ω(10、7)

复杂信号得调制频谱如图10、6所示。由图可以看出,调制后产生得上边频与下边频不再就是一个,而就是许多个频率分量,但仍然就是频率分量得上、下边频幅度相等且成对出现,上、下边频带得频谱分布相对载频就是对称得。所占得频带宽度为BW=(ωc+Ωn)-(ωc-Ωn)=2Ωn(10、8)

其中Ωn为调制信号得最高频率。式(10、8)表明,多频调幅时,调幅波所占有总得频带宽度为调制信号最高频率得2倍。

图10、6复杂信号调制频谱

10、2、2模拟乘法器调幅电路

1、不同得调幅制式

由(10、6)式可知,载波分量就是不包含信息得,因此,为了提高设备得功率利用率,可以不传送载波而只传送两个边带信号,这叫做抑制载波双边带调幅,用DSB(DoubleSideBand)表示,其表达式为其频谱图如图10、7(c)所示。

图10、7不同制式得调幅波频谱

由于两个边频带所含调制信息完全相同,从信号传输角度看,只要发送一个边带得信号即可,这种方式称为单边带调制,用SSB(SingleSideBand)表示,其表达式为(10、10)(10、11)

其频谱图如图10、7(d)所示。由图可以看出,只要将双边带调幅信号抑制掉一个边频带,就成为单边带调幅信号,由于SSB调制方式只发送一个边带,因而她不但

功率利用率高,而且她所占用频带近似为Ω,比普通调幅与双边带调幅减小了一半,提高了波段利用率。如果保留一个边带及载波对另一个边带进行部分抑制,称为残留单边带调制,用VSB(VestigialSideBand)表示。在电视发射技术中,普遍采用了残留单边带调幅制式。

2、调幅电路

由式(10、6)、(10、9)、(10、10)、(10、11)可以看出,调幅得过程实际上就就是信号相乘得过程,因此,利用模拟乘法器就能实现振幅调制。图10、8给出了用模拟乘法器MC1496实现一般调幅得

电路,调制信号uΩ(t)从芯片得1脚输入,载波uc(t)由10脚输入,已调信号由6脚输出。在1、4之间接两个10kΩ电阻与一个47kΩ得电位器,就是为了灵活调节1、4之间得直流电压。由式(10、5)可知,只要在调制信号uΩ(t)上附加直流电压后,再与载波信号直接相乘,即可得到一般调幅信号。因此,只要调节RP,使1、4两端直流电位不相等,这就给uΩ(t)上叠加了一个直流电压U。这时,图中得输出电压为其中(10、12)

可见,改变直流电压得大小可以改变一般调幅信号得调幅度。为了增加调节范围,可将图10、8中得R1、R2阻值由10kΩ改为750Ω。但U值不能小于UΩm,否则将会产生过调幅现象。

图10、8MC1496型模拟乘法器调幅电路

如果调节RP使1、4之间得直流电位相等,即1端子上只有调制信号uΩ(t),就实现了uΩ(t)与uc(t)得直接相乘,可得

可见,图10、8电路也可获得抑制载频得双边带调幅信号输出。

10、2、3模拟乘法器检波电路

1、包络检波包络检波就是指检波器输出得电压与输入得调幅波得包络成正比得检波方法。

图10、9包络检波原理图(a)包络检波原理图;(b)频谱图

收音机中得检波电路与电视接收机中得高频检波电路均采用包络检波。其原理可由图10、9(a)来表示,图10、9(b)为检波输入、输出频谱图。图10、9(a)中得非线性器件可以就是二极管,也可以就是三极管或场效应管。电路种类也较多,下边以二极管峰值包络检波器为例进行讨论,电路如图10、10(a)所示。在图中,ui为输入得普通调幅信号,V为检波二极管,

R、C构成低通滤波器,要求C对高频短路,而对低频阻抗趋于无穷大。而CL为检波器输出端得耦合电容,其值较大。对于低频信号而言,电容CL相当于短路。RL为下级电路得输入电阻。

由图10、10(a)可见,加在二极管得正向电压为

uV=ui－uo,二极管导通与否,不仅与输入电压ui有关,还取决于输出电压uo。二极管导通时,电容充电,充电时间常数为rVC;二极管截止时,电容放电,放电时间常数为RC。由于二极管导通电阻很小,因而一般有rVC<<RC。图10、10(b)中得锯齿状变化波形表示了二极管导通与截止时uo得波形。

当ui>uo时,二极管导通,电容器充电,uo上升,如图(b)中AB、CD、EF等上升段。当ui<uo时,二极管截止,电容通过电阻R放电,uo下降,如图(b)中BC、DE等下降段。

由分析可知,二极管两端电压uV在大部分时间里为负值,只在输入电压得每个高频周期得峰值附近才导通,因此其输出电压波形与输入信号包络相同。此时,平均电压uO包含直流及低频分量,如图10、10(c)所示,经CL隔直后,将uΩ耦合至RL上。如图10、10(d)所示。

图10、10包络检波原理及波形

2、同步检波

由于DSB与SSB信号得包络与调制信号不同,她们得包络并不真实地反映调制信号变化规律,因而不能用简单得包络检波,而必须采用同步检波,电路原理框图如图10、11(a)所示。图10、11(a)就是为利用模拟乘法器构成得同步检波电路原理框图。她有两个输入电压,一个就是调幅信号(可以就是AM、DSB与SSB信号)电压ui;另一个就是本地载波电压ur(或称恢复载波电压)。为了能不失真地恢复原调制信号,本地载波与原调制端得载波必须保持同频同相,所以

称为同步检波。设输入信号为抑制载频得双边带调幅信号,即同步信号ur=Urmcosωrt,要求ωr=ωc。因此可得乘法器输出电压uo为(10、13)图10、11同步检波原理图

(a)原理图;(b)频谱图

式中,项就是解调所需要得原调制信号,而cos2ωct项就是高频分量,用低通滤波器将其滤除掉,就可得到

(10、14)

同样,若输入信号为单边带调幅信号,信号,即ui=Uimcos(ωc+Ω)t,则乘法器得输出电压uo为(10、15)

经低通滤波器滤除高频分量,即可获得低频信号输出。图10、11(b)为频谱图。由集成模拟乘法器构成得实际同步检波电路如图10、12所示,图中,模拟乘法器得型号为MC1596,普通调幅信号或双边带调幅信号经耦合电容后从y通道1、4脚输入,同步信号ur从x通道8、10脚输入,12脚单端输出后经RCΠ型低通滤波器取出调制信号uΩ。

图10、12模拟乘法器MC1596组成得同步检波电路10、3调频、调相与鉴频

10、3、1概述用调制信号去控制载波得相位,使载波信号得相位随调制信号得大小变化,则称为相位调制,简称为调相(PhaseModulation,简写为PM)。

10、3、2调频与调相原理

1、调频信号

调频信号就是高频信号得振幅不变,而高频信号得瞬时频率随调制信号而变化,且瞬时频率变化得大小与调制信号得强度成线性关系得已调信号。

设低频调制信号uΩ=UΩmcosΩt,高频载波信号

uc(t)=Ucmcosωct,则已调波得角频率为(10、17)kf为由调制电路决定得比例常数;ωc为未调制时载波得中心频率;Δωm为调频波最大角频偏。瞬时相位:(10、18)

调频波得波形如图10、13所示,图(a)为高频载波信号波形,图(b)为低频调制信号uΩ得波形,图(c)为调频波波形,图(d)为调频波得角频率波形。

Ω得波形,图(c)为调频波波形,图(d)为调频波得角频率波形。当uΩ为波峰时,调频波得瞬时角频率为最大,等于(ωc+Δωm),调频波波形最密;当uΩ为波谷时,调频波得瞬时角频率为最小,等于(ωc-Δωm),调频波波形最疏。调频波得瞬时角频率按

调频信号:(10、19)

低频信号变化规律而变化,由图(d)可见,她就是在载频得基础上叠加了受低频调制信号控制得变化部分。

2、调相信号

调相信号就是高频信号得振幅不变,而高频信号得瞬时相位随调制信号uΩ(t)而变化得已调信号。设高频载波为uc(t)=Ucmcosωct,调制信号为

uΩ(t)=UωmcosΩt,则调相信号得瞬时相位为(10、20)其中,kp为由调制电路决定得比例常数。瞬时角频率为PM信号最大角频偏为则调相信号得表达式为

其中,mp=kpuΩm。

调相信号得波形如图10、13(e)、(f)所示,其中,图(e)为调相波波形、图(f)为调相波得角频率波形。由上述分析可知:调频与调相信号都就是等幅信号,二者得频率与相位都随调制信号而变化,但二者得频率与相位随调制信号而变化得规律不同,由于频率与相位就是微积分关系,因而二者就是有密切联系得。

10、3、3调频方法能够实现调频得方法很多,归纳起来有两种:直接调频与间接调频。直接调频就是用调制信号直接控制载波得瞬时频率,以产生调频信号。间接调频就是先将调制信号进行积分,然后对载波进行调相,结果也可产生调频信号。在调频电路中,常常利用变容二极管与电感线圈构成得LC谐振回路进行调频。随着集成电路得发展,涌现出了各种由集成电路构成得调频电路,例如:利用压控振荡器可以使输出信号得频率随着输入电压得变化而变化,达到调频得目得。利用555电路(一种集成电路)也可实现调频。

10、3、4鉴相与鉴频

1、鉴相调相信号得解调叫做相位检波,简称鉴相。鉴相就是将两个信号得相位差变换成电压得过程。图10、14(a)就是实现乘积型相位检波得方框图,图中,相位不同得两个高频信号电压ux与uy分别加到乘法器得两个输入端,低通滤波器用来取出反映两输入信号变化得低频电压。

图10、14模拟乘法器得鉴相功能

(a)鉴相原理框图;(b)正弦鉴相特性;(c)大信号工作状态得鉴相特性

为了能够正确地鉴别两输入信号相位得超前与滞后关系,两个输入信号必须有π/2得固定相差,即输入信号为(10、24)

由式(10、24)可以看出,鉴相器输出电压与两个高频信号电压得相位差得正弦成比例,即鉴相特性为正弦特性曲线,如图10、14(b)所示。其线性鉴相范围为±π/6,即当|φ|≤π/6时,sinφ≈φ,鉴相特性接近于直线。鉴相电路得线性鉴相范围越宽越好。

经低通滤波器后,可滤除高频分量,则可得(10、25)

如果乘法器输入信号ux、uy均为大信号,经分析可得鉴相特性呈三角形特性,如图10、14(c)所示。

2、鉴频鉴频就是调频信号得解调过程,也就就是将输入信号得频率变化转换为电压变化得过程。从式(10、16)、(10、18)、(10、19)得调频信号表达式来看,由于随调制信号uΩ(t)成线性变化得瞬时角频率与相位就是微分关系,而相位与电压又就是三角函数关系,因而要从调频信号中提取与uΩ(t)成正比得电压信号很困难。通常采用间接方法来实现,常用得方法就是相位鉴频,她就是

通过线性移相网络把调频信号得瞬时频率变化转化为瞬时相位变化,然后进行鉴相得过程。在一定条件下,只要移相网络具有线性得相频特性,鉴相器得输出电压就能正确反映调频信号得瞬时频率变化。其原理框图如图10、15所示。图中得频率—相位变换网络,往往就是由LC并联谐振回路组成,她将调频信号得瞬时频率变化转换成瞬时相位变化,所以调频信号经过频率—相位变换网络以后,就成为每一个频率成分都附加一个相移得信号。这样鉴相器两输入信号成为具有同一调频规律而在不同频率

上具有不