基于Multisim的相位鉴频电路的仿真分析

课程设计报告题 目： 基于 Multisim 的相位 鉴频电路的 仿真分析学生姓名： * 学生学号： * 系 别： 电气信息工程学院 专 业： 通信工程 届 别： 2014 届 指导教师： * 电气信息工程学院制2013 年 5 月摘要*师范学院电气信息工程学院 2014 届通信工程专业课程设计报告2 / 15鉴频是调频的逆过程，广泛采用的鉴频电路是相位鉴频器。其鉴频原理是：先将调频波经过一个线性移相网络变换成调频调相波，然后再与原调频波一起加到一个相位检波器进行鉴频。因此实现鉴频的核心部件是相位检波器。相位检波又分为叠加型相位检波和乘积型相位检波，利用模拟乘法器的相乘原理可实现乘积型相位检波。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，我们在分析或实验时，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。能完成这种作用的电路被称为鉴频器。相位鉴频器是利用双耦合回路的相位-频率特性将调频波变成调幅调频波,通过振幅检波器实现鉴频的一种鉴频器。它常用于频偏在几百 KHz 以下的调频无线接收设备中。常用的相位鉴频器根据其耦合方式可分为互感耦合和电容耦合两种鉴频器。调相波的解调电路,是从调相波中取出原调制信号,即输出电压与输入信号的瞬时相位偏移成正比,又称为鉴相器。对于调频波的解调电路来说,是从调频波中取出原调制信号,即输出电压与输入信号的瞬时频率偏移成正比,又称为鉴频器。与调幅接收机一样，调频接收机的组成也大多采用超外差式的。在超外差式的调频接收机中，鉴频通常在中频频率上进行。在调频信号的产生、传输和通过调频接收机前端电路的过程中，不可避免地引入干扰和噪声，它们对 FM 信号的影响，主要表现为调频信号出现了不希望有的寄生调幅和寄生调频。要消除由寄生调幅所引起的鉴频器的输出噪声，通常在末级中放和鉴频器之间设置限幅器。就功能而言，鉴频器是将输入调频波进行特定的波形变换，使变换后的波形包含反映瞬时频率变化的平均分量，然后通过低通滤波器取出所需解调电压。*师范学院电气信息工程学院 2014 届通信工程专业课程设计报告3 / 15一、 设计目的通过高频电子线路课程设计，使学生加强对高频电子技术电路的理解，学会查寻资料、方案比较，以及设计计算等环节。进一步提高分析解决实际问题的能力，创造一个动脑动手、独立开展电路实验的机会，锻炼分析、解决高频电子电路问题的实际本领，真正实现由课本知识向实际能力的转化；通过典型电路的设计与制作，加深对基本原理的了解，增强学生的实践能力。二、设计要求（1） 载波频率：1MHz（2）调制信号：35kHz（3）电源电压：直流 12V（4）内容和要求各单元电路如：输入回路、变频级、中放级、检波级、低放级、功率输出级。和 AGC 电路的设计与参数的计算组成，掌握串、并联谐振回路级耦合回路的测量方法。解调的基本原理，测试与测量的方法。利用 Multisim 开发软件完成电路设计及仿真。通过实际电路方案的分析比较，设计计算元件选取安装调试等环节，初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。掌握常用仪表的正确使用方法，学会简单电路 的实验调试和指标的测试方法。了解与课程有关的电子电路以及元器件工程技术规范，能按课程设计任务书的技术要求，编写设计说明，能正确反映设计和实验成果，能正确绘制电路图。三、 相位鉴频设计1、鉴频电路*师范学院电气信息工程学院 2014 届通信工程专业课程设计报告4 / 15从调频波中检出原来调制信号的过程称为调频波的解调,又叫鉴频。实现鉴频的电路称为鉴频器,也叫频率检波器。鉴频器使输出电压和输入信号频率相对应的电路。用于调频信号的解调，常见的有斜率鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器等，对这类电路的要求主要是非线性失真小，噪声门限低。角调波的解调就是从角调波中恢复出原调制信号的过程。相位检波器(鉴相器)：调相波的解调电路称为相位检波器或鉴相器。2、鉴频器的主要参数(1) 鉴频特性(曲线)：是指鉴频器的输出电压 u0 与输入电压瞬时频率 f 或频偏 f 之间的关系曲线。理想鉴频特性曲线应是一条直线，但实际上往往有弯曲，呈 S 形，如下图所示。（2）鉴频器的主要参数1）鉴频器的中心频率 f0 鉴频器的中心频率 f0 对应于鉴频特性曲线原点处的频率。通常，由于鉴频器中心与中频频率相同。 2）鉴频带宽 Bm 鉴频带宽 Bm:是指鉴频器能够不失真地解调所允许输入信号频率变化的最大范围。3）鉴频器的线性度变 换 器f u o fBu omaxu ofc fA f(a) (b)*师范学院电气信息工程学院 2014 届通信工程专业课程设计报告5 / 15鉴频器的线性度：是指鉴频特性曲线在鉴频带宽内的线性特性。4）鉴频跨导 SD鉴频跨导 SD :是指鉴频器在载频处的斜率，它表示单位频偏所能产生的解调输出电压。鉴频跨导又叫做鉴频灵敏度。用公式表示为：跨导也可以理解为将输入频率转换为输出电压的能力或效率，因此又称为鉴频效率3、鉴频方法（1） 直接鉴频法：是直接从调频信号的频率中提取原来调制信号的方法。主要有脉冲计数鉴频法。（2） 间接鉴频法：就是先对调频信号进行变换或处理，再从变换后的信号中提取原调制信 号的鉴频方法。又可分为振幅鉴频法、相位鉴频法两大类。4、二极管包络检波器的原理分析将调频、调幅波检波，解调出原调制信号的为二极管包络检波器，电路图如下图所示。二极管包络检波器是利用二极管的单向导电性和检波器的负载的充放电过程实现检波，所以 时间常数的选择很重要， 时间常数LRCLRCLRC过大会产生惰性失真； 常数太小，高频分量会滤不干净。综合考虑要求满L足： amx2L011MCRf式中。 为调制度， 为载波频率， 为调制信号角频率的最大am0f ax0cooDf fduduSf*师范学院电气信息工程学院 2014 届通信工程专业课程设计报告6 / 15值。二极管包络检波电路此电路中检波器用于大信号状态，输入信号电压要大于 0.5V，通常在 1V左右。检波过程就是信号源通过二极管给电容充电与电容对电阻 放电的交替R重复过程图中回路 B 和 C 的连接点与检波电容中点一起接地，由于接地点的改变，输出信号 从检波电阻的中点输出，此时 不再由两检波器输出电压之差决定，oUoU而由两检波器电流 和 之差决定，为了得到电流之差，所以图中把下面的二1I2极管反接过来，这也为空载时构成了检波直流通路。5、相位鉴频电路相位鉴频器将输入的调频波 UFM 做变换，变换成调相调频波 UPM/FM,在与调频波 UFM 叠加，在电路参数与信号参数匹配的情况下，得到幅度与调制信号呈线性关系的调幅调相调频波，最后经包络检波，解调出调制信号。鉴相器是用来比较两个同频输入电压 U1（t） 和 U2(t) 的相位，而输出电压 U0(t) 是两个输入电压相位差的函数， 即 )()()( 21ttftuo *师范学院电气信息工程学院 2014 届通信工程专业课程设计报告7 / 15鉴相器的实现方法： 乘积型鉴相器叠加型鉴相器 互感耦合相位鉴频器电路图：电路结构和基本原理由二个部分组成： 移相网络：互感为 M 的初、次级双调谐耦合回路组成的移相网络。FM 波U1 经移相 网络生成 FM-PM 波 U2，并使|U1|=|U2|. 另外，U1 经耦合电容 C0 在扼流圈 L3 上产生的电压.U3=U1， 平衡式鉴相器：上下检波器的输入端高频电压为：ud1=u1+1/2u2 ud2=u1-1/2u2两个检波器的输出电压为 u o=uo1-uo2C1L1U1uiEcCoML2.2U2.2U2.C2U2. U1.L3 RLRLCCuo1uo2uo放 大 变 换 网 络 平 衡 叠 加 型 鉴 相 器VD2VD1*师范学院电气信息工程学院 2014 届通信工程专业课程设计报告8 / 15鉴频特性曲线四、鉴频电路的仿真1、Multisim 10 仿真软件的介绍随着电子技术和计算机技术的发展，电子产品已与计算机紧密相连，电子产品的智能化日益完善，电路的集成度越来越高，而产品的更新周期却越来越短。Multisim 10 是加拿大 Interactive Image Technologies 公司 2001 年推出的 Multisim 最新版本。可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及部分微机接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察Uo0(f0)f (t)f(f)Uot(a)(b) f0Uf(或 2 )ffaff0(c)0t0Uo*师范学院电气信息工程学院 2014 届通信工程专业课程设计报告9 / 15不同故障情况下的电路。它有丰富的元件库，为用户提供元器件模型的扩充和技术 ；虚拟测试仪器仪表种类齐全，其操作方法与实际仪器十分相似 ；具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等 18 种电路分析方法，基本上能满足一般电子电路的分析设计的要求 ；提供了多种输入输出接口，Multisim2001 可以与国内外流行的印刷电路板设计自动化软件 Protel 及电路仿真软件 Pspice 之间的文件接口，也能通过 Windows 电路图送往文字处理系统中进行编辑排版，同时还支持 VHDL和 Verilog HDL 语言的电路仿真与设计。Multisim 10 把所有的元件分成 13 类库，再加上放置分层模块、总线、登录网站共同组成元件工具栏。Multisim 10 提供了 18 种仪表，仪表工具栏通常位于电路窗口的右边，也可以用鼠标将其拖至菜单的下方，呈水平状。Multisim 10 具有以下特点:(1)Multisim 10 是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。其元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到，因此可以很方便地在工程设计中使用。(2)Multisim 10 的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、信号发生器、双通道示波器、直流电源；还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图示仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真度测量仪、频谱分析仪和网络分析仪等。(3) Multisim 10 具有较详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等，以帮助设计人员分析电路的性能。(4) Multisim10.0 可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及部分微机接口电路等。可以对被仿真的电路*师范学院电气信息工程学院 2014 届通信工程专业课程设计报告10 / 15中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的过程中还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据。Multisim10 是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。它用软件的方法模拟电子线路元器件和仪器仪表，实现了“软件即元器件”和“软件即仪器” 。 Multisim10 是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件，该软件为电子工程师提供了一个电路设计与仿真平台，不仅与国际著名的模拟电路仿真软件 spice 兼容，而且具有较强的 VHDL 和 Verilog 设计与仿真功能。它具有界面形象、直观易懂、采用图形方式创建电路的特点；它丰富的元件库中提供了超过 16000 个组件，全部采用世纪模型，确保了仿真结果的真实性和实用性；它采用开放式的库管理模式，能自动地生成模拟和数字组件模型，这对新器件的补充十分有利。multisim10.0 的虚拟测试仪器种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、信号发生器、双通道示波器、直流、交流电源；还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图示仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真度测试仪、频谱分析仪和网络分析仪等。Multisim10.0 具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。Multisim10.0 可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及微机接口电路等；可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。*师范学院电气信息工程学院 2014 届通信工程专业课程设计报告11 / 152、相位鉴频电路仿真实现相位鉴频电路仿真电路图：相位鉴频仿真结果：相位鉴频电路波形*师范学院电气信息工程学院 2014 届通信工程专业课程设计报告12 / 15相位鉴频电路输出波形五、设计总结*师范学院电气信息工程学院 2014 届通信工程专业课程设计报告13 / 15课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。此次课程设计主要针对信号接收电路提出自己的设计方案，并利用仿真软件来实现自己的设计电路图。设计中用到了高频小信号电路，混频电路，晶体振荡电路，鉴频电路等在高频电子线路课程中学到的知识。由于对所学电路不熟