第20讲_高频_相位鉴频电路等

1、第二十讲第二十讲 相位鉴频电路等相位鉴频电路等7/2/2022 11:30 PM第6章 角度调制与解调1旧版： 第7.4.2.2 章节 相位鉴频法 6.4.3 相位鉴频器第二十讲第二十讲 相位鉴频电路等相位鉴频电路等7/2/2022 11:30 PM第6章 角度调制与解调2请四班、五班第五批同学请四班、五班第五批同学: :实现实现叠加型叠加型相位鉴频相位鉴频电路仿真电路仿真请一班、二班第六批同学请一班、二班第六批同学: :实现实现比例鉴频比例鉴频电路仿真电路仿真请三班、四班第六批同学请三班、四班第六批同学: :实现实现乘积型相位鉴频乘积型相位鉴频电路仿真电路仿真技术指标要求技术指标要求针对针对

2、FM信号实现鉴频信号实现鉴频 1.载波频率载波频率1MHz 2.频偏频偏40KHz 3.调制信号频率调制信号频率4KHz第二十讲第二十讲 相位鉴频电路等相位鉴频电路等7/2/2022 11:30 PM第6章 角度调制与解调3 鉴相器是用来比较两个鉴相器是用来比较两个同频输入电压同频输入电压u1(t)和和u2(t)的相的相位，而输出电压位，而输出电压u0(t)是两个输入电压是两个输入电压相位差的函数相位差的函数， 即即)()()(21ttftuo 当当线性鉴相线性鉴相的情况下的情况下: :鉴相器)()(11ttu )()(22ttu )(tuo 鉴相器可鉴相器可实现实现PMPM信号的解调信号的解

3、调，但也，但也广泛用于解调广泛用于解调FMFM信信号号，以及，以及锁相技术及频率合成技术锁相技术及频率合成技术中。中。 鉴相器的实现方法：鉴相器的实现方法： )()()(21ttktuo 乘积型乘积型鉴相器鉴相器 叠加型叠加型鉴相器鉴相器第二十讲第二十讲 相位鉴频电路等相位鉴频电路等7/2/2022 11:30 PM第6章 角度调制与解调4)(tuo相加器相加器相加器相加器 包络包络检波器检波器 包络包络检波器检波器相加器相加器)(tur)(tus )(tus )(1tud)(2tud 叠加型鉴相器叠加型鉴相器 )(tuo相加器相加器包络检波器包络检波器)(tur)(tus)(tus )(tu

4、s )(tur)(1tud)(2tud )(tuo1) 1) 叠加型相位鉴频法叠加型相位鉴频法 平衡叠加型鉴相器平衡叠加型鉴相器 第二十讲第二十讲 相位鉴频电路等相位鉴频电路等7/2/2022 11:30 PM第6章 角度调制与解调5设输入调相波设输入调相波us(t)为：为：)(sin)(ttUtuoss )()(tuktp 2sin)( tUtuorr而同频正交载波信号为：而同频正交载波信号为： )()()()(21tutuututuusdsrd 则：则：利用矢量图可得合成电压振幅利用矢量图可得合成电压振幅 )(sin2)(sin2222221tUUUUUtUUUUUrsrsdrsrsd )

5、(tus )(tus )(tur)(1tud)(2tud )(tuo)(tus)(1tud)(2tud)(tur)t ( )(tus 参考叠加型同步检波：参考叠加型同步检波：P181P181，图，图6-496-49思考：为什么同步鉴频需要正交信号？思考：为什么同步鉴频需要正交信号？第二十讲第二十讲 相位鉴频电路等相位鉴频电路等7/2/2022 11:30 PM第6章 角度调制与解调6如果设包络检波器的传输系数为如果设包络检波器的传输系数为Kd1=Kd2=Kd，则两个包络检波器，则两个包络检波器的输出电压为：的输出电压为： 2211ddoddoUKuUKu为调相调幅波为调相调幅波)(2121dd

6、doooUUKuutu 而而rsUU 讨论：（讨论：（1）当）当)(sin1 )(sin21)(sin2)(121tUUUtUUUtUUUUUUrsrrsrrsrsrd )(sin2)()(sin1 2tUKtutUUUUsdorsrd 同同理理：12| )(| t可见：这时的鉴相器具有可见：这时的鉴相器具有正弦鉴相特性，其线性鉴相范围为：正弦鉴相特性，其线性鉴相范围为：)(tus)(1tud)(2tud)(tur)t ( )(tus 第二十讲第二十讲 相位鉴频电路等相位鉴频电路等7/2/2022 11:30 PM第6章 角度调制与解调7)(tus )(tus )(tur)(1tud)(2tu

7、d )(tuo )(sin2)(sin2222221tUUUUUtUUUUUrsrsdrsrsd （2） 时，同理可推出时，同理可推出rsUU )(sin2)(tUKturdo 由讨论（由讨论（1），（），（2）可以看出）可以看出输出电压输出电压 的大小取决于振幅小的输入信号振幅。的大小取决于振幅小的输入信号振幅。ou（3）当）当 时时rsUU )(sin12)(sin1221tUUtUUsdsd )(sin1)(sin12)(ttUKtusdo 所以：所以： 2sin2cossin12sin2cossin1xxxxxx利用三角函数公式：利用三角函数公式：2)(sin22)(tUKtusdo

8、所以：所以：12|2)(| t6|)(| t而当而当, 的范围内，的范围内，2)t(2)t(sin 所以：所以： ，可实现线性鉴相。，可实现线性鉴相。)(2)(tUKtusdo 第二十讲第二十讲 相位鉴频电路等相位鉴频电路等7/2/2022 11:30 PM第6章 角度调制与解调8C1L1U1uiEcCoML2.2U2.2U2.C2U2.U1.L3RLRLCCuo1uo2uo放大变换网络平衡叠加型鉴相器VD2VD1分析分析C C0 0和和L L3 3不能开路也不能短路的原因不能开路也不能短路的原因互感耦合相位鉴频器互感耦合相位鉴频器叠加型相位鉴频电路叠加型相位鉴频电路旧版： 第7.5.1 章节

9、 第二十讲第二十讲 相位鉴频电路等相位鉴频电路等7/2/2022 11:30 PM第6章 角度调制与解调9uFM 一一 电路结构和基本原理电路结构和基本原理 1.移相网络：移相网络：互感为互感为M的初，次级双调谐耦合回的初，次级双调谐耦合回路组成的移相网络。路组成的移相网络。 FM波波 u1经移相网络生成经移相网络生成FM-PM波波 u2，并使，并使 |U1|=|U2|+ u3 -VD1C3R1C4R2VD2221u221u13uu 2.平衡式鉴相器：平衡式鉴相器：两个检波器的输出电压为：两个检波器的输出电压为：21ooouuu 1ou ou 2ou+u2-+u1-L3C2C1VD2VD1R1

10、R2EcC4C3VTC0ML2L1ud1ud2上下检波器的输入端高频电压为：上下检波器的输入端高频电压为：21121uuud 21221uuud 第二十讲第二十讲 相位鉴频电路等相位鉴频电路等7/2/2022 11:30 PM第6章 角度调制与解调10移相分析移相分析 fZLjrUI111.1.I1次级回路中产生的感应电动势次级回路中产生的感应电动势:1112uLMMijE 次级回路电流次级回路电流 i2为：为：)1()1(2221122222CLjruLMCLjrEi 次级回路两端次级回路两端电压电压u2为：为：)1(222211222CLjrCuLMjCjiu .LU1I1rC.rCLU2

11、.(a)rCLU2.E2.I2.(b)11.1.LjUI 022112211290|ZCuLMZCuLMju第二十讲第二十讲 相位鉴频电路等相位鉴频电路等7/2/2022 11:30 PM第6章 角度调制与解调11讨论讨论:（1）当输入）当输入FM波瞬时频率波瞬时频率f 等于调频波中心频率等于调频波中心频率f o，即，即f= f o时，次级回路谐振。时，次级回路谐振。即：即：0122 CLoo 02201122011290 rCuLMrCuLMju 则有：则有：即有：即有：u2 超前超前u1 相位差相位差/2，由矢量图，由矢量图可得：可得：|Ud1|=|Ud2|)1(222211222CLjr

12、CuLMjCjiu 1u221u221u 1du2du若设检波器的传输系数为若设检波器的传输系数为Kd1=Kd2=Kd。 22221111|ddddoddddoUkuKuUkuKu则有：则有：0)(2121 dddoooUUKuuu所以：所以： 022112211290|ZCuLMZCuLMju第二十讲第二十讲 相位鉴频电路等相位鉴频电路等7/2/2022 11:30 PM第6章 角度调制与解调12)1(222211222CLjrCuLMjCjiu （2）当瞬时频率）当瞬时频率f fo 时，则有时，则有，这时，这时次级回路呈次级回路呈电感性。电感性。01 CL )90(|0221122112

13、ZCuLMZCuLMju 注意：式中注意：式中 为为次级回路串联阻抗。次级回路串联阻抗。)1(2222CLjrZ 2221rCLarctg 为为Z2的相角。的相角。由矢量图，由矢量图，u2超前超前u1的相位小于的相位小于/2，且随且随0 相相位位差差f221u221u 1u1du2du 所以：所以：|Ud1|Ud2|0|)|(|21 dddoUUKu第二十讲第二十讲 相位鉴频电路等相位鉴频电路等7/2/2022 11:30 PM第6章 角度调制与解调13)1(222211222CLjrCuLMjCjiu （3）当）当f fo 时，时， 次级回路呈电容性。次级回路呈电容性。 0C1L22 所以：

14、所以：)90(|022122112 CZuLMCZuLMju其中：其中：)1(2222CLjrZ 222|1|rCLarctg 相相位位差差f可见：可见：u2超前超前u1的相位差大于的相位差大于/2，且且所以有：所以有： |Ud1|Ud2| 0|)|(|21 dddoUUKu221u221u 1u1du2du第二十讲第二十讲 相位鉴频电路等相位鉴频电路等7/2/2022 11:30 PM第6章 角度调制与解调14总结总结221u221u 1u1du2duf fo221u221u 1u1du2duuoo鉴频特性曲线：鉴频特性曲线：f f oou 互感耦合回路相位鉴频器互感耦合回路相位鉴频器其过程

15、为：其过程为：)(tuFMAMFMPMFM 检检波波叠叠加加耦耦合合双双回回路路波波波波波波第二十讲第二十讲 相位鉴频电路等相位鉴频电路等7/2/2022 11:30 PM第6章 角度调制与解调15实际鉴频特性曲线实际鉴频特性曲线 Uo0(f0)f (t)f(f)Uot(a)(b)f0Uf(或2 )ffaff0(c)0t0Uo分析鉴频曲线出现各种不同情况的原因分析鉴频曲线出现各种不同情况的原因第二十讲第二十讲 相位鉴频电路等相位鉴频电路等7/2/2022 11:30 PM第6章 角度调制与解调16 相位鉴频器不具有自限幅作用。相位鉴频器不具有自限幅作用。 为了抑制调频信号在传输过程中形成的寄生

16、干扰调幅的影响，为了抑制调频信号在传输过程中形成的寄生干扰调幅的影响，一般需要在接收机中放末级电路中加限幅器，而限幅器要求输入一般需要在接收机中放末级电路中加限幅器，而限幅器要求输入FMFM信号的电压幅值较大，约为信号的电压幅值较大，约为13V13VPPPP，这就增加了调频接收机中所需，这就增加了调频接收机中所需的中放和限幅放大器的级数。的中放和限幅放大器的级数。 而而比例鉴频器具有自限幅的作用比例鉴频器具有自限幅的作用，且只要求前级中放提供零点且只要求前级中放提供零点几伏的几伏的FMFM信号电压就能正常工作，不需要另加限幅放大器，这使调信号电压就能正常工作，不需要另加限幅放大器，这使调频接收

17、机的电路简化，频接收机的电路简化，体积可能缩小，降低成本。体积可能缩小，降低成本。比例鉴频器比例鉴频器 （ratio discriminator）旧版： 第7.5.2 章节 第二十讲第二十讲 相位鉴频电路等相位鉴频电路等7/2/2022 11:30 PM第6章 角度调制与解调17 1. 1. 电路结构电路结构 比例鉴频器与相位鉴频器在电路结构上相差很小，其主比例鉴频器与相位鉴频器在电路结构上相差很小，其主要区别在：要区别在： （1 1）在两类鉴频器中）在两类鉴频器中D D2 2的极性连接相反的极性连接相反 （2）在）在A，B端并联端并联一个大电容一个大电容C0，C0与与（R1+R2）组成较大的

18、）组成较大的时间常数（约为时间常数（约为0.10.25s）。这样在检）。这样在检波过程中波过程中A，B两端电两端电压基本不变，等于压基本不变，等于E o （3 3）比例鉴频器）比例鉴频器输出输出电压不是在电压不是在A A，B B端，而端，而是是在中点在中点C C，D D端引出端引出。 EoCD+u1 - -+u2 - -uFM+ uo- -LcCoVTVD2VD1C2C1R1R2CcEcC4C3L1L2MRLCLAB第二十讲第二十讲 相位鉴频电路等相位鉴频电路等7/2/2022 11:30 PM第6章 角度调制与解调18 比例鉴频器在输入端的频率比例鉴频器在输入端的频率相位变换电路与和互感相位

19、相位变换电路与和互感相位鉴频器是相同的，右图为其等效电路。鉴频器是相同的，右图为其等效电路。有：有： 12212122uuuuuudd 022112211290|ZCuLMZCuLMju其中：其中：2. 2. 工作原理工作原理而而)1(2222CLjrZ 2221rCLarctg +uo1-+uo2-ud1ud2+E o- -+ uo - -+ u1 - -VD1C3R1C4R2VD2CLRLCo 221u 221u第二十讲第二十讲 相位鉴频电路等相位鉴频电路等7/2/2022 11:30 PM第6章 角度调制与解调19 如果设两个二极管检波如果设两个二极管检波器的传输系数为：器的传输系数为：

20、 Kd1=Kd2=Kd，则两检波管的输出电压为：则两检波管的输出电压为： |2211ddoddoUKuUKu|)|(|21)(21121211dddooRooUUKuuuuu而比例鉴频器的输出电压：而比例鉴频器的输出电压：+uo1-+uo2-ud1ud2+E o- -+ uo - -+ u1 - -VD1C3R1C4R2VD2CLRLCo 221u 221u11oRouuu22Roouuu第二十讲第二十讲 相位鉴频电路等相位鉴频电路等7/2/2022 11:30 PM第6章 角度调制与解调20讨论：（讨论：（1）当）当时，时，0ff 001 cLoo)2(exp22o1122o112jrCuL

21、MrCuLMju 由矢量图可得由矢量图可得|ud1|=|ud2|，即，即Ud1=Ud2 0)(21d1d2do UUKu（2）当当f fo时时，则有，则有 ，u2与与ul的相位差为的相位差为/2- -(t) 01 CL 由矢量图可得由矢量图可得|ud1|ud2|，即，即Ud1Ud2 0)(21d1d2do UUKu（3）当当f|ud1|，即，即Ud2Ud1 0)(21d1d2do UUKu|)|(|21)(21121211dddooRooUUKuuuuu第二十讲第二十讲 相位鉴频电路等相位鉴频电路等7/2/2022 11:30 PM第6章 角度调制与解调21 比例鉴频器的鉴频特性曲线如图所示比

22、例鉴频器的鉴频特性曲线如图所示 只要工作在鉴相特性的线性鉴相区，就可以还只要工作在鉴相特性的线性鉴相区，就可以还原出原调制信号原出原调制信号)(tu ff ofm- -fmf(t)u0 说明：说明：它与互感耦合相位鉴频器的鉴频特性的极性相反。它与互感耦合相位鉴频器的鉴频特性的极性相反。当然，通过改变两个二极管连接的方向或耦合线圈的绕向当然，通过改变两个二极管连接的方向或耦合线圈的绕向(同同名端名端)，可以使鉴频特性反向。，可以使鉴频特性反向。第二十讲第二十讲 相位鉴频电路等相位鉴频电路等7/2/2022 11:30 PM第6章 角度调制与解调223. 自限幅原理自限幅原理 比例鉴频器的输出电压

23、比例鉴频器的输出电压uo只取决于输入只取决于输入FM波瞬时频率的变化，波瞬时频率的变化，而与输入而与输入FM幅度变化的大小无关。幅度变化的大小无关。 如果设输入如果设输入FM波的瞬时频率不变，即波的瞬时频率不变，即f =常量，而由于传输常量，而由于传输过程中的寄生干扰调幅使输入过程中的寄生干扰调幅使输入FM波的幅度发生变化。则由于波的幅度发生变化。则由于12121212)(21)(21ooooooooouuuuuuuuu oooooooooooooEuuuuuuEuuuuE 1221211212112121可见，可见， 几几乎乎不不变变不不变变波波振振幅幅当当ooooodduuuuuuuFM

24、212121另外，当输入另外，当输入FM波的瞬时频率变化时，即有：波的瞬时频率变化时，即有： odduuuf21| 比例鉴频器输出电压取决于两个检波电容上电压的比值，故称为比例鉴频器输出电压取决于两个检波电容上电压的比值，故称为比例鉴频器。比例鉴频器。第二十讲第二十讲 相位鉴频电路等相位鉴频电路等7/2/2022 11:30 PM第6章 角度调制与解调23乘积型相位鉴频器乘积型相位鉴频器 乘积型相位鉴频器实际上是一种乘积型相位鉴频器实际上是一种正交鉴频器正交鉴频器。 调频信号一路直接加至乘法器，另一路经相移网络移调频信号一路直接加至乘法器，另一路经相移网络移相后相后( (参考信号参考信号) )

25、加至乘法器。加至乘法器。 由于调频信号和参考信号同频正交，因此，称之为正由于调频信号和参考信号同频正交，因此，称之为正交鉴频器交鉴频器us移相网络us低通滤波uoK线性相移网络通常是单谐振回路线性相移网络通常是单谐振回路( (或耦合回路或耦合回路) )旧版： 第7.5.3 章节 第二十讲第二十讲 相位鉴频电路等相位鉴频电路等7/2/2022 11:30 PM第6章 角度调制与解调242)(2cos)2)(cos(212cos)(cos)()()( tttUkUtUttkUtutkutuorsorosrso则相乘器的输出信号则相乘器的输出信号 为：为：)(tuo 乘积型鉴相器乘积型鉴相器（pro

26、duct phase detector）鉴相器输入鉴相器输入PM信号：信号： )(cos)(ttUtuoss )()(tuktP 而而而另一输入信号而另一输入信号 为为的的同频正交载波同频正交载波。)(tur)(tus)2cos()( tUtuorr即：即：相乘器相乘器低通滤波器低通滤波器)(tur)(tuo )(tuo)(tus第二十讲第二十讲 相位鉴频电路等相位鉴频电路等7/2/2022 11:30 PM第6章 角度调制与解调252)(2cos)2)(cos(21)(tttUkUtuorso)(sin212)(cos21)(tUkUtUkUtursrso可见：乘积型鉴相器具有可见：乘积型鉴

27、相器具有正弦形鉴相特性正弦形鉴相特性-)(tuo)t ( 相乘器相乘器低通滤波器低通滤波器)(tur)(tuo )(tuo)(tus12| )(| t另外，如果满足另外，如果满足 ，则有，则有 。)()(sintt 即输出电压与调制信号成线性关系，实现线性鉴相。即输出电压与调制信号成线性关系，实现线性鉴相。)()(21)(21)(0tuKtukUkUtUkUtupprsrs第二十讲第二十讲 相位鉴频电路等相位鉴频电路等7/2/2022 11:30 PM第6章 角度调制与解调26移相网络相频特性分析移相网络相频特性分析 211111()()11111()jCjQLCRLHjjjCjCRL该移相网

28、络传输函数为：该移相网络传输函数为：u1CLRu2(a)0f0f2(b)C1第二十讲第二十讲 相位鉴频电路等相位鉴频电路等7/2/2022 11:30 PM第6章 角度调制与解调271112arctan2cos(sin)cos(sin)cfcfuUtmtuUtmt 可见，可见，u1与与u2(实际上是实际上是ur与与us)之间的相位差为之间的相位差为211111()()11111()jCjQLCRLH jjj CjCRL20200011,(1)2,()cRfQQQLfL CC02ffQ)(110CCLc1112arctan2cos(sin)cos(sin)cfcfuUtmtuUtmt u1CLRu2(a)0f0f2(b)C1第二十讲第二十讲 相位鉴频电路等相位鉴频电路等7/2/2022 11:30 PM第6章 角度调制与解调28 当当f/f01时，乘积型鉴相输出为时，乘积型鉴相输出为22cos()sin22o