乘积型相位鉴频器的设计(共19页)

1、武汉理工大学高频电子线路课程设计说明书PAGE - 16 -武汉理工大学高频电子线路课程设计说明书课程设计任务书学生(xu sheng)姓名： 专业(zhuny)班级： 指导(zhdo)教师： 工作单位： 题 目：乘积型相位鉴频器的设计初始条件：具较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电路形式有一定的了解；具备晶体管电路的基本设计及基本调试能力；能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测；使用适当的软件进行仿真和制作PCB板图。主要内容：本题目为集成模拟乘法器应用设计之一，即设计一个乘积型相位鉴频器。通过本次电路设计，掌握集成模拟乘法器的基本原理及其所构成的相位鉴频电路的

2、设计方法、电路调整及测试技术。加深对高频电子线路课程理论知识的理解，提高电路设计及电子实践能力。基本要求：(1)采用集成模拟乘法器设计乘积型相位鉴频器，电路的工作中心频率为f=6.5MHz。(2)绘制电路原理图，并给出鉴频特性曲线。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录(ml) HYPERLINK l _Toc15611 1 原理说明与电路(dinl)分析 3 HYPERLINK l _Toc13631 1.1电路原理(yunl)及用途 摘要(zhiyo) 鉴频器使输出电压和输入信号频率相对应的电路。按用途可分为两类。第一类用于调频信号的解调。常见(chn jin

3、)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。第二类用于频率误差测量，如用在自动频率控制环路中产生误差信号的鉴频器。对这类电路的零点漂移限制较严，对非线性失真和噪声门限则要求不高。 斜率鉴频器的电路比较简单，但回路失谐时其谐振特性曲线不是直线，因而鉴频特性的线性较差。相位鉴频器鉴频特性的线性较好，鉴频灵敏度也较高。 本次设计我们采用的MC1496模拟乘法器作为核心来制作乘积型鉴频器，将高频已调信号和载波信号一起输入MC1496模拟乘法器，此时产生调制信号，再用低通滤波(lb)器进行滤波，即可得到所需的信号。 关键词: 相位鉴频器 MC1496 相位

4、偏移1.1 原理(yunl)分析(fnx)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(jnggu)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。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。本次设计我们采用的乘积型相位鉴频器是由模拟乘法器MC1496和低通滤波器组成，高频已调波和解调载波一起输入乘法器，根据高频知识得知可以产生出调制信号，此

5、时再通过低通滤波器进行滤波处理即可得到所需要的信号，也就完成了鉴频功能。下面分别介绍模拟乘法器的内部结构和低通滤波器的组成。1.2、模拟乘法器MC1496 (a) MC1496内部结构 （b）MC1496引脚图 图2-1 MC1496内部电路图和引脚图 MC1496 是双平衡四象限模拟(mn)乘法器。其内部电路图和引脚图如图2-1(a)(b)所示。引脚8 与10 接输入(shr)电压，1 与4 接另一输入(shr)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

6、，引脚5外接电阻。用来调节偏置电流及镜像电流的值。1.3、低通滤波器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。它有许多不同的形式，其中包括电子线路，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。下图为一个简单的无源低通滤波器。图2-2简单的无源低通滤波器 实验分析 根据高频知识我们可以进行分析，从理论上进行实验结果分析，分析如下：乘积型鉴相器组成方框图如图3所示。图中，两个输入信号分别为： 调相波 本地参考信号 （2-1） 图2-3 乘积(chn

7、gj)型鉴相器组成方框图 （1）和均为小信号(xnho) 当|26mV、|26mV时，由式(2-1)可得输出(shch)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 （2-2） 图2-4 乘积型鉴相器的鉴相特性曲线鉴相器灵敏度为 (2-3)（2) 为小信号，为大信号当|26mV、|100mV时，由式(1)可得输出电流为 （2-4）鉴相器灵敏度为 （2-5） （3) 和均为大信号(xnho) 当|100mV,| |100mV时，由式(2-1)可得输出(shch)电流为 （2-6） 鉴相器灵敏度为 （2-7） 图2-5 电流(dinli)波形图3、

8、原理图图3-1 MC1496内部结构图3-2 乘积(chngj)型相位鉴频器的工作原理图元件(yunjin)参数分析(fnx)与性能评测.4.1元件(yunjin)参数分析图3-2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： (3-1)当 时，上式可近似表示为 (3-2)或 (3-3)式中为回路的谐振频率，与调频波的中心

9、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3-3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3-3相移与频偏MCl496的作用(zuyng)是将调频波与调频(dio pn)调相波相乘，其输出(shch)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： (3-4) 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： （3-5） 只要线性移相网络的相频特性在

10、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： （3-6）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3-4所示。图3-4 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

11、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。4.2、设计电路(dinl)的性能评测为了(wi le)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(dinli)为 ：。图3-5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 （3-7）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。

12、 eq oac(,1)当输入(shr)信号频率时, 。于是(ysh) （3-8）此式表明,次级回路(hul)电压比初级回路电压滞后/2,则电压矢量图如图3-6 (a)所示。图3-6 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： eq oac(,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: （3-9）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： eq oac(,3)当输入信号频率时, ,这时次级回路总阻抗为: 式中,带入得： （3-10）此式表

13、明,次级回路(hul)电压比初级(chj)回路电压滞后(zh hu)(),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3-7 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。5、仿真(fn zhn)结果（1）鉴频器的输入调频波的波形(b xn)如下图3-8所示图3-8输入(shr)调频波的波形（2）输出所需的原调制信号，得到的仿真波形图如下图3

14、-9所示。图3-9输出的原调制信号波形图（3）将原输入的调频波与经鉴频器鉴频之后(zhhu)输出的原调制信号进行对比，其仿真波形如下图3-10所示。图3-10输入的调频(dio pn)波与原调制信号对比图6、元件(yunjin)清单QuantityReferencesValue3R1, R2,R35001R4,R172002R5，R71K1R68201R6512R8, R93.3k3R10，R11,R142K1R126.8k1R135102R15, R16100k7C1,C2,C3, C4,C6,C7,C80.1u1C510u1C947p1C10470p1D21N44763D1,D3,D41N

15、40011L12.2uH1VCC+12V8Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6,Q7,Q8NPN1VSS-12V4-1 元件(yunjin)清单表 7、心得体会高频电子线路课程设计的开始意味着我们将用我们的作品检验一下我们对知识的掌握程度以及是对我们动手能力、分析能力、解决问题的能力等多方面的因素的考验。纸上谈兵是不会做成任何事情的，实践是检验真理的唯一标准，所以动手做才是真理。然而对于我自己来说，我的动手能力比较差，对高频电子线路这本书的要点也不是掌握的很好，因此做起来会有一定的难度。在正式开始做这门课设之前(zhqin)，我问了好多同学，同和我做一样题目的同学一起讨论，磕磕绊绊设计出了电路图

16、，然后正式着手鉴频器的制作。经过一段时间的操作，终于完成了实验，那一刻的喜悦之情溢于言表，姑且不论能否出结果，光是看到自己亲手做的东西就很高兴了。虽然是成功的做出了实物，但是在调试过程中遇到了很多问题，在正式答辩(dbin)之前我会继续调试的。这次的课设虽然做的磕磕绊绊，但是我的动手能力确实得到了锻炼，在这个过程中我学到了一些在课堂上错过的知识和一些在课堂上学不到的道理。成功的先决条件就是先要动手，你去做，你也许会失败，但是你不去做你一定不会成功。其次是要坚持，不能以为一次、两次，甚至是更多次的失败而气馁，因为你每失败一次就离成功更近一步，也许下一次，下下一次你就成功了。这学期的其它的课设都是几个人一组的，当然就会有人偷懒，高频课设不同是一个人一组，这就逼着你去做，因为你不做你就不能通过答辩。其实这样可以让你学到更多的知识，更多的道理。参考文献（1）朱单，Multisim2001电路设计及仿真，电子(dinz)工业出版社，2002（2）谢自美，电子线路实验(shyn)测试(csh)，华中科技大学出版社，2007（3）吴慎山，电子线路设计与实践， 西安.电子工业出版社，2005（4）刘泉，通信电子线路，武汉理工大学出版社，2005（5）臧春华，电子线路设计与应用，高等教育出版社，2004本科生课程