乘积型相位鉴频器的设计

课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：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1 原理说明与电路分析 (3)1.1电路原理及用途.........................................................................................错误！未定义书签。

2.2 模拟乘法器MC1496 (4)2.3 低通滤波器 (5)2.4主要技术指标 (5)3 乘积型相位鉴频器 (8)3.1 乘积型相位鉴频器的原理图....................................................................错误！未定义书签。

3.2电路工作状态或元件参数的确定 (9)3.3仿真结果 (11)3.4 调试及静态工作点的测量 (14)4 元件清单 (16)5 心得体会 (17)6参考文献 (18)摘要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 相位偏移1.1 原理分析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。

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2-1MC1496内部电路图和引脚图MC1496 是双平衡四象限模拟乘法器。

其内部电路图和引脚图如图2-1(a)(b)所示。

引脚8 与10 接输入电压U，1 与4 接另一输入电压y U，输出电压U 从引脚6x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y U 的线性动态范围。

引脚1与4为负电源端或接地端，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2. 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 11cos()m c u U t ωϕ=+ 本地参考信号 22sin m c u U t ω= 12()()22T Tu ui I th th U U ο= （2-1）u ou 1图2-3 乘积型鉴相器组成方框图（1）1u 和2u 均为小信号当|1m U |≤26mV 、|2m U |≤26mV 时，由式(2-1)可得输出电流为式中K 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) 1u 为小信号，2u 为大信号当|1m U |≤26mV 、|2m U |≥100mV 时，由式(1)可得输出电流为（2-4） 鉴相器灵敏度为 1oLm T I R s U U π= （2-5） （3) 1u 和2u 均为大信号当|1m U |≥100mV,| 2m U |≥100mV 时，由式(2-1)可得输出电流为001222121212sin()cos 4411sin sin(2)22m m c c T Tm m m m c u u I i I U U t t U U KU U KU U t ωϕωϕωϕ==+∆=∆++∆121sin 2o m m L u KU U R ϕ=∆1212m m L S KU U R =111()244(cos cos3)sin()23[sin sin(2)]o To c c m c T o mc T u i I Kth U I t t U t U I U t U ωωωϕππϕωϕπ==-+⋅⋅⋅+∆=∆++∆+⋅⋅⋅12()()22T Tu ui Kth th U U = （2-6） 222888[sin()sin(3)sin(5)]235L T I R u U οοϕϕϕπππ=-+- … 鉴相器灵敏度为 o LTI R s U π=（2-7）图2-5 电流波形图(a )(b )3、原理图图3-1 MC1496内部结构图3-2 乘积型相位鉴频器的工作原理图4、元件参数分析与性能评测. 4.1元件参数分析图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：()()222'()arctan[(1)]arctan[]22o o o oQ Q ωωωωπωπϕωωω-+=--=- (3-1) 当1oωω∆<< 时，上式可近似表示为(3-2) 或2()arctan ()ofQ f ϕω⎡⎤∆=⎢⎥⎣⎦(3-3) 式中o f 为回路的谐振频率，与调频波的中心频率相等，Q 为回路品质因数，△f 为瞬时频率偏移。

鉴频器的相移φ与频偏△f 的特性曲线如图3-3所示。

由图可见：在f=f 0即△f=0时相位等于2π，在f ∆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of f Q /2∆图14-3　移相网络的相频特性2'()arctan ()()22o Q πωπϕωϕωω⎡⎤∆=-=-⎢⎥⎣⎦MCl496的作用是将调频波与调频～调相波相乘，其输出经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u s (t)设其表达式为：()cos[sin ]s sm c f u t U t m t ω=+Ω (3-4)式中，f m 为调频系数，Ω∆=/ωf m 或/f m f F =∆，其中ω∆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：()sin ()o m u t U ϕω= （3-5）只要线性移相网络的相频特性)(ωϕ在调频波的频率变化范围内是线性的，当rad 4.0)(≤ωϕ 时，)()(sin ωϕωϕ≈,所以输出信号电压为：（3-6） 因此鉴频器的输出电压()o u t 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u 0与调频波瞬时频率f 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S d 和线性鉴频范围2Δf max 。

S d 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u O -f 在中心频率o f 处的斜率来表示，即/d o S V f =∆∆, 2Δf max定义为鉴频器不失真解调调图14-1 相位鉴频特性()()2o m m of u t U U Qf ϕω∆==频波时所允许的最大频率变化范围，2Δf max 可在鉴频特性曲线上求出。

4.2、设计电路的性能评测为了分析的简化,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1L 的电流1I为 ：111U I j L ω=。

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1I在次级回路中感应电动势sE为：1s E j M I ω=代入得：次级回路路端电压U ab 可由等效电路求出2222221121222122111()1()S ab E U I j C j C R j L C M U L C M j U R jX j C L R jX ωωωωωω==+-==-++（3-7）式中,2221X L C ωω=- ,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。