乘积型相位鉴频器

东北石油大学课程设计

2011年3月4日

东北石油大学课程设计任务书

课程高频电子线路

题目乘积型相位鉴频器的设计

专业电子信息工程姓名学号

主要内容、基本要求、主要参考资料等

1、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。

2、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

06.5MHz

f ；

(2) 绘制电路原理图，并给出鉴频特性曲线；

3、主要参考资料

[1] 阳昌汉. 高频电子线路. 哈尔滨：高等教育出版社，2006.

[2] 吴运昌. 模拟集成电路原理与应用. 广州：华南理工大学出版社，2000.

[3] 谢自美. 电子线路设计·实验·测试. 武汉：华中科技大学出版社，2000.

[4] 高吉祥. 电子技术基础实验与课程设计. 北京：电子工业出版社，2002.

完成期限2月28日-3月4日

指导教师

专业负责人

2011 年 2 月25 日

一、电路原理

1．电路原理及用途

鉴频是调频的逆过程，广泛采用的鉴频电路是相位鉴频器。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

2．主要技术指标

乘积型鉴相器组成方框图如图6.17所示。图中，两个输入信号分别为 调相波 u1=U1msin(ωct+Δφ) 本地参考信号 u2=U2mcos ωct (6―43)

图6.17 乘积型鉴相器组成方框图

1) u1和u2均为小信号

当|U1m|≤26mV 、|U2m|≤26 mV 时，由式(6―43)可得输出电流为

式中，K=Io/(4U2T)，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

(6―44)

12

()()22o T T u u i I th th U U =

2

u o u 1001222

121212sin()cos 4411

sin sin(2)22

m m c c T T m m m m c u u I i I U U t t U U KU U KU U t ω?ω?ω?==+?=?++?121

sin 2o m m L u KU U R ?=

?

图6.18 乘积型鉴相器的鉴相特性曲线

鉴相器灵敏度为 (6―45)

2) u1为小信号，u2为大信号

当|U1m|≤26mV 、|U2m|≥100mV 时，由式(6-43)可 得输出电流为

鉴相器灵敏度为

3) u1和u2均为大信号

当|U1m|≥100mV,|U2m|≥100mV 时，由式(6―43)可得输出电流为

121

2

m m L S KU U R =1

211

()244

(cos cos3)sin()23[sin sin(2)]o T o c c m c T o m c T

u i I K t U I t t U t U I

U t U ωωωω?ππ

?ω?π==-+???+?=?++?+???11sin o L o m T

o L m

T I R

u U U I R s U U ?ππ=?=(a )

(b )

二、设计步骤和调试过程

1、总体设计电路

用MCl496构成的乘积型相位鉴频器电路

MCl496构成的乘积型相位鉴频器电路如图5-64所示

2、电路工作状态或元件参数的确定

图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C13、C18、L1、R18、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 o

Q Q ωωωωπ

ωπ

?ωωω-+=--=- (5-86)

R12

当1o

ω

ω?<< 时，上式可近似表示为

(5-87) 或

2()arctan (

)o

f

Q f ?ω?

?

?=????

(5-88) 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5-65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，

图5-65 相移与频偏

从而实现线性移相。

MCl496的作用是将调频波与调频～调相波相乘，其输出经R 22、C 21、C 22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

(5-83)

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。在乘法器的另一输入端输入经线性移相网络移相后的调频调相波

u '()s u t ，设其表达式为

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：

()

''

'()cos{sin [()]}

2

sin[sin ()].................584s sm c f sm c f u t U t m t U t m t π

ω?ωω?ω=+Ω++=+Ω+

-o

f f Q /2?图14-3　移相网络的相频特性

2'()arctan ()()

22

o Q π

ωπ?ω?ωω???=

-=-????

()sin ()

o m u t U ?ω=

(5-85)

只要线性移相网络的相频特性)(ω?在调频波的频率变化范围内是线性的，当rad 4.0)(≤ω? 时，)()(sin ω?ω?≈,所以输出信号电压为：

（5-86）

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5-66所示。

图5-66 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。

3、仿真及仿真结果分析

双失谐回路鉴频器的输入调频波的波形如下图5-1所示。

图14-1 相位鉴频特性()()2o m m o

f

u t U U Q

f ?ω?==

图4-1 输入调频波的波形图

模块一后，调频波变换为调频、调幅波，其输出波形如下图5-2所示。原调频信号为等幅的调频波，波形仅有有疏密之别，经变换电路变换后，波形振幅不等，形成包络。

图4-2 调频、调幅波的波形图

再经模块二，即二极管包络检波器检波之后，输出所需的原调制信号，得到的仿真波形图如下图5-3所示。

图4-3 双失谐回路鉴频器输出的原调制信号波形图

将原输入的调频波与经双失谐回路鉴频器鉴频之后输出的原调制信号进行

对比，其仿真波形如下图5-4所示。

图4-4 输入调频波与输出信号的比较

4、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可知,初级回路中流过电感L 1的电

流

为:

在同名端如图所示的条件下，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U ab 可由等效电路求出

式中,2221/X 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。

○

1当输入信号频率c f f =时, 20X =。于是

此式表明,次级回路电压比初级回路电压

滞后π/2,则电压矢量图如

图4 (a)所示。

图4 矢量合成图

因为鉴频器的输出电压

o u 与12D D U

U -

成正比,由矢量图知12D D U U =,则

鉴频器的输出电压为：12()0o d D D u K U U =-= ○

2当输入信号频率c f f >时, 20X >,这时次级回路总阻抗为

式中，2Z 是

模，其值为：

θ是

的相角，其值为：

代入得

此式表明,次级回路电压

比初级回路电压

滞后(2

π

θ+),对应的矢量图

如图图4 (b)所示。

从图中可知12D D U U <,则鉴频器的输出电压为：12()0o d D D u K U U =-< ○

3当输入信号频率c f f 时, 20X <,这时次级回路总阻抗为

式中，,

。

代入得

.

.2212

1

(5-69) (1)

j ab

C U U e Z M

L πθω??

-+ ???

=.

.2

212

1

(5-74)

(1)

j ab

C U U e Z M

L π

θω??-- ???

=

此式表明,次级回路电压

比初级回路电压滞后(

||2

π

θ-),对应的矢量图

如图4(c)所示。从图中可知12D D U U >,鉴频器的输出电压为：

12()0o d D D u K U U =->

图5 鉴频特性曲线

由上分析可得鉴频器输出电压o u 与频率f 的关系曲线如图5所示。在

c f f =点, 0o u =,随着失谐的加大, 1D U 与2D U 幅度的差值增大,o

u 的幅值加大。当ｆ>ｆ时,

o u 为负。当c f

f

时,

o u 为正。当频率偏离超过

1m f

和2m f 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。

三、结论及心得体会

这次课程设计业使我明白了在知识的领域里我还有很多很多的不足，并且再一次的深深的体会到理论和实践之间还有很到的差别。在以后的学习中应该多多的注意实践知识的训练和积累。在以后的学习生活中要不断的开拓自己的动手能力，不断的训练自己的动手能力。这次课程设计让我深深的明白了自己以后该做什么，该怎么去做。这次课程设计课程设计业让我复习了高频电子线路原理与分析的相关知识。通过这次试验我复习了鉴频电路的设计。通过这次课程设计我还对mathtype 数学公式编辑器有了一定的了解，并且会用它编辑公式。对word 也有了进一步的掌握。

参考资料

[1]阳昌汉.高频电子线路.北京：高等教育出版社，2006

[2]曾兴雯，刘乃安，陈健.高频电路原理与分析.西安：西安电子科技大学出版社，2006.8

[3]张肃文.高频电子线路.北京：高等教育出版社，1993

[4]陈邦媛.射频通信电路.北京：科技出版社.2004

[5]董在望.通信电路原理.北京：高等教育出版社.2002

[6]谢嘉奎.电子线路：非线性部分.北京：高等教育出版社，2004

[7]曾兴雯. 高频电子线路.北京：高等教育出版社，2004