乘积型相位鉴频器的设计、仿真与研究

东北石油大学本科生课程设计（报告）

乘积型相位鉴频器的设计、仿真与研究

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东北石油大学本科生课程设计（报告） 一、电路基本原理

1. 电路原理及用途

乘积型相位鉴频器是由模拟乘法器MC1496和低通滤波器组成。其中低通滤波器的工作原理：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。对于不同滤波器而言,每个频率的信号的减弱程度不同。当使用在音频应用时,它有时被称为高频剪切滤波器, 或高音消除滤波器。低通滤波器概念有许多不同的形式，其中包括电子线路（如音频设备中使用的hiss 滤波器、平滑数据的数字算法、音障（acoustic barriers）、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（moving average)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。

模拟乘法器MC1496：

(a) MC1496内部结构 （b）MC1496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所示。引脚8与10 接输入电压Ux，1 与4 接另一输入电压

Uy，输出电压U?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

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东北石油大学本科生课程设计（报告） 电流负反馈，以扩展输入电压

Uy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。

2．主要技术指标

乘积型鉴相器组成方框图如图2-1所示。图中，两个输入信号分别为： 调相波 u1?U1mcos(?ct???) 本地参考信号 u2?U2msin?ct

i?Iu?th(12U)th(u2)T2UT

u低通1滤波器uo

u2图1-1 乘积型鉴相器组成方框图

（1）u1和u2均为小信号

当|U1m|≤26mV、|U2m|≤26mV时，由式(1-1)可得输出电流为

i?Iulu2I004U2?4U2U1U2sin(?t???)cos?ct?12KUsin???11U22KU1U2sin?2?ct????

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3

1-1）

（

东北石油大学本科生课程设计（报告） u0?1KU1mU2mRLsin??2 （1-2）

uo

0??图1-2 乘积型鉴相器的鉴相特性曲线

1KU1mU2mRL2 (1-3)

鉴相器灵敏度为

S?（2) u1为小信号，u2为大信号

当|U1m|≤26mV、|U2m|≥100mV时，由式(1-1)可得输出电流为

i?IoK2??t??u12UIo?44?cos3?ct?...?U1msin??ct?????cos?ct?2UI??3??Io?U1m?sin???sin?2?t?????...??UI

uO?IoRLU1msin???UT （1-4）

IoRLU1m?UT （1-5）

s?鉴相器灵敏度为

（3) u1和u2均为大信号

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东北石油大学本科生课程设计（报告） 当|U1m|≥100mV,| U2m|≥100mV时，由式(1-1)可得输出电流为

u1u)th(2)2UT2UT （1-6）

i?Kth(u??I?RL888[2sin(??)?2sin(3??)?2sin(5??)?…]2UT?3?5?

s?鉴相器灵敏度为

IoRL?UT （1-7）

0K2(??t)K2(??t)??t?K2(??t )－20?K2(??t－ 2＋??)??t

0??t0??t

ii

＋Io0－Io??＝0(a)??≠0(b)??t0??t图1-3 电流波形图

3．乘法器实现同步检波的原理

同步检波分为乘积型和叠加型两种方式，它们都需要接收端恢复载波的支持，

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东北石油大学本科生课程设计（报告） 本实验采用乘积型同步检波。乘积型同步检波是直接把本地恢复载波与调幅信号相乘，用低通滤波器滤除无用的高频分量，提取有用的低频信号，它要求恢复载波与发射端的载波同频同相，否则将使恢复出来的调制信号产生失真。

实验中，用MC1496/1596构成的振幅调制电路产生调幅信号，然后采用实验电路实现信号的解调。

本实验电路的输出电流中，除了解调所需要的低频分量外，其余所有分量都属于高频范围，很容易滤除，因此不需要载波调零电路，而且可采用单电源供电。本电路可解调DSB或SSB信号，亦可解调AM信号。MC1496/1596的10脚输入载波信号，可用大信号输入，一般为100-500mV；1脚输入已调信号，信号电平应使放大器保持在线性工作区内，一般在100mV以下。

二、设计方案

1.电路原理图

用MCl496构成的乘积型相位鉴频器电路。 （1）MC1496内部结构

126Q182N22222N222210Q64Q52N22222N22221Q7Q82N22222N2222523Q2Q32N22222N2222Q4R1500R2500R3500D11N400114 6

东北石油大学本科生课程设计（报告） （2）乘积型相位鉴频器电路原理图

R9100RER71KC00.1ufUsR1220C40.1ufR85KC60.1UF231KR113.3KR123.3K+12VIC21GADJ8C15pR218010C310.1UFC233pC22R31kR51KL1.2uhR41KR61KC50.1UF4CAR+CAR-SIG+SIG-VEEMC149614GADJC7OUT+OUT-BIAS6C8125334PF330PFR1320K8R16200K+12V23C96.8KR10R1420KR15200KVCCC10330PF4IC22A1LM358-12VR173KC110.047UFUoRP50K-8V334PF 2.元件参数

图2-2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：

????o?????o?]?2??'(?)??arctan[Q(2?1)]??arctan[Q222?o?o?????1 (2-1)

当

?o 时，上式可近似表示为

??????或

???2???????arctan?Q?????2?????2????0??? (2-2)

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东北石油大学本科生课程设计（报告） ?(?)?arctan?Q(??2?ffo?)?? (2-3)

式中fo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?与频偏△f的特性曲线如图2-3所示。

?由图可见：在f=f0即△f=0时相位等于2，在?f范围内，相位随频偏呈线性变化，从而实现线性移相。

?(?f)??/22Q?f/fo图14-3　移相网络的相频特性图2-3相移与频偏

oMCl496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us(t)设其表达式为：

us(t)?Usmcos[?ct?mfsin?t] (2-4)

，其中??为调制信号产生

式中，的频偏。

mf为调频系数，

mf???/?或

mf??f/F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：

uo?t??Umsin?(?) （2-5）

只要线性移相网络的相频特性?(?)在调频波的频率变化范围内是线性的，当

?(?)?0.4rad 时，sin?(?)??(?),所以输出信号电压为：

?ff0 （2-6）

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u0?t??Um?????2UmQ东北石油大学本科生课程设计（报告） 因此鉴频器的输出电压uo(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u0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2-4所示。

fminfminfofo2Δfmax2Δfmaxfmaxfmaxff图14-1 相位鉴频特性图14-1 相位鉴频特性鉴频器的主要性能指标是鉴频灵敏度Sd 和线性鉴频范围2Δfmax 。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fo处的斜率来表示，即Sd??Vo/?f, 2Δfmax 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，2Δfmax可在鉴频特性曲线上求出。

图2-4 鉴频器的鉴频特性曲线(或称S曲线)

三、电路调试与仿真分析

1.设计电路的性能测评

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L1的电流

I1?

I1?

?U1?j?L1 （3-1）

3-1互感耦合相位鉴频器的基本电路

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东北石油大学本科生课程设计（报告） 在同名端如图3-5所示的的条件下，初级回路电流I1在次级回路中感应电动势

Es??为：Es?j?MI1代入得：次级回路路端电压Uab可由等效电路求出

Uab?I2????ES11??j?C2R?j(?L?1)j?C222?C2?M?1U1?L1M?C2???j?U1(R2?jX2)j?C2L1R2?jX2 （3-2）

式中,

X2??L2?1?C2 ,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f?fc时, X2?0。于是

11?)M?C2?M?C2?j(??2Uab??jU1?jU1eL1R2L1R2 （3-3） 此式表明,次级回路电压Uab比初级回路电压3-2(a)所示。

图3-2矢量合成图

因为鉴频器的输出电压u?与UD1?UD2成正比,由矢量图知UD1?UD2,则鉴频器的输出电压为：uo?Kd(UD1?UD2)?0 2）当输入信号频率

?U1?滞后π/2,则电压矢量图如图

f?fc时, X2?0,这时次级回路总阻抗为：

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东北石油大学本科生课程设计（报告） Z2?R2?jX2?Z2e?j?式中，

Z2是Z2模，其值为：代入得:

?Z2?R?X2222,?是Z2的

?相角，其值为：

??arctg(X2R)?021???)M?C2??j(?2Uab?U1eL1Z2 （3-4）

?????UU此式表明,次级回路电压ab比初级回路电压1滞后(2),对应的矢量图如

图3-6 (b)所示。

从图中可知UD1?UD2,则鉴频器的输出电压为：uo?Kd(UD1?UD2)?0 3）当输入信号频率

?f?fcj?时,

X2?0,这时次级回路总阻抗为:

2222Z2?R2?jX2?Z2e 式中

Z2?R?X,??arctg(X2R)?02,带入得：

1??M?C2??j(2??)Uab?U1eL1Z2 （3-5）

?此式表明,次级回路电压

Uab比初级回路电压

U1??滞后(2?|?|),对应的矢量图

如图3-6(c)所示。从图中可知UD1?UD2,鉴频器的输出电压为：

uo?Kd(UD1?UD2)?0

图3-3 鉴频特性曲线

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东北石油大学本科生课程设计（报告） 由上分析可得鉴频器输出电压u?与频率f的关系曲线如图3-7所示。在

f?fc点, u??0,随着失谐的加大, UD1与UD2幅度的差值增大, u?的幅

值加大。当f?fc时, u?为负。当f?fc时, u?为正。当频率偏离超过fm1和fm2两点时,曲线弯曲,这是由于两输入谐振回路失谐严重, U1和Uab幅度都变小,合成电压也相应减小,鉴频特性曲线下降。

??2.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3-4所示。

图3-4 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3-5 调频、调幅波的波形图

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东北石油大学本科生课程设计（报告） 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3-6所示。

图3-6 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3-7所示。

图3-7输入调频波与输出信号的比较

四、总结及体会

通过这次为期一周的课程设计通过原理分析，调试和问题的解决，使我掌握了电子电器产品开发的过程。使得在日后的工作过程中对其他产品的开发有了一定的了解。

设计过程中查阅了大量有关于高频电子线路的书籍，巩固了以前学过的知识，还掌握了书本上没有的知识。使我懂得了只有在实践中得出理论，才会使我们掌握的更加牢固。同时也使我更加熟练了multisim的使用，以前也用过，但也仅限于

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东北石油大学本科生课程设计（报告） 对于数电内容的仿真，通过本次课设，让我接触到更多的设计模块，为以后更好的使用它打好了基础。这次课程设计我还对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。

这次课程实际使我受益匪浅，不仅在设计方面得到了锻炼而且开发了思维，掌握了更多的知识。

参考资料

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[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

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