相位鉴频器

乘积型相位鉴频设计与仿真
1.鉴频器概述
鉴频器使输出电压和输入信号频率相对应的电路。按用途可以分为两类: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。对于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。
实现调频信号解调的鉴频电路可分为三类,第一类是调频——调幅变换型。第二类是相依乘法鉴频型,这种类型是将调频波经过移相电路变成调相调频波,其相位的变化正好与调频波瞬时频率的变化呈线性关系,然后将调相调频波与原调频波进行相位比较,通过低通滤波器取出解调信号,因为相位比较器通常用乘法器组成,所以称为相移乘法鉴频;第三类是脉冲均值型。
2.鉴频器的主要参数
2.1鉴频特性(曲线)
指鉴频器的输出电压u0与输入电压瞬时频率f 或频偏Δf 之间的关系曲线。
理想鉴频特性曲线应是一条直线,但实际上往往有弯曲,呈S形,如下图所示。
书录解题
2.2鉴频器的主要参数
1)鉴频器的中心频率f0
        鉴频器的中心频率f0对应于鉴频特性曲线原点处的频率。通常,由于鉴频器中心与中
频频率相同。                     
2)鉴频带宽Bm
      鉴频带宽Bm:是指鉴频器能够不失真地解调所允许输入信号频率变化的最大范围。
3)鉴频器的线性度
      鉴频器的线性度:是指鉴频特性曲线在鉴频带宽内的线性特性。
一个人对话4)鉴频跨导SD
      鉴频跨导SD :是指鉴频器在载频处的斜率,它表示单位频偏所能产生的解调输出电压。鉴频跨导又叫做鉴频灵敏度。用公式表示为:
 
跨导也可以理解为将输入频率转换为输出电压的能力或效率,因此又称为鉴频效率
3.鉴频方法
3.1直接鉴频法
是直接从调频信号的频率中提取原来调制信号的方法。主要有脉冲计数鉴频法。
3.2间接鉴频法
就是先对调频信号进行变换或处理,再从变换后的信号中提取原调制信 号的鉴频方法。又可分为振幅鉴频法、相位鉴频法两大类。
本设计采用相位鉴频法,原理如下:
相位鉴频器将输入的调频波UFM做变换,变换成调相调频波UPM/FM,在与调频波UFM叠加,在电路参数与信号参数匹配的情况下,得到幅度与调制信号呈线性关系的调幅调相调频波,最后经包络检波,解调出调制信号。
鉴相器是用来比较两个同频输入电压U1t U2(t) 的相位,而输出电压 U0(t) 是两个输入电压相位差的函数,
3.2乘积型相位鉴频器原理说明
利用模拟乘法器的相乘原理可实现乘积型相位检波,其基本原理是:在乘法器的一个输入端输入调频波,设其表达式为
 
式中,——调频系数,,其中为调制信号的频偏。
另一输入端输入经线性移相网络移相后的调频调相波,设其表达式为:
式中,——移相网络的相频特性。
这时乘法器的输出
                                      
式中,第一项为高频分量,可以被低通滤波器滤掉。第二项是所需要的频率分量,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。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。
4.乘积型相位鉴频器实验电路说明及仿真设计
4.1乘积型相位鉴频器电路
MC1496构成的乘积型相位鉴频器电路如图4-12所示。
4--12  MC1496构成的相位鉴频器
其中与并联谐振回路共同组成线性移相网络,将调频波的瞬时频率的变化转变成瞬时相位的变化。分析表明,该网络的传输函数的相频特性的表达式为:
         
时,上式近似表示为:
       
式中回路的谐振频率,与调频波的中心频率相等。                           
回路品质因数。
瞬时频率偏移。                               
相移与频偏的特性曲线如图所示。                       
由图可见:在的范围内,相位与频偏呈线性关系,从而实现线性移相
MC1496的作用是将调频波与调频调相波相乘,其输出端接集成运放构成的差分放大器,将双端输出变成单端输出,再经R0C0滤波网络输出。
可见:在我的电脑我做主捷丰场站的范围内,相位与频偏呈线性关系,从而实现线性移相。
4.2仿真电路设计及结果分析
相位鉴频器整体仿真电路图
仿真结果:
5.MC1496鉴频电路的鉴频实物实验
5.1鉴频电路的鉴频操作过程
1.首先测量鉴频器的静态工作点(使电路工作在平衡状态),再调谐并联谐振回路,使其谐振(谐振频率MHz)。
2.再从端输入的载波(不接相移网络,),调节平衡电位器RP 使载波抑制最佳
3.然后接入移相网络,输入调频波,其中心频率,调制信号的频率,最大频偏,调节谐振回路使输出端获得的低频调制信号的波形失真最小,幅度最大。
5.2鉴频特性曲线(S曲线)的测量方法
测量鉴频特性曲线的常用方法有逐点描迹法和扫频测量法
逐点描迹法的操作是:用高频信号发生器作为信号源加到鉴频器的输入端,先调节中心频率,输出幅度。鉴频器的输出端接数字万用表(置于“直流电压”档)测量输出电压值。(调谐并联谐振回路,使其谐振)。再改变高频信号发生器的输出频率(维持幅度不变),记下对应的输出电压值,并填入表4-5;最后根据表中测量值描绘S曲线。
扫频测量法的操作是:将扫频仪(如BT-3型)的输出信号加到鉴频器的输入端,扫频仪的检波探头电缆换成夹子电缆线接到鉴频器的输出端,先调节BT-3的“频率偏移”、“输出衰减”和“Y轴增益”等旋钮,使BT-3上直接显示出鉴频特性,利用“频标”可绘出S曲线。调节谐振回路电容,平衡电位器RP可改变S曲线的斜率和对称性。
5.3测试数据记录
4-5  鉴频特性曲线的测量值
格致中学
/MHz
……
……
10. 5
10.6
10.7
10.8
10.9
……
/mV

 
  课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。
    此次课程设计主要针对信号接收电路提出自己的设计方案,并利用仿真软件来实现自己的设计电路图。设计中用到了高频小信号电路,混频电路,晶体振荡电路,鉴频电路等在高频电子线路课程中学到的知识。由于对所学电路不熟悉,导致在设计的过程中无法画出正确的电路图,算不出电路中元器件的参数,使得在设计过程中绕了许多弯路,做了许多的无用功。
设计过程中查阅了大量的有关高频电子线路设计的书籍,巩固了以前所学过的知识,而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的必要性,只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,才能真正为社会服务,从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题,可以说得是困难重重,这毕竟跟平时的理论还是存在着很大的差异,难免会遇到过各种各样的问题,同时在设计的过程中发现了自己的不足之处,对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固。总之,通过这次课程设计之后,我发现自己的不足之处还很多,我下去以后一定把以前所学过的知识重新温故。

参考文献
[1] Multisim 电路设计及仿真应用 清华大学出版社
[2] 《通信电子线路》主编:侯丽敏  华大学出版社
[3] 《电子线路设计、实验、测试》主编:谢自美  华中理工大学出版社
[4] 《电子技术实验教程[M]》主编:王紫婷    成都:西南交大出版社,1997.
[5] 《通信电子线路》主编:刘泉  武汉理工大学出版社
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