基于MC1496的相位鑒頻器電路設(shè)計(jì)與仿真

1、 課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目： 基于MC1496的相位鑒頻器電路 設(shè)計(jì)與仿真 學(xué)生姓名： 薛瑞 學(xué)生學(xué)號(hào)： 1008030313 系 別： 電氣信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 屆 別： 2014屆 指導(dǎo)教師： 馬立憲 電氣信息工程學(xué)院制2013年5月 基于MC1496的相位鑒頻器電路設(shè)計(jì)與仿真學(xué)生：薛瑞指導(dǎo)教師：馬立憲電氣信息工程學(xué)院 電子信息工程專業(yè) 1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 1.1設(shè)計(jì)任務(wù) 本設(shè)計(jì)是通過(guò)模擬乘法器MC1496和低通濾波器組成的乘積型相位鑒頻器，通過(guò)電路設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)仿真波形，將仿真波形與理論比較，分析出設(shè)計(jì)中的誤差。 1.2 設(shè)計(jì)要求（1）乘積性的相位鑒頻器中心頻率10.7MHz。

2、（2）調(diào)制信號(hào)頻率500kHz，用MC1496設(shè)計(jì)頻相轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)和低通濾波器。（3） 輸出波形無(wú)顯著失真。 1.3設(shè)計(jì)研究基礎(chǔ) 1.3.1鑒頻器概述鑒頻器使輸出電壓和輸入信號(hào)頻率相對(duì)應(yīng)的電路。按用途可以分為兩類：第一類用于調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)。常見(jiàn)的有斜率鑒頻器、相位鑒頻器、比例鑒頻器等。對(duì)這類電路的要求主要是非線性失真小，噪聲門限低。第二類用于頻率誤差測(cè)量，如用在自動(dòng)頻率控制環(huán)路中產(chǎn)生誤差信號(hào)的鑒頻器。對(duì)于這類電路的零點(diǎn)漂移限制較嚴(yán)，對(duì)非線性失真和噪聲門限則要求不高。實(shí)現(xiàn)調(diào)頻信號(hào)解調(diào)的鑒頻電路可分為三類，第一類是調(diào)頻調(diào)幅變換型。第二類是相依乘法鑒頻型，這種類型是將調(diào)頻波經(jīng)過(guò)移相電路變成調(diào)相調(diào)頻波，其

3、相位的變化正好與調(diào)頻波瞬時(shí)頻率的變化呈線性關(guān)系，然后將調(diào)相調(diào)頻波與原調(diào)頻波進(jìn)行相位比較，通過(guò)低通濾波器取出解調(diào)信號(hào)，因?yàn)橄辔槐容^器通常用乘法器組成，所以稱為相移乘法鑒頻；第三類是脈沖均值型。 1.3.2鑒頻器的主要參數(shù) 1.3.2.1鑒頻特性(曲線)鑒頻特性曲線指鑒頻器的輸出電壓u0與輸入電壓瞬時(shí)頻率f 或頻偏f 之間的關(guān)系曲線。理想鑒頻特性曲線應(yīng)是一條直線，但實(shí)際上往往有彎曲，呈S形，如下圖所示。 圖 1 理想鑒頻特性曲線 1.3.2.2鑒頻器的主要參數(shù)1）鑒頻器的中心頻率f0 鑒頻器的中心頻率f0對(duì)應(yīng)于鑒頻特性曲線原點(diǎn)處的頻率。通常，由于鑒頻器中心與中頻頻率相同。 2）鑒頻帶寬Bm 鑒頻帶

4、寬Bm:是指鑒頻器能夠不失真地解調(diào)所允許輸入信號(hào)頻率變化的最大范圍。3）鑒頻器的線性度 鑒頻器的線性度：是指鑒頻特性曲線在鑒頻帶寬內(nèi)的線性特性。4）鑒頻跨導(dǎo)SD 鑒頻跨導(dǎo)SD :是指鑒頻器在載頻處的斜率，它表示單位頻偏所能產(chǎn)生的解調(diào)輸出電壓。鑒頻跨導(dǎo)又叫做鑒頻靈敏度。用公式表示為： 跨導(dǎo)也可以理解為將輸入頻率轉(zhuǎn)換為輸出電壓的能力或效率，因此又稱為鑒頻效率。 1.3.3鑒頻方法 1.3.3.1直接鑒頻法直接鑒頻法是直接從調(diào)頻信號(hào)的頻率中提取原來(lái)調(diào)制信號(hào)的方法。主要有脈沖計(jì)數(shù)鑒頻法。 1.3.3.2間接鑒頻法就是先對(duì)調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行變換或處理，再?gòu)淖儞Q后的信號(hào)中提取原調(diào)制信號(hào)的鑒頻方法。又可分為振幅鑒

5、頻法、相位鑒頻法兩大類。本設(shè)計(jì)采用相位鑒頻法，原理如下：相位鑒頻器將輸入的調(diào)頻波UFM做變換，變換成調(diào)相調(diào)頻波UPM/FM,在與調(diào)頻波UFM疊加，在電路參數(shù)與信號(hào)參數(shù)匹配的情況下，得到幅度與調(diào)制信號(hào)呈線性關(guān)系的調(diào)幅調(diào)相調(diào)頻波，最后經(jīng)包絡(luò)檢波，解調(diào)出調(diào)制信號(hào)。鑒相器是用來(lái)比較兩個(gè)同頻輸入電壓U1（t） 和U2(t) 的相位，而輸出電壓 U0(t) 是兩個(gè)輸入電壓相位差的函數(shù)， 即 1.3.4鑒頻器原理說(shuō)明利用模擬乘法器的相乘原理可實(shí)現(xiàn)乘積型相位檢波，其基本原理是：在乘法器的一個(gè)輸入端輸入調(diào)頻波，設(shè)其表達(dá)式為 ： 式中，調(diào)頻系數(shù)，或 其中 為調(diào)制信號(hào)的頻偏。另一輸入端輸入經(jīng)線性移相網(wǎng)絡(luò)移相后的調(diào)頻

6、調(diào)相波，設(shè)其表達(dá)式為： 式中，移相網(wǎng)絡(luò)的相頻特性。這時(shí)乘法器的輸出為 式中，第一項(xiàng)為高頻分量，可以被低通濾波器濾掉。第二項(xiàng)是所需要的頻率分量，只要線性移相網(wǎng)絡(luò)的相頻特性在調(diào)頻波的頻率變化范圍內(nèi)是線性的，當(dāng)，。因此鑒頻器的輸出電壓的變化規(guī)律與調(diào)頻波瞬時(shí)頻率的變化規(guī)律相同，從而實(shí)現(xiàn)了相位鑒頻。2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 2.1 MC1496芯片介紹 模擬乘法器MC1496內(nèi)部電路圖：、 圖2 MC1496內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖3 MC1496引腳圖 MC1496是雙平衡四象限模擬乘法器。其內(nèi)部電路圖和引腳圖如圖 (a)(b)所示。其中Q1、Q2與Q3、Q4組成雙差分放大器，Q5、Q6組成的單差分放大器用以激勵(lì)Q1Q4。

7、Q7、Q8及偏置電路組成差分放大器Q5、Q6的恒流源。引腳8與10接輸入電壓Ux，1與4接另一輸入電壓Uy，輸出電壓U0從引腳6與12輸出。引腳2 與3外接電阻RE，對(duì)差分放大器Q5、Q6產(chǎn)生串聯(lián)電流負(fù)反饋，以擴(kuò)展輸入電壓Uy的線性動(dòng)態(tài)范圍。引腳14為負(fù)電源端（雙電源供電時(shí)）或接地端（單電源供電時(shí)），引腳5外接電阻R5。用來(lái)調(diào)節(jié)偏置電流I5及鏡像電流I0的值。 2.2 主要技術(shù)指標(biāo) 乘積型鑒相器組成方框圖如圖4所示。圖中，兩個(gè)輸入信號(hào)分別為：調(diào)相波 本地參考信號(hào) （2.1）u0u2u1 低通濾波器 圖4 乘積型鑒頻器組成方框圖（1）和均為小信號(hào) 當(dāng)26mV，26mV時(shí)，由式(1-1)可得輸出電

8、流為 式中為乘法器的相乘增益因子。通過(guò)低通濾波器后，上式中第二項(xiàng)被濾除，于是可得輸出電壓為 （2.2） 圖 5 乘積型鑒相器的鑒相特性曲線鑒相器靈敏度為 (2.3)（2) 為小信號(hào)，為大信號(hào)當(dāng)26mV，260mV時(shí)，由式(1-1)可得輸出電流為輸出電壓 （2.4）鑒相器靈敏度為 （2.5） （3) 和均為大信號(hào) 當(dāng)260mV，260mV時(shí)，由式(1-1)可得輸出電流為 （2.6）鑒相器靈敏度為 （2.7） 圖6 電流波形圖 2.3 同步檢波的原理同步檢波分為乘積型和疊加型兩種方式，它們都需要接收端恢復(fù)載波的支持，本設(shè)計(jì)采用乘積型同步檢波。乘積型同步檢波是直接把本地恢復(fù)載波與調(diào)幅信號(hào)相乘，用低通

9、濾波器濾除無(wú)用的高頻分量，提取有用的低頻信號(hào)，它要求恢復(fù)載波與發(fā)射端的載波同頻同相，否則將使恢復(fù)出來(lái)的調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生失真。設(shè)計(jì)中，用MC1496構(gòu)成的振幅調(diào)制電路產(chǎn)生調(diào)幅信號(hào)，然后采用實(shí)驗(yàn)電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的解調(diào)。本設(shè)計(jì)電路的輸出電流中，除了解調(diào)所需要的低頻分量外，其余所有分量都屬于高頻范圍，很容易濾除，因此不需要載波調(diào)零電路，而且可采用單電源供電。本電路可解調(diào)DSB或SSB信號(hào)，亦可解調(diào)AM信號(hào)。MC1496的10腳輸入載波信號(hào)，可用大信號(hào)輸入，一般為100-500mV；1腳輸入已調(diào)信號(hào)，信號(hào)電平應(yīng)使放大器保持在線性工作區(qū)內(nèi)，一般在100mV以下。 2.4 電路原理圖 用MCl496構(gòu)成的乘積型相位

10、鑒頻器電路。 圖7 MCl496構(gòu)成的乘積型相位鑒頻器電 2.5 電路原理圖說(shuō)明圖7中調(diào)頻信號(hào)通過(guò)電纜由輸入端IN輸入,經(jīng)D1和D2組成的雙限幅器整形，除去寄生調(diào)幅，其中一路信號(hào)由MC1496的輸入端8、10輸入，另一路信號(hào)經(jīng)C10、C11、L1、R17、組成的LC串并聯(lián)移相網(wǎng)絡(luò)，變?yōu)檎{(diào)相調(diào)頻波，由1496的輸入端1、4端輸入。LC串并聯(lián)移相網(wǎng)絡(luò)的工作原理另一路經(jīng)LC串并聯(lián)移相網(wǎng)絡(luò)輸出的信號(hào)，產(chǎn)生的的相移為： (2.8)當(dāng)<<1時(shí)，上式可近似表示為 (2.9)或 (2.10)式中為回路的諧振頻率，與調(diào)頻波的中心頻率相等，Q為回路品質(zhì)因數(shù)，為瞬時(shí)頻率偏移。鑒頻器的相移與頻偏的特性曲線

11、如圖8所示。由圖可見(jiàn)：在=即=0時(shí)相位等于，在范圍內(nèi)，相位隨頻偏呈線性變化，從而實(shí)現(xiàn)線性移相。 圖8 相移與頻偏 MCl496的作用是將調(diào)頻波與調(diào)頻調(diào)相波相乘，其輸出經(jīng)R11、C3，C4組成的RC低通濾波網(wǎng)絡(luò)輸出。乘法器鑒相的基本原理設(shè)在乘法器的一個(gè)輸入端輸入調(diào)頻波us(t)設(shè)其表達(dá)式為： (2.11)式中，為調(diào)頻系數(shù)，或，其中為調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生的頻偏。乘法器的輸出中，高頻分量可以被濾波器濾掉。經(jīng)低通濾波器得到所需要的頻率分量為： （2.12）只要線性移相網(wǎng)絡(luò)的相頻特性在調(diào)頻波的頻率變化范圍內(nèi)是線性的，當(dāng) 時(shí)，,所以輸出信號(hào)電壓為： （2.13）因此鑒頻器的輸出電壓的變化規(guī)律與調(diào)頻波瞬時(shí)頻率的變化

12、規(guī)律相同，從而實(shí)現(xiàn)了相位鑒頻。所以相位鑒頻器的線性鑒頻范圍受到移相網(wǎng)絡(luò)相頻特性線性范圍的限制。3 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析 3.1 Multisim軟件介紹Multisim是一個(gè)專門用于電子線路設(shè)計(jì)與仿真的EDA工具軟件，它是加拿大IIT公司（Interactive Image Technologise Ltd.）推出的繼EWB之后的版本。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。NI Multisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強(qiáng)大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。學(xué)生可以很方便地把剛剛學(xué)到的理論知識(shí)用計(jì)算機(jī)仿真真實(shí)的再現(xiàn)出來(lái)，并且可以用虛擬儀器

13、技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。Multisim軟件特點(diǎn):(1)直觀的圖形界面：整個(gè)操作界面就像一個(gè)電子實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測(cè)試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點(diǎn)鼠標(biāo)可用導(dǎo)線將它們連接起來(lái)，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實(shí)物相似，測(cè)量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實(shí)儀器上看到的一樣。(2)豐富的元器件庫(kù)：Multisim大大擴(kuò)充了EWB的元器件庫(kù)， 包括基本元件、半導(dǎo)體器件、運(yùn)算放大器、TTL和CMOS數(shù)字IC、DAC、ADC及其他各種部件，且用戶可通過(guò)元件編輯器自行創(chuàng)建或修改所需元件模型，還可通過(guò)liT公司網(wǎng)站或其代理商獲得元件模型的擴(kuò)充和更新服務(wù)。(3)豐富的測(cè)試儀器：除

14、EWB具備的數(shù)字萬(wàn)用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、雙通道示波器、掃頻儀、字信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀和邏輯轉(zhuǎn)換儀外，Multisim 新增了瓦特表、失真分析儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀。尤其與EWB不同的是：所有儀器均可多臺(tái)同時(shí)調(diào)用。(4)完備的分析手段：除了EWB提供的直流工作點(diǎn)分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、噪聲分析、失真分析、參數(shù)掃描分析、溫度掃描分析、極點(diǎn)一零點(diǎn)分析、傳輸函數(shù)分析、靈敏度分析、最壞情況分析和蒙特卡羅分析外，Multisim 新增了直流掃描分析、批處理分析、用戶定義分析、噪聲圖形分析和射頻分析等，基本上能滿足一般電子電路的分析設(shè)計(jì)要求。(5)強(qiáng)大的仿真能力：Multisim 既可對(duì)

15、模擬電路或數(shù)字電路分別進(jìn)行仿真，也可進(jìn)行數(shù)?；旌戏抡妫绕涫切略隽松漕l(RF) 電路的仿真功能。仿真失敗時(shí)會(huì)顯示出錯(cuò)信息、提示可能出錯(cuò)的原因，仿真結(jié)果可隨時(shí)儲(chǔ)存和打印。（6）Multisim軟件的使用:首先打開Multisim軟件，可在菜單欄中點(diǎn)擊place按鈕選中component，這時(shí)可以彈出select a component窗口，在group欄是器件的大的分類，下面是器件的具體類型，并可以在中間的component欄中挑選所需器件的數(shù)值大小，在最右邊的symbol欄中可以觀看選中器件的圖標(biāo)。器件選好后可以點(diǎn)擊ok按鈕，這回可以返回繪圖界面，在適當(dāng)?shù)奈恢脝螕舴胖盟x的器件。此外，還可以在

16、繪圖界面的最右邊的工具欄中選擇萬(wàn)用表、示波器等相關(guān)測(cè)量工具。 3.2仿真結(jié)果分析乘積型相位鑒頻器的輸入調(diào)頻波的波形如下圖9所示。 圖9輸入調(diào)頻波的波形圖模塊一后，調(diào)頻波變換為調(diào)頻、調(diào)幅波，其輸出波形如下圖10所示。原調(diào)頻信號(hào)為等幅的調(diào)頻波，波形僅有有疏密之別，經(jīng)變換電路變換后，波形振幅不等，形成包絡(luò)。 圖10 調(diào)頻、調(diào)幅波的波形圖再經(jīng)模塊二，即二極管包絡(luò)檢波器檢波之后，輸出所需的原調(diào)制信號(hào)，得到的仿真波形圖如下圖11所示。 圖12 乘積型鑒頻器輸出的原調(diào)制信號(hào)波形圖將原輸入的調(diào)頻波與經(jīng)雙失諧回路鑒頻器鑒頻之后輸出的原調(diào)制信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，其仿真波形如下圖13所示。 圖13輸入調(diào)頻波與輸出信號(hào)的比較

17、4 總結(jié)及體會(huì)通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我對(duì)課程學(xué)習(xí)又進(jìn)了一層，這次課程設(shè)計(jì)使我又鞏固了以前的高頻課本，以及老師指導(dǎo)我們做的實(shí)驗(yàn)，深刻領(lǐng)會(huì)到了課程學(xué)習(xí)的重要性，激發(fā)我的學(xué)習(xí)積極性，通過(guò)這次設(shè)計(jì)也使我對(duì)multisim軟件有了一定的了解，能夠畫出基本的電路圖，學(xué)會(huì)了一些基本電路的仿真；同時(shí)，也使我對(duì)word的基本操作更加的熟練，能夠靈活是現(xiàn)行word的一些基本操作。這些都促使我去努力搞好我的課程設(shè)計(jì)，更好的學(xué)習(xí)其他課程。為期幾周的課程設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)首先對(duì)高頻電路原理與分析課程的到了復(fù)習(xí)和應(yīng)用。并且對(duì)所學(xué)的知識(shí)的到了應(yīng)用。使得理論與實(shí)踐相結(jié)合，對(duì)知識(shí)的掌握更佳的熟練。之后分析電路實(shí)現(xiàn)的

18、方案，對(duì)不同的電路進(jìn)行分析，結(jié)合任務(wù)要求找出最好的電路方案。并設(shè)計(jì)出它的總體電路圖，了解電路圖的各部分功能和電路實(shí)現(xiàn)的具體過(guò)程。本次是要設(shè)計(jì)鑒頻器，鑒頻的目的就是從調(diào)頻波中檢出低頻調(diào)制信號(hào)，即完成頻率電壓的變換作用。這次課程設(shè)計(jì)業(yè)使我明白了在知識(shí)的領(lǐng)域里我還有很多很多的不足，并且再一次的深深的體會(huì)到理論和實(shí)踐之間還有很到的差別。在以后的學(xué)習(xí)中應(yīng)該多多的注意實(shí)踐知識(shí)的訓(xùn)練和積累。在以后的學(xué)習(xí)生活中要不斷的開拓自己的動(dòng)手能力，不斷的訓(xùn)練自己的動(dòng)手能力。這次課程設(shè)計(jì)讓我深深的明白了自己以后該做什么，該怎么去做。這次課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)業(yè)讓我復(fù)習(xí)了高頻電子線路原理與分析的相關(guān)知識(shí)。通過(guò)這次試驗(yàn)我復(fù)習(xí)了鑒頻

19、電路的設(shè)計(jì)。5 參考文獻(xiàn)1 程?hào)|紅 主編 電子線路(第四版)M 高等教育出版社,1979 2 康華光 主編 電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版M 高等教育出版社,1990 3 侯麗敏 主編 通信電子線路M 華大學(xué)出版社 高等教育出版社,19894 謝自美 主編 電子線路設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、測(cè)試 M 華中理工大學(xué)出版社,19955 王紫婷 主編 電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教程M.成都西南交大出版社,1997. 6 劉 泉 主編 通信電子線路M 武漢理工大學(xué)出版社,19966附錄 附1： 表：設(shè)計(jì)電路所用器件清單序號(hào)名稱規(guī)格數(shù)量(個(gè))1三極管2N222282二極管1N571913電容4pF14電容5pF15電容15pF16電