基于MC1496的相位鑒頻器電路設(shè)計與仿真

1、 課程設(shè)計報告題 目： 基于MC1496的相位鑒頻器電路 設(shè)計與仿真 學生姓名： 薛瑞 學生學號： 1008030313 系 別： 電氣信息工程學院 專 業(yè)： 電子信息工程 屆 別： 2014屆 指導教師： 馬立憲 電氣信息工程學院制2013年5月 基于MC1496的相位鑒頻器電路設(shè)計與仿真學生：薛瑞指導教師：馬立憲電氣信息工程學院 電子信息工程專業(yè) 1 設(shè)計任務(wù)及要求 1.1設(shè)計任務(wù) 本設(shè)計是通過模擬乘法器MC1496和低通濾波器組成的乘積型相位鑒頻器，通過電路設(shè)計，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)計中的誤差。 1.2 設(shè)計要求（1）乘積性的相位鑒頻器中心頻率10.7MHz。

2、（2）調(diào)制信號頻率500kHz，用MC1496設(shè)計頻相轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)和低通濾波器。（3） 輸出波形無顯著失真。 1.3設(shè)計研究基礎(chǔ) 1.3.1鑒頻器概述鑒頻器使輸出電壓和輸入信號頻率相對應(yīng)的電路。按用途可以分為兩類：第一類用于調(diào)頻信號的解調(diào)。常見的有斜率鑒頻器、相位鑒頻器、比例鑒頻器等。對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量，如用在自動頻率控制環(huán)路中產(chǎn)生誤差信號的鑒頻器。對于這類電路的零點漂移限制較嚴，對非線性失真和噪聲門限則要求不高。實現(xiàn)調(diào)頻信號解調(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)頻波進行相位比較，通過低通濾波器取出解調(diào)信號，因為相位比較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對應(yīng)于鑒頻特性曲線原點處的頻率。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SD 鑒頻跨導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。鑒頻跨導又叫做鑒頻靈敏度。用公式表示為： 跨導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)頻信號的頻率中提取原來調(diào)制信號的方法。主要有脈沖計數(shù)鑒頻法。 1.3.3.2間接鑒頻法就是先對調(diào)頻信號進行變換或處理，再從變換后的信號中提取原調(diào)制信號的鑒頻方法。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)與信號參數(shù)匹配的情況下，得到幅度與調(diào)制信號呈線性關(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。鑒相器是用來比較兩個同頻輸入電壓U1（t） 和U2(t) 的相位，而輸出電壓 U0(t) 是兩個輸入電壓相位差的函數(shù)， 即 1.3.4鑒頻器原理說明利用模擬乘法器的相乘原理可實現(xiàn)乘積型相位檢波，其基本原理是：在乘法器的一個輸入端輸入調(diào)頻波，設(shè)其表達式為 ： 式中，調(diào)頻系數(shù)，或 其中 為調(diào)制信號的頻偏。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)其表達式為： 式中，移相網(wǎng)絡(luò)的相頻特性。這時乘法器的輸出為 式中，第一項為高頻分量，可以被低通濾波器濾掉。第二項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，。因此鑒頻器的輸出電壓的變化規(guī)律與調(diào)頻波瞬時頻率的變化規(guī)律相同，從而實現(xiàn)了相位鑒頻。2系統(tǒng)方案設(shè)計 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，對差分放大器Q5、Q6產(chǎn)生串聯(lián)電流負反饋，以擴展輸入電壓Uy的線性動態(tài)范圍。引腳14為負電源端（雙電源供電時）或接地端（單電源供電時），引腳5外接電阻R5。用來調(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 乘積型鑒相器組成方框圖如圖4所示。圖中，兩個輸入信號分別為：調(diào)相波 本地參考信號 （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 當26mV，26mV時，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。通過低通濾波器后，上式中第二項被濾除，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，為大信號當26mV，260mV時，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 當260mV，260mV時，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載波的支持，本設(shè)計采用乘積型同步檢波。乘積型同步檢波是直接把本地恢復載波與調(diào)幅信號相乘，用低通

9、濾波器濾除無用的高頻分量，提取有用的低頻信號，它要求恢復載波與發(fā)射端的載波同頻同相，否則將使恢復出來的調(diào)制信號產(chǎn)生失真。設(shè)計中，用MC1496構(gòu)成的振幅調(diào)制電路產(chǎn)生調(diào)幅信號，然后采用實驗電路實現(xiàn)信號的解調(diào)。本設(shè)計電路的輸出電流中，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，亦可解調(diào)AM信號。MC1496的10腳輸入載波信號，可用大信號輸入，一般為100-500mV；1腳輸入已調(diào)信號，信號電平應(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 電路原理圖說明圖7中調(diào)頻信號通過電纜由輸入端IN輸入,經(jīng)D1和D2組成的雙限幅器整形，除去寄生調(diào)幅，其中一路信號由MC1496的輸入端8、10輸入，另一路信號經(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，產(chǎn)生的的相移為： (2.8)當<<1時，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：在=即=0時相位等于，在范圍內(nèi)，相位隨頻偏呈線性變化，從而實現(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)在乘法器的一個輸入端輸入調(diào)頻波us(t)設(shè)其表達式為： (2.11)式中，為調(diào)頻系數(shù)，或，其中為調(diào)制信號產(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 時，,所以輸出信號電壓為： （2.13）因此鑒頻器的輸出電壓的變化規(guī)律與調(diào)頻波瞬時頻率的變化

12、規(guī)律相同，從而實現(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是一個專門用于電子線路設(shè)計與仿真的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大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進行設(shè)計和驗證。學生可以很方便地把剛剛學到的理論知識用計算機仿真真實的再現(xiàn)出來，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:(1)直觀的圖形界面：整個操作界面就像一個電子實驗工作臺，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點鼠標可用導線將它們連接起來，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實物相似，測量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的一樣。(2)豐富的元器件庫：Multisim大大擴充了EWB的元器件庫， 包括基本元件、半導體器件、運算放大器、TTL和CMOS數(shù)字IC、DAC、ADC及其他各種部件，且用戶可通過元件編輯器自行創(chuàng)建或修改所需元件模型，還可通過liT公司網(wǎng)站或其代理商獲得元件模型的擴充和更新服務(wù)。(3)豐富的測試儀器：除

14、EWB具備的數(shù)字萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、雙通道示波器、掃頻儀、字信號發(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：所有儀器均可多臺同時調(diào)用。(4)完備的分析手段：除了EWB提供的直流工作點分析、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、極點一零點分析、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)計要求。(5)強大的仿真能力：Multisim 既可對

15、模擬電路或數(shù)字電路分別進行仿真，也可進行數(shù)?；旌戏抡?，尤其是新增了射頻(RF) 電路的仿真功能。仿真失敗時會顯示出錯信息、提示可能出錯的原因，仿真結(jié)果可隨時儲存和打印。（6）Multisim軟件的使用:首先打開Multisim軟件，可在菜單欄中點擊place按鈕選中component，這時可以彈出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。器件選好后可以點擊ok按鈕，這回可以返回繪圖界面，在適當?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用表、示波器等相關(guān)測量工具。 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，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)制信號進行對比，其仿真波形如下圖13所示。 圖13輸入調(diào)頻波與輸出信號的比較

17、4 總結(jié)及體會通過這次課程設(shè)計使我對課程學習又進了一層，這次課程設(shè)計使我又鞏固了以前的高頻課本，以及老師指導我們做的實驗，深刻領(lǐng)會到了課程學習的重要性，激發(fā)我的學習積極性，通過這次設(shè)計也使我對multisim軟件有了一定的了解，能夠畫出基本的電路圖，學會了一些基本電路的仿真；同時，也使我對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，更好的學習其他課程。為期幾周的課程設(shè)計已經(jīng)接近尾聲。通過這次課程設(shè)計首先對高頻電路原理與分析課程的到了復習和應(yīng)用。并且對所學的知識的到了應(yīng)用。使得理論與實踐相結(jié)合，對知識的掌握更佳的熟練。之后分析電路實現(xiàn)的

18、方案，對不同的電路進行分析，結(jié)合任務(wù)要求找出最好的電路方案。并設(shè)計出它的總體電路圖，了解電路圖的各部分功能和電路實現(xiàn)的具體過程。本次是要設(shè)計鑒頻器，鑒頻的目的就是從調(diào)頻波中檢出低頻調(diào)制信號，即完成頻率電壓的變換作用。這次課程設(shè)計業(yè)使我明白了在知識的領(lǐng)域里我還有很多很多的不足，并且再一次的深深的體會到理論和實踐之間還有很到的差別。在以后的學習中應(yīng)該多多的注意實踐知識的訓練和積累。在以后的學習生活中要不斷的開拓自己的動手能力，不斷的訓練自己的動手能力。這次課程設(shè)計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)計課程設(shè)計業(yè)讓我復習了高頻電子線路原理與分析的相關(guān)知識。通過這次試驗我復習了鑒頻

19、電路的設(shè)計。5 參考文獻1 程東紅 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 華大學出版社 高等教育出版社,19894 謝自美 主編 電子線路設(shè)計、實驗、測試 M 華中理工大學出版社,19955 王紫婷 主編 電子技術(shù)實驗教程M.成都西南交大出版社,1997. 6 劉 泉 主編 通信電子線路M 武漢理工大學出版社,19966附錄 附1： 表：設(shè)計電路所用器件清單序號名稱規(guī)格數(shù)量(個)1三極管2N222282二極管1N571913電容4pF14電容5pF15電容15pF16電