調頻波解調電路

1、調頻波解調電路第1頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三作用下產生的，但二者卻是截然不同的兩種信號，如圖5.6.1(a)所示。 就其功能而言，盡管鑒頻器的輸出 是在輸入信號 圖5.6.1 （a）鑒頻器的功能 鑒頻器將輸入調頻波的瞬時頻率 或頻偏 的變化變換成了輸出電壓 的變化，將這種變換特性稱為鑒頻特性。第2頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三 在線性解調的理想情況下，此曲線為直線，但實際上往往有彎曲，呈“S”形，簡稱“S” 曲線，如圖5.6.1(b）所示。用曲線表示為解調輸出電壓與輸入高頻信號瞬時頻率 之間的關系曲線，稱為鑒圖5.6.1 （b）鑒頻特性曲

2、線 或頻偏 頻特性曲線。（鑒頻特性動畫）第3頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三 1鑒頻線性范圍：鑒頻線性范圍是指鑒頻特性曲線中近似直線段的頻率范圍，用 表示。 表明鑒頻器實現(xiàn)不失真的解調所允許的頻率變化范圍。因此要求 應大于輸入調頻波最大頻偏的兩倍，即 也可以稱為鑒頻器的帶寬。二、鑒頻器的主要指標 第4頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三2鑒頻靈敏度 ：在中心頻率附近，單位頻偏產生的解調輸出電壓的大小。（）附近曲線的斜率或 顯然，鑒頻靈敏度越高，意味著鑒頻特性曲線越陡峭，鑒頻能力越強。 第5頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三（調頻

3、波解調方法之一二動畫）的線性網絡，經變換后得到調頻調幅波，其幅度正比于輸入調頻波瞬時頻率的變化，然后通過包絡檢波器輸出反映振幅變化的解調電壓。 三、實現(xiàn)鑒頻的方法 1、斜率鑒頻器（Slope Discriminator）實現(xiàn)鑒頻的方法很多，但常用的有以下幾種：斜率鑒頻的實現(xiàn)模型如圖5.6.2所示。先將輸入調頻波 通過具有合適頻率特性第6頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三 先將輸入調頻波通過具有合適頻率特性的線性變換網絡，將調頻波變換成調頻調相波，其相位的變化與輸入調頻波瞬時頻率的變化成正比，再經相位檢波器（鑒相器）將它與輸入調頻波的瞬時相位進行比較，檢出反映附加相移變化的

4、解調電壓。2、相位鑒頻器（Phase Discriminator）相位鑒頻器的實現(xiàn)模型如圖5.6.3所示。第7頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三 脈沖計數(shù)式鑒頻器是先將輸入調頻波通過具有合適特性的非線性變換網絡，將它變換為調頻等寬脈沖序列。由于該等寬脈沖序列含有反映瞬時頻率變化的平均分量，因而，通過低通濾波器就能輸出反映平均分量變化的解調電壓。也可將該調頻等寬脈沖序列直接通過脈沖計數(shù)器得到反映瞬時頻率變化的解調電壓。 3、脈沖計數(shù)式鑒頻器（Pulse Count Discriminator）這種方法的實現(xiàn)模型如圖5.6.4所示。（脈沖計數(shù)式鑒頻器動畫）第8頁，共75頁，2

5、022年，5月20日，8點49分，星期三 這種鑒頻方法有多種實現(xiàn)電路，為了便于了解這種方法的基本工作原理，圖5.6.5示出了一個實例，包括其組成方框圖（a）和相應的波形圖（b）圖（f）。 4、鎖相鑒頻器 鎖相鑒頻器是利用鎖相環(huán)路實現(xiàn)鑒頻。這種方法將在第6章中討論。 第9頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三第10頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三四、限幅器 限幅器的作用是將輸入信號的振幅變化去掉，得到等幅信號的一種非線性電路。限幅器的限幅特性可以用其輸入電壓 和輸出電壓 來表示。典型的限幅特性曲線如圖5.6.6所示。輸入電壓的幅值超過 時，限幅器輸出電壓

6、 保持 不變。 稱為限幅器的限幅門限電壓或限幅靈敏度，其值越小越好。越小對前級增益的要求越低。 圖5.6.6 典型的限幅特性曲線 第11頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三 而斜率鑒頻器和相位鑒頻器前接入的限幅器屬于振幅限幅器，它的作用是將具有寄生調幅的調頻波變換為等幅的調頻波。如圖5.6.7所示。圖5.6.7 振幅限幅器的作用 限幅器分為瞬時限幅和振幅限幅兩種。 脈沖數(shù)字式鑒頻器中的限幅屬于瞬時限幅器，它的作用是將輸入調頻波變換為等幅方波。 （限幅器作用動畫）第12頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三1、二極管限幅器 圖5.6.8所示電路為150 MH

7、z晶體管調頻接收機中的限幅器。信號頻率（中頻） 選用截止頻率 的晶體管，限幅二極管對 、并聯(lián)反接在回路兩端，是一個零偏二極管限幅 二極管限幅器屬于瞬時雙向限幅電路。圖5.6.8 150 MHz晶體管調頻接收機中的限幅器 第13頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三器，當信號電平小于0.5 V時，二極管基本不導通，對回路影響很小，但當信號電壓大于0.5V時，二極管導通，信號被二極管旁路，所以輸出電壓被限制在峰一峰值上。圖5.6.8 150 MHz晶體管調頻接收機中的限幅器 第14頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三 2、晶體管限幅器 晶體管限幅器電路如圖5.

8、6.9所示，從形式上看，它和一般調諧放大器沒有什么區(qū)別，只是作為限幅使用，工作點的設計應使放大器的線性范圍小，使得調頻信號正半周時的寄生調幅部分進入飽和區(qū)。而負半周時的寄生調幅部分進入截止區(qū)，從而消除寄生調幅。如圖5.6.10中負載線所示。 圖5.6.9 晶體管限幅器電路 第15頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三圖5.6.10 諧振功率放大器的限幅特性 第16頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三 圖5.6.11 差分對管限幅器（a） 限幅電路 （b） 限幅特性 3、差分對管限幅器 差分對管限幅器由單端輸入單端輸出的差分放大器組成，如圖5.6.11（a）

9、所示，其電流傳輸特性如圖（b）所示。顯然具有明顯的雙向限幅的作用。第17頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三幅度的方波，因而其中包含的基波分量振幅也基本恒定。通過諧振于基頻的LC并聯(lián)諧振回路，可在輸出端得到已限幅的調頻波。 電壓 時，輸出電流 波形的上、下端被當輸入調頻信號 的振幅 大于門限繼續(xù)增 削平，此后則是趨近于恒定大，第18頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三5.6.2 斜率鑒頻器 一失諧回路斜率鑒頻器圖5.6.12 單失諧回路斜率鑒頻器 圖5.6.12所示電路為單失諧回路斜率鑒頻器，由LC并聯(lián)回路構成線性頻幅轉換網絡，二極管D與RC構成包絡檢波

10、器。 下面定性討論LC并聯(lián)回路的頻幅轉換特性。 1、單失諧回路斜率鑒頻器原理 （并聯(lián)LC回路的頻幅轉換特性動畫）第19頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三（1）LC并聯(lián)回路的頻幅轉換特性 令則式中 顯然， 為頻率的函數(shù)。第20頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三 由此可以得到LC并聯(lián)回路傳輸特性的幅頻特性，如圖5.6.13（a）所示。 （2）LC并聯(lián)回路傳輸特性圖5.6.13 單失諧回路的工作波形 （單失諧回路斜率鑒頻原理動畫）第21頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三當為FM波時，且 ，回路諧振。此時 對影響不大。 當時，如取 此時

11、式中 為LC并聯(lián)回路幅頻傳輸特性中上升段的斜率，即鑒頻靈敏度。 所以 顯然， 為FMAM波。 第22頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三顯然，諧振回路兩端的信號電壓 的包絡反映了瞬時頻率的變化規(guī)律。單失諧回路斜率鑒頻器的工作波形如圖5.6.14所示。 圖5.6.14 單失諧回路斜率鑒頻器的工作波形 單失諧回路斜率鑒頻器電路簡單，但由于并聯(lián)諧振回路幅頻特性曲線兩邊傾斜部分不是理想直線，因此在頻率幅度變換中會造成非線性失真，即線性鑒頻范圍較小。 第23頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三 為了擴大線性鑒頻范圍，用兩個特性完全相同的單失諧回路斜率鑒頻構成。如圖

12、5.6.15所示。上，下面回路諧振在 上，雙失諧回路斜率鑒頻器又稱為平衡斜率鑒頻器。2、雙失諧回路斜率鑒頻器其中，上面回路諧振在 圖5.6.15 雙失諧回路斜率鑒頻器 第24頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三認為上、下兩包絡檢波器的檢波電壓傳輸系數(shù)均為則雙失諧回路斜率鑒頻器的輸出電壓為： 設上、下兩回路的幅頻特性分別為 和，并，它們各自失諧在調頻波中心頻率（載波）的間隔相等，均為 ，即 的兩側，并且與 第25頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三隨頻率 f（或 ）的變化特性就是將兩個失諧回路的幅頻特性相減后的合成特性，如圖5.6.16（a）所示。由圖可見

13、，合成鑒頻特性曲線形狀除了與兩回路的幅頻特性曲線形狀有關外，主要取決于 的配置。圖5.6.16 雙失諧回路斜率鑒頻器鑒頻特性曲線 （雙失諧回路斜率鑒頻原理動畫）第26頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三若的配置恰當，兩回路幅頻特性曲線中的彎曲部分就可相互補償，合成一條線性范圍較大的鑒頻特性曲線。否則， 過大時，合成的鑒頻特性曲線就會在 附近出現(xiàn)彎曲，如圖5.6.16(b)所示；過小時，合成的鑒頻特性曲線線性范圍就不能有效擴展。 圖5.6.16 雙失諧回路斜率鑒頻器鑒頻特性曲線 第27頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三 圖5.6.17是微波通信接受機中采

14、用的平衡鑒頻器的電路實例。圖5.6.17 實用雙失諧回路斜率鑒頻器 第28頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三調頻信號的載頻頻率35MHz，回路和分別調諧于30MHz和40MHz。電路中有三個諧振回路，回路調諧于輸入 由于3個回路的諧振頻率互不相同，為了減小相互之間的影響，便于調整，該電路沒有采用互感耦合的方法，而是由兩個共基放大器連接，兩個共基放大器不僅可使3個回路相互隔離，而且不影響信號的傳輸。第29頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三二、差分峰值斜率鑒頻器 在集成電路中，廣泛采用的斜率鑒頻電路如圖5.6.18所示的差分峰值斜率鑒頻器。圖5.6.18

15、 集成電路中采用的斜率鑒頻器 第30頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三將輸入調頻波電壓 轉換為兩個幅度按瞬時頻率變化的調頻調幅波電壓和 。和分別通過射極跟隨器T1和T2再分別加到由T3、C3和T4、C4組成的三極管射極包絡檢波器上，檢波器的輸出解調電壓由差分放大器T5和T6放大后作為鑒頻器的輸出電壓 。 顯然，其值與 和的振幅差值（）成正比。與為實現(xiàn)頻幅轉換的線性網絡。圖中第31頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三與組成頻幅轉換網絡功能： 設為回路的電抗 。為的電抗 。為與串聯(lián)后的等效電抗 為與并聯(lián)后的等效電抗 第32頁，共75頁，2022年，5月20

16、日，8點49分，星期三回路的諧振角頻率 令為為與串（并）聯(lián)，于是得到 ，的電抗曲線如圖5.6.19所示。圖5.6.19 線性網絡的電抗曲線 后的諧振角頻率。第33頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三圖5.6.20 鑒頻特性曲線 電阻很大，所以 在負載由于 ，的基極輸入上產生的電壓 的振幅主要由 決定。當 時， 串諧，最小。當 時， 阻抗最小,并諧，阻抗最大， 最大。 又因為 很小， 上電壓 的振幅 主要由 決定。當 時， 并聯(lián)諧振， 很小。如圖5.6.20所示。 最大，當 時， 等效電抗下降很小， 第34頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三均為FMAM波

17、，分所以 ，隨變化，使 、別經包絡檢波器 （三極管射極檢波）檢波后，經 、放大，在 集電極輸出。 當輸入調頻信號 的瞬時頻率 滿足 關系時，解調輸出電壓與調頻信號瞬時頻偏之間有下列關系成立 式中k是差分峰值鑒頻器的增益。第35頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三顯然，調整 的鑒頻靈敏度、線性范圍、中心頻率以及上、下曲線的對稱性等。通常情況下固定 ，調整L。 由于差分峰值斜率鑒頻器具有良好的鑒頻特性，鑒頻線性范圍可達300kHz，因此在集成電路中得到了廣泛的應用。 可以改變鑒頻器特性曲線第36頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三5.6.3 相位鑒頻器 由圖

18、（5.6.3）知，構成相位鑒頻器的框圖中包含兩部分，一是鑒相器，二是能夠實現(xiàn)頻相變換的線性網絡。一鑒相器 鑒相器即相位檢波器，其功能是檢測出兩個信號之間的相位差，并將該相位差轉換為相應的電壓。鑒相器有乘積型和疊加型兩種電路形式。第37頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三 乘積型鑒相器由模擬相乘器和低通濾波器構成，如圖5.6.21所示。圖5.6.21 乘積型鑒相器 1、乘積型鑒相器 設鑒相器的兩個輸入信號分別為： 與二者之間除了有相位差 外，還有 的固定相移。第38頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三不同，鑒相器的工作特點各不相同。 的幅度均較小，為小信號

19、時，當兩個輸入信號 與相乘器的輸出電壓為 根據(jù)乘法器兩個輸入信號 和幅度大小的經過低通濾波器，濾除 中的高頻成分，得到的輸出電壓為： 第39頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三輸出電壓 與兩個輸入信號的相位差 的正弦值成正比，作出的關系曲線即為鑒相器的鑒相特性曲線。 如圖5.6.22所示。這是一條正弦曲線，稱之為正弦鑒相特性。 圖5.6.22 正弦鑒相特性 第40頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三當時， ，此時可得 此式說明：乘積型鑒相器在輸入信號均為小信號的情況下，只有當 時，才能夠實現(xiàn)線性鑒相。式中 為鑒相特性直線段的斜率，稱之為鑒相靈敏度，單位為

20、 。 第41頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三此時，當鑒相器的輸入為調相信號，即 時，得到的鑒相器的解調輸出電壓 實現(xiàn)了對調相波的線性解調。 第42頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三當兩個輸入信號 的幅度較小，為小信號，為大信號時， 控制相乘器使之工作在開關狀態(tài)，輸出電壓為 通過低通濾波器濾除高頻分量得到的輸出為 鑒相特性仍為正弦特性。 第43頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三當兩個輸入信號 與均為大信號時， 由圖可見，當 示出了兩個開關信號相乘后的波形。等寬的雙向脈沖，且頻率加倍，如圖（a）所示，因而相應的平均分量為零。時，相

21、乘后的波形為上、下第44頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三 圖5.6.23 兩個開關波形相乘后的波形 第45頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三寬的雙向脈沖，如圖(b）所示，因而在 的范圍內，經過低通濾波器，取出的平均分量（即解調輸出）為 時（設 ），當相乘后的波形為上、下不等第46頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三圖5.6.24 三角形鑒相特性 相應的鑒相特性曲線如圖5.6.24所示，在 范圍內為一條通過原點的直線，并向兩側周期性重復。 這種鑒相器是比較兩個開關波形的相位差而獲得所需的鑒相電壓，因而又將它稱為符合門鑒相器。 第4

22、7頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三2、疊加型鑒相器 將兩個輸入信號疊加后加到包絡檢波器而構成的鑒相器稱為疊加型鑒相器。為了擴展線性鑒相范圍，一般都采用兩個包絡檢波器組成的平衡電路，如圖5.6.25所示。圖5.6.25 疊加型鑒相器 由圖可見，加到上、下兩包絡檢波器的輸入信號電壓分別為：第48頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三假設 和可分別表示為 超前 一個 的相角。此時可用矢量表示為式中， 和 分別為合成矢量 和 的長度。第49頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三圖5.6.26 和的矢量圖 (a) (b) (c) 根據(jù)矢量疊加原

23、理，可以得到圖5.6.26所示的矢量圖， 顯然，當 時，合成矢量長度 當 時，合成矢量長度 當 時，合成矢量長度第50頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三和經包絡檢波器檢波后，若包絡檢波器的檢波電壓傳輸系數(shù)為 ，則鑒相器的輸出電壓為 當 時， 鑒相器輸出電壓 所以當 時， 鑒相器輸出電壓 且 越大，輸出電壓 就越大。 第51頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三且 的負值越大，輸出電壓 負值就越大。 綜上可知，疊加型平衡鑒相器能將兩個輸入信號的相位差的變化變換為輸出電壓 才具有線性鑒相特性。 當 時， 鑒相器輸出電壓 的變化，實現(xiàn)了鑒相功能。 可以證明，其

24、鑒相特性也具有圖5.6.22所示的形式，即具有正弦鑒相特性，且只有當 比較小時， 第52頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三 目前廣泛采用的是C1和RLC單諧振回路或耦合回路構成的頻率相位變換網絡。 1、C1和RLC單諧振回路的頻相轉換特性 電路如圖（5.6.27）所示。設輸入電壓為 ，RLC回路兩端的輸出電壓為 ，則回路的電壓傳輸特性為 二頻率相位變換網絡 5.6.27 C1和RLC單諧振 回路頻相轉換網絡 第53頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三在失諧不大的情況下，上式可以表示為為： 式中 代入上式并整理得 令，式中為廣義失諧量。 第54頁，共75

25、頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三其中 為幅頻特性 為相頻特性 由此畫出的幅頻特性和相頻特性曲線如圖5.6.28所示。 圖5.6.28 C1和RLC單諧 振回路的頻率特性 第55頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三若則有 于是 可以近似認為 在上下隨 線性變化， 近似為常量。由于 實現(xiàn)了不失真的頻率相位變換功能。 第56頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三對于單頻率調制的FM信號當時， 其瞬時相位 瞬時角頻率 第57頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三輸出信號的相位： 所以， 振幅 的變化可由限幅器限幅掉。得到的 為一調頻

26、調相信號。 第58頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三2、耦合回路頻相變換網絡 圖5.6.29 互感耦合回路頻相變換網絡 耦合回路頻相變換網絡有互感耦合回路和電容耦合回路兩種形式，這里僅介紹互感耦合回路的頻率相位變化特性。 圖5.6.29（a）為互感耦合回路頻相變換網絡。第59頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三圖中，設初、次級回路參數(shù)相同，即 兩回路的損耗相同，耦合系數(shù) ，初、次級回路的中心頻率均為 。為使分析簡單，先作幾個合乎實際的假定： 初、次級回路的品質因數(shù)均較高； 初、次級回路之間的互感耦合比較弱；也保持恒定。 在耦合回路通頻帶范圍內，當 保持

27、恒定，第60頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三 于是可以近似地得到圖（b）所示的等效電路，圖中 初級電流 在次級回路中產生的感應串聯(lián)電動勢為 式中，正、負號取決于初、次級線圈的繞向?，F(xiàn)在假設線圈的繞向使該式取負號。所以 第61頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三回路中產生的電流 式中， 由等效電路圖5.6.29（b）可知，串聯(lián)電動勢 在次級第62頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三由此可得耦合回路的電壓傳輸函數(shù)為 式中 為幅頻特性 為相頻特性 因此， 在次級回路兩端產生的電壓為 第63頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分

28、，星期三圖5.6.30 耦合回路的傳輸函數(shù) （a）幅頻特性 （b）相頻特性 由此畫出的幅頻特性、相頻特性曲線如圖5.6.30所示。 由電壓傳輸函數(shù)知，當回路輸入電壓 的角頻率 變化時，次級回路電壓 超前 一個（ ）的相角，而由次級回路對信號角頻率 的失諧量決定，即 第64頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三當時， 即與輸入調頻波的瞬時頻偏成正比，回路實現(xiàn)了頻相轉換的功能。 實際上， 的幅度也將隨輸入調頻波的瞬時頻率變化，只是這種變化可以通過限幅器限幅掉。 第65頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三三相位鑒頻電路 例如電視接收機伴音的集成電路是采用雙差分對相乘器實現(xiàn)鑒頻的，乘積型相位鑒頻器的實現(xiàn)電路如圖5.6.32所示。 根據(jù)鑒相器的不同，相位鑒頻器分為乘積型和疊加型兩種。1、乘積型相位鑒頻器 乘積型相位鑒頻器又稱為集成差分峰值鑒頻器，或正交移相型鑒頻器。第66頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三圖5.6.32 乘積型相位鑒頻器的實用電路 第67頁，共75頁，2022年，5月20日，8點49分，星期三設經后， 經