高頻課程報告-鑒頻電路設(shè)計

課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名：專業(yè)班級：電子0802指導(dǎo)教師：鐘毅工作單位：信息工程學(xué)院題目：鑒頻電路設(shè)計初始條件：具較扎實的電子電路的理論知識及較強(qiáng)的實踐能力；對電路器件的選型及電路形式的選擇有一定的了解；具備高頻電子電路的基本設(shè)計能力及基本調(diào)試能力；能夠正確使用實驗儀器進(jìn)行電路的調(diào)試與檢測。要求完成的主要任務(wù)：1.采用二極管完成一個鑒頻器的設(shè)計。2.設(shè)計變換電路并進(jìn)行調(diào)試，3.輸入調(diào)頻波，觀測鑒頻器的輸入、輸出波形，4.完成課程設(shè)計報告（應(yīng)包含電路圖，清單、調(diào)試及設(shè)計總結(jié)）。時間安排：1．2011年6月3日分班集中，布置課程設(shè)計任務(wù)、選題；講解課設(shè)具體實施計劃與課程設(shè)計報告格式的要求；課設(shè)答疑事項。2．2011年6月4日至2011年6月9日完成資料查閱、設(shè)計、制作與調(diào)試；完成課程設(shè)計報告撰寫。3.2011年6月10日提交課程設(shè)計報告，進(jìn)行課程設(shè)計驗收和答辯。指導(dǎo)教師簽名：年月日系主任（或責(zé)任教師）簽名：年月日目錄摘要 IAbstract II緒論 11頻率解調(diào)原理分析 2理論分析 2變換電路分析 3包絡(luò)檢波 32電路設(shè)計 4變換電路設(shè)計 4檢波器的設(shè)計 4檢波器的失真 5惰性失真 5底部切削失真 63FM-AM變換電路設(shè)計 73.1整體電路設(shè)計 7載波產(chǎn)生電路設(shè)計 73.3乘法器設(shè)計 83.4電壓跟隨器設(shè)計 94電路實現(xiàn)與測試 104.1實物制作 104.2電路測試 124.2.1FM—AM波形測量 12鑒頻波形測量 13鑒頻特性曲線 145總結(jié) 15參考文獻(xiàn) 16附錄1總體電路圖 17附錄2PCB制版圖 18附錄3元件清單 19摘要調(diào)制解調(diào)是通信系統(tǒng)中重要組成部分。調(diào)頻信號（FM）更是具有良好好抗噪性能，因而在通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。鑒頻電路是調(diào)頻信號解調(diào)的重要部分。鑒頻有很多方法，本設(shè)計采用調(diào)諧回路實現(xiàn)FM信號到FM—AM信號的變化，再利用二極管包絡(luò)檢波器實現(xiàn)調(diào)頻信號的解調(diào)。本設(shè)計實現(xiàn)二極管鑒頻器，具有良好的鑒頻效果，輸出波形失真度小。二極管鑒頻器具有線路簡單，調(diào)試方便，線性度好等優(yōu)點。關(guān)鍵詞：FM、檢波器、解調(diào)AbstractModulatoranddemodulatorModemisanimportantpartofcommunicationsystems.Frequencymodulationsignal(FM)withgoodnoiseimmunityhasbeenwidelyusedinthecommunicationsystem.FrequencyIdentificationcircuitisanimportantpartoftheFrequencymodulationsignaldemodulation.TherearemanywaystoachieveIdentification.FrequencymodulationtunercircuitsignaltoFM-AMsignalchanges,re-usethediodeenvelopedetectortoachieveFrequencymodulationsignaldemodulation.TheDesignandImplementationofdiodefrequency,hasagoodIdentificationeffects,outputwaveformdistortionsmall.DiodeFrequencyIdentificationcircuitwithasimple,convenientdebugging,andgoodlinearity.

Keywords:FM,detector,demodulator緒論在無線電中，角度調(diào)制是一種重要方式，它包括頻率調(diào)制和相位調(diào)制。頻率調(diào)制又稱調(diào)頻（FM），它是使高頻振蕩信號的頻率按調(diào)制信號的規(guī)律變化（瞬時頻率變化的大小與調(diào)制信號成線性關(guān)系），而振幅保持恒定的一種調(diào)制方式。角度調(diào)制屬于頻譜非線性搬移電路，即已調(diào)信號的頻譜結(jié)構(gòu)不再保持原調(diào)制信號的頻譜的內(nèi)部機(jī)構(gòu)，且調(diào)制信號后的信號帶寬比原調(diào)制信號帶寬大得多。雖然角度調(diào)制信號的頻帶利用率不高，但其抗干擾和噪聲的能力特別強(qiáng)，故該調(diào)制模式得到了廣泛的應(yīng)用。解調(diào)是調(diào)制的逆過程。調(diào)制方式不同，解調(diào)方法也不一樣。與調(diào)制的分類相對應(yīng)，解調(diào)可分為正弦波解調(diào)（有時也稱為連續(xù)波解調(diào)）和脈沖波解調(diào)。正弦波解調(diào)還可再分為幅度解調(diào)、頻率解調(diào)和相位解調(diào)，此外還有一些變種如單邊帶信號解調(diào)、殘留邊帶信號解調(diào)等。同樣，脈沖波解調(diào)也可分為脈沖幅度解調(diào)、脈沖相位解調(diào)、脈沖寬度解調(diào)和脈沖編碼解調(diào)等。對于多重調(diào)制需要配以多重解調(diào)。鑒頻器是輸出電壓和輸入信號頻率相對應(yīng)的電路。按用途可分為兩類。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。對這類電路的零點漂移限制較嚴(yán)，對非線性失真和噪聲門限則要求不高。1頻率解調(diào)原理分析1.1理論分析角調(diào)波的解調(diào)就是從角調(diào)波中恢復(fù)原調(diào)制信號的過程。調(diào)頻波的解調(diào)電路稱為頻率檢波器或鑒頻器。鑒頻器的功能是將輸入調(diào)頻波的瞬時頻率變換為相應(yīng)的解調(diào)輸出電壓。具有如圖所示的傳輸特性。對于鑒頻器，要求線性范圍寬，線性度要好，實際電路鑒頻特性都有一定的限制。鑒頻器的另一個要求是鑒頻跨導(dǎo)要大，鑒頻跨導(dǎo)就是鑒頻特性在載頻處的斜率，它表示的是單位頻偏所能產(chǎn)生的解調(diào)輸出電壓。鑒頻跨導(dǎo)又叫鑒頻靈敏度。[1](1.1)

FM信號解調(diào)有多種方法，主要由直接鑒頻法和間接鑒頻法。直接鑒頻的原理框圖如圖1.1所示：包括變換電路與包絡(luò)檢波兩部分。通過變換電路將等幅的調(diào)頻信號（FM）變換為振幅也隨瞬時頻率變化、既調(diào)頻又調(diào)幅的FM—AM波。再通過包絡(luò)檢波器就可以實現(xiàn)FM信號的解調(diào)，得到調(diào)制信號。圖1.1鑒頻框圖1.2變換電路分析變化電路要實現(xiàn)FM到FM-AM波的變換功能。可以使用直接微分法設(shè)調(diào)制信號為，則調(diào)頻波為：[1](1.2)對該式直接微分可得(1.3)電壓u的振幅與瞬時頻率成正比。因此，上式就是FM—AM波。由于遠(yuǎn)大于頻偏，包絡(luò)不會出現(xiàn)負(fù)值。經(jīng)過包絡(luò)檢波器檢波后就可以得到原調(diào)制信號。以上過程說明，只要將調(diào)頻波直接微分，就可以很方便的用包絡(luò)檢波器實現(xiàn)鑒頻。微分器的功能也可以有其他具有線性幅頻特性的網(wǎng)絡(luò)代替，可以用帶通網(wǎng)絡(luò)利用單調(diào)諧回路實現(xiàn)波形變化。1.3包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波是指解調(diào)器輸出電壓與輸入已調(diào)波的包絡(luò)成正比的檢波方法[2]。由于AM信號的包絡(luò)與調(diào)制信號成線性關(guān)系，因此檢波只適用于AM波。原理框圖如圖1.2所示。由非線性器件和低通率組成，包絡(luò)檢波最常用的是二極管包絡(luò)檢波器。圖1.2包絡(luò)檢波框圖2電路設(shè)計2.1變換電路設(shè)計變換電路采用調(diào)諧回路實現(xiàn)頻率幅值的變換?；芈返闹C振頻率高于FM波的載頻，并盡量利用幅頻特性的傾斜部分。當(dāng)頻率大于載頻時回路兩端的電壓大，當(dāng)頻率小于載頻時回路兩端電壓小，形成FM—AM波形。電路如圖2.1所示，由變壓器和電容組成，變壓器與電容組成LC調(diào)諧回路。同時變壓器可以實現(xiàn)阻抗匹配。電路的參數(shù)可以根據(jù)調(diào)諧回路的諧振計算公式確定。單級調(diào)諧回路的諧振頻率由下式?jīng)Q定。即可確定電容值的大小。[3](2.4)圖2.1FM—AM變換電路圖2.2檢波器的設(shè)計由于二極管檢波器電路簡單線性度好，采用二極管檢波可以獲得良好的檢波效果。二極管檢波器由二極管整流和低通濾波兩部分組成，電路如圖2.2所示。二極管具有單向?qū)ㄐ?，可以將交流信號整成直流。RC電路作為檢波器的負(fù)載在兩端產(chǎn)生調(diào)制頻率電壓，同時啟動低通濾波的效果。由于二極管具有導(dǎo)通電壓，所以需要工作在大信號條件下。二極管通常選用導(dǎo)通電壓小、導(dǎo)通電阻小的鍺管。本設(shè)計采用5819鍺管實現(xiàn)信號的整流輸出。后級采用RC低通濾波，濾掉高頻成分。RC的值由調(diào)制信號頻率決定。圖2.2二極管解調(diào)電路圖2.3檢波器的失真在二極管截止期間，電容C兩端電壓下降的速度取決于RC的時間常數(shù)。如果RC時間常數(shù)過大，則下降速度很慢，會使得輸入電壓的下一個正峰值來到時仍然小于，輸入AM信號包絡(luò)下降速度小于電容兩端電壓下降速度。因而，檢波器輸出電壓按照RC放電規(guī)律變化，形成如圖所示的波形，這種失真成為惰性失真。為了避免惰性失真，必須在任何一個高頻周期內(nèi)，使電容C通過R放電的速度大于或等于包絡(luò)的下降速度。(2.5)輸入為AM信號，則可以得到包絡(luò)變化的速度(2.6)二極管停止導(dǎo)通的瞬間，電容兩端電壓近似為輸入電壓包絡(luò)值，則根據(jù)上式可以得到(2.7)從而可以得到無惰性失真的檢驗公式:(2.8)底部切削失真又叫做負(fù)峰切削失真。產(chǎn)生這種失真后，輸出電壓的波形如圖所示。這種失真是由于檢波器的交直流負(fù)載不同引起的。為了避免底部切削失真應(yīng)該滿足(2.9)即可得到無失真的檢驗條件(2.10)工程上減小檢波器交直流負(fù)載的差別有兩種措施：一是在檢波器與低放之間插入高輸入阻抗的射極跟隨器，二是將R分成R1和R2，R=R1+R2。3FM-AM變換電路設(shè)計3.1整體電路設(shè)計FM是調(diào)頻信號，載波的頻率與調(diào)制信號的電壓成線性關(guān)系，而AM是調(diào)幅信號，載波的幅值與調(diào)制信號的電壓成線性關(guān)系。FM抗干擾性強(qiáng)但是占用帶寬大，而AM信號抗干擾性弱一些，但是占用帶寬僅為信號帶寬的兩倍。要完成FM—AM調(diào)制信號的變化，主要有FM信號解調(diào)以及AM信號調(diào)制兩部分組成。通過鑒頻電路實現(xiàn)FM信號解調(diào)獲取調(diào)制信號，再將調(diào)制信號加上一定的直流偏量，送入乘法器與載波相乘，即可輸出AM調(diào)制信號，完成FM到AM的變換。原理框圖如圖3.1所示。圖3.1FM-AM變換框圖鑒頻電路采用二極管鑒頻器，具有線性范圍寬等優(yōu)點。由FM經(jīng)過鑒頻電路得到調(diào)制信號后，將調(diào)制信號通過加法器加上一定的直流偏量，再用模擬乘法器將載波與加法器輸出信號相乘即可得到調(diào)幅信號(AM)。即可完成FM到AM的轉(zhuǎn)換。載波產(chǎn)生采用三極管RC振蕩電路主要由三極管放大電路，RC選頻網(wǎng)絡(luò)。主要有相移式和橋式兩種。RC移相式振蕩器，具有電路簡單，經(jīng)濟(jì)方便等優(yōu)點，但選頻作用較差，頻率調(diào)節(jié)不便，因此一般用于頻率固定場合。其振蕩頻率是由電容和電阻決定。[5](3.1)由頻率計算公式可以得到相應(yīng)的電容電阻的值得到了如圖3.2所示的載波振蕩電路。其中三極管采用高頻管9014電容采用102，電阻采用變阻器實現(xiàn)頻率的調(diào)節(jié)。圖3.2載頻電路3.3乘法器設(shè)計乘法電路是整個電路的核心部分，需要乘法器具有較好的線性度與較大的動態(tài)范圍同時有良好的頻率相應(yīng)[6]。本設(shè)計采用模擬乘法器MC1496集成電路實現(xiàn)乘法功能。MC1496內(nèi)部結(jié)果如圖3.3所示，MC1496的電源電壓為12～6V,最大功耗=0.033W,載波抑制50dB,載波饋40uA,輸入偏置電流12uA,輸入失調(diào)電流0.7uA,信號通道電壓增益3.5V/V,信號通道共模輸入電壓范圍5V(p-p)。具有良好的性能。MC1496的基本配置電路如圖3.4所示。圖3.3模擬乘法器3.4電壓跟隨器設(shè)計由于乘法器MC1496的輸入阻抗很小，實際輸入信號衰減很厲害。本設(shè)計采用電壓跟隨器實現(xiàn)電路前后級的阻抗匹配。電壓跟隨器采用ADI的通用運放OP07實現(xiàn)同相跟隨，同相跟隨具有很高的輸入電阻，較小的輸出電阻，實現(xiàn)了前后級阻抗匹配。OP07具有低噪聲，高電壓等特點，具有較好的性能。電路如圖3.4所示。在電路設(shè)計中，為了提高性能，降低電路的噪聲給系統(tǒng)，在OP07的正負(fù)電源分別加上了0.1uF的去耦電容，慮除電源紋波。圖3.5電壓跟隨器4電路實現(xiàn)與測試4.1實物制作根據(jù)前述電路設(shè)計，由AltuimDesigner繪制原理圖(附錄1)，再由原理圖生成PCB，經(jīng)過布局布線后得到繪制好的PCB制版圖。在布局布線中要注意留出測試端，方便調(diào)試。在PCB布線時，要主要走線，防止干擾。合理的加上去耦電容等放干擾措施。最后給PCB鋪地，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性與抗干擾能力。圖4.1PCB制版圖再由手工實現(xiàn)銅板腐蝕得到所需電路。在腐蝕好的PCB上焊接元件，即可完成實物制作。焊接要注意，應(yīng)該優(yōu)先焊貼片元件和耐高溫的電阻電容，以防其他芯片過熱損毀。焊接時要尤其注意不要虛焊，不然調(diào)式時查找錯誤特別難。焊接的實物圖片如圖4.1所示。圖4.2實物圖4.2電路測試4.2.1FM—AM波形測量由函數(shù)發(fā)生器發(fā)生中心頻率為1M，頻偏100K調(diào)制信號頻率為200HZ的調(diào)頻波。經(jīng)過FM到FM—AM變化電路，由示波器對輸出波形就行測試，測試波形如圖所示4.2。由圖可知輸出為FM—AM波?？梢赃m當(dāng)?shù)恼{(diào)整頻偏適當(dāng)電路工作在線性區(qū)。圖4.3FM—AM波形由函數(shù)發(fā)生器發(fā)生中心頻率為1M，頻偏100K調(diào)制信號頻率為200HZ的調(diào)頻波。經(jīng)過鑒頻電路，由示波器對輸出波形就行測試，測試波形如圖4.3所示。由圖可以看出輸出200HZ的正弦信號，即為調(diào)制信號。改變調(diào)制信號頻率，輸出正弦波的頻率相應(yīng)變化。實現(xiàn)了FM信號的解調(diào)。觀察波形適當(dāng)調(diào)整濾波電阻，使得輸出波形無高頻諧波分量。圖4.4解調(diào)波形由函數(shù)發(fā)生器發(fā)生中心頻率為1M，頻偏100K的調(diào)頻波，改變輸入頻率。經(jīng)過鑒頻電路，測量輸出信號的幅值。由表中的數(shù)據(jù)可以看出該鑒頻電路具有在線性鑒頻特性。QUOTE（KHZ）1020