高頻課設(shè)：鑒相器

$北氏簽夬專$北氏簽夬專'I上二丁 for%atEOfldfitrsj高頻電子線路課程設(shè)計(jì)題目： 鑒相器班級(jí)：08通信姓名： 學(xué)號(hào)： 成績(jī)： .目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 2一、 緒論 2二、 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 3\o"CurrentDocument"三、 設(shè)計(jì)目的 3\o"CurrentDocument"四、 設(shè)計(jì)原理 4（二）調(diào)角波的頻譜和帶寬 5五、 設(shè)計(jì)指標(biāo) 7\o"CurrentDocument"⑴、 具有較大的鑒相靈敏度 7⑵、 鑒相器工作線性區(qū)域大 7⑶、 零點(diǎn)漂移小 7⑷、 輸出波紋小 8六、 單元電路設(shè)計(jì) 8\o"CurrentDocument"1?設(shè)計(jì)電路圖 82.單元電路設(shè)計(jì)及其參數(shù)的設(shè)置 8⑴、乘法器的設(shè)計(jì) 8\o"CurrentDocument"⑵、低通濾波器的設(shè)計(jì) 10\o"CurrentDocument"3?鑒相器仿真結(jié)果 13\o"CurrentDocument"七、 設(shè)計(jì)總結(jié)與體會(huì) 13八、 調(diào)相接收機(jī)總電路圖 13摘要調(diào)相接收機(jī)總共由高頻小信號(hào)放大器、混頻器、中頻放大器、鑒相器和低頻放大器五部分組成，本課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的是調(diào)相接收機(jī)中的關(guān)鍵部分——鑒相器，鑒相器是一個(gè)相位比較裝置，又稱為相位比較器。用于檢測(cè)輸入?yún)⒖夹盘?hào)相位ei(t)與反饋的振蕩信號(hào)的相位02(t)之間的相位之差Be(t)。它的輸出誤差電壓vd(t)是vi(t)與vo(t)的瞬時(shí)相位之差的函數(shù)。鑒相器可以分為模擬鑒相器和數(shù)字鑒相器兩種，此次課程設(shè)計(jì)做的是模擬相乘型鑒相器，其由模擬乘法器和低通濾波器串接構(gòu)成的。就是要設(shè)計(jì)一個(gè)模擬乘法器和一個(gè)低通濾波器。關(guān)鍵字鑒相器模擬乘法器低通濾波器一、緒論隨著信息時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)信息對(duì)需求量越來越大在，對(duì)信息的質(zhì)量要求也越來越高，高頻由于其頻率高，攜帶的信息量多，易于傳輸，在各個(gè)方面的應(yīng)用越來越廣泛，也越來越引起人們的重視。在信息技術(shù)不斷發(fā)展的今天，人類已經(jīng)進(jìn)入社會(huì)網(wǎng)絡(luò)化、網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)化的時(shí)代。高頻電子線路是無線電技術(shù)類各專業(yè)的一門主要基礎(chǔ)課，它的任務(wù)是研究高頻電子線路的基本原理與基本分析方法，以單元電路的分析和設(shè)計(jì)為主。無論有線通信或無線通信，其本質(zhì)都是利用電磁波來傳遞信息的通信，在空間每時(shí)每刻都同時(shí)存在著不同頻率、不同強(qiáng)度的電磁波。能將天線送來的信號(hào)加以選擇、放大、變換，以獲得所需信息的設(shè)備叫做接收設(shè)備，即無線接收機(jī)。本課程設(shè)計(jì)就是對(duì)調(diào)相波的接收機(jī)的關(guān)鍵部分——鑒相器的設(shè)計(jì)。二、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求根據(jù)所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)鑒相過程中所用到的鑒相器，將接收到的調(diào)相信號(hào)PM進(jìn)行解調(diào)，還原出原始的調(diào)制信號(hào)。假設(shè)調(diào)制信號(hào)的頻率為1KHZ的單音信號(hào)與載波的頻率為1MHZ的正弦信號(hào)。三、 設(shè)計(jì)目的通過實(shí)踐教學(xué)使學(xué)生鞏固理論知識(shí)，培養(yǎng)工程設(shè)計(jì)能力、應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，本次課程設(shè)計(jì)的題目是鑒相器，通過對(duì)鑒相器的課程設(shè)計(jì)并且進(jìn)行仿真，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)所學(xué)課本知識(shí)的應(yīng)用能力，通過課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生加強(qiáng)對(duì)高頻電子技術(shù)電路的理解，學(xué)會(huì)查尋資料、方案比較，以及設(shè)計(jì)計(jì)算等環(huán)節(jié)。進(jìn)一步提高分析解決實(shí)際問題的能力，創(chuàng)造一個(gè)動(dòng)腦動(dòng)手、獨(dú)立開展電路實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，鍛煉分析、解決高頻電子電路問題的實(shí)際本領(lǐng)，真正實(shí)現(xiàn)由課本知識(shí)向?qū)嶋H能力的轉(zhuǎn)化；通過典型電路的設(shè)計(jì)與制作仿真，加深對(duì)基本原理的了解，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力。并且通過仿真軟件進(jìn)行實(shí)踐，幫助學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)，將一些單元電路有機(jī)地組合起來，構(gòu)建簡(jiǎn)單的應(yīng)用電路或系統(tǒng)，鞏固和加強(qiáng)已學(xué)《高頻電子線路》理論知識(shí)，提高學(xué)生正確選用電子器件，進(jìn)行工程估算及裝配、調(diào)試等方面的實(shí)踐能力。通過對(duì)電路的分析、工程估算，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、分析和解決技術(shù)問題的能力，使學(xué)生了解一個(gè)小型產(chǎn)品設(shè)計(jì)的程序和基本方法，為以后從事專業(yè)技術(shù)工作打下必要的基礎(chǔ)。

四、 設(shè)計(jì)原理鑒相器，使輸出電壓與兩個(gè)輸入信號(hào)之間的相位差有確定關(guān)系的電路。表示其間關(guān)系的函數(shù)稱為鑒相特性。鑒相器是鎖相環(huán)的基本部件之一，也用于調(diào)頻和調(diào)相信號(hào)的解調(diào)。鑒相器是一個(gè)相位比較裝置，又稱為相位比較器。用于檢測(cè)輸入?yún)⒖夹盘?hào)相位01(t)與反饋的振蕩信號(hào)的相位02(t)之間的相位之差Oe(t)o它的輸出誤差電壓vd(t)是vi(t)與vo(t)的瞬時(shí)相位之差的函數(shù)。常見的鑒相特性有余弦型、鋸齒型與三角型等。鑒相器可以分為模擬鑒相器和數(shù)字鑒相器兩種，此次課程設(shè)計(jì)做的是模擬相乘型鑒相器，其由模擬乘法器和低通濾波器串接構(gòu)成的。如下圖所示： 如乜輕與斑為正交信號(hào)設(shè)模擬乘法器的的系數(shù)為K,調(diào)相信號(hào)PM為：u(t)=Usin冏t-0(t)］dIMi1則有%=疋礙購％②=疋人％!sin［呼+坊@］匚珂+吒g)］=［莊人卩負(fù)sin［理+慫防+田也+尿推)］+ 沁［珈+毘的-如+竝(胡［當(dāng)給出的比較信號(hào)與調(diào)相信號(hào)PM的頻率一樣時(shí)有:u(t)=(KUU/2)sin[2?+0(t)+0(t)]dIMCMo12+(KUU/2)sin[0(t)-0(t)]IMCM12經(jīng)過低通濾波器濾除高頻部分后，得到誤差電壓u(t)=(KUU/2)Sinp(t)-0(t)]dIMCM12=Usin0(t)dc式中Ud=KUIMUCM/2,是鑒相器的最大傳輸電壓，0c(t)=01(t)-02(t)u(t)二Usino(t)ddc為正弦鑒相器的鑒相特性，其鑒相特性曲線如下圖所示：低通濾波后的電壓是根據(jù)這兩個(gè)信號(hào)的相位差而發(fā)生變化，相當(dāng)于相位鑒頻器中的調(diào)頻——調(diào)幅變換即相位差——幅度變換。方案二、模擬鑒相器，二極管平衡鑒相器是一種模擬鑒相器。兩個(gè)輸入的正弦信號(hào)的和與差分別加于檢波二極管，檢波后的電位差即為鑒相器的輸出電壓。其鑒相特性通常為余弦型的。二極管DI、D2和C1R1、C2R2構(gòu)成兩個(gè)峰值檢波器。兩個(gè)輸入的正弦信號(hào)ul(t)=Ulsin(?t+ei)、u2(t)=U2sin(wt+02)的和與差分別加于檢波二極管D1和D2，檢波后的電壓差即為鑒相器的輸出電壓ud。當(dāng)U2U1時(shí)，ud^Ulcos(01-02)o在這種情況下，它的鑒相特性是余弦型的。(二)調(diào)角波的頻譜和帶寬一般說來，受同一調(diào)制信號(hào)調(diào)制的調(diào)頻信號(hào)和調(diào)相信號(hào)，它們的頻譜結(jié)構(gòu)是不同的。但在調(diào)制信號(hào)為單音信號(hào)時(shí)，它們的頻譜結(jié)構(gòu)類似，因此對(duì)它們的分析方法相同。這里用m代替mp,它們可以寫成統(tǒng)一的調(diào)角波表示式，即u(t)=Ucos?t+msinOt)cmc8.12)利用三角函數(shù)公式展開式(8.12)得8.13)u(t)=U[cosmsinQt)cosrot一sinmsinQt)sin?t]8.13)cm c c而cos(msinGt)和sin(msinGt)是周期為2兀/0的周期性時(shí)間函數(shù)，可以將它展開為傅氏級(jí)數(shù)，其基波角頻率為G，即cos(msinGt)=J(m)+2區(qū)J(m)cos2nGt0 2nn=18.14)sin(msinGt)=2藝J (m)sin(2n+1)G8.14)2n+1n=1式中Jn(m)是宗數(shù)為mf的n階第一類貝塞爾函數(shù)。當(dāng)m、n一定時(shí),Jn(m)是定系數(shù)，其隨m變化的曲線如圖8.7,Jn(m)值，也可由附錄2函數(shù)表查出。J(m)具有以下特性：nJ(m)=J(m)n為偶數(shù){nf —nfJ(m)=—J(m)n為奇數(shù)nf —nf將式(8.14)代入(8.13)中得調(diào)角波的級(jí)數(shù)展開式為u(t)=U[J(m)+2藝J(m)cos2nGt]cos?tTOC\o"1-5"\h\zcm0 2n cn=18.15)—U[2藝J (m)sin(2n+1)Gt]sin08.15)cm 2n+1n=1=U藝J(m)cos(①+nG)tcm n cn=—g在圖8.7所示的第一類貝塞爾函數(shù)曲線中，所有貝塞爾函數(shù)都是正負(fù)交替變化的非周期函數(shù)，在m的某些值上，函數(shù)值為零。與此對(duì)應(yīng)，在某些確定的“川直，對(duì)應(yīng)的頻率分量為零。由圖8.7的函數(shù)曲

線可以看出，當(dāng)m一定時(shí)，并不是n越大，一(加)值越??；只是在m較小(m約小于1)時(shí)，Jn(m)隨n增大而減??；對(duì)于m大于1的情況，有些J(m)幅度會(huì)增大，只有nTa時(shí)幅度才又減小，這是由貝塞爾函n數(shù)總的衰減趨勢(shì)決定的。m012236J24 5,J3 J4J5〕6J J J J■ J7 m012236J24 5,J3 J4J5〕6J J J J■ J7 J8 J9 J10J0J1-04I-0.20.80.60.40.2圖8.7第一類貝塞爾函數(shù)曲線五、 設(shè)計(jì)指標(biāo)⑴、具有較大的鑒相靈敏度鑒相特性曲線的斜率稱為鑒相器的靈敏度或增益系數(shù)，用Kd來表示。對(duì)于正弦鑒相器的鑒相特性K廠叫(t)/dt二Ucos0c(t)二Kdcos0c(t)示。其中Kd單位是V/rad，在數(shù)值上Kd等于Ud。當(dāng)IUdI<30°時(shí)，正弦鑒-7T/20 7T/2嘰(亡)丟?！盀榫€性鑒相相特性曲線可近似寫成u(t)二Kdsin0c(t)QKd0c(t)⑵、鑒相器工作線性區(qū)域大要求鑒相特性線性工作范圍盡可能寬，以減小因鑒相器的非線性所造成的不，良影響。⑶、零點(diǎn)漂移小在鑒相器輸入相位差為零時(shí)，常會(huì)在輸入端附有一個(gè)不穩(wěn)定的小電壓出現(xiàn)。這個(gè)電壓是由于電路元件不穩(wěn)定、不對(duì)稱及噪聲等原因引起的，要盡量使漂移電壓減小。⑷、輸出波紋小兩個(gè)輸入信號(hào)的本身頻率及諧波也隨同有用的相位誤差信號(hào)一起從鑒相器泄露出去，這些有害的干擾信號(hào)稱為鑒相器的波紋輸出或鑒相器泄漏，希望其越小越好。六、 單元電路設(shè)計(jì)1?設(shè)計(jì)電路圖其由R1、R2與Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、VI3等器件構(gòu)成。它的作用是使輸出電壓會(huì)隨著PM信號(hào)與參考信號(hào)的相位之差的變化而變化，從而呈現(xiàn)出鑒相的特性。

所以VV[所以VV[Ith(訂廠)-Ith(冇—)]R101 2V 02 2VTTVTOC\o"1-5"\h\z(i-i)R1-th )c5c62VTVVIth( —)?R1th( —)e2V 2VTT<1—<—-T可得，V可得，V=It0E2VT—-R1- -=K-V-V2V 1 2T式中：k為乘法器的增益系數(shù)或標(biāo)尺因子，單位為V.擬乘法器是對(duì)兩個(gè)模擬信號(hào)（電壓或電流）實(shí)現(xiàn)相乘功能的的有源非線性器件。主要功能是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)互不相關(guān)信號(hào)相乘，即輸出信號(hào)與兩輸入信號(hào)相乘積成正比。它有兩個(gè)輸入端口，即IN1和IN2輸入端口。乘法器兩個(gè)輸入信號(hào)的極性不同，其輸出信號(hào)的極性也不同。如果用XY坐標(biāo)平面表示，則乘法器有四個(gè)可能的工作區(qū)，即四個(gè)工作象限,如圖

嘰収+1 1旳【+| I蟻-|M+l[|」|若信號(hào)0稱為單象限乘若信號(hào)0稱為單象限乘信號(hào)、中一個(gè)能適應(yīng)正、負(fù)兩種極性電壓,氣rait而另一個(gè)只能適應(yīng)單極性電壓，則為二象限乘法器；若兩個(gè)輸入信號(hào)能適應(yīng)四種極性組合，稱為四象限乘法器。用protel仿真結(jié)果如下：⑵、低通濾波器的設(shè)計(jì)1?由C2、R3構(gòu)成的低通濾波器，它的作用是將"d中的高頻分量濾掉。其原理圖如下：其傳輸函數(shù)為C141其傳輸函數(shù)為C141 丁切“F(p)二v(t)/v(t)二1/(1+pi)1 c d式中，p代表微分算子；t=RC為時(shí)間常數(shù)，它是這種濾波器的唯可調(diào)參數(shù)，若變換成頻域形式，則有F（何二V（何/V（何二1/（1+㈣）1cd改為拉氏變換形式，則有件（s）=1/（1+st）s相當(dāng)與微分算子p=d/dt, 1/s則相當(dāng)于'符號(hào)2、電壓放大倍數(shù)在電子技術(shù)中，將電路輸出電壓與輸入電壓的比定義為電路的電壓放大倍數(shù)，或稱為傳遞函數(shù)，用符號(hào)Au來表示，在這里Au為復(fù)數(shù)，即令辦=2鈕則令辦=2鈕則使用比RC常數(shù)所決定的頻率f,（稱截止頻率）低的輸人頻率時(shí)，信號(hào)的衰減??；相反地，高頻時(shí)，因電容C的阻抗（IhoC）與電阻R相比變小，故衰減將變大，并與頻率成反比。一般將低通濾波器上增益為一3dB（）處的頻率稱為截止頻率，表示為：超過截止頻率fc的高頻域的衰減特性，是以一GdB/oct（頻率為2倍時(shí)衰減6dB）或一20dB/dec（頻率為10倍時(shí)衰減20dB，變?yōu)?/10）特性的傾率使增益下降。另外，輸入輸出間的相位特性也與輸人頻率f有關(guān)。隨著頻率f的上升，相位延遲角e變大，在截止頻率fc處，變?yōu)槿缦玛P(guān)系：f=-—c2沢RC 高頻處可接近-90度參數(shù)設(shè)置：設(shè)載波信號(hào)的頻率為100K，即o二10