第10章 集成模擬乘法器在頻率變換電路中的應(yīng)用.ppt

1、第10章 集成模擬乘法器在頻率 變換電路中的應(yīng)用,10.1 信息傳輸?shù)幕靖拍?10.2 調(diào)幅與檢波 10.3 調(diào)頻、調(diào)相與鑒頻 10.4 混頻、倍頻與鎖相環(huán)路,模擬乘法器是典型的非線性器件,如圖10.1所示,假設(shè)作用于乘法器的兩個輸入信號電壓分別為,則乘法器輸出電壓為,圖10.1 模擬乘法器電路圖,可見,在乘法器的輸出信號中產(chǎn)生了新的頻率分量x+y、xy,說明乘法器具有頻率變換的作用。由于模擬乘法器性能優(yōu)良,被廣泛地運用于電子、通信設(shè)備中。,10.1 信息傳輸?shù)幕靖拍?1信息的傳輸過程 一個完整的信息傳輸系統(tǒng)應(yīng)該包括信號源、發(fā)送設(shè)備、傳輸信道、接收設(shè)備、終端等五部分,其方框圖如圖10.2所

2、示。,圖10.2 信息傳輸系統(tǒng)方框圖,2調(diào)制與解調(diào) 調(diào)制就是一個信號（如光、高頻電磁波等）的某些參數(shù)（如振幅、頻率、相位等）按照另一個欲傳輸?shù)男盘枺ㄈ缏曇簟D像等）的特點變化的過程。即把要傳送的信號“附加”到高頻振蕩信號上去,然后由天線發(fā)射出去。高頻振蕩就是攜帶信息的“運載工具”,所以稱之為載波,而所要傳送的信號就稱為調(diào)制信號。按照被調(diào)制的高頻振蕩信號的參數(shù)不同,調(diào)制的方式也不同。設(shè)高頻載波信號表示為uC(t)=UcmcosCt,若用待傳輸?shù)牡皖l信號去控制高頻載波的振幅Ucm,使其振幅使其振幅隨著低頻信號的變化而,變化,則稱為振幅調(diào)制,簡稱調(diào)幅,用AM表示;若用低頻信號去改變高頻信號的頻率C,

3、使其頻率隨著低頻信號的變化而變化,則稱為頻率調(diào)制,簡稱調(diào)頻,用FM表示;若用低頻信號去改變高頻信號的相位(Ct),使其相位隨著低頻信號的變化而變化,則稱為相位調(diào)制,用PM表示。調(diào)制后的載波就載有調(diào)制信號所包含的信息,稱為已調(diào)信號,或稱為已調(diào)波。,為什么要進(jìn)行調(diào)制呢？其一是提高頻率以便于輻射。由于低頻信號傳不遠(yuǎn),遇到障礙物后衰減很大,若要直接發(fā)射,所需天線就必須很長,因此,必須借助于高頻電磁波將低頻信號輻射出去。其二是為了實現(xiàn)信道復(fù)用,避免各種信號之間的干擾。其三是為了改善系統(tǒng)性能,提高系統(tǒng)輸出的信噪比。 解調(diào)是調(diào)制的反過程,亦即把低頻調(diào)制信號從高頻已調(diào)信號中還原出來的過程。調(diào)幅波的解調(diào)過程稱為

4、檢波;調(diào)頻波的解調(diào)過程稱為鑒頻;調(diào)相波的解調(diào)過程稱為鑒相。,10.2 調(diào)幅與檢波,10.2.1 調(diào)幅信號的表示方式 1調(diào)幅信號的表達(dá)式及其波形 如前所述,調(diào)幅就是用調(diào)制信號去控制高頻載波的振幅,使高頻載波的振幅按調(diào)制信號的變化規(guī)律而變化,設(shè)調(diào)制信號為正弦波（正弦和余弦波形統(tǒng)稱為正弦波）,如圖10.3（a）所示。其電壓表達(dá)式為,（10.1）,載波為一高頻等幅波,如圖10.3（b）所示,表達(dá)式為,（10.2）,圖10.3調(diào)幅波波形 （a）調(diào)制信號;（b）高頻載波;（c）已調(diào)波,通常滿足c,若用調(diào)制信號對載波進(jìn)行調(diào)制,根據(jù)振幅調(diào)制的定義,在理想情況下,已調(diào)信號的振幅應(yīng)隨調(diào)制信號線性變化,已調(diào)信號瞬時

5、幅值為,其中,（10.3）,（10.4）,式中,ma稱為調(diào)幅系數(shù),表示載波振幅受調(diào)制信號控制的程度;Ka為由調(diào)制電路決定的比例常數(shù)。由此可得調(diào)幅信號的表達(dá)式為,其波形如圖10.3（c）所示。 正常情況下,ma1。圖10.3（c）所示調(diào)幅波的調(diào)幅系數(shù)ma1,就要引起調(diào)幅失真。 從圖10.3(c)可以看出:調(diào)幅波的包絡(luò)信號振幅各峰值點的連線完全反映了調(diào)制信號的變化;調(diào)幅波的上下包絡(luò)相位相差180;調(diào)幅波的頻率就是載波的頻率。,（10.5）, 實際上所要傳送的信號不只是簡單的正弦波,而是一個復(fù)雜的波形,如圖10.4（a）所示,由于調(diào)幅波的包絡(luò)變化規(guī)律與低頻信號波形一致,因而可作出它的調(diào)幅波波形,如圖

6、10.4（b）所示。,圖10.4非正弦波調(diào)制的調(diào)幅波波形 （a）調(diào)制信號; （b）已調(diào)波,2調(diào)幅波的頻譜 將式（10.5）展開,并利用三角函數(shù)關(guān)系,則得,圖10.5單頻調(diào)制頻譜 (a)調(diào)制信號頻譜;(b)載波頻譜;(c)已調(diào)波頻譜,從式（10.6）可以看出,調(diào)幅波有三個頻率分量,它是由三個高頻正弦波疊加而成的。第一項的頻率分量是載波的頻率分量,它與調(diào)制信號無關(guān);第二項的頻率等于載波頻率與調(diào)制信號頻率之和,叫做上邊頻;第三項的頻率等于載波頻率與調(diào)制信號頻率之差,叫做下邊頻。調(diào)制信號的信息包含在上、下邊頻分量之內(nèi)。如果把這些頻率分量畫在頻率軸上,就構(gòu)成單頻余弦調(diào)制的調(diào)幅波的頻譜,如圖10.5所示。

7、這兩個邊頻分量c+及c-以載波c為中心對稱分布,兩個邊頻幅度相等并與調(diào)制信號幅度成正比,與載頻的相對位置決定于調(diào),制信號的頻率,這說明上、下邊頻中包含著調(diào)制信號的幅度及頻率。已調(diào)波的帶寬為 BW=(c)(c)=2(10.7) 復(fù)雜信號的調(diào)制頻譜如圖10.6所示。由圖可以看出,調(diào)制后產(chǎn)生的上邊頻和下邊頻不再是一個,而是許多個頻率分量,但仍然是頻率分量的上、下邊頻幅度相等且成對出現(xiàn),上、下邊頻帶的頻譜分布相對載頻是對稱的。所占的頻帶寬度為,BW=(c+n)-(c-n)=2n (10.8) 其中n為調(diào)制信號的最高頻率。式(10.8)表明，多頻調(diào)幅時,調(diào)幅波所占有總的頻帶寬度為調(diào)制信號最高頻率的2倍。

8、,圖10.6 復(fù)雜信號調(diào)制頻譜,10.2.2模擬乘法器調(diào)幅電路 1不同的調(diào)幅制式 由（10.6）式可知,載波分量是不包含信息的,因此,為了提高設(shè)備的功率利用率,可以不傳送載波而只傳送兩個邊帶信號,這叫做抑制載波雙邊帶調(diào)幅,用DSB（DoubleSideBand）表示,其表達(dá)式為,其頻譜圖如圖10.7（c）所示。,圖10.7 不同制式的調(diào)幅波頻譜,由于兩個邊頻帶所含調(diào)制信息完全相同,從信號傳輸角度看,只要發(fā)送一個邊帶的信號即可,這種方式稱為單邊帶調(diào)制,用SSB（SingleSideBand）表示,其表達(dá)式為,（10.10）,（10.11）,其頻譜圖如圖10.7（d）所示。由圖可以看出,只要將雙邊

9、帶調(diào)幅信號抑制掉一個邊頻帶,就成為單邊帶調(diào)幅信號,由于SSB調(diào)制方式只發(fā)送一個邊帶,因而它不但,功率利用率高,而且它所占用頻帶近似為,比普通調(diào)幅和雙邊帶調(diào)幅減小了一半,提高了波段利用率。 如果保留一個邊帶及載波對另一個邊帶進(jìn)行部分抑制,稱為殘留單邊帶調(diào)制,用VSB(VestigialSideBand)表示。在電視發(fā)射技術(shù)中,普遍采用了殘留單邊帶調(diào)幅制式。 2調(diào)幅電路 由式（10.6）、（10.9）、（10.10）、（10.11）可以看出,調(diào)幅的過程實際上就是信號相乘的過程,因此,利用模擬乘法器就能實現(xiàn)振幅調(diào)制。 圖10.8給出了用模擬乘法器MC1496實現(xiàn)一般調(diào)幅的,電路,調(diào)制信號u(t)從芯

10、片的1腳輸入,載波uc(t)由10腳輸入,已調(diào)信號由6腳輸出。在1、4之間接兩個10k電阻和一個47k的電位器,是為了靈活調(diào)節(jié)1、4之間的直流電壓。 由式（10.5）可知,只要在調(diào)制信號u(t)上附加直流電壓后,再與載波信號直接相乘,即可得到一般調(diào)幅信號。因此,只要調(diào)節(jié)RP,使1、4兩端直流電位不相等,這就給u(t)上疊加了一個直流電壓U。這時,圖中的輸出電壓為,其中,（10.12）,可見,改變直流電壓的大小可以改變一般調(diào)幅信號的調(diào) 幅度。為了增加調(diào)節(jié)范圍,可將圖10.8中的R1、R2阻值由10k改為750。但U值不能小于Um,否則將會產(chǎn)生過調(diào)幅現(xiàn)象。,圖10.8 MC1496型模擬乘法器調(diào)幅

11、電路,如果調(diào)節(jié)RP使1、4之間的直流電位相等,即1端子上只有調(diào)制信號u(t),就實現(xiàn)了u(t)與uc(t)的直接相乘,可得,可見,圖10.8電路也可獲得抑制載頻的雙邊帶調(diào)幅 信號輸出。,10.2.3 模擬乘法器檢波電路 1. 包絡(luò)檢波 包絡(luò)檢波是指檢波器輸出的電壓與輸入的調(diào)幅波的包絡(luò)成正比的檢波方法。 ,圖10.9包絡(luò)檢波原理圖 (a)包絡(luò)檢波原理圖；(b)頻譜圖,收音機(jī)中的檢波電路和電視接收機(jī)中的高頻檢波電路均采用包絡(luò)檢波。其原理可由圖10.9（a）來表示,圖10.9(b)為檢波輸入、輸出頻譜圖。 圖10.9(a)中的非線性器件可以是二極管,也可以是三極管或場效應(yīng)管。電路種類也較多,下邊以二

12、極管峰值包絡(luò)檢波器為例進(jìn)行討論,電路如圖10.10(a)所示。 在圖中,ui為輸入的普通調(diào)幅信號,V為檢波二極管, R、C構(gòu)成低通濾波器,要求C對高頻短路,而對低頻阻抗趨于無窮大。而CL為檢波器輸出端的耦合電容,其值較大。對于低頻信號而言,電容CL相當(dāng)于短路。RL為下級電路的輸入電阻。 ,由圖10.10(a)可見,加在二極管的正向電壓為 uV=uiuo,二極管導(dǎo)通與否,不僅與輸入電壓ui有關(guān),還取決于輸出電壓uo。二極管導(dǎo)通時,電容充電,充電時間常數(shù)為rVC;二極管截止時,電容放電,放電時間常數(shù)為RC。由于二極管導(dǎo)通電阻很小,因而一般有rVCuo時,二極管導(dǎo)通,電容器充電,uo上升,如圖（b）

13、中AB、CD、EF等上升段。 當(dāng)uiuo時,二極管截止,電容通過電阻R放電,uo下降,如圖（b）中BC、DE等下降段。,由分析可知,二極管兩端電壓uV在大部分時間里為負(fù)值,只在輸入電壓的每個高頻周期的峰值附近才導(dǎo)通,因此其輸出電壓波形與輸入信號包絡(luò)相同。此時,平均電壓uO包含直流及低頻分量,如圖10.10(c)所示,經(jīng)CL隔直后,將u耦合至RL上。如圖10.10(d)所示。,圖10.10 包絡(luò)檢波原理及波形,2. 同步檢波 由于DSB和SSB信號的包絡(luò)與調(diào)制信號不同,它們的包絡(luò)并不真實地反映調(diào)制信號變化規(guī)律,因而不能用簡單的包絡(luò)檢波,而必須采用同步檢波,電路原理框圖如圖10.11(a)所示。

14、圖10.11(a)是為利用模擬乘法器構(gòu)成的同步檢波電路原理框圖。它有兩個輸入電壓,一個是調(diào)幅信號（可以是AM、DSB和SSB信號）電壓ui;另一個是本地載波電壓ur（或稱恢復(fù)載波電壓）。為了能不失真地恢復(fù)原調(diào)制信號,本地載波和原調(diào)制端的載波必須保持同頻同相,所以,稱為同步檢波。設(shè)輸入信號為抑制載頻的雙邊帶調(diào)幅信號,即,同步信號ur=Urmcosrt,要求r=c。因此可得乘法器 輸出電壓uo為,（10.13）,圖10.11同步檢波原理圖 (a)原理圖；(b)頻譜圖,式中, 項是解調(diào)所需要的原調(diào)制信號,而cos2ct項是高頻分量,用低通濾波器將其濾除掉，就可得到,（10.14）,同樣,若輸入信號為

15、單邊帶調(diào)幅信號, 信號,即ui=Uimcos(c+)t,則乘法器的輸出電壓uo為,（10.15）,經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量,即可獲得低頻信號輸出。 圖10.11(b)為頻譜圖。 由集成模擬乘法器構(gòu)成的實際同步檢波電路如圖10.12所示,圖中,模擬乘法器的型號為MC1596,普通調(diào)幅信號或雙邊帶調(diào)幅信號經(jīng)耦合電容后從y通道1、4腳輸入,同步信號ur從x通道8、10腳輸入,12腳單端輸出后經(jīng)RC型低通濾波器取出調(diào)制信號u。,圖10.12 模擬乘法器MC1596組成的同步檢波電路,10.3 調(diào)頻、調(diào)相與鑒頻,10.3.1 概述 用調(diào)制信號去控制載波的相位,使載波信號的相位隨調(diào)制信號的大小變化,則稱為

16、相位調(diào)制,簡稱為調(diào)相（PhaseModulation,簡寫為PM）。 10.3.2調(diào)頻與調(diào)相原理 1調(diào)頻信號 調(diào)頻信號是高頻信號的振幅不變,而高頻信號的瞬 時頻率隨調(diào)制信號而變化,且瞬時頻率變化的大小與調(diào)制信號的強(qiáng)度成線性關(guān)系的已調(diào)信號。,設(shè)低頻調(diào)制信號u=Umcost,高頻載波信號 uc(t)=Ucmcosct,則已調(diào)波的角頻率為,(10.17),kf為由調(diào)制電路決定的比例常數(shù);c為未調(diào)制時載波的 中心頻率；m為調(diào)頻波最大角頻偏。 瞬時相位:,(10.18),調(diào)頻波的波形如圖10.13所示,圖（a）為高頻載波信號波形,圖（b）為低頻調(diào)制信號u的波形,圖（c）為調(diào)頻波波形,圖（d）為調(diào)頻波的角

17、頻率波形。 的波形,圖（c）為調(diào)頻波波形,圖（d）為調(diào)頻波的角頻率波形。 當(dāng)u為波峰時,調(diào)頻波的瞬時角頻率為最大,等于（c+m）,調(diào)頻波波形最密;當(dāng)u為波谷時,調(diào)頻波的瞬時角頻率為最小,等于（c-m）,調(diào)頻波波形最疏。調(diào)頻波的瞬時角頻率按,調(diào)頻信號:,(10.19),低頻信號變化規(guī)律而變化,由圖（d）可見,它是在載頻的基礎(chǔ)上疊加了受低頻調(diào)制信號控制的變化部分。 2調(diào)相信號 調(diào)相信號是高頻信號的振幅不變,而高頻信號的瞬時相位隨調(diào)制信號u（t）而變化的已調(diào)信號。 設(shè)高頻載波為uc(t)=Ucmcosct,調(diào)制信號為 u(t)=Um cost,則調(diào)相信號的瞬時相位為,（10.20）,其中, kp為由

18、調(diào)制電路決定的比例常數(shù)。,瞬時角頻率為,PM信號最大角頻偏為,則調(diào)相信號的表達(dá)式為,其中,mp=kpum。,調(diào)相信號的波形如圖10.13(e)、(f)所示,其中,圖(e)為調(diào)相波波形、圖(f)為調(diào)相波的角頻率波形。 由上述分析可知:調(diào)頻與調(diào)相信號都是等幅信號,二者的頻率和相位都隨調(diào)制信號而變化,但二者的頻率和相位隨調(diào)制信號而變化的規(guī)律不同,由于頻率與相位是微積分關(guān)系,因而二者是有密切聯(lián)系的。,10.3.3調(diào)頻方法 能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)頻的方法很多,歸納起來有兩種:直接調(diào)頻和間接調(diào)頻。直接調(diào)頻是用調(diào)制信號直接控制載波的瞬時頻率,以產(chǎn)生調(diào)頻信號。間接調(diào)頻是先將調(diào)制信號進(jìn)行積分,然后對載波進(jìn)行調(diào)相,結(jié)果也可產(chǎn)

19、生調(diào)頻信號。 在調(diào)頻電路中,常常利用變?nèi)荻O管與電感線圈構(gòu)成的LC諧振回路進(jìn)行調(diào)頻。隨著集成電路的發(fā)展,涌現(xiàn)出了各種由集成電路構(gòu)成的調(diào)頻電路,例如:利用壓控振蕩器可以使輸出信號的頻率隨著輸入電壓的變化而變化,達(dá)到調(diào)頻的目的。利用555電路(一種集成電路)也可實現(xiàn)調(diào)頻。,10.3.4鑒相與鑒頻 1鑒相 調(diào)相信號的解調(diào)叫做相位檢波,簡稱鑒相。鑒相是將兩個信號的相位差變換成電壓的過程。圖10.14(a)是實現(xiàn)乘積型相位檢波的方框圖,圖中,相位不同的兩個高頻信號電壓ux和uy分別加到乘法器的兩個輸入端,低通濾波器用來取出反映兩輸入信號變化的低頻電壓。,圖10.14 模擬乘法器的鑒相功能 (a)鑒相原理

20、框圖；(b)正弦鑒相特性；(c)大信號工作狀態(tài)的鑒相特性,為了能夠正確地鑒別兩輸入信號相位的超前和滯后關(guān)系,兩個輸入信號必須有/2的固定相差,即輸入信號為,(10.24),由式（10.24）可以看出,鑒相器輸出電壓與兩個高頻信號電壓的相位差的正弦成比例,即鑒相特性為正弦特性曲線,如圖10.14(b)所示。其線性鑒相范圍為/6,即當(dāng)|/6時,sin，鑒相特性接近于直線。鑒相電路的線性鑒相范圍越寬越好。,經(jīng)低通濾波器后,可濾除高頻分量,則可得,(10.25),如果乘法器輸入信號ux、uy均為大信號,經(jīng)分析可得鑒相特性呈三角形特性,如圖10.14(c)所示。 2鑒頻 鑒頻是調(diào)頻信號的解調(diào)過程,也就是

21、將輸入信號的頻率變化轉(zhuǎn)換為電壓變化的過程。 從式(10.16)、(10.18)、(10.19)的調(diào)頻信號表達(dá)式來看,由于隨調(diào)制信號u(t)成線性變化的瞬時角頻率與相位是微分關(guān)系,而相位與電壓又是三角函數(shù)關(guān)系,因而要從調(diào)頻信號中提取與u(t)成正比的電壓信號很困難。通常采用間接方法來實現(xiàn),常用的方法是相位鑒頻,它是,通過線性移相網(wǎng)絡(luò)把調(diào)頻信號的瞬時頻率變化轉(zhuǎn)化為瞬時相位變化,然后進(jìn)行鑒相的過程。在一定條件下,只要移相網(wǎng)絡(luò)具有線性的相頻特性,鑒相器的輸出電壓就能正確反映調(diào)頻信號的瞬時頻率變化。其原理框圖如圖10.15所示。 圖中的頻率相位變換網(wǎng)絡(luò),往往是由LC并聯(lián)諧振回路組成,它將調(diào)頻信號的瞬時頻

22、率變化轉(zhuǎn)換成瞬時相位變化,所以調(diào)頻信號經(jīng)過頻率相位變換網(wǎng)絡(luò)以后,就成為每一個頻率成分都附加一個相移的信號。這樣鑒相器兩輸入信號成為具有同一調(diào)頻規(guī)律而在不同頻率,上具有不同相位差的信號。經(jīng)由模擬乘法器與低通濾波器所組成的鑒相器后,其輸出電壓就成為原低頻調(diào)制信號。,圖10.15 用模擬乘法器實現(xiàn)鑒頻功能的框圖,10.4 混頻、倍頻與鎖相環(huán)路,10.4.1 混頻 用非線性器件和模擬乘法器均能實現(xiàn)混頻。分立元件超外差式收音機(jī)中的混頻電路就是由晶體三極管及LC諧振回路組成的。在這里,僅介紹由模擬乘法器實現(xiàn)混頻的原理,其原理框圖如圖10.16所示。 設(shè)輸入到混頻器的已調(diào)波為,本地振蕩為,圖10.16 由模

23、擬乘法器實現(xiàn)混頻的原理框圖,乘法器的輸出電壓為,可利用帶通濾波器取出所需的邊帶,即可得到中頻信 號電壓為,其中,（10.26）,從（10.26）式可看出,混頻后得到的中頻信號uo(t)與輸入信號ui相似,中頻信號所包含的信息沒變,只是載頻由原來的c變?yōu)閛。 10.4.2倍頻 倍頻電路輸出信號的頻率是輸入信號頻率的整數(shù)倍, 即倍頻電路可以成倍數(shù)地把信號頻譜搬移到更高的頻段。 能夠?qū)崿F(xiàn)倍頻的電路很多,而由模擬乘法器實現(xiàn)倍頻的原理如圖10.17所示。,圖10.17 用模擬乘法器實現(xiàn)二倍頻的原理圖,（10.28）,經(jīng)高通濾波器選出二倍頻,可得,(10.29),倍頻在電子系統(tǒng)及通信系統(tǒng)中均有廣泛的應(yīng)用，

24、如利用倍頻器可以實現(xiàn)頻率合成;對振蕩器的輸出進(jìn)行倍頻,可以得到更高的所需振蕩頻率,等等。 10.4.3鎖相環(huán)路 鎖相環(huán)路(PLL)是一種自動相位控制系統(tǒng),它能使受控振蕩器頻率和相位均與輸入信號保持確定的關(guān)系,即保持相位同步,因此稱為鎖相。,1電路組成與工作原理 鎖相環(huán)路的基本組成如圖10.18所示,它由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）組成閉合環(huán)路。,圖10.18 鎖相環(huán)路基本組成框圖,鑒相器可由模擬乘法器實現(xiàn),可鑒別出兩信號相位之差。環(huán)路濾波器具有低通特性,用來濾除誤差電壓uPD(t)中的高頻分量和噪聲。此外,由于環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù)對環(huán)路有相當(dāng)大的影響,因而可以通過調(diào)整環(huán)路濾波器的參數(shù)來獲得環(huán)路所需要的性能。常見的環(huán)路濾波器為RC低通濾波器、RC比例積分濾波器和RC有源比例積分濾波器等。 壓控振蕩器是指振蕩角頻率受控制電壓uc(t)控制的振蕩器