高频电子线路课程设计-鉴相器.doc

高频电子线路课程设计题目： 鉴 相 器 班级： 08通信 姓名： 学号： 成绩： .目 录摘要2一、绪论2二、设计任务与要求3三、设计目的3四、设计原理4（二）调角波的频谱和带宽5五、设计指标7、具有较大的鉴相灵敏度7、鉴相器工作线性区域大7、零点漂移小7、输出波纹小8六、单元电路设计8设计电路图8单元电路设计及其参数的设置8、乘法器的设计8、低通滤波器的设计10鉴相器仿真结果13七、设计总结与体会13八、调相接收机总电路图14摘要 调相接收机总共由高频小信号放大器、混频器、中频放大器、鉴相器和低频放大器五部分组成，本课程设计设计的是调相接收机中的关键部分鉴相器，鉴相器是一个相位比较装置，又称为相位比较器。用于检测输入参考信号相位1(t)与反馈的振荡信号的相位2(t)之间的相位之差e(t)。它的输出误差电压vd(t)是vi(t)与vo(t) 的瞬时相位之差的函数。鉴相器可以分为模拟鉴相器和数字鉴相器两种，此次课程设计做的是模拟相乘型鉴相器，其由模拟乘法器和低通滤波器串接构成的。就是要设计一个模拟乘法器和一个低通滤波器。关键字 鉴相器 模拟乘法器 低通滤波器一、 绪论随着信息时代的发展，人们对信息对需求量越来越大在，对信息的质量要求也越来越高，高频由于其频率高，携带的信息量多，易于传输，在各个方面的应用越来越广泛，也越来越引起人们的重视。在信息技术不断发展的今天，人类已经进入社会网络化、网络互动化的时代。高频电子线路是无线电技术类各专业的一门主要基础课，它的任务是研究高频电子线路的基本原理与基本分析方法，以单元电路的分析和设计为主。无论有线通信或无线通信，其本质都是利用电磁波来传递信息的通信，在空间每时每刻都同时存在着不同频率、不同强度的电磁波。能将天线送来的信号加以选择、放大、变换，以获得所需信息的设备叫做接收设备，即无线接收机。本课程设计就是对调相波的接收机的关键部分鉴相器的设计。二、 设计任务与要求根据所学知识设计鉴相过程中所用到的鉴相器，将接收到的调相信号PM进行解调，还原出原始的调制信号。假设调制信号的频率为1KHZ的单音信号与载波的频率为1MHZ的正弦信号。三、 设计目的通过实践教学使学生巩固理论知识，培养工程设计能力、应用能力和创新能力，本次课程设计的题目是鉴相器，通过对鉴相器的课程设计并且进行仿真，加强学生对所学课本知识的应用能力，通过课程设计，使学生加强对高频电子技术电路的理解，学会查寻资料方案比较，以及设计计算等环节。进一步提高分析解决实际问题的能力，创造一个动脑动手独立开展电路实验的机会，锻炼分析、解决高频电子电路问题的实际本领，真正实现由课本知识向实际能力的转化；通过典型电路的设计与制作仿真，加深对基本原理的了解，增强学生的实践能力。并且通过仿真软件进行实践，帮助学生综合运用所学的理论知识，将一些单元电路有机地组合起来，构建简单的应用电路或系统，巩固和加强已学高频电子线路理论知识，提高学生正确选用电子器件，进行工程估算及装配、调试等方面的实践能力。通过对电路的分析、工程估算，培养学生理论联系实际、分析和解决技术问题的能力，使学生了解一个小型产品设计的程序和基本方法，为以后从事专业技术工作打下必要的基础。四、 设计原理 鉴相器，使输出电压与两个输入信号之间的相位差有确定关系的电路。表示其间关系的函数称为鉴相特性。鉴相器是锁相环的基本部件之一，也用于调频和调相信号的解调。鉴相器是一个相位比较装置，又称为相位比较器。用于检测输入参考信号相位1(t)与反馈的振荡信号的相位2(t)之间的相位之差e(t)。它的输出误差电压vd(t)是vi(t)与vo(t) 的瞬时相位之差的函数。常见的鉴相特性有余弦型、锯齿型与三角型等。鉴相器可以分为模拟鉴相器和数字鉴相器两种，此次课程设计做的是模拟相乘型鉴相器，其由模拟乘法器和低通滤波器串接构成的。如下图所示： 设模拟乘法器的的系数为K，调相信号PM为：则有 当给出的比较信号与调相信号PM的频率一样时有：经过低通滤波器滤除高频部分后，得到误差电压式中=，是鉴相器的最大传输电压，= 为正弦鉴相器的鉴相特性，其鉴相特性曲线如下图所示： 所以PM信号与参考信号同时输入模拟乘法器后，其输出的电压经过低通滤波后的电压是根据这两个信号的相位差而发生变化，相当于相位鉴频器中的调频调幅变换即相位差幅度变换。方案二、模拟鉴相器，二极管平衡鉴相器是一种模拟鉴相器。两个输入的正弦信号的和与差分别加于检波二极管，检波后的电位差即为鉴相器的输出电压。其鉴相特性通常为余弦型的。二极管D1、D2和C1R1、C2R2构成两个峰值检波器。两个输入的正弦信号u1（t）=U1sin（t+1）、u2（t）U2sin（t+2） 的和与差分别加于检波二极管D1和D2，检波后的电压差即为鉴相器的输出电压ud。当U2U1时，udU1cos（12）。在这种情况下，它的鉴相特性是余弦型的。（二）调角波的频谱和带宽一般说来，受同一调制信号调制的调频信号和调相信号，它们的频谱结构是不同的。但在调制信号为单音信号时，它们的频谱结构类似，因此对它们的分析方法相同。这里用代替，它们可以写成统一的调角波表示式，即 （8.12）利用三角函数公式展开式（8.12）得 （8.13）而和是周期为的周期性时间函数，可以将它展开为傅氏级数，其基波角频率为，即 （8.14）式中是宗数为的n阶第一类贝塞尔函数。当、一定时，是定系数，其随变化的曲线如图8.7，值，也可由附录2函数表查出。具有以下特性：将式(8.14)代入(8.13)中得调角波的级数展开式为 （8.15）在图8.7所示的第一类贝塞尔函数曲线中，所有贝塞尔函数都是正负交替变化的非周期函数，在的某些值上，函数值为零。与此对应，在某些确定的值，对应的频率分量为零。由图8.7的函数曲线可以看出，当一定时，并不是n越大，值越小；只是在较小（约小于1）时，随n增大而减小；对于大于l的情况，有些幅度会增大，只有时幅度才又减小，这是由贝塞尔函数总的衰减趋势决定的。图8.7 第一类贝塞尔函数曲线 五、 设计指标1、 具有较大的鉴相灵敏度鉴相特性曲线的斜率称为鉴相器的灵敏度或增益系数，用来表示。对于正弦鉴相器的鉴相特性其中单位是V/rad，在数值上等于。当|30°时，正弦鉴相特性曲线可近似写成2、 鉴相器工作线性区域大要求鉴相特性线性工作范围尽可能宽，以减小因鉴相器的非线性所造成的不，良影响。3、 零点漂移小在鉴相器输入相位差为零时，常会在输入端附有一个不稳定的小电压出现。这个电压是由于电路元件不稳定、不对称及噪声等原因引起的，要尽量使漂移电压减小。4、 输出波纹小两个输入信号的本身频率及谐波也随同有用的相位误差信号一起从鉴相器泄露出去，这些有害的干扰信号称为鉴相器的波纹输出或鉴相器泄漏，希望其越小越好。六、 单元电路设计设计电路图单元电路设计及其参数的设置1、 乘法器的设计其由R1、R2与Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、VI3等器件构成。它的作用是使输出电压会随着PM信号与参考信号的相位之差的变化而变化，从而呈现出鉴相的特性。 由图可知： 又 所以 当 ，可得，=式中： k为乘法器的增益系数或标尺因子，单位为V .拟乘法器是对两个模拟信号（电压或电流）实现相乘功能的的有源非线性器件。主要功能是实现两个互不相关信号相乘，即输出信号与两输入信号相乘积成正比。它有两个输入端口，即IN1和IN2输入端口。乘法器两个输入信号的极性不同，其输出信号的极性也不同。如果用XY坐标平面表示，则乘法器有四个可能的工作区，即四个工作象限,如图 若信号 、 均限定为某一极性的电压时才能正常工作，该乘法器称为单象限乘法器；若信号 、 中一个能适应正、负两种极性电压，而另一个只能适应单极性电压，则为二象限乘法器；若两个输入信号能适应四种极性组合，称为四象限乘法器。用protel仿真结果如下：2、 低通滤波器的设计由C2、R3构成的低通滤波器，它的作用是将中的高频分量滤掉。其原理图如下：其传输函数为 式中，p代表微分算子；=RC为时间常数，它是这种滤波器的唯一可调参数，若变换成频域形式，则有改为拉氏变换形式，则有 s相当与微分算子p=d/dt, 1/s则相当于符号2、电压放大倍数在电子技术中，将电路输出电压与输入电压的比定义为电路的电压放大倍数，或称为传递函数，用符号Au来表示，在这里Au为复数，即令  ， 则  的模和幅角为 其幅频特性曲线如图所示： 其相频特性曲线如图所示：   使用比RC常数所决定的频率f，（称截止频率）低的输人频率时，信号的衰减小；相反地，高频时，因电容C的阻抗（IhoC）与电阻R相比变小，故衰减将变大，并与频率成反比。一般将低通滤波器上增益为3dB（）处的频率称为截止频率，表示为：超过截止频率fc的高频域的衰减特性，是以GdB/oct（频率为2倍时衰减6dB）或20dB/dec（频率为10倍时衰减20dB，变为1/10）特性的倾率使增益下降。另外，输入输出间的相位特性也与输人频率f有关。随着频率f的上升，相位延迟角变大，在截止频率fc处，变为如下关系： 高频处可接近-90度参数设置：设载波信号的频率为100K，即，所以 t=RC首先取C=100uF，R=1010mS=R*0.0001 如果占空比=50%，则输出电压5×0.5=2.5V其他按比例来算，5×导通时间/频率周期=输出电压、电容C1的作用是隔直流鉴相器仿真结果设置调频信号源参数，使调制信号的频率为1KHZ，载波频率为100K,参考信号频率为100K。in1为PM信号，in2为参考信号，out为解调后的信号。用protel仿真结果如下：七、 设计总结与体会 通过本次设计，使我懂得了如何使用protel画图与仿真，也使我明白了鉴相器的设计思路，并能实现它的功能。八、 调相接收机总电路图14