高频课程报告--鉴频电路设计分解

课程设计任务书
学生姓名：专业班级：电子0802 指导教师：钟毅工作单位：信息工程学院
题目：鉴频电路设计
初始条件：
具较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电
路形式的选择有一定的了解；具备高频电子电路的基本设计能力及基本调试能
力；能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。

要求完成的主要任务：
1. 采用二极管完成一个鉴频器的设计。

2. 设计FM-FM.AM变换电路并进行调试，
3. 输入调频波，观测鉴频器的输入、输出波形，
4. 完成课程设计报告（应包含电路图，清单、调试及设计总结）。

时间安排：
1．2011年6月3日分班集中，布置课程设计任务、选题；讲解课设具体实
施计划与课程设计报告格式的要求；课设答疑事项。

2．2011年6月4日至2011年6月9日完成资料查阅、设计、制作与调试；
完成课程设计报告撰写。

3. 2011年6月10日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。

指导教师签名：年月日
系主任（或责任教师）签名：年月日
目录
摘要 (I)
Abstract .......................................................... I I 绪论 (1)
1频率解调原理分析 (2)
1.1理论分析 (2)
1.2变换电路分析 (3)
1.3包络检波 (3)
2电路设计 (4)
2.1变换电路设计 (4)
2.2检波器的设计 (4)
2.3检波器的失真 (5)
2.3.1惰性失真 (5)
2.3.1底部切削失真 (6)
3 FM-AM变换电路设计 (7)
3.1 整体电路设计 (7)
3.2载波产生电路设计 (7)
3.3 乘法器设计 (9)
3.4 电压跟随器设计 (10)
4电路实现与测试 (11)
4.1 实物制作 (11)
4.2 电路测试 (13)
4.2.1 FM—AM波形测量 (13)
4.2.2鉴频波形测量 (14)
4.2.3鉴频特性曲线 (15)
5 总结 (16)
参考文献 (17)
附录1总体电路图 (18)
附录2 PCB制版图 (19)
附录3 元件清单 (20)
摘要
调制解调是通信系统中重要组成部分。

调频信号（FM）更是具有良好好抗噪
性能，因而在通信系统中得到了广泛的应用。

鉴频电路是调频信号解调的重要部分。

鉴频有很多方法，本设计采用调谐回路实现FM信号到FM—AM信号的变化，再利用二极管包络检波器实现调频信号的解调。

本设计实现二极管鉴频器，具有良好的鉴频效果，输出波形失真度小。

二极管鉴频器具有线路简单，调试方便，
线性度好等优点。

关键词：FM、检波器、解调
Abstract
Modulator and demodulator Modem is an important part of communication systems. Frequency modulation signal (FM) with good noise immunity has been widely used in the communication system. Frequency Identification circuit is an important part of the Frequency modulation signal demodulation. There are many ways to achieve Identification. Frequency modulation tuner circuit signal to FM-AM signal changes, re-use the diode envelope detector to achieve Frequency modulation signal demodulation. The Design and Implementation of diode frequency, has a good Identification effects, output waveform distortion small. Diode Frequency Identification circuit with a simple, convenient debugging, and good linearity. Keywords: FM, detector, demodulator
绪论
在无线电中，角度调制是一种重要方式，它包括频率调制和相位调制。

频率调制又称调频（FM），它是使高频振荡信号的频率按调制信号的规律变化（瞬时频率变化的大小与调制信号成线性关系），而振幅保持恒定的一种调制方式。

角度调制属于频谱非线性搬移电路，即已调信号的频谱结构不再保持原调制信号的频谱的内部机构，且调制信号后的信号带宽比原调制信号带宽大得多。

虽然角度调制信号的频带利用率不高，但其抗干扰和噪声的能力特别强，故该调制模式得到了广泛的应用。

解调是调制的逆过程。

调制方式不同，解调方法也不一样。

与调制的分类相对应，解调可分为正弦波解调（有时也称为连续波解调）和脉冲波解调。

正弦波解调还可再分为幅度解调、频率解调和相位解调，此外还有一些变种如单边带信号解调、残留边带信号解调等。

同样，脉冲波解调也可分为脉冲幅度解调、脉冲相位解调、脉冲宽度解调和脉冲编码解调等。

对于多重调制需要配以多重解调。

鉴频器是输出电压和输入信号频率相对应的电路。

按用途可分为两类。

第一类用于调频信号的解调。

常见的有斜率鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器等，对这类电路的要求主要是非线性失真小，噪声门限低。

第二类用于频率误差测量，如用在自动频率控制环路中产生误差信号的鉴频器。

对这类电路的零点漂移限制较严，对非线性失真和噪声门限则要求不高。

1频率解调原理分析
1.1理论分析
角调波的解调就是从角调波中恢复原调制信号的过程。

调频波的解调电路称为频率检波器或鉴频器。

鉴频器的功能是将输入调频波的瞬时频率变换为相应的解调输出电压。

具有如图所示的传输特性。

对于鉴频器，要求线性范围宽2m m B f >∆，线性度要好，实际电路鉴频特性
都有一定的限制。

鉴频器的另一个要求是鉴频跨导要大，鉴频跨导就是鉴频特性在载频处的斜率，它表示的是单位频偏所能产生的解调输出电压。

鉴频跨导又叫鉴频灵敏度。

00D du du S df d f
==∆ [1] (1.1)
FM 信号解调有多种方法，主要由直接鉴频法和间接鉴频法。

直接鉴频的原理框图如图1.1所示：包括变换电路与包络检波两部分。

通过变换电路将等幅的调频信号（FM ）变换为振幅也随瞬时频率变化、既调频又调幅的FM —AM 波。

再通过包络检波器就可以实现FM 信号的解调，得到调制信号。

图 1.1 鉴频框图
1.2变换电路分析
变化电路要实现FM 到FM-AM 波的变换功能。

可以使用直接微分法设调制信号为()u f t Ω=，则调频波为：
0()cos[()]t FM c f
u t U k f d ωττ=+⎰[1] (1.2) 对该式直接微分可得
0()[()]sin(()t
FM c f c f du t u U t k f t t k f d dt ωωττ==-++⎰ (1.3)
电压u 的振幅与瞬时频率()()c f t t k f t ωω=+成正比。

因此，上式就是FM —AM 波。

由于c ω远大于频偏，包络不会出现负值。

经过包络检波器检波后就可以得到原调制信号。

以上过程说明，只要将调频波直接微分，就可以很方便的用包络检波器实现鉴频。

微分器的功能也可以有其他具有线性幅频特性的网络代替，可以用带通网络利用单调谐回路实现波形变化。

1.3包络检波
包络检波是指解调器输出电压与输入已调波的包络成正比的检波方法[2]。

由于AM 信号的包络与调制信号成线性关系，因此检波只适用于AM 波。

原理框图如图1.2所示。

由非线性器件和低通率组成，包络检波最常用的是二极管包络检波器。

图 1.2 包络检波框图
2电路设计
2.1变换电路设计
变换电路采用调谐回路实现频率幅值的变换。

回路的谐振频率高于FM波的载频，并尽量利用幅频特性的倾斜部分。

当频率大于载频时回路两端的电压大，当频率小于载频时回路两端电压小，形成FM—AM波形。

电路如图2.1所示，由变压器和电容组成，变压器与电容组成LC调谐回路。

同时变压器可以实现阻抗匹配。

电路的参数可以根据调谐回路的谐振计算公式确定。

单级调谐回路的谐振频率由下式决定。

即可确定电容值的大小。

f=[3](2.4)
图 2.1 FM—AM变换电路图
2.2检波器的设计
由于二极管检波器电路简单线性度好，采用二极管检波可以获得良好的检波效果。

二极管检波器由二极管整流和低通滤波两部分组成，电路如图2.2所示。

二极管具有单向导通性，可以将交流信号整成直流。

RC电路作为检波器的负载在两端产生调制频率电压，同时启动低通滤波的效果。

由于二极管具有导通电压，所以需要工作在大信号条件下。

二极管通常选用导通电压小、导通电阻小的锗管。

本设计采用5819锗管实现信号的整流输出。

后级采用RC低通滤波，滤掉高频成分。

RC的值由调制信号频率决定。

图 2.2 二极管解调电路图
2.3检波器的失真
2.3.1惰性失真
在二极管截止期间，电容C 两端电压下降的速度取决于RC 的时间常数。

如果RC 时间常数过大，则下降速度很慢，会使得输入电压的下一个正峰值来到时仍然小于c U ，输入AM 信号包络下降速度小于电容两端电压下降速度。

因而，检波器输出电压按照RC 放电规律变化，形成如图所示的波形，这种失真成为惰性失真。

为了避免惰性失真，必须在任何一个高频周期内，使电容C 通过R 放电的速度大于或等于包络的下降速度。

()o u U t t t ∂∂≥∂∂ (2.5) 输入为AM 信号，则可以得到包络变化的速度
sin()o m u mU t t
∂=-ΩΩ∂ (2.6)
二极管停止导通的瞬间，电容两端电压c U 近似为输入电压包络值，则根据
上式可以得到 sin 11cos RC m t m t
ΩΩ≤+Ω (2.7) 从而可以得到无惰性失真的检验公式:
max max RC ≤ (2.8)
2.3.1底部切削失真
底部切削失真又叫做负峰切削失真。

产生这种失真后，输出电压的波形如图所示。

这种失真是由于检波器的交直流负载不同引起的。

为了避免底部切削失真应该满足
(1)c c g
R U m U R R -≥+ (2.9) 即可得到无失真的检验条件
g
g R R m R R R ≈=
≤=+ (2.10) 工程上减小检波器交直流负载的差别有两种措施：一是在检波器与低放之间插入高输入阻抗的射极跟随器，二是将R 分成R1和R2，R=R1+R2。

3 FM-AM变换电路设计
3.1 整体电路设计
FM是调频信号，载波的频率与调制信号的电压成线性关系，而AM是调幅信号，载波的幅值与调制信号的电压成线性关系。

FM抗干扰性强但是占用带宽大，而AM信号抗干扰性弱一些，但是占用带宽仅为信号带宽的两倍。

要完成FM—AM调制信号的变化，主要有FM信号解调以及AM信号调制两部分组成。

通过鉴频电路实现FM信号解调获取调制信号，再将调制信号加上一定的直流偏量，送入乘法器与载波相乘，即可输出AM调制信号，完成FM到AM的变换。

原理框图如图3.1所示。

图 3.1 FM-AM变换框图
鉴频电路采用二极管鉴频器，具有线性范围宽等优点。

由FM经过鉴频电路得到调制信号后，将调制信号通过加法器加上一定的直流偏量，再用模拟乘法器将载波与加法器输出信号相乘即可得到调幅信号(AM)。

即可完成FM到AM的转换。

3.2载波产生电路设计
载波产生采用三极管RC振荡电路主要由三极管放大电路，RC选频网络。

主要有相移式和桥式两种。

RC移相式振荡器，具有电路简单，经济方便等优点，但选频作用较差，频率调节不便，因此一般用于频率固定场合。

其振荡频率是由电容和电阻决定。

f=(3.1)
由频率计算公式可以得到相应的电容电阻的值得到了如图 3.2所示的载波振荡电路。

其中三极管采用高频管9014电容采用102，电阻采用变阻器实现频率的调节。

图 3.2 载频电路
3.3 乘法器设计
乘法电路是整个电路的核心部分，需要乘法器具有较好的线性度与较大的动态范围同时有良好的频率相应[6]。

本设计采用模拟乘法器MC1496集成电路实现乘法功能。

MC1496内部结果如图3.3所示，MC1496的电源电压为12～6V,最大功耗=0.033W,载波抑制50dB,载波馈40uA,输入偏置电流12uA,输入失调电流0.7uA,信号通道电压增益3.5V/V,信号通道共模输入电压范围5V(p-p)。

具有良好的性能。

MC1496的基本配置电路如图3.4所示。

图 3.3 模拟乘法器
3.4 电压跟随器设计
由于乘法器MC1496的输入阻抗很小，实际输入信号衰减很厉害。

本设计采用电压跟随器实现电路前后级的阻抗匹配。

电压跟随器采用ADI的通用运放OP07实现同相跟随，同相跟随具有很高的输入电阻，较小的输出电阻，实现了前后级阻抗匹配。

OP07具有低噪声，高电压等特点，具有较好的性能。

电路如图 3.4所示。

在电路设计中，为了提高性能，降低电路的噪声给系统，在OP07的正负电源分别加上了0.1uF的去耦电容，虑除电源纹波。

图 3.5 电压跟随器
4电路实现与测试
4.1 实物制作
根据前述电路设计，由AltuimDesigner绘制原理图(附录1)，再由原理图生成PCB，经过布局布线后得到绘制好的PCB制版图。

在布局布线中要注意留出测试端，方便调试。

在PCB布线时，要主要走线，防止干扰。

合理的加上去耦电容等放干扰措施。

最后给PCB铺地，增加系统的稳定性与抗干扰能力。

再由手工实现铜板腐蚀得到所需电路。

在腐蚀好的PCB上焊接元件，即可完成实物制作。

焊接要注意，应该优先焊贴片元件和耐高温的电阻电容，以防其他芯片过热损毁。

焊接时要尤其注意不要虚焊，不然调式时查找错误特别难。

焊接的实物图片如图4.1所示。

图 4.2 实物图
4.2 电路测试
4.2.1 FM—AM波形测量
由函数发生器发生中心频率为1M，频偏100K调制信号频率为200HZ的调频波。

经过FM到FM—AM变化电路，由示波器对输出波形就行测试，测试波形如图所示4.2。

由图可知输出为FM—AM波。

可以适当的调整频偏适当电路工作在线性区。

图 4.3 FM—AM波形
4.2.2鉴频波形测量
由函数发生器发生中心频率为1M，频偏100K调制信号频率为200HZ的调频波。

经过鉴频电路，由示波器对输出波形就行测试，测试波形如图4.3所示。

由图可以看出输出200HZ的正弦信号，即为调制信号。

改变调制信号频率，输出正弦波的频率相应变化。

实现了FM信号的解调。

观察波形适当调整滤波电阻，使得输出波形无高频谐波分量。

图 4.4 解调波形
4.2.3鉴频特性曲线
由函数发生器发生中心频率为1M，频偏100K的调频波，改变输入频率。

经过鉴频电路，测量输出信号的幅值。

由表中的数据可以看出该鉴频电路具有在线性鉴频特性。

表4.1
5 总结
设计过程中首先要充分理解相关概念与基本原理。

在设计电路时要考虑到实际情况，尤其是在参数确定时需要选用标称值。

在电路的布局布线时要为调时和测试做好设计，留出相应的测试点。

在实物制作时不要出现错焊，虚焊等现象。

调试时要注意信号的输入幅值，电源电压等关键参数，以免烧毁芯片。

调试时出现问题，一定要结合原理查找原因。

经过这次课程设计的制作，使我加深了对高频知识的理解。

深入的理解了频率调制解调的基本原理和实现方法。

设计制作中，我遇到了许多实际的问题,也体会到了书本理论和实际操作的差异。

通过这段时间的实践，也使我对这门课产生了更加浓厚的兴趣,更加体会到理论与实践结合的重要性。

在摸索该如何设计系统使之实现所需功能的过程中，培养了我的设计思维，增加了实际操作能力。

参考文献
[1] 曾兴雯.刘乃安.高频电路原理与分析.西安电子科技大学出版社.2006.8
[2] 张肃文. C高频电子线路.北京：高等教育出版社.1984
[3] 徐国华.电子技能实训教程.北京:北京航空航天大学出版社,2006
[4] 谢自美.电子线路设计.第三版.武汉:华中科技大学出版社,2006
[5] 吴友宇.模拟电子技术基础.清华大学出版社.2009.
[6] 杨霓清.高频电子线路实验及综合设计.机械工业出版社.2009.
附录1总体电路图
附录2 PCB制版图
附录3 元件清单
本科生课程设计成绩评定表
指导教师签字：
年月日。