基于MC1496的相位鉴频器电路设计与仿真

课程设计报告题目：基于MC1496的相位鉴频器电路设计与仿真****：**学生学号： ********** 系别：电气信息工程学院专业：电子信息工程届别： 2014届****：***电气信息工程学院制2013年5月基于MC1496的相位鉴频器电路设计与仿真学生：薛瑞指导教师：***电气信息工程学院电子信息工程专业1 设计任务及要求1.1设计任务本设计是通过模拟乘法器MC1496和低通滤波器组成的乘积型相位鉴频器，通过电路设计，能够实现仿真波形，将仿真波形与理论比较，分析出设计中的误差。

1.2 设计要求（1）乘积性的相位鉴频器中心频率10.7MHz。

（2）调制信号频率500kHz，用MC1496设计频相转换网络和低通滤波器。

（3）输出波形无显著失真。

1.3设计研究基础1.3.1鉴频器概述鉴频器使输出电压和输入信号频率相对应的电路。

按用途可以分为两类：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。

对于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。

实现调频信号解调的鉴频电路可分为三类，第一类是调频——调幅变换型。

第二类是相依乘法鉴频型，这种类型是将调频波经过移相电路变成调相调频波，其相位的变化正好与调频波瞬时频率的变化呈线性关系，然后将调相调频波与原调频波进行相位比较，通过低通滤波器取出解调信号，因为相位比较器通常用乘法器组成，所以称为相移乘法鉴频；第三类是脉冲均值型。

1.3.2鉴频器的主要参数1.3.2.1鉴频特性(曲线)鉴频特性曲线指鉴频器的输出电压u0与输入电压瞬时频率f 或频偏Δf 之间的关系曲线。

理想鉴频特性曲线应是一条直线，但实际上往往有弯曲，呈S形，如下图所示。

(a )(b )图 1 理想鉴频特性曲线1.3.2.2鉴频器的主要参数1）鉴频器的中心频率f0鉴频器的中心频率f0对应于鉴频特性曲线原点处的频率。

通常，由于鉴频器中心与中频频率相同。

2）鉴频带宽Bm鉴频带宽Bm:是指鉴频器能够不失真地解调所允许输入信号频率变化的最大范围。

3）鉴频器的线性度鉴频器的线性度：是指鉴频特性曲线在鉴频带宽内的线性特性。

4）鉴频跨导SD鉴频跨导SD :是指鉴频器在载频处的斜率，它表示单位频偏所能产生的解调输出电压。

鉴频跨导又叫做鉴频灵敏度。

用公式表示为：00=∆=∆==f f f D fd du dfdu S c跨导也可以理解为将输入频率转换为输出电压的能力或效率，因此又称为鉴频效率。

1.3.3鉴频方法 1.3.3.1直接鉴频法直接鉴频法是直接从调频信号的频率中提取原来调制信号的方法。

主要有脉冲计数鉴频法。

1.3.3.2间接鉴频法就是先对调频信号进行变换或处理，再从变换后的信号中提取原调制信号的鉴频方法。

又可分为振幅鉴频法、相位鉴频法两大类。

本设计采用相位鉴频法，原理如下：相位鉴频器将输入的调频波UFM 做变换，变换成调相调频波UPM/FM,在与调频波UFM 叠加，在电路参数与信号参数匹配的情况下，得到幅度与调制信号呈线性关系的调幅调相调频波，最后经包络检波，解调出调制信号。

鉴相器是用来比较两个同频输入电压U1（t ） 和U2(t) 的相位，而输出电压 U0(t) 是两个输入电压相位差的函数， 即)]()([)(21t t f t u o ϕϕ-=1.3.4鉴频器原理说明利用模拟乘法器的相乘原理可实现乘积型相位检波，其基本原理是：在乘法器的一个输入端输入调频波)(t u s ，设其表达式为 ：)cos cos()(t m t U t u f c sm s Ω+=ω 式中，f m ——调频系数，Ω∆=/ωf m 或f f m f /∆= 其中 ω∆为调制信号的频偏。

另一输入端输入经线性移相网络移相后的调频调相波)(t u s ，设其表达式为：)](sin sin[)]}(2[sin cos{)(ωφωωφπω+Ω+'=++Ω+'='t m t U t m t U t u f c sm f c sm s 式中，)(ωφ——移相网络的相频特性。

这时乘法器的输出)(0t u 为)(21)]()sin (2sin[21)()()(0ωφωφωsm sm E f c smsm E s s E U U K t m U U K t u t u K t u '++Ω+'='=式中，第一项为高频分量，可以被低通滤波器滤掉。

第二项是所需要的频率分量，只要线性移相网络的相频特性)(ωφ在调频波的频率变化范围内是线性的，当rad 4.0)(≤ωφ，)()(sin ωφωφ≈。

因此鉴频器的输出电压)(0t u 的变化规律与调频波瞬时频率的变化规律相同，从而实现了相位鉴频。

2系统方案设计2.1 MC1496芯片介绍模拟乘法器MC1496内部电路图：图2 MC1496内部结构图3 MC1496引脚图MC1496是双平衡四象限模拟乘法器。

其内部电路图和引脚图如图 (a)(b)所示。

其中Q1、Q2与Q3、Q4组成双差分放大器，Q5、Q6组成的单差分放大器用以激励Q1~Q4。

Q7、Q8及偏置电路组成差分放大器Q5、Q6的恒流源。

引脚8与10接输入电压Ux ，1与4接另一输入电压Uy ，输出电压U0从引脚6与12输出。

引脚2 与3外接电阻RE ，对差分放大器Q5、Q6产生串联电流负反馈，以扩展输入电压Uy 的线性动态范围。

引脚14为负电源端（双电源供电时）或接地端（单电源供电时），引脚5外接电阻R5。

用来调节偏置电流I5及镜像电流I0的值。

2.2 主要技术指标乘积型鉴相器组成方框图如图4所示。

图中，两个输入信号分别为： 调相波 )cos(11ϕω∆+=t U u c m 本地参考信号 t U u c m ωsin 22=)2()2(210T T U uth U u th I i = （2.1）⊗图4 乘积型鉴相器组成方框图 （1）1u 和2u 均为小信号当≤m U 126mV ，≤m U 226mV 时，由式(1-1)可得输出电流为)2sin(21sin 21cos )sin(44212121202210ϕωϕωϕω∆++∆=∆+==t U KU U KU t t U U U I U u u I i c m m m m c m m TT 式中K 为乘法器的相乘增益因子。

通过低通滤波器后，上式中第二项被滤除，于是可得输出电压为ϕ∆=sin 21210L m m R U KU u （2.2）u1u2图 5 乘积型鉴相器的鉴相特性曲线鉴相器灵敏度为L m m R U KU S 2121=(2.3) （2) 1u 为小信号，2u 为大信号当≤m U 126mV ，≥m U 2260mV 时，由式(1-1)可得输出电流为()()()[]...2sin sin sin ...3cos 34cos 4221112+∆++∆=∆+⎪⎭⎫⎝⎛+-==ϕωϕπϕωωπωπωt U U It U t t U I Uu t K I i m Io c m c cI o o 输出电压 ϕπ∆=sin 100m TLU U R I u （2.4） 鉴相器灵敏度为m TLU U R I s 10π=（2.5） （3) 1u 和2u 均为大信号当≥m U 1260mV ，≥m U 2260mV 时，由式(1-1)可得输出电流为)2()2(21TT U uth U u Kth i = （2.6） ()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡-∆+∆-∆=...5sin 583sin 38sin 82220ϕπϕπϕππTLo U R I u 鉴相器灵敏度为TLo U R I s π=（2.7）(a)(b)图6 电流波形图2.3 同步检波的原理同步检波分为乘积型和叠加型两种方式，它们都需要接收端恢复载波的支持，本设计采用乘积型同步检波。

乘积型同步检波是直接把本地恢复载波与调幅信号相乘，用低通滤波器滤除无用的高频分量，提取有用的低频信号，它要求恢复载波与发射端的载波同频同相，否则将使恢复出来的调制信号产生失真。

设计中，用MC1496构成的振幅调制电路产生调幅信号，然后采用实验电路实现信号的解调。

本设计电路的输出电流中，除了解调所需要的低频分量外，其余所有分量都属于高频范围，很容易滤除，因此不需要载波调零电路，而且可采用单电源供电。

本电路可解调DSB或SSB信号，亦可解调AM信号。

MC1496的10脚输入载波信号，可用大信号输入，一般为100-500mV；1脚输入已调信号，信号电平应使放大器保持在线性工作区内，一般在100mV以下。

2.4 电路原理图用MCl496构成的乘积型相位鉴频器电路。

图7 MCl496构成的乘积型相位鉴频器电2.5 电路原理图说明图7中调频信号通过电缆由输入端IN 输入,经D1和D2组成的双限幅器整形，除去寄生调幅，其中一路信号由MC1496的输入端8、10输入，另一路信号经C10、C11、L1、R17、组成的LC 串并联移相网络，变为调相调频波，由1496的输入端1、4端输入。

LC 串并联移相网络的工作原理另一路经LC 串并联移相网络输出的信号，产生的的相移为：)]))(((arctan[2)]1(arctan[2)(20202ωωωωωπωωπωϕ+--=--='c Q Q (2.8) 当cωω∆<<1时，上式可近似表示为)(2)]2(arctan[2)(0ωϕπωωπωϕ-=∆-='Q (2.9)或)]2(arctan[)(0f fQ ∆=ωϕ (2.10)式中0f 为回路的谐振频率，与调频波的中心频率相等，Q 为回路品质因数，f ∆为瞬时频率偏移。

鉴频器的相移φ与频偏f ∆的特性曲线如图8所示。

由图可见：在f =0f 即f ∆=0时相位等于2π，在f ∆范围内，相位随频偏呈线性变化，从而实现线性移相。

of f Q /2∆图14-3　移相网络的相频特性图8 相移与频偏MCl496的作用是将调频波与调频调相波相乘，其输出经R11、C3，C4组成的RC 低通滤波网络输出。

乘法器鉴相的基本原理设在乘法器的一个输入端输入调频波us(t)设其表达式为：]sin cos[)(t m t U t u f c sm s Ω+=ω (2.11)式中，f m 为调频系数，Ω∆=/ωf m 或F f m f /∆=，其中ω∆为调制信号产生的频偏。

乘法器的输出中，高频分量可以被滤波器滤掉。

经低通滤波器得到所需要的频率分量为：)(sin )(0ωϕm U t u = （2.12）只要线性移相网络的相频特性)(ωϕ在调频波的频率变化范围内是线性的，当 rad 4.0)(≤ωϕ时，)()(sin ωϕωϕ≈,所以输出信号电压为：02)()(f fQU U t u m m ∆==ωϕ （2.13） 因此鉴频器的输出电压)(0t u 的变化规律与调频波瞬时频率的变化规律相同，从而实现了相位鉴频。