高频课程设计鉴频器的设计

绪论

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。

实现调频信号解调的鉴频电路可分为三类，第一类是调频—调幅调频变换型。这种类型是先通过线性网络把等幅调频波变换成振幅与调频波瞬时频率成正比的调幅调频波，然后用振幅检波器进行振幅检波。第二类是相移乘法鉴频型。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成线性关系，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。这种类型是把调频信号通过过零比较器变换成重复频率与调频信号瞬时频率相同的单极性等幅脉冲序列，然后通过低通滤波器取出脉冲序列的平均值，这就恢复出与瞬时频率变化成正比的信号。调频波的特点是振幅保持不变，而瞬时频率随调制信号的大小线形变化，调制信号代表所要传送的信息，在分析或实验时，常以低频正弦波为代表。鉴频的目的就是从调频波中检出低频调制信号，即完成频率—电压的变换作用。能完成这种作用的电路被称为鉴频器。率鉴频器：其中，晶体管和LC回路实质上是一个调谐放大器，但回路的谐振频率f0与已调频信号的中心频率fc是失谐的。一旦已调频信号的瞬时频率发生变化,放大器就输出一个与之相对应的调幅-调频波。经二极管检波处理，即可在负载RL上得到与原调制信号变化规律相同的输出。斜率鉴频器的电路比较简单，但回路失谐时其谐振特性曲线不是直线，因而鉴频特性的线性较差。

1 鉴频器基础知识

1.1 鉴频器

角调波的解调就是从角调波中恢复出原调制信号的过程。其中调频波的解调电路称为频率检波器或鉴频器（FD ）。与调幅接收机一样，调频接收机的组成也大多是采用超外差式的。在超外差式的调频接收机中，鉴频通常在中频频率（如调频广播接收机的中频频率10.7MHZ ）上进行。就鉴频器的功能而言，它是一个将输入调频波的瞬时频率f (或频偏f ∆)变换为相应的解调输出电压o u 的变换器，通常将此变换器的变换特性称为鉴频特性，用曲线表示为输出电压o u 与瞬时频率f 或频偏f ∆之间的关系曲线，称为鉴频特性曲线。在线性解调的理想情况下，此曲线为一直线，但实际往往有弯曲，呈“S ”曲线。通常用峰值带宽m B 来近似衡量鉴频特性线性区的宽度，它指的是鉴频特性曲线左右两个最大值（±

m ax o u ）间对应的频率间隔。鉴频器特性曲线一般是左右对称的，若峰值点的频

偏为A A c c B f f f f f ∆=-=-,则m B =2A f ∆。对于鉴频器来讲，要求线性范围宽（m B ＞2m f ∆），线性度好。但在实际上，鉴频特性在两峰之间都存在一定的非线性，通常只有在f ∆=0附近才有较好的线性。对鉴频器的另外一个要求，就是鉴频跨导要大。所谓鉴频跨导D S ，就是鉴频特性在载频处的频率，它表示的是单位频偏所能产生的解调输出电压。

鉴频跨导有叫鉴频灵敏度，用公式表示为：

鉴频跨导也可以理解为鉴频器将输入频率转换为输出电压的能力或效率，鉴频跨导又称为鉴频效率。调频制具有良好的抗噪声能力，是以鉴频器输入为高信噪比为条件的，一旦鉴频器输入信噪比低于规定的门限值，鉴频器的输出信噪比将急剧下降，甚至无法接收。

调频致具有良好的抗噪声能力，是以鉴频器输入为高信噪比为条件。一旦鉴频器输入信噪比低于规定的门限值，鉴频器的输出信噪比将急剧下降，甚至无法

(/)

c

o o D f f f du du S V Hz df

d f

=∆==

=

∆

接受。这种现象称为门限效应。实际上，各种鉴频器都存在门限效应，只是门限电压的大小不同而已。

鉴频特性：鉴调频电路输出低频解调电压与输入低频信号瞬时频偏的关系。理想鉴调频特性应该是线形的，实际为“ S ”曲线

线形范围：由于输入调频信号的瞬时频率是在载频附近变化，故鉴频特性曲线位

于载频附近，其中线形部分称为鉴频线形范围。正负峰间距

鉴频灵敏度：在鉴频线形范围内，单位频偏产生的解调信号电压的大小。.

处的斜率。单位频偏产生的输出电压的大小。

图1-1 鉴频器及鉴频特性

1.2 鉴频方法

从FM波中还原调制信号的方法概括起来可分为直接鉴频法和间接鉴频法两种。直接鉴频法就是直接从调制信号的频率中提取原来调制信号的方法，主要是脉冲计数式鉴频法；间接鉴频法就是对调制信号进行不同的变换或处理从而间接地恢复原来调制信号的方法，如波形变换法、锁相环解调（PLLDM）法及调频负反馈解调（FM-FBDM）法、正交鉴频法等。对于间接鉴频法，尽管解调方式不同，但它们均能产生一个幅度与输入信号瞬时频率成线性关系的输出信号。就鉴频器的工作原理而言，其各种实现方法都是将输入调频波进行特定的波形变换，是变换后的波形包含反映瞬时频率变化的平均分量，然后通过低通滤波器取出所需解调电压。根据波形变换的不同特点，鉴频方法可归纳为振幅鉴频法和相位鉴频法两种。

1.2.1 振幅鉴频法

调频波振幅恒定，故无法直接用包络检波器解调。所以将等幅的调频信号变换成振幅也随瞬时频率变化，既调频又调幅的FM-AM波，就可以通过包络检波器解调此调频信号。用此原理构成的鉴频器称为振幅鉴频器，其原理框图如下图所示。其中FM-FM.AM变换电路应该是具有线性频率—电压转换特性的线性网络。

（a）振幅鉴频器原理框图（b）变化电路特性

图1-2 振幅鉴频原理

1.2.2 相位鉴频法

相位鉴频法的原理框图如下图所示。图中的变换电路具有线性的频率—相位转换特性，它可以将等幅的调频信号变成相位也随瞬时频率变化的、既调频又调相的FM-PM 波。把此FM-PM 波和原来输入的调频信号一起加到鉴相器上，就可以通过鉴相器解调此调频信号。相位鉴频法的关键是相位检波器，相位检波器或鉴相器就是用来检出两个信号之间的相位差，完成相位差—电压变换作用的部件或电路。设输入鉴相器的两个信号分别为：

把它们同时加于鉴相器，鉴相器的输出电压o u 是瞬时相位差的函数，即：

在线性鉴相时，o u 与输入位相差21()()()e t t t ϕϕϕ=-成正比。信号2u 中引入/2π固定相移的目的在于当输入相位差21()()()e t t t ϕϕϕ=-在零附近正负变化时，鉴相器输出电压也相应地在零附近正负变化。

图1-3 相位鉴频器的框图

11122222cos ()cos ()sin ()2c c c u U t t u U t t U t t ωϕπωϕωϕ=+⎡⎤⎣⎦

⎡⎤

=-+=+⎡⎤⎣⎦

⎢⎥⎣⎦

21()()o u f t t ϕϕ=-⎡⎤⎣⎦