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
基于MC1496的相位鉴频器电路设计与仿真
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
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。

变换器f u o f B u o max
u o
f c f A f
(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 f d du df du 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{)(ωφωωφπ
ω+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 sm sm 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 )c o s (11ϕω∆+=t U u c m
本地参考信号 t U u c m ωsin 22=
)2()2(210T T U u th 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 T
T 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 2
1210L m m R U KU u （2.2）
低通 滤波器 u1 u2 u0
u o
0∆ϕ
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 212
1= (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 I t U t t U I U u t K I i m I o c m c c I o o
输出电压 ϕπ∆=sin 100m T L U U R I u （2.4）
鉴相器灵敏度为m T
L U 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(21T
T U u th U u Kth i = （2.6） ()()⎥⎦
⎤⎢⎣⎡-∆+∆-∆=...5sin 583sin 38sin 82220ϕπϕπϕππT L o U R I u 鉴相器灵敏度为T L o U R I s π=
（2.7）
K 2(ω t )00i
－I o
＋I o
∆ϕ＝0
(a )K 2(ω t )
00i 0∆ϕ≠0(b )K 2(ω t )π2π2K 2(ω t － ＋∆ϕ)ω t
ω t ω t ω t
ω t
ω t －
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)(2
0202ωωωωωπ
ωωπ
ωϕ+--=--='c Q Q (2.8) 当
c
ωω
∆<<1时，上式可近似表示为
)(2
)]2(
arctan[2
)(0
ωϕπ
ωω
π
ωϕ-=
∆-=
'Q (2.9)
或
)]
2(
arctan[)(0f f
Q ∆=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2
π
，在f ∆范围内，相位随频偏呈线性变化，从而实现线性移相。

2
/ππ
o
)(f ∆ϕo
f 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 r a d 4.0)(≤ωϕ时，)()(sin ωϕωϕ≈,所以输出信号电压为：
02)()(f f
Q
U 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。

所以相位鉴频器的线性鉴频范围受到移相网络相频特性线性范围的限制。

3 系统仿真结果分析 3.1 Multisim 软件介绍
Multisim 是一个专门用于电子线路设计与仿真的EDA 工具软件，它是加拿大IIT 公司（Interactive Image Technologise Ltd.）推出的继EWB 之后的版本。

它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

NI Multisim 软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。

学生可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。

Multisim 软件特点:
(1)直观的图形界面：整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。

(2)丰富的元器件库：Multisim 大大扩充了EWB 的元器件库， 包括基本元件、半导体器件、运算放大器、TTL 和CMOS 数字IC 、DAC 、ADC 及其他各种部件，且用户可通过元件编辑器自行创建或修改所需元件模型，还可通过liT 公司网站或其代理商获得元件模型的扩充和更新服务。

(3)丰富的测试仪器：除EWB 具备的数字万用表、函数信号发生器、双通道示波器、扫频仪、字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪外，Multisim 新增了瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪。

尤其与EWB 不同的是：所有仪器均可多台同时调用。

(4)完备的分析手段：除了EWB 提供的直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点一零点分析、传输函数分析、灵敏度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析外，Multisim 新增了直流扫描分析、批处理分析、用户定义分析、噪声图形分析和射频分析等，基本上能满
足一般电子电路的分析设计要求。

(5)强大的仿真能力：Multisim 既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真，也可进行数模混合仿真，尤其是新增了射频(RF) 电路的仿真功能。

仿真失败时会显示出错信息、提示可能出错的原因，仿真结果可随时储存和打印。

（6）Multisim软件的使用:首先打开Multisim软件，可在菜单栏中点击‘place’按钮选中component，这时可以弹出‘select a component’窗口，在‘group’栏是器件的大的分类，下面是器件的具体类型，并可以在中间的‘component’栏中挑选所需器件的数值大小，在最右边的‘symbol’栏中可以观看选中器件的图标。

器件选好后可以点击‘ok’按钮，这回可以返回绘图界面，在适当的位置单击放置所选的器件。

此外，还可以在绘图界面的最右边的工具栏中选择万用表、示波器等相关测量工具。

3.2仿真结果分析
乘积型相位鉴频器的输入调频波的波形如下图9所示。

图9输入调频波的波形图
模块一后，调频波变换为调频、调幅波，其输出波形如下图10所示。

原调频信号为等幅的调频波，波形仅有有疏密之别，经变换电路变换后，波形振幅不等，形成
包络。

图10 调频、调幅波的波形图
再经模块二，即二极管包络检波器检波之后，输出所需的原调制信号，得到的仿真波形图如下图11所示。

图12 乘积型鉴频器输出的原调制信号波形图
将原输入的调频波与经双失谐回路鉴频器鉴频之后输出的原调制信号进行对比，其仿真波形如下图13所示。

图13输入调频波与输出信号的比较
4 总结及体会
通过这次课程设计使我对课程学习又进了一层，这次课程设计使我又巩固了以前的高频课本，以及老师指导我们做的实验，深刻领会到了课程学习的重要性，激发我的学习积极性，通过这次设计也使我对multisim软件有了一定的了解，能够画出基本的电路图，学会了一些基本电路的仿真；同时，也使我对word的基本操作更加的熟练，能够灵活是现行word的一些基本操作。

这些都促使我去努力搞好我的课程设计，更好的学习其他课程。

为期几周的课程设计已经接近尾声。

通过这次课程设计首先对高频电路原理与分析课程的到了复习和应用。

并且对所学的知识的到了应用。

使得理论与实践相结合，对知识的掌握更佳的熟练。

之后分析电路实现的方案，对不同的电路进行分析，结合任务要求找出最好的电路方案。

并设计出它的总体电路图，了解电路图的各部分功能和电路实现的具体过程。

本次是要设计鉴频器，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。

这次课程设计业使我明白了在知识的领域里我还有很多很多的不足，并且再一次的深深的体会到理论和实践之间还有很到的差别。

在以后的学习中应该多多的注意实
践知识的训练和积累。

在以后的学习生活中要不断的开拓自己的动手能力，不断的训练自己的动手能力。

这次课程设计让我深深的明白了自己以后该做什么，该怎么去做。

这次课程设计课程设计业让我复习了高频电子线路原理与分析的相关知识。

通过这次试验我复习了鉴频电路的设计。

5 参考文献
[1] 程东红主编电子线路(第四版)[M] 高等教育出版社,1979
[2] 康华光主编电子技术基础—模拟部分（第五版[M] 高等教育出版社,1990
[3] 王冠华主编Multisim 11电路设计及应用[M] 高等教育出版社,1980
[4] 熊伟主编Multisim电路设计及仿真应用[M]清华大学出版社,1986
[5] 侯丽敏主编通信电子线路[M] 华大学出版社高等教育出版社,1989
[6] 谢自美主编电子线路设计、实验、测试[M] 华中理工大学出版社,1995
[7] 王紫婷主编电子技术实验教程[M].成都西南交大出版社,1997.
[8] 刘泉主编通信电子线路[M] 武汉理工大学出版社,1996
6附录
附1：表：设计电路所用器件清单
序号名称规格数量(个)
1 三极管2N222
2 8
2 二极管1N5719 1
3 电容4pF 1
4 电容5pF 1
5 电容15pF 1
6 电容100nF 5
7 电容330pF 2
8 电容334pF 2
9 可变电容25pF 1
10 电阻51Ω 1
11 电阻100Ω 1
12 电阻180Ω 1
13 电阻220Ω 1
14 电阻500Ω 3
15 电阻1kΩ 6
16 电阻3kΩ 1
17 电阻 3.3kΩ 2
18 电阻20kΩ 2
19 电阻200kΩ 1
20 可变电阻50kΩ 1
21 电感 2.2uH 1
22 运算放大器LM358AD 1
23 直流电源VCC 12V 1
24 直流电源VDD 12V 1
25 直流电源VEE -12V 1
26 直流电源VSS -8V 1
续表：
序号名称规格数量(个)
27 调频信号源10.7MHZ/500k 1
28 示波器 1 附2：电路总图
指导教师评语
成绩评定指导教师签字：
年月日答辩小组评语
成绩评定答辩小组签字：
年月日。