乘积型相位鉴频器设计

目录
1 Multisim软件简介......................................... - 1 - 2相位鉴频器..................................................... - 3 -
2.1电路原理及用途............................................ - 3 -
2.2 模拟乘法器MC1496 ....................................... - 4 -
2.3 低通滤波器................................................. - 4 -
2.4主要技术指标 .............................................. - 5 -
3 乘积型相位鉴频器.......................................... - 8 -
3.1 乘积型相位鉴频器的原理图 .......................... - 8 -
3.2电路工作状态或元件参数的确定........................ - 9 -
3.3设计电路的性能评测..................................... - 11 -
3.4仿真结果................................................... - 14 -
4 元件清单 ...................................................... - 16 -
5 总结与心得体会............................................ - 17 -
6 参考文献 ...................................................... - 18 - 本科生课程设计成绩评定表 .............................. - 19 -
1 Multisim软件简介
随着计算机技术飞速发展，电路可以通过计算机辅助分析和仿真技术来完成设计。

计算机仿真在教学中的应用，代替了大包大揽的试验电路，大大减轻验证阶段的工作量；其强大的实时交互性、信息的集成性和生动直观性，为电子专业教学创设了良好的平台；极大地激发了学生的学习兴趣，能够突出教学重点、突破教学难点；并能保存仿真中产生的各种数据，为整机检测提供参考数据，还可保存大量的单元电路、元器件的模型参数。

采用仿真软件能满足整个设计及验证过程的自动化。

Multisim 软件就是一个专门用于电子线路仿真与设计的 EDA 工具软件。

作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具， Multisim 是一个完整的集成化设计环境。

而且Multisim 计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好的解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一老大难问题。

学员可以很好地、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。

极大地提高了学员的学习热情和积极性。

真正的做到了变被动学习为主动学习。

这些在教学活动中已经得到了很好的体现。

还有很重要的一点就是：计算机仿真与虚拟仪器对教员的教学也是一个很好的提高和促进。

理论教学――计算机仿真――实验环节。

Multisim仿真软件具有以下特点。

（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。

增加了射频电路仿真功能，这是目前众多通用电路仿真软件所不具备的。

极大地扩充了元件数据库，特别是大量新增的与现实元件对应的元件模型，增强了仿真电路的实用性。

新增的元件编辑器给用户提供了自行创建或修改所需元件模型的工具。

为了扩充电路的测试功能，增加了瓦特计、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪等新的测试仪表，而且所有仪表都允许多台同时调用。

改进了元件之间的连接方式，允许连线任意走向。

专业版的Multisim还支持VHDL和Verilog语言的电路仿真与设计。

2相位鉴频器
2.1电路原理及用途
鉴频是调频的逆过程，广泛采用的鉴频电路是相位鉴频器。

其鉴频原理是：先将调频波经过一个线性移相网络变换成调频调相波，然后再与原调频波一起加到一个相位检波器进行鉴频。

因此实现鉴频的核心部件是相位检波器。

相位检波又分为叠加型相位检波和乘积型相位检波，利用模拟乘法器的相乘原理可实现乘积型相位检波。

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，我们在分析或实验时，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。

相位鉴频器是利用双耦合回路的相位-频率特性将调频波变成调幅调频波,通过振幅检波器实现鉴频的一种鉴频器。

它常用于频偏在几百KHz以下的调频无线接收设备中。

常用的相位鉴频器根据其耦合方式可分为互感耦合和电容耦合两种鉴频器。

调相波的解调电路,是从调相波中取出原调制信号,即输出电压与输入信号的瞬时相位偏移成正比,又称为鉴相器。

对于调频波的解调电路来说,是从调频波中取出原调制信号,即输出电压与输入信号的瞬时频率偏移成正比,又称为鉴频器。

与调幅接收机一样，调频接收机的组成也大多采用超外差式的。

在超外差式的调频接收机中，鉴频通常在中频频率上进行。

在调频信号的产生、传输和通过调频接收机前端电路的过程中，不可避免地引入干扰和噪声，它们对FM信号的影响，主要表现为调频信号出现了不希望有的寄生调幅和寄生调频。

要消除由寄生调幅所引起的鉴频器的输出噪声，通常在末级中放和鉴频器之间设置限幅器。

就功能而言，鉴频器是将输入调频波进行特定的波形变换，使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。

乘积型相位鉴频器是由模拟乘法器MC1496和低通滤波器组成，下面分别介绍模拟乘法器的内部结构和低通滤波器的组成。

2.2 模拟乘法器MC1496
(a) MC1496内部结构（b）MC1496引脚图
图2-1 MC1496内部电路图和引脚图
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2-1(a)(b)所示。

引脚8 与10 接输入电压
U，1 与4 接另一输入电压y U，输出电压U 从引脚6
x
与12输出。

引脚2 与3 外接电阻RE，引脚4与8所对应的三极管构成对差分放大器产生串联电流负反馈，以扩展输入电压
U的线性动态范围。

引脚1与4为负电源
y
端或接地端，引脚5外接电阻。

用来调节偏置电流及镜像电流的值。

2.3 低通滤波器
低通滤波器容许低频信号通过, 但减弱(或减少)频率高于截止频率的信号的通过。

对于不同滤波器而言,每个频率的信号的减弱程度不同。

当使用在音频应用时,它有时被称为高频剪切滤波器, 或高音消除滤波器。

低通滤波器概念有许多不同的形式，其中包括电子线路（如音频设备中使用的hiss 滤波器、平滑数据的数字算法、音障（acoustic barriers）、图像模糊处理等等。

低通滤波器在信号处理中的作用等同于其它领域如金融领域中移动平均数（moving aver age)所起的作用；这两个工具都通过剔除短期波动、保留长期发展趋势提供了信号的平滑形式。

图2-2简单的无源低通滤波器
2.4主要技术指标
乘积型鉴相器组成方框图如图3所示。

图中，两个输入信号分别为：
调相波 11cos()m c u U t ωϕ=+V 本地参考信号 22sin m c u U t ω= 12()()22T T
u u
i I th th U U ο= （2-1）
图2-3 乘积型鉴相器组成方框图
（1）1u 和2u 均为小信号
当|1m U |≤26mV 、|2m U |≤26mV 时，由式(2-1)可得输出电流为
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
u 2
低通滤波器u o u 1001222
121212sin()cos 4411
sin sin(2)22
m m c c T T m m m m c u u I i I U U t t U U KU U KU U t ωϕωϕωϕ==+∆=
∆++∆
（2-2）
图2-4 乘积型鉴相器的鉴相特性曲线
鉴相器灵敏度为 (2-3)
（2) 1u 为小信号，2u 为大信号
当|1m U |≤26mV 、|2m U |≥100mV 时，由式(1)可得输出电流为
（2-4）
鉴相器灵敏度为 1o L m T
I R
s U U π= （2-5）
（3) 1u 和2u 均为大信号
当|1m U |≥100mV,| 2m U |≥100mV 时，由式(2-1)可得输出电流为
12(
)()22T T
u u
i Kth th U U = （2-6） 222888[sin()sin(3)sin(5)]235L T I R u U οοϕϕϕπππ=
-+-V V V … 鉴相器灵敏度为 o L
T
I R s U π=
（2-7）
121sin 2o m m L u KU U R ϕ=∆
121
2
m m L S KU U R =1
11()244
(cos cos3)sin()
23[sin sin(2)]o T
o c c m c T o m c T u i I Kth U I t t U t U I U t U ωωωϕππϕωϕπ==-+⋅⋅⋅+∆=∆++∆+⋅⋅⋅1sin o L
o m T I R u U U ϕπ=∆
图2-5 电流波形图
(a )
(b )
3 乘积型相位鉴频器
3.1 乘积型相位鉴频器的原理图
图3-1 MC1496内部结构
图3-2 乘积型相位鉴频器的工作原理图
3.2电路工作状态或元件参数的确定
图3-2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1496的输入端8、10输入，另一路信号经C9、C10、L1、R15、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：
()()222
'()arctan[(1)]arctan[]22o o o o
Q Q ωωωωπ
ωπ
ϕωωω-+=--=- (3-1) 当1o
ω
ω∆<< 时，上式可近似表示为
(3-2) 或
2()arctan (
)o
f
Q f ϕω⎡
⎤
∆=⎢⎥⎣⎦
(3-3) 式中o f 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3-3所示。

由图可见：在f=f 0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。

图3-3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。

o
f f Q /2∆图14-3　移相网络的相频特性
2'()arctan ()()
22
o Q π
ωπϕωϕωω⎡⎤∆=
-=-⎢⎥⎣⎦
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u s (t)设其表达式为：
()cos[sin ]s sm c f u t U t m t ω=+Ω (3-4)
式中，f m 为调频系数，Ω∆=/ωf m 或/f m f 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 ()o m u t U ϕω= （3-5）
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：
（3-6） 因此鉴频器的输出电压()o u t 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。

乘积型相位鉴频器鉴频特性
鉴频器的输出电压u 0与调频波瞬时频率f 的关系称为鉴频特性，特性曲线(或称S 曲线)如图3-4所示。

图3-4 鉴频器的鉴频特性曲线(或称S 曲线)
鉴频器的主要性能指标是鉴频灵敏度S d 和线性鉴频范围2Δf max 。

S d 定义为鉴频器输入调频波单位频率变化所引起的输出电压的变化量，通常用鉴频特性曲线u O -f 在中心频率o f 处的斜率来表示，即/d o S V f =∆∆, 2Δf max 定义为鉴频器不失真解调调频波时所允许的最大频率变化范围，2Δf max 可在鉴频特性曲线上求出。

图14-1 相位鉴频特性
()()2o m m o
f u t U U Q
f ϕω∆==
3.3设计电路的性能评测
为了分析的简化,先假设相位鉴频器的初级回路的品质因数较高,初、次级回路的互感耦合比较弱。

这样在估算初级回路电流时,就不必考虑初级本身的损耗电阻和从次级引人到初级的损耗电阻。

由图3-5可知，初级回路中流过电感
1
L的电流
1
I
g
为：
1
1
1
U
I j L
ω
=
g
g。

图
3-5互感耦合相位鉴频器的基本电路
在同名端如图3-5所示的的条件下，初级回路电流
1
I
g
在次级回路中感应电动势
s
E
g
为：
1
s
E j M I
ω
=
g g
代入得：次级回路路端电压U
ab
可由等效电路求出
2
22
22
2
1
12
1
222122
11
1
()
1
()
S
ab
E
U I
j C j C
R j L
C
M
U
L C
M
j U
R jX j C L R jX
ωω
ω
ω
ω
ω
==
+-
==-
++
g
g g
g
g
g
g
（3-7）
式中,22
2
1
X L C
ωω
=- ,是次级回路总电抗,其值随频率不同可能为正,可能为负,还可能为零。

○1当输入信号频率c
f f
=时, 20
X=。

于是
()22211121
2
11
j ab C C M M U j U j U e L R L R πωω-=-=g g g （3-8）
此式表明,次级回路电压ab U g
比初级回路电压1U g
滞后π/2,则电压矢量图如图3-6 (a)所示。

图3-6 矢量合成图
因为鉴频器的输出电压u ο与12D D U U -成正比,由矢量图知12D D U U =,则鉴频器的输出电压为：12()0o d D D u K U U =-=
○
2当输入信号频率c f f >时, 20X >,这时次级回路总阻抗为：
2222j Z R jX Z e θ
=+=g
式中，2Z 是2Z g
模，其值为：2
222
2
Z R X =+,θ是2Z g
的相角，
其值为：2
2
(
)0X arctg R θ=>代入得:
()22112
1
j ab C M U U e L Z πθω-+=g g （3-9）
此式表明,次级回路电压ab U g
比初级回路电压1U g
滞后(2
π
θ+),对应的矢量图如
图3-6 (b)所示。

从图中可知12D D U U <,则鉴频器的输出电压为：12()0o d D D u K U U =-< ○
3当输入信号频率c f f <时, 20X <,这时次级回路总阻抗为: 2222j Z R jX Z e θ=+=g
式中22
222Z R X =+,22
()0X arctg R θ=<,带入得：
()
22
1
12
1
j
ab
C
M
U U e
L Z
π
θ
ω--
=
g g
（3-10）
此式表明,次级回路电压
ab
U
g
比初级回路电压
1
U
g
滞后(||
2
π
θ
-),对应的矢量图
如图3-6(c)所示。

从图中可知12
D D
U U
>,鉴频器的输出电压为：12
()0
o d D D
u K U U
=->
图3-7 鉴频特性曲线
由上分析可得鉴频器输出电压u
ο
与频率f的关系曲线如图3-7所示。

在c
f f
=点, 0
uο=,随着失谐的加大,
1
D
U与2D U幅度的差值增大, uο的幅值
加大。

当
c
f f
>时, uο为负。

当
c
f f
<时, uο为正。

当频率偏离超过
1
m
f和
2
m
f两
点时,曲线弯曲,这是由于两输入谐振回路失谐严重,
1
U
g
和
ab
U
g
幅度都变小,合成电压也相应减小,鉴频特性曲线下降。

3.4仿真结果
（1）鉴频器的输入调频波的波形如下图3-8所示
图3-8输入调频波的波形
（2）输出所需的原调制信号，得到的仿真波形图如下图3-9所示。

图3-9输出的原调制信号波形图
（3）将原输入的调频波与经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3-10所示。

图3-10输入的调频波与原调制信号对比图
4 元件清单
4-1 元件清单表
板子一块，14脚插座，排针，MC1496芯片（14脚）
5 总结与心得体会
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。

同时也使我更加熟练了multisim的使用，以前也用过，但也仅限于对于数电内容的仿真，通过本次课设，让我接触到更多的设计模块，为以后更好的使用它打好了基础。

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。

通过这次课程设计我还对mathtype数学公式编辑器有了一定的了解，并且会用它编辑公式。

对word也有了进一步的掌握。

6 参考文献
（1）刘泉，通信电子线路，武汉理工大学出版社，2005
（2）谢自美，电子线路·实验·测试，华中科技大学出版社，2007 （3）吴慎山，电子线路设计与实践，西安.电子工业出版社，2005 （4）朱单，Multisim2001电路设计及仿真，电子工业出版社，2002 （5）臧春华，电子线路设计与应用，高等教育出版社，2004
本科生课程设计成绩评定表
指导教师签字:
年月日。