相位鉴频器

相位鉴频器
一、相位鉴频原理
鉴频是调频的逆过程，广泛采用的鉴频电路是相位鉴频器。

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。

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。

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。

相位鉴频器鉴频方式是：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。

二、设计方案
（一）应用软件：本次设计是在Multisim 软件下进行的，Multisim 软件是一个专门用于电子线路仿真与设计的 EDA 工具软件，具有很强大的功能，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问题。

学员可以很好、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。

Multisim 仿真软件具有以下特点，直观的图形界面，丰富的元器件库，丰富的测试仪器，强大的仿真能力。

（二）工作原理及定性分析
1、相位鉴频器原理
图1 互感耦合相位鉴频器的基本电路
如图1所示是互感耦合相位鉴频器的基本电路，由调频-调幅调频变换电路和振幅检波器两部分组成。

调频-调幅调频变换电路是由双耦合回路组成，其初级11C L 和次级22C L 都调谐于输入调频波的中心频率c f ，为了实现调频-调幅调频变换，初级和次级之间采用两种耦合方式，一种是互感M 的耦合，即由1U 通过互感M 在次级产生ab U ,另一是通过电容c C 将1U 耦合到高频扼流圈L 上，因为4C 、c C 对高频可认为短路，这样就可以认为1U 全加在L 上。

另外，c 点为2L 的中心抽头，故变换电路送给检波器电压为
2/11ab D U U U +=
2/-12ab D U U U =
振幅检波器是由二极管1D 、2D 和低通滤波器3RC 、4RC 组成。

输入电压为1D U 、2D U ，振幅检波器输出只与输入信号振幅相关，与相位无关。

鉴频器的输出取两振幅检波输出电压之差，即
21o u D D KU KU -=
对于调频-调幅调频变换电路，1U 是等幅波，在耦合回路通带内ab U 的振幅也可以认为是不变的。

但是1U 和ab U 之间的相位关系却随着频率变化而变化，相位鉴频器正是利用了ab U 与1U 的相位差随频率变化，实现了调频-调幅调频变换。

1D U 和2D U 均为调幅调频波，经振幅检波器可实现鉴频。

2、相位鉴频器定性分析
为了分析的简化,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。

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1可知，初级回路中流过电感1L 的电流1I 为 ：1
11
U I j L ω=。

在同名端如图
1所示的的条件下，初级回路电流1I 在次级回路中感应电动势s
E 为：1s E j M I ω=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
112
1222122
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 ωωωωωω==
+-==-++ （1）
式中,2
22
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, 20X =。

于是
()222111212
11
j ab C C M M U j U j U e L R L R π
ωω-=-= （2）
此式表明,次级回路电压ab U 比初级回路电压1U 滞后π/2,则电压矢量图如图所示。

图2 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=+=式中，2Z 是2Z
模，其值为：22
222
Z R X =+,θ是2Z 的相角，其值为：22
()0X arctg R
θ=>代入得:
()2
2112
1
j ab C M U U e L Z πθω-+= （3）
此式表明,次级回路电压ab U 比初级回路电压1U 滞后(2
π
θ+),对应的矢量图如
图3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=+= 式中22
222
Z R X =+,22
()0X arctg R θ=<,带入得：
()2
2112
1
j ab C M U U e L Z πθω--= （4）
此式表明,次级回路电压ab U 比初级回路电压1U 滞后(
||2
π
θ-),对应的矢量图如
图2（c ）所示。

从图中可知12D D U U >,鉴频器的输出电压为：12()0o d D D u K U U =->
图3 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所示。

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

当c f f >时,
u ο为负。

当c f f <时, u ο为正。

当频率偏离超过1m f 和2m f 两点时,曲线弯曲,这
是由于两输入谐振回路失谐严重, 1U 和ab U 幅度都变小,合成电压也相应减小,鉴频特性曲线下降。

三、具体设计电路图
（一）低通滤波器
低通滤波器容许低频信号通过, 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。

低通滤波器在信号处理中的作用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4 低通滤波器
（二）调频-调幅调频变换电路
调频-调幅调频变换电路是由双耦合回路组成，其初级11C L 和次级22C L 都调谐于输入调频波的中心频率c f ，为了实现调频-调幅调频变换，初级和次级之间采用两种耦合方式。

图五 调频-调幅调频变换电路 （三）振幅检波器
振幅检波器的功能是从调幅信号中不失真地解调出原调制信号，将已调波的边带信号频谱搬到原调制信号的频谱处。

包括输入回路、非线性器件和低通滤波器。

图6振幅检波电路
(四) 设计总电路图
图7 总电路图四、仿真结果
（一）输入波形
图8 输入波形（二）输出波形
图9 输出波形
(三)输入输出波
图10 输入输出信号图
五、元件清单
Quantity References Value 1R110K
3R2,R3,R720K
1R42K
1R5
1R6 4.
2R8, R9220
2R10，R1151K
2R12,R1350K
1R14
1C1
3C2,C5,C1747u
2C3，C161n
2C4,C14270p 1C650P
4C7,C10,C11,C1230P
1C965n
1C310P
1C152n
2D1,D21N5719 1L1330u 1L2
2L3,L41m
1VCC+12V 2Q1,Q22N2219 1J1DIPSW1
六、实验不足
本次实验主要是通过查阅资料和书本设计的实验方案及电路图。

因本人知识水平有限，对于电路图的设计和元件参数的设定有一些不合理的地方，部分元件参数是根据波形确定的。

通过改动元件参数使波形更加合理，而非计算得到。

所以波形只能尽量做到不失真，输出波并不是很好的正弦曲线，顶部有些失真。

导致不能确定电路图因工作频率而失真的频率上限和频率下限。

七、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。

本次是要设计相位鉴频器，将调频波转换成调幅调频波和振幅检波两部分组成。

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。

八、参考文献
（1）阳昌汉.高频电子线路 [M].高等教育出版社.2006
（2）杨霓清.高频电子线路实验及综合设计[M].机械工业出版社.2007
（3）吴慎山.电子线路设计与实践[M].西安电子工业出版社.2005
（4）郭培源，付扬.光电检测技术与应用[M].北京航空航天大学出版社.2002。