限幅鑒頻實現(xiàn)方法概述

1、15.3.1限幅鑒頻實現(xiàn)方法概述限幅鑒頻實現(xiàn)方法概述5.3調頻波解調電路調頻波解調電路5.3.2斜率鑒頻電路斜率鑒頻電路5.3.3相位鑒頻電路相位鑒頻電路25.3調頻波解調電路調頻波解調電路1概念概念頻率檢波頻率檢波( (鑒頻鑒頻) )：調頻波的解調：調頻波的解調相位檢波相位檢波( (鑒相鑒相) )：調相波的解調：調相波的解調2作用作用從已調波中檢出反映在頻率或相位變化上的調制信號。從已調波中檢出反映在頻率或相位變化上的調制信號。鑒頻鑒相采用的方法不盡相同，本章重點討論調頻波的鑒頻鑒相采用的方法不盡相同，本章重點討論調頻波的解調解調鑒頻鑒頻。3特點特點限幅與鑒頻一般聯(lián)用限幅與鑒頻一般聯(lián)用統(tǒng)稱統(tǒng)

2、稱限幅鑒頻器限幅鑒頻器。35.3.1限幅鑒頻實現(xiàn)方法概述限幅鑒頻實現(xiàn)方法概述一、鑒頻電路性能要求一、鑒頻電路性能要求1功能功能 將輸入調頻信號的瞬時頻率變換為相應解調輸出電壓。將輸入調頻信號的瞬時頻率變換為相應解調輸出電壓。2鑒頻特性鑒頻特性 描述描述 vO 隨瞬時頻偏隨瞬時頻偏 (f - - fc) 的變的變化特性，化特性，如圖如圖 所示所示。圖圖 5- -3- -1鑒頻特性鑒頻特性3鑒頻跨導鑒頻跨導鑒頻特性原點處的斜率鑒頻特性原點處的斜率c)(cODffffvS - - 單位單位 V/Hz。44對鑒頻電路性能要求對鑒頻電路性能要求 通頻帶大于調制信號的最高頻率通頻帶大于調制信號的最高頻率

3、max 。在傳輸視頻。在傳輸視頻信號時，還必須滿足相位失真和瞬變失真的要求。信號時，還必須滿足相位失真和瞬變失真的要求。 大的鑒頻跨導大的鑒頻跨導 SD 滿足線性和非線性失真的要求。滿足線性和非線性失真的要求。二、鑒頻的實現(xiàn)方法二、鑒頻的實現(xiàn)方法 利用反饋環(huán)路利用反饋環(huán)路( (例如鎖相環(huán)例如鎖相環(huán)) )實現(xiàn)鑒頻實現(xiàn)鑒頻( (第第 5 章章) ) 利用波形變換利用波形變換 將輸入的調頻信號進行特定的將輸入的調頻信號進行特定的波波形變換形變換，使變換后的波形含有反映瞬時頻率變化的平均分，使變換后的波形含有反映瞬時頻率變化的平均分量。再通過檢波、低通濾波器輸出所需的解調電壓。量。再通過檢波、低通濾波

4、器輸出所需的解調電壓。5( (1) )斜率鑒頻器斜率鑒頻器 將輸入調頻波通過具有合適頻率特性的將輸入調頻波通過具有合適頻率特性的線性網(wǎng)絡線性網(wǎng)絡，使輸出調頻波的使輸出調頻波的振幅振幅按照瞬時頻率的規(guī)律變化按照瞬時頻率的規(guī)律變化 。 通過通過包絡檢波器包絡檢波器輸出反映振幅變化的解調電壓。輸出反映振幅變化的解調電壓。圖圖 5- -3- -2斜率鑒頻器的實現(xiàn)模型斜率鑒頻器的實現(xiàn)模型6( (2) )相位鑒頻器相位鑒頻器 將輸入調頻波通過具有合適頻率特性的線性網(wǎng)絡，使將輸入調頻波通過具有合適頻率特性的線性網(wǎng)絡，使輸出調頻波的附加輸出調頻波的附加相移相移按照瞬時頻率的規(guī)律變化按照瞬時頻率的規(guī)律變化 。

5、相位檢波器相位檢波器將它與輸入調頻波的瞬時相位進行比較，將它與輸入調頻波的瞬時相位進行比較，檢出反映附加相移變化的解調電壓。檢出反映附加相移變化的解調電壓。圖圖 5- -3- -3相位鑒頻器的實現(xiàn)模型相位鑒頻器的實現(xiàn)模型( (3) )脈沖計數(shù)式鑒頻器脈沖計數(shù)式鑒頻器 調頻波通過調頻波通過非線性變換網(wǎng)絡非線性變換網(wǎng)絡變成變成調頻等寬調頻等寬脈沖序列。脈沖序列。 由低通濾波器輸出反映平均分量變化的解調電壓。由低通濾波器輸出反映平均分量變化的解調電壓。7圖圖 5- -3- -5脈沖計數(shù)式鑒頻器的組成方框及其各部分波型脈沖計數(shù)式鑒頻器的組成方框及其各部分波型圖圖 5- -3- -4脈沖計數(shù)式鑒頻器的實

6、現(xiàn)模型脈沖計數(shù)式鑒頻器的實現(xiàn)模型85.3.2斜率鑒頻電路斜率鑒頻電路一、失諧回路斜率鑒頻電路一、失諧回路斜率鑒頻電路1電路組成電路組成 單失諧回路單失諧回路( (諧振回路對諧振回路對輸入調頻波的載波失諧輸入調頻波的載波失諧) ) 二極管包絡檢波器二極管包絡檢波器圖圖 5- -3- -15單失諧回路斜率鑒頻器單失諧回路斜率鑒頻器2工作原理工作原理93擴大鑒頻特性范圍擴大鑒頻特性范圍平衡回路斜率鑒頻器平衡回路斜率鑒頻器( (1) )電路電路圖圖 5- -3- -16雙失諧回路斜率鑒頻器雙失諧回路斜率鑒頻器vO = vA V1 - - vA V2 f f01 - - fc = fc- - f02。1

7、0( (2) )鑒頻特性鑒頻特性設設 A1( ) 、A2( )：上、下兩諧振回路的幅頻特性上、下兩諧振回路的幅頻特性vO ：雙失諧回路斜率鑒頻器輸出解調電壓，則雙失諧回路斜率鑒頻器輸出解調電壓，則vO = vA V1 - - vA V2 = Vsm dA1( )- -A2( ) d：上、下兩包絡檢波器的檢波電壓傳輸系數(shù)：上、下兩包絡檢波器的檢波電壓傳輸系數(shù)( (3) )討論討論合成鑒頻特性曲線的線性：合成鑒頻特性曲線的線性： 與與兩失諧回路的幅頻特性形狀有關；兩失諧回路的幅頻特性形狀有關； 主要取決于主要取決于 f01 和和 f02 的位置。配的位置。配置恰當，補償兩曲線中的彎曲部分，可置恰當

8、，補償兩曲線中的彎曲部分，可獲線性范圍較大的鑒頻特性曲線。獲線性范圍較大的鑒頻特性曲線。11圖圖 5- -3- -16雙失諧回路斜率鑒頻器雙失諧回路斜率鑒頻器 f 過大時，會在過大時，會在 fc 附近出現(xiàn)彎曲；附近出現(xiàn)彎曲； f 過小時，線性段過小時，線性段范圍不能擴展。范圍不能擴展?？勺C，若可證，若 ，鑒頻特性的線性范，鑒頻特性的線性范圍達到最大。為了實現(xiàn)線性鑒頻，應限制圍達到最大。為了實現(xiàn)線性鑒頻，應限制 m BW0.7/4 。 7 . 07 . 01 . 0423BWBWf 12二、集成電路中采用的斜率鑒頻器二、集成電路中采用的斜率鑒頻器圖圖 5- -3- -17集成電路中廣泛采用的集成

9、電路中廣泛采用的斜率鑒頻電路斜率鑒頻電路1電路電路L1C1C2：線性網(wǎng)絡，：線性網(wǎng)絡，作用：作用： f V 變換，輸出調變換，輸出調頻調幅電壓頻調幅電壓 v1 (t) ，v2 (t)； T1T2：射隨器；：射隨器；T3T4：三極管包絡檢：三極管包絡檢波器，輸出解調波；波器，輸出解調波；T5T6：差分放大器，：差分放大器，放大解調電壓。放大解調電壓。132原理原理圖圖 5- -3- -18鑒頻特性曲線鑒頻特性曲線 特性曲線特性曲線如圖如圖 5- -3- -18( (a) )所示。所示。 1， L1C1并聯(lián)諧振，并聯(lián)諧振，v1m 最最大，大， v2m 最小。最小。 2， L1C1C2串聯(lián)諧振，串聯(lián)

10、諧振， v1m 最小，最小，v2m 最大。最大。 合成鑒頻特性曲線合成鑒頻特性曲線如圖如圖 所示所示 。 vO = A (v1m- - v2m ) A：增益常數(shù)，取決于射隨器、檢：增益常數(shù)，取決于射隨器、檢波器、差分放大器。波器、差分放大器。 可調元件可調元件 L1 、C1 、C2 。145.3.3相位鑒頻電路相位鑒頻電路作用作用：鑒相，用來檢出兩信號間的相位差，并輸出與：鑒相，用來檢出兩信號間的相位差，并輸出與相位差大小相對應的電壓。相位差大小相對應的電壓。實現(xiàn)電路實現(xiàn)電路疊加型疊加型乘積型乘積型模擬鑒相器模擬鑒相器數(shù)字鑒相器數(shù)字鑒相器由數(shù)字電路構成由數(shù)字電路構成一、乘積型鑒相器一、乘積型鑒

11、相器1組成框圖組成框圖圖圖 5- -3- -19乘積型鑒相器乘積型鑒相器相乘器相乘器( (例如雙差分對平衡調制器例如雙差分對平衡調制器) ) + 低通濾波器。低通濾波器。15圖圖 5- -3- -25乘積型相位鑒頻電路乘積型相位鑒頻電路T3 T9、D6：雙差分對平衡雙差分對平衡調制器、實現(xiàn)調制器、實現(xiàn)乘積型相位鑒乘積型相位鑒頻電路。頻電路。 162工作原理工作原理設兩個輸入信號分別為設兩個輸入信號分別為tVtv cos)(m11 )sin()2cos()(2m2m2 - - tVtVtv除除 90 固定相移外，它們之間的固定相移外，它們之間的相位差相位差為為 。則雙差。則雙差分對管輸出差值電流

12、分對管輸出差值電流( (見式見式 4- -2- -23) )為為)2)(th)2)(thT2T10VtvVtvIi ( (1) )V2m 260 mV，上式簡化為，上式簡化為( (見式見式 4- -2- -27) )17)2sin(sin2mT0 tVVI設雙差分對管的直流負載電阻為設雙差分對管的直流負載電阻為 RC，低通濾波器的傳，低通濾波器的傳輸增益為輸增益為 1，則鑒相器的鑒相特性為，則鑒相器的鑒相特性為 sinsind2mTC0OAVVRIv式中，式中，Ad 為為鑒相靈敏度鑒相靈敏度，單位為，單位為 V。)sin()3cos34cos4(2)()(22mT022T0 - - tVttV

13、ItKtvVIi18 sindOAv 圖圖 5- -3- -20乘積型鑒相器的鑒相特性乘積型鑒相器的鑒相特性當當| | | | 0 時，相乘所得的雙向時，相乘所得的雙向脈沖上、下不等寬。在脈沖上、下不等寬。在 | | | | /2 范圍內，相應的平均分量范圍內，相應的平均分量為為圖圖 5- -3- -21兩個開關波形相乘后的波形兩個開關波形相乘后的波形203實現(xiàn)電路實現(xiàn)電路( (1) )電路電路圖圖 5- -3- -25乘積型相位鑒頻電路乘積型相位鑒頻電路T1：射隨器，將一路信號：射隨器，將一路信號 vS 分為大小兩路：分為大小兩路：大：接大：接 T7，作用：保證，作用：保證 T7、T8 為開

14、關狀態(tài)。為開關狀態(tài)。?。航浶。航涱l相轉換網(wǎng)絡頻相轉換網(wǎng)絡接接 T3 T6，為相乘器，為相乘器小信號輸入電壓。小信號輸入電壓。T3 T9、D6：雙差分對平衡調制器，實現(xiàn)：雙差分對平衡調制器，實現(xiàn)乘積型鑒相。乘積型鑒相。 頻相轉頻相轉換網(wǎng)絡換網(wǎng)絡D1 D5：T2及 雙 差 分 對及 雙 差 分 對偏置電路。偏置電路。 21 - - 0220000av2d dddItttItII-通過低通濾波器，得到鑒相器的通過低通濾波器，得到鑒相器的輸出電壓為輸出電壓為 ， C0O2RIv為在為在| | | | /2 內的一條通過原內的一條通過原點的直線，并向兩側周期性重復。點的直線，并向兩側周期性重復。22(

15、(2) )頻相轉換網(wǎng)絡頻相轉換網(wǎng)絡 電路電路( (a) )( (b) )圖圖 5- -3- -26單諧振回路作為相頻轉換網(wǎng)絡單諧振回路作為相頻轉換網(wǎng)絡參見參見圖圖 5- -3- -26( (a) )。將輸。將輸入電壓源入電壓源 變換為電流源，變換為電流源，如圖如圖 5- -3- -26( (b) )所示，其中，所示，其中，。則該網(wǎng)絡就是在激勵下的單諧振回路。則該網(wǎng)絡就是在激勵下的單諧振回路。1V111jVCI 1I 輸出電壓輸出電壓 RCVRIVj1jj11112 在在 0 0 附近，網(wǎng)絡的增益附近，網(wǎng)絡的增益 A A( (j ) 可近似表示為可近似表示為RCRCVVAj1jj1j)j (10

16、112 或或( (5- -3- -25) ) arctan2)(1)(A210- - ，RCA23RCRCVVAj1jj1j)j (10112 或或( (5- -3- -25) ) arctan2)(1)(A210- - ，RCA式中，定義為式中，定義為廣義失諧量廣義失諧量，其中，其中00e00e2)( - - - - QQRCCLRLRQCCL)()(110e10 ， 幅頻特性和相頻特性幅頻特性和相頻特性曲線可根據(jù)曲線可根據(jù)式式( (5- -3- -25) ) 畫出，畫出，如圖如圖 5- -3- -26 所示所示 。圖圖 5- -3- -2624( (3) )鑒頻特性鑒頻特性 設頻相轉換網(wǎng)絡

17、諧振頻率設頻相轉換網(wǎng)絡諧振頻率 0 c。電路中射隨器電路中射隨器 T1 和和 T2 的增益近似為的增益近似為 1 1，則，則 v1(t) 的振幅的振幅 V1m 近似等于輸入調頻信近似等于輸入調頻信號號 vs(t) 的振幅的振幅 Vsm ，v2(t) 的振幅的振幅 V2m (1/10)A( )Vsm。根據(jù)根據(jù) vO Adsin ，在雙差分對管單端輸出時，鑒頻器，在雙差分對管單端輸出時，鑒頻器的輸出解調電壓為的輸出解調電壓為( (5- -3- -27) )AsmTC0A2mCT0Osin)(20sin2 AVVRIVRVIv 式中，式中， A = arctan 25根據(jù)上式畫鑒頻特性曲線，根據(jù)上式

18、畫鑒頻特性曲線，如圖如圖 5- -3- -27 所示所示 。圖圖 5- -3- -27鑒頻特性曲線鑒頻特性曲線圖圖 5- -3- -27 中，虛線是假設中，虛線是假設 A A( ( ) 為恒值時畫出的特性，而實線則是按為恒值時畫出的特性，而實線則是按 A A( ( ) 的變化進行修正后畫出的實際特的變化進行修正后畫出的實際特性。性。可見，當可見，當廣義失諧量廣義失諧量 向正、負向正、負方向增大時，由于方向增大時，由于 A A( ) 下降，實際特下降，實際特性出現(xiàn)正、負兩個峰值，而后便近似性出現(xiàn)正、負兩個峰值，而后便近似按按 A A( ( ) 的規(guī)律單調下降。的規(guī)律單調下降。若若 arctan

19、限制在限制在 /12 ，即，即| | | | 0.27 時，時， 由由可近似認為可近似認為， arctan2)(1)(A210- - RCA26A( ) A( 0) = 0C1R00eA222 - - - - - Q 若輸入調頻信號的瞬時角率若輸入調頻信號的瞬時角率 (t) c (t)，且，且 0 = c，代入上式，則，代入上式，則 ceA)(2 tQ 因而，因而，由由式式( (5- -3- -27) )，可得，可得)()(12)(20)(20)(dce10smTC0A0smTC0OtAtQRCVVRIAVVRItv 式中，式中，鑒相靈敏度鑒相靈敏度。實現(xiàn)了線性鑒頻。實現(xiàn)了線性鑒頻。smTe1

20、C0d01VVQRCRIA 27二、疊加型鑒相器二、疊加型鑒相器圖圖 5- -3- -23疊加型鑒相器電路疊加型鑒相器電路1原理電路原理電路由兩個包絡檢波器疊加后由兩個包絡檢波器疊加后組成的組成的疊加型鑒相器疊加型鑒相器。2工作原理工作原理vi1(t) = v1(t) + v2(t)，vi2(t) = v1(t) - - v2(t)圖圖 5- -3- -24假設假設 v1(t) = V1mcos t，v2(t) = V2msin( t + )，則根據(jù)，則根據(jù)矢矢量疊加量疊加原理，原理，vi1(t) 和和 vi2(t) 可可分別表示為：分別表示為：vi1(t) = Vm+(t) cos t -

21、- 1(t)vi2(t) = Vm-(t) cos t + 2(t)其中，其中， sin2)(2m1m22m2m1mVVVVtV sin2)(2m1m2m22m1mVVVVtV- - - -28 可 見 ， 合 成 電 壓 的 振 幅可 見 ， 合 成 電 壓 的 振 幅Vm+(t) 和和 Vm- -(t) 均與均與 有關有關，但它們之間的關系是非線性的。但它們之間的關系是非線性的。)sincosarctan()(2m1m2m1 VVVt)sincosarctan()(2m1m2m2 - - VVVt 3 3解調電壓輸出解調電壓輸出 若包絡檢波器的檢波電壓傳輸系數(shù)為若包絡檢波器的檢波電壓傳輸系

22、數(shù)為 d，則鑒相器的輸，則鑒相器的輸出電壓為出電壓為 )sin1()sin1()()(21212m22m1dmmdAV2AV1O - - - - - - - - - KKVVtVtVvvv29 )sin1()sin1()()(21212m22m1dmmdAV2AV1O - - - - - - - - - KKVVtVtVvvv式中，式中，21m2m1m2m2m22m12m1m)/(1/22VVVVVVVVK 以以 Ksin 為變量，將上式用冪級數(shù)展開：為變量，將上式用冪級數(shù)展開：)sin1()sin1(21212m22m1dO KKVVv- - - )sin(81sin32m22m1d - -

23、 - KKVV當當 Ksin 為小量時，為小量時，Ksin 的三次方及其以上各次的三次方及其以上各次方項可忽略，上式簡化為方項可忽略，上式簡化為( (5- -3- -23) ) sin2m22m1dOKVVv呈正弦鑒相特性。呈正弦鑒相特性。304實際電路實際電路( (1) )電路電路圖圖 5- -3- -28耦合回路疊加型相位鑒頻器電路耦合回路疊加型相位鑒頻器電路 頻相轉換網(wǎng)絡：頻相轉換網(wǎng)絡：L1C1 和和 L2C2 ，互感耦合雙調諧回路。，互感耦合雙調諧回路。 C0 ： 隔直電容，對輸入信號頻率呈短路。隔直電容，對輸入信號頻率呈短路。L3 ：高頻扼流圈，高頻阻抗很大，接近開路，而對平：高頻扼

24、流圈，高頻阻抗很大，接近開路，而對平均分量接近短路，為包絡檢波器提供通路。均分量接近短路，為包絡檢波器提供通路。31圖圖 5- -3- -28耦合回路疊加型相位鑒頻器電路耦合回路疊加型相位鑒頻器電路( (2) )原理原理 兩個輸入信號疊加后加到包絡檢波器而構成的兩個輸入信號疊加后加到包絡檢波器而構成的疊加型鑒疊加型鑒相器相器。 1 路：調頻信號路：調頻信號 vS(t) 經經 T、一次回路、一次回路 L1C1 上產生電壓上產生電壓v1(t) ，通過互感耦合在二次回路，通過互感耦合在二次回路 L2C2 上產生電壓上產生電壓 v2(t) 。 2 路：路：v1(t) 又通過又通過 C0 、高扼圈、高扼

25、圈 L3 和濾波電容和濾波電容 C 通地，通地，形成閉合回路，在這個回路中，形成閉合回路，在這個回路中，v1(t) 幾乎全部加到幾乎全部加到 L3 上。上。32圖圖 5- -3- -28耦合回路疊加型相位鑒頻器電路耦合回路疊加型相位鑒頻器電路實際加到上、下包絡檢波器的輸入電壓分別為實際加到上、下包絡檢波器的輸入電壓分別為 v1(t) + v2(t)/2 和和 v1(t) - - v2(t)/2。符合疊加型相位檢波器對輸入電。符合疊加型相位檢波器對輸入電壓的要求。壓的要求。33( (3) )幅頻、相頻特性幅頻、相頻特性可證，頻相轉換網(wǎng)絡的幅頻、相頻特性可證，頻相轉換網(wǎng)絡的幅頻、相頻特性 arct

26、an2)(1)(A2- - - - ，A( (5- -3- -32) )00e0e)(2 - - QrLrLQ，圖圖 5- -3- -29互感耦合回路互感耦合回路34( (4) )解調電壓解調電壓 根據(jù)疊加型鑒相器的鑒相特性根據(jù)疊加型鑒相器的鑒相特性 sin2m22m1dOKVVv ( (5- -3- -23) )解調電壓為解調電壓為A22m2m1dOsin)2/( KVVv 式中，式中，)(arctan)(411/1m2mA21m2m1m2m AVVVVVVK - - ，35( (5) )鑒頻特性曲線鑒頻特性曲線 圖圖 5- -3- -30疊加型鑒頻特性曲線疊加型鑒頻特性曲線如圖如圖 5- -3- -30 所示所