限幅鉴频实现方法概述.ppt

5.3.1限幅鉴频实现方法概述,5.3调频波解调电路,5.3.2斜率鉴频电路,5.3.3相位鉴频电路,5.3调频波解调电路,1概念,频率检波(鉴频)：调频波的解调,相位检波(鉴相)：调相波的解调,2作用,从已调波中检出反映在频率或相位变化上的调制信号。,鉴频鉴相采用的方法不尽相同，本章重点讨论调频波的解调鉴频。,3特点,限幅与鉴频一般联用统称限幅鉴频器。,5.3.1限幅鉴频实现方法概述,一、鉴频电路性能要求,1功能,将输入调频信号的瞬时频率变换为相应解调输出电压。,2鉴频特性,描述 vO 随瞬时频偏(f-fc)的变化特性，如图 所示。,图 5-3-1鉴频特性,3鉴频跨导,鉴频特性原点处的斜率,单位 V/Hz。,4对鉴频电路性能要求,通频带大于调制信号的最高频率 max。在传输视频信号时，还必须满足相位失真和瞬变失真的要求。,大的鉴频跨导 SD,满足线性和非线性失真的要求。,二、鉴频的实现方法,利用反馈环路(例如锁相环)实现鉴频(第 5 章),利用波形变换 将输入的调频信号进行特定的波形变换，使变换后的波形含有反映瞬时频率变化的平均分量。再通过检波、低通滤波器输出所需的解调电压。,(1)斜率鉴频器,将输入调频波通过具有合适频率特性的线性网络，使输出调频波的振幅按照瞬时频率的规律变化。,通过包络检波器输出反映振幅变化的解调电压。,图 5-3-2斜率鉴频器的实现模型,(2)相位鉴频器,将输入调频波通过具有合适频率特性的线性网络，使输出调频波的附加相移按照瞬时频率的规律变化。,相位检波器将它与输入调频波的瞬时相位进行比较，检出反映附加相移变化的解调电压。,图 5-3-3相位鉴频器的实现模型,(3)脉冲计数式鉴频器,调频波通过非线性变换网络变成调频等宽脉冲序列。,由低通滤波器输出反映平均分量变化的解调电压。,图 5-3-5脉冲计数式鉴频器的组成方框及其各部分波型,图 5-3-4脉冲计数式鉴频器的实现模型,5.3.2斜率鉴频电路,一、失谐回路斜率鉴频电路,1电路组成,单失谐回路(谐振回路对输入调频波的载波失谐),二极管包络检波器,图 5-3-15单失谐回路斜率鉴频器,2工作原理,3扩大鉴频特性范围,平衡回路斜率鉴频器,(1)电路,图 5-3-16双失谐回路斜率鉴频器,vO=vAV1-vAV2,f=f01-fc=fc-f02。,(2)鉴频特性,设 A1()、A2()：上、下两谐振回路的幅频特性vO：双失谐回路斜率鉴频器输出解调电压，则,vO=vAV1-vAV2=VsmdA1()-A2(),d：上、下两包络检波器的检波电压传输系数,(3)讨论,合成鉴频特性曲线的线性：,与两失谐回路的幅频特性形状有关；,主要取决于 f01 和 f02 的位置。配置恰当，补偿两曲线中的弯曲部分，可获线性范围较大的鉴频特性曲线。,图 5-3-16双失谐回路斜率鉴频器,f 过大时，会在 fc 附近出现弯曲；f 过小时，线性段范围不能扩展。,可证，若，鉴频特性的线性范围达到最大。为了实现线性鉴频，应限制 m BW0.7/4。,二、集成电路中采用的斜率鉴频器,图 5-3-17集成电路中广泛采用的斜率鉴频电路,1电路,L1C1C2：线性网络，作用：f V 变换，输出调频调幅电压 v1(t)，v2(t)；T1T2：射随器；T3T4：三极管包络检波器，输出解调波；T5T6：差分放大器，放大解调电压。,2原理,图 5-3-18鉴频特性曲线,特性曲线如图 5-3-18(a)所示。1，L1C1并联谐振，v1m 最大，v2m 最小。2，L1C1C2串联谐振，v1m 最小，v2m 最大。合成鉴频特性曲线如图 所示。vO=A(v1m-v2m)A：增益常数，取决于射随器、检波器、差分放大器。,可调元件 L1、C1、C2。,5.3.3相位鉴频电路,作用：鉴相，用来检出两信号间的相位差，并输出与相位差大小相对应的电压。,一、乘积型鉴相器,1组成框图,图 5-3-19乘积型鉴相器,相乘器(例如双差分对平衡调制器)+低通滤波器。,图 5-3-25乘积型相位鉴频电路,T3 T9、D6：双差分对平衡调制器、实现乘积型相位鉴频电路。,2工作原理,设两个输入信号分别为,除 90 固定相移外，它们之间的相位差为。则双差分对管输出差值电流(见式 4-2-23)为,(1)V2m 260 mV，上式简化为(见式 4-2-27),设双差分对管的直流负载电阻为 RC，低通滤波器的传输增益为 1，则鉴相器的鉴相特性为,式中，Ad 为鉴相灵敏度，单位为 V。,图 5-3-20乘积型鉴相器的鉴相特性,当|/12 时，sin，vO 与 成正比。故只能不失真地解调|为小值的调相信号。,(2)当 Vlm 和 V2m 均大于 260 mV,近似表示为两个双向开关函数相乘，即,可画出两个开关波形相乘后的波形。,=0 时，相乘所得的双向脉冲上、下等宽，频率加倍，相应的平均分量为 0；0 且 0 时，相乘所得的双向脉冲上、下不等宽。在|/2 范围内，相应的平均分量为,图 5-3-21两个开关波形相乘后的波形,3实现电路,(1)电路,图 5-3-25乘积型相位鉴频电路,T1：射随器，将一路信号 vS 分为大小两路：大：接 T7，作用：保证 T7、T8 为开关状态。小：经频相转换网络接 T3 T6，为相乘器小信号输入电压。,T3 T9、D6：双差分对平衡调制器，实现乘积型鉴相。,频相转换网络,D1 D5：T2及双差分对偏置电路。,通过低通滤波器，得到鉴相器的输出电压为，,为在|/2 内的一条通过原点的直线，并向两侧周期性重复。,(2)频相转换网络,电路,(a)(b)图 5-3-26单谐振回路作为相频转换网络,参见图 5-3-26(a)。将输入电压源 变换为电流源，如图 5-3-26(b)所示，其中，。则该网络就是在激励下的单谐振回路。,输出电压,在 0 附近，网络的增益 A(j)可近似表示为,或(5-3-25),或(5-3-25),式中，定义为广义失谐量，其中,幅频特性和相频特性曲线可根据式(5-3-25)画出，如图 5-3-26 所示。,图 5-3-26,(3)鉴频特性,设频相转换网络谐振频率 0=c。电路中射随器 T1 和 T2 的增益近似为 1，则 v1(t)的振幅 V1m 近似等于输入调频信号 vs(t)的振幅 Vsm，v2(t)的振幅 V2m=(1/10)A()Vsm。,根据 vO Adsin，在双差分对管单端输出时，鉴频器的输出解调电压为,(5-3-27),式中，,A=arctan,根据上式画鉴频特性曲线，如图 5-3-27 所示。,图 5-3-27鉴频特性曲线,图 5-3-27 中，虚线是假设 A()为恒值时画出的特性，而实线则是按 A()的变化进行修正后画出的实际特性。,可见，当广义失谐量 向正、负方向增大时，由于 A()下降，实际特性出现正、负两个峰值，而后便近似按 A()的规律单调下降。,若 arctan 限制在/12，即|0.27 时，由可近似认为,A()A(0)=0C1R,若输入调频信号的瞬时角率(t)=c+(t)，且 0=c，代入上式，则,因而，由式(5-3-27)，可得,式中，鉴相灵敏度。实现了线性鉴频。,二、叠加型鉴相器,图 5-3-23叠加型鉴相器电路,1原理电路,由两个包络检波器叠加后组成的叠加型鉴相器。,2工作原理,vi1(t)=v1(t)+v2(t)，vi2(t)=v1(t)-v2(t),图 5-3-24,假设 v1(t)=V1mcost，v2(t)=V2msin(t+)，则根据矢量叠加原理，vi1(t)和 vi2(t)可分别表示为：,vi1(t)=Vm+(t)cost-1(t),vi2(t)=Vm-(t)cost+2(t),其中，,可见，合成电压的振幅Vm+(t)和 Vm-(t)均与 有关，但它们之间的关系是非线性的。,3解调电压输出,若包络检波器的检波电压传输系数为 d，则鉴相器的输出电压为,式中，,以 Ksin 为变量，将上式用幂级数展开：,当 Ksin 为小量时，Ksin 的三次方及其以上各次方项可忽略，上式简化为,(5-3-23),呈正弦鉴相特性。,4实际电路,(1)电路,图 5-3-28耦合回路叠加型相位鉴频器电路,频相转换网络：L1C1 和 L2C2，互感耦合双调谐回路。,C0：隔直电容，对输入信号频率呈短路。,L3：高频扼流圈，高频阻抗很大，接近开路，而对平均分量接近短路，为包络检波器提供通路。,图 5-3-28耦合回路叠加型相位鉴频器电路,(2)原理,两个输入信号叠加后加到包络检波器而构成的叠加型鉴相器。,1 路：调频信号 vS(t)经 T、一次回路 L1C1 上产生电压v1(t)，通过互感耦合在二次回路 L2C2 上产生电压 v2(t)。,2 路：v1(t)又通过 C0、高扼圈 L3 和滤波电容 C 通地，形成闭合回路，在这个回路中，v1(t)几乎全部加到 L3 上。,图 5-3-28耦合回路叠加型相位鉴频器电路,实际加到上、下包络检波器的输入电压分别为 v1(t)+v2(t)/2 和 v1(t)-v2(t)/2。符合叠加型相位检波器对输入电压的要求。,(3)幅频、相频特性,可证，频相转换网络的幅频、相频特性,(5-3-32),图 5-3-29互感耦合回路,(4)解调电压,解调电压为,式中，,(5)鉴频特性曲线,图 5-3-30叠加型鉴频特性曲线,如图 5-3-30 所示。虚线为 V2m 为恒值时的特性。实线是按 V2m=V1mA()修正后画出的实际特性。,(6)讨论：鉴频特性修正,设 V1m 为恒值。实际上，一次回路上产生的电压是频率的复函数。故鉴频特性必须按 V1m 随 变化的特性修正。,式中，耦合因子=kQe。,图 5-3-32 V1m()特性曲线,一次、二次回路间耦合系数 k=M/L。,参变量 对曲线形状的影响：,(1)0.49 时，为单峰曲线，峰值随 的增大而减小；,(2)0.49 时，为双峰曲线，随 的增大，两峰向两边扩展，峰值和谷值均减小。,按 V1m()的变化特性对图 5-2-30 修正后的鉴频特性如图 5-3-33 所示。,失谐量|较小时，V1m()在谷点附近比较平坦，实际鉴频特性曲线由修正前特性决定，近似为一条直线。,|为中等数值时，V1m()向峰值上升，可对修正前曲线的向下弯曲起到补偿作用，使实际特性的线性范围有所扩展。,在|很大时，V1m()通过峰值下降，因而加快了实际特性的下降。,取值不同，修正后的实际鉴频特性也不同，理论和实践证明，=2 3 时，鉴频特性线性最好。,