第20講_高頻_相位鑒頻電路等

1、第二十講第二十講 相位鑒頻電路等相位鑒頻電路等4/29/2022 1:50 AM第6章 角度調(diào)制與解調(diào)1舊版： 第7.4.2.2 章節(jié) 相位鑒頻法 6.4.3 相位鑒頻器第二十講第二十講 相位鑒頻電路等相位鑒頻電路等4/29/2022 1:50 AM第6章 角度調(diào)制與解調(diào)2請四班、五班第五批同學(xué)請四班、五班第五批同學(xué): :實現(xiàn)實現(xiàn)疊加型相位鑒頻疊加型相位鑒頻電路仿真電路仿真請一班、二班第六批同學(xué)請一班、二班第六批同學(xué): :實現(xiàn)實現(xiàn)比例鑒頻比例鑒頻電路仿真電路仿真請三班、四班第六批同學(xué)請三班、四班第六批同學(xué): :實現(xiàn)實現(xiàn)乘積型相位鑒頻乘積型相位鑒頻電路仿真電路仿真技術(shù)指標(biāo)要求技術(shù)指標(biāo)要求針對針對

2、FM信號實現(xiàn)鑒頻信號實現(xiàn)鑒頻 1.載波頻率載波頻率1MHz 2.頻偏頻偏40KHz 3.調(diào)制信號頻率調(diào)制信號頻率4KHz第二十講第二十講 相位鑒頻電路等相位鑒頻電路等4/29/2022 1:50 AM第6章 角度調(diào)制與解調(diào)3 鑒相器是用來比較兩個鑒相器是用來比較兩個同頻輸入電壓同頻輸入電壓u1(t)和和u2(t)的相的相位，而輸出電壓位，而輸出電壓u0(t)是兩個輸入電壓是兩個輸入電壓相位差的函數(shù)相位差的函數(shù)， 即即)()()(21ttftuo 當(dāng)當(dāng)線性鑒相線性鑒相的情況下的情況下: :鑒相器)()(11ttu )()(22ttu )(tuo 鑒相器可鑒相器可實現(xiàn)實現(xiàn)PMPM信號的解調(diào)信號的解

3、調(diào)，但也，但也廣泛用于解調(diào)廣泛用于解調(diào)FMFM信信號號，以及，以及鎖相技術(shù)及頻率合成技術(shù)鎖相技術(shù)及頻率合成技術(shù)中。中。 鑒相器的實現(xiàn)方法：鑒相器的實現(xiàn)方法： )()()(21ttktuo 乘積型乘積型鑒相器鑒相器 疊加型疊加型鑒相器鑒相器第二十講第二十講 相位鑒頻電路等相位鑒頻電路等4/29/2022 1:50 AM第6章 角度調(diào)制與解調(diào)4)(tuo相加器相加器相加器相加器 包絡(luò)包絡(luò)檢波器檢波器 包絡(luò)包絡(luò)檢波器檢波器相加器相加器)(tur)(tus )(tus )(1tud)(2tud 疊加型鑒相器疊加型鑒相器 )(tuo相加器相加器包絡(luò)檢波器包絡(luò)檢波器)(tur)(tus)(tus )(tu

4、s )(tur)(1tud)(2tud )(tuo1) 1) 疊加型相位鑒頻法疊加型相位鑒頻法 平衡疊加型鑒相器平衡疊加型鑒相器 第二十講第二十講 相位鑒頻電路等相位鑒頻電路等4/29/2022 1:50 AM第6章 角度調(diào)制與解調(diào)5設(shè)輸入調(diào)相波設(shè)輸入調(diào)相波us(t)為：為：)(sin)(ttUtuoss )()(tuktp 2sin)( tUtuorr而同頻正交載波信號為：而同頻正交載波信號為： )()()()(21tutuututuusdsrd 則：則：利用矢量圖可得合成電壓振幅利用矢量圖可得合成電壓振幅 )(sin2)(sin2222221tUUUUUtUUUUUrsrsdrsrsd )

5、(tus )(tus )(tur)(1tud)(2tud )(tuo)(tus)(1tud)(2tud)(tur)t ( )(tus 參考疊加型同步檢波：參考疊加型同步檢波：P181P181，圖，圖6-496-49思考：為什么同步鑒頻需要正交信號？思考：為什么同步鑒頻需要正交信號？第二十講第二十講 相位鑒頻電路等相位鑒頻電路等4/29/2022 1:50 AM第6章 角度調(diào)制與解調(diào)6如果設(shè)包絡(luò)檢波器的傳輸系數(shù)為如果設(shè)包絡(luò)檢波器的傳輸系數(shù)為Kd1=Kd2=Kd，則兩個包絡(luò)檢波器，則兩個包絡(luò)檢波器的輸出電壓為：的輸出電壓為： 2211ddoddoUKuUKu為調(diào)相調(diào)幅波為調(diào)相調(diào)幅波)(2121dd

6、doooUUKuutu 而而rsUU 討論：（討論：（1）當(dāng)）當(dāng))(sin1 )(sin21)(sin2)(121tUUUtUUUtUUUUUUrsrrsrrsrsrd )(sin2)()(sin1 2tUKtutUUUUsdorsrd 同同理理：12| )(| t可見：這時的鑒相器具有可見：這時的鑒相器具有正弦鑒相特性，其線性鑒相范圍為：正弦鑒相特性，其線性鑒相范圍為：)(tus)(1tud)(2tud)(tur)t ( )(tus 第二十講第二十講 相位鑒頻電路等相位鑒頻電路等4/29/2022 1:50 AM第6章 角度調(diào)制與解調(diào)7)(tus )(tus )(tur)(1tud)(2tu

7、d )(tuo )(sin2)(sin2222221tUUUUUtUUUUUrsrsdrsrsd （2） 時，同理可推出時，同理可推出rsUU )(sin2)(tUKturdo 由討論（由討論（1），（），（2）可以看出）可以看出輸出電壓輸出電壓 的大小取決于振幅小的輸入信號振幅。的大小取決于振幅小的輸入信號振幅。ou（3）當(dāng)）當(dāng) 時時rsUU )(sin12)(sin1221tUUtUUsdsd )(sin1)(sin12)(ttUKtusdo 所以：所以： 2sin2cossin12sin2cossin1xxxxxx利用三角函數(shù)公式：利用三角函數(shù)公式：2)(sin22)(tUKtusdo

8、所以：所以：12|2)(| t6|)(| t而當(dāng)而當(dāng), 的范圍內(nèi)，的范圍內(nèi)，2)t(2)t(sin 所以：所以： ，可實現(xiàn)線性鑒相。，可實現(xiàn)線性鑒相。)(2)(tUKtusdo 第二十講第二十講 相位鑒頻電路等相位鑒頻電路等4/29/2022 1:50 AM第6章 角度調(diào)制與解調(diào)8C1L1U1uiEcCoML2.2U2.2U2.C2U2.U1.L3RLRLCCuo1uo2uo放大變換網(wǎng)絡(luò)平衡疊加型鑒相器VD2VD1分析分析C C0 0和和L L3 3不能開路也不能短路的原因不能開路也不能短路的原因互感耦合相位鑒頻器互感耦合相位鑒頻器疊加型相位鑒頻電路疊加型相位鑒頻電路舊版： 第7.5.1 章節(jié)

9、 第二十講第二十講 相位鑒頻電路等相位鑒頻電路等4/29/2022 1:50 AM第6章 角度調(diào)制與解調(diào)9uFM 一一 電路結(jié)構(gòu)和基本原理電路結(jié)構(gòu)和基本原理 1.移相網(wǎng)絡(luò)：移相網(wǎng)絡(luò)：互感為互感為M的初，次級雙調(diào)諧耦合回的初，次級雙調(diào)諧耦合回路組成的移相網(wǎng)絡(luò)。路組成的移相網(wǎng)絡(luò)。 FM波波 u1經(jīng)移相網(wǎng)絡(luò)生成經(jīng)移相網(wǎng)絡(luò)生成FM-PM波波 u2，并使，并使 |U1|=|U2|+ u3 -VD1C3R1C4R2VD2221u221u13uu 2.平衡式鑒相器：平衡式鑒相器：兩個檢波器的輸出電壓為：兩個檢波器的輸出電壓為：21ooouuu 1ou ou 2ou+u2-+u1-L3C2C1VD2VD1R1

10、R2EcC4C3VTC0ML2L1ud1ud2上下檢波器的輸入端高頻電壓為：上下檢波器的輸入端高頻電壓為：21121uuud 21221uuud 第二十講第二十講 相位鑒頻電路等相位鑒頻電路等4/29/2022 1:50 AM第6章 角度調(diào)制與解調(diào)10移相分析移相分析 fZLjrUI111.1.I1次級回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢次級回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢:1112uLMMijE 次級回路電流次級回路電流 i2為：為：)1()1(2221122222CLjruLMCLjrEi 次級回路兩端次級回路兩端電壓電壓u2為：為：)1(222211222CLjrCuLMjCjiu .LU1I1rC.rCLU2

11、.(a )rCLU2.E2.I2.(b )11.1.LjUI 022112211290|ZCuLMZCuLMju第二十講第二十講 相位鑒頻電路等相位鑒頻電路等4/29/2022 1:50 AM第6章 角度調(diào)制與解調(diào)11討論討論:（1）當(dāng)輸入）當(dāng)輸入FM波瞬時頻率波瞬時頻率f 等于調(diào)頻波中心頻率等于調(diào)頻波中心頻率f o，即，即f= f o時，次級回路諧振。時，次級回路諧振。即：即：0122 CLoo 02201122011290 rCuLMrCuLMju 則有：則有：即有：即有：u2 超前超前u1 相位差相位差/2，由矢量圖，由矢量圖可得：可得：|Ud1|=|Ud2|)1(222211222CL

12、jrCuLMjCjiu 1u221u221u 1du2du若設(shè)檢波器的傳輸系數(shù)為若設(shè)檢波器的傳輸系數(shù)為Kd1=Kd2=Kd。 22221111|ddddoddddoUkuKuUkuKu則有：則有：0)(2121 dddoooUUKuuu所以：所以： 022112211290|ZCuLMZCuLMju第二十講第二十講 相位鑒頻電路等相位鑒頻電路等4/29/2022 1:50 AM第6章 角度調(diào)制與解調(diào)12)1(222211222CLjrCuLMjCjiu （2）當(dāng)瞬時頻率）當(dāng)瞬時頻率f fo 時，則有時，則有，這時，這時次級回路呈次級回路呈電感性。電感性。01 CL )90(|022112211

13、2 ZCuLMZCuLMju 注意：式中注意：式中 為為次級回路串聯(lián)阻抗。次級回路串聯(lián)阻抗。)1(2222CLjrZ 2221rCLarctg 為為Z2的相角。的相角。由矢量圖，由矢量圖，u2超前超前u1的相位小于的相位小于/2，且隨且隨0 相相位位差差f221u221u 1u1du2du 所以：所以：|Ud1|Ud2|0|)|(|21 dddoUUKu第二十講第二十講 相位鑒頻電路等相位鑒頻電路等4/29/2022 1:50 AM第6章 角度調(diào)制與解調(diào)13)1(222211222CLjrCuLMjCjiu （3）當(dāng)）當(dāng)f fo 時，時， 次級回路呈電容性。次級回路呈電容性。 0C1L22 所

14、以：所以：)90(|022122112 CZuLMCZuLMju其中：其中：)1(2222CLjrZ 222|1|rCLarctg 相相位位差差f可見：可見：u2超前超前u1的相位差大于的相位差大于/2，且且所以有：所以有： |Ud1|Ud2| 0|)|(|21 dddoUUKu221u221u 1u1du2du第二十講第二十講 相位鑒頻電路等相位鑒頻電路等4/29/2022 1:50 AM第6章 角度調(diào)制與解調(diào)14總結(jié)總結(jié)221u221u 1u1du2duf fo221u221u 1u1du2duuoo鑒頻特性曲線：鑒頻特性曲線：f f oou 互感耦合回路相位鑒頻器互感耦合回路相位鑒頻器其

15、過程為：其過程為：)(tuFMAMFMPMFM 檢檢波波疊疊加加耦耦合合雙雙回回路路波波波波波波第二十講第二十講 相位鑒頻電路等相位鑒頻電路等4/29/2022 1:50 AM第6章 角度調(diào)制與解調(diào)15實際鑒頻特性曲線實際鑒頻特性曲線 Uo0(f0)f (t)f(f)Uot(a)(b)f0Uf(或2 )ffaff0(c)0t0Uo分析鑒頻曲線出現(xiàn)各種不同情況的原因分析鑒頻曲線出現(xiàn)各種不同情況的原因第二十講第二十講 相位鑒頻電路等相位鑒頻電路等4/29/2022 1:50 AM第6章 角度調(diào)制與解調(diào)16 相位鑒頻器不具有自限幅作用。相位鑒頻器不具有自限幅作用。 為了抑制調(diào)頻信號在傳輸過程中形成的

16、寄生干擾調(diào)幅的影響，為了抑制調(diào)頻信號在傳輸過程中形成的寄生干擾調(diào)幅的影響，一般需要在接收機(jī)中放末級電路中加限幅器，而限幅器要求輸入一般需要在接收機(jī)中放末級電路中加限幅器，而限幅器要求輸入FMFM信號的電壓幅值較大，約為信號的電壓幅值較大，約為13V13VPPPP，這就增加了調(diào)頻接收機(jī)中所需，這就增加了調(diào)頻接收機(jī)中所需的中放和限幅放大器的級數(shù)。的中放和限幅放大器的級數(shù)。 而而比例鑒頻器具有自限幅的作用比例鑒頻器具有自限幅的作用，且只要求前級中放提供零點且只要求前級中放提供零點幾伏的幾伏的FMFM信號電壓就能正常工作，不需要另加限幅放大器，這使調(diào)信號電壓就能正常工作，不需要另加限幅放大器，這使調(diào)頻

17、接收機(jī)的電路簡化，頻接收機(jī)的電路簡化，體積可能縮小，降低成本。體積可能縮小，降低成本。比例鑒頻器比例鑒頻器 （ratio discriminator）舊版： 第7.5.2 章節(jié) 第二十講第二十講 相位鑒頻電路等相位鑒頻電路等4/29/2022 1:50 AM第6章 角度調(diào)制與解調(diào)17 1. 1. 電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu) 比例鑒頻器與相位鑒頻器在電路結(jié)構(gòu)上相差很小，其主比例鑒頻器與相位鑒頻器在電路結(jié)構(gòu)上相差很小，其主要區(qū)別在：要區(qū)別在： （1 1）在兩類鑒頻器中）在兩類鑒頻器中D D2 2的極性連接相反的極性連接相反 （2）在）在A，B端并聯(lián)端并聯(lián)一個大電容一個大電容C0，C0與與（R1+R2）組成較

18、大的）組成較大的時間常數(shù)（約為時間常數(shù)（約為0.10.25s）。這樣在檢）。這樣在檢波過程中波過程中A，B兩端電兩端電壓基本不變，等于壓基本不變，等于E o （3 3）比例鑒頻器）比例鑒頻器輸出輸出電壓不是在電壓不是在A A，B B端，而端，而是是在中點在中點C C，D D端引出端引出。 EoCD+u1 - -+u2 - -uFM+ uo- -LcCoVTVD2VD1C2C1R1R2CcEcC4C3L1L2MRLCLAB第二十講第二十講 相位鑒頻電路等相位鑒頻電路等4/29/2022 1:50 AM第6章 角度調(diào)制與解調(diào)18 比例鑒頻器在輸入端的頻率比例鑒頻器在輸入端的頻率相位變換電路與和互感

19、相位相位變換電路與和互感相位鑒頻器是相同的，右圖為其等效電路。鑒頻器是相同的，右圖為其等效電路。有：有： 12212122uuuuuudd 022112211290|ZCuLMZCuLMju其中：其中：2. 2. 工作原理工作原理而而)1(2222CLjrZ 2221rCLarctg +uo1-+uo2-ud1ud2+E o- -+ uo - -+ u1 - -VD1C3R1C4R2VD2CLRLCo 221u 221u第二十講第二十講 相位鑒頻電路等相位鑒頻電路等4/29/2022 1:50 AM第6章 角度調(diào)制與解調(diào)19 如果設(shè)兩個二極管檢波如果設(shè)兩個二極管檢波器的傳輸系數(shù)為：器的傳輸系數(shù)

20、為： Kd1=Kd2=Kd，則兩檢波管的輸出電壓為：則兩檢波管的輸出電壓為： |2211ddoddoUKuUKu|)|(|21)(21121211dddooRooUUKuuuuu而比例鑒頻器的輸出電壓：而比例鑒頻器的輸出電壓：+uo1-+uo2-ud1ud2+E o- -+ uo - -+ u1 - -VD1C3R1C4R2VD2CLRLCo 221u 221u11oRouuu22Roouuu第二十講第二十講 相位鑒頻電路等相位鑒頻電路等4/29/2022 1:50 AM第6章 角度調(diào)制與解調(diào)20討論：（討論：（1）當(dāng)）當(dāng)時，時，0ff 001 cLoo)2(exp22o1122o112jrC

21、uLMrCuLMju 由矢量圖可得由矢量圖可得|ud1|=|ud2|，即，即Ud1=Ud2 0)(21d1d2do UUKu（2）當(dāng)當(dāng)f fo時時，則有，則有 ，u2與與ul的相位差為的相位差為/2- -(t) 01 CL 由矢量圖可得由矢量圖可得|ud1|ud2|，即，即Ud1Ud2 0)(21d1d2do UUKu（3）當(dāng)當(dāng)f|ud1|，即，即Ud2Ud1 0)(21d1d2do UUKu|)|(|21)(21121211dddooRooUUKuuuuu第二十講第二十講 相位鑒頻電路等相位鑒頻電路等4/29/2022 1:50 AM第6章 角度調(diào)制與解調(diào)21 比例鑒頻器的鑒頻特性曲線如圖所

22、示比例鑒頻器的鑒頻特性曲線如圖所示 只要工作在鑒相特性的線性鑒相區(qū)，就可以還只要工作在鑒相特性的線性鑒相區(qū)，就可以還原出原調(diào)制信號原出原調(diào)制信號)(tu ff ofm- -fmf(t)u0 說明：說明：它與互感耦合相位鑒頻器的鑒頻特性的極性相反。它與互感耦合相位鑒頻器的鑒頻特性的極性相反。當(dāng)然，通過改變兩個二極管連接的方向或耦合線圈的繞向當(dāng)然，通過改變兩個二極管連接的方向或耦合線圈的繞向(同同名端名端)，可以使鑒頻特性反向。，可以使鑒頻特性反向。第二十講第二十講 相位鑒頻電路等相位鑒頻電路等4/29/2022 1:50 AM第6章 角度調(diào)制與解調(diào)223. 自限幅原理自限幅原理 比例鑒頻器的輸出

23、電壓比例鑒頻器的輸出電壓uo只取決于輸入只取決于輸入FM波瞬時頻率的變化，波瞬時頻率的變化，而與輸入而與輸入FM幅度變化的大小無關(guān)。幅度變化的大小無關(guān)。 如果設(shè)輸入如果設(shè)輸入FM波的瞬時頻率不變，即波的瞬時頻率不變，即f =常量，而由于傳輸常量，而由于傳輸過程中的寄生干擾調(diào)幅使輸入過程中的寄生干擾調(diào)幅使輸入FM波的幅度發(fā)生變化。則由于波的幅度發(fā)生變化。則由于12121212)(21)(21ooooooooouuuuuuuuu oooooooooooooEuuuuuuEuuuuE 1221211212112121可見，可見， 幾幾乎乎不不變變不不變變波波振振幅幅當(dāng)當(dāng)ooooodduuuuuuuF

24、M 212121另外，當(dāng)輸入另外，當(dāng)輸入FM波的瞬時頻率變化時，即有：波的瞬時頻率變化時，即有： odduuuf21| 比例鑒頻器輸出電壓取決于兩個檢波電容上電壓的比值，故稱為比例鑒頻器輸出電壓取決于兩個檢波電容上電壓的比值，故稱為比例鑒頻器。比例鑒頻器。第二十講第二十講 相位鑒頻電路等相位鑒頻電路等4/29/2022 1:50 AM第6章 角度調(diào)制與解調(diào)23乘積型相位鑒頻器乘積型相位鑒頻器 乘積型相位鑒頻器實際上是一種乘積型相位鑒頻器實際上是一種正交鑒頻器正交鑒頻器。 調(diào)頻信號一路直接加至乘法器，另一路經(jīng)相移網(wǎng)絡(luò)移調(diào)頻信號一路直接加至乘法器，另一路經(jīng)相移網(wǎng)絡(luò)移相后相后( (參考信號參考信號)

25、 )加至乘法器。加至乘法器。 由于調(diào)頻信號和參考信號同頻正交，因此，稱之為正由于調(diào)頻信號和參考信號同頻正交，因此，稱之為正交鑒頻器交鑒頻器us移相網(wǎng)絡(luò)us低通濾波uoK線性相移網(wǎng)絡(luò)通常是單諧振回路線性相移網(wǎng)絡(luò)通常是單諧振回路( (或耦合回路或耦合回路) )舊版： 第7.5.3 章節(jié) 第二十講第二十講 相位鑒頻電路等相位鑒頻電路等4/29/2022 1:50 AM第6章 角度調(diào)制與解調(diào)242)(2cos)2)(cos(212cos)(cos)()()( tttUkUtUttkUtutkutuorsorosrso則相乘器的輸出信號則相乘器的輸出信號 為：為：)(tuo 乘積型鑒相器乘積型鑒相器（p

26、roduct phase detector）鑒相器輸入鑒相器輸入PM信號：信號： )(cos)(ttUtuoss )()(tuktP 而而而另一輸入信號而另一輸入信號 為為的的同頻正交載波同頻正交載波。)(tur)(tus)2cos()( tUtuorr即：即：相乘器相乘器低通濾波器低通濾波器)(tur)(tuo )(tuo)(tus第二十講第二十講 相位鑒頻電路等相位鑒頻電路等4/29/2022 1:50 AM第6章 角度調(diào)制與解調(diào)252)(2cos)2)(cos(21)(tttUkUtuorso)(sin212)(cos21)(tUkUtUkUtursrso可見：乘積型鑒相器具有可見：乘積

27、型鑒相器具有正弦形鑒相特性正弦形鑒相特性-)(tuo)t ( 相乘器相乘器低通濾波器低通濾波器)(tur)(tuo )(tuo)(tus12| )(| t另外，如果滿足另外，如果滿足 ，則有，則有 。)()(sintt 即輸出電壓與調(diào)制信號成線性關(guān)系，實現(xiàn)線性鑒相。即輸出電壓與調(diào)制信號成線性關(guān)系，實現(xiàn)線性鑒相。)()(21)(21)(0tuKtukUkUtUkUtupprsrs第二十講第二十講 相位鑒頻電路等相位鑒頻電路等4/29/2022 1:50 AM第6章 角度調(diào)制與解調(diào)26移相網(wǎng)絡(luò)相頻特性分析移相網(wǎng)絡(luò)相頻特性分析 211111()()11111()jCjQLCRLHjjjCjCRL該移

28、相網(wǎng)絡(luò)傳輸函數(shù)為：該移相網(wǎng)絡(luò)傳輸函數(shù)為：u1CLR u2(a)0f0f2(b)C1第二十講第二十講 相位鑒頻電路等相位鑒頻電路等4/29/2022 1:50 AM第6章 角度調(diào)制與解調(diào)271112a rc ta n2c o s (s in)c o s (s in)cfcfuUtmtuUtmt可見，可見，u1與與u2(實際上是實際上是ur與與us)之間的相位差為之間的相位差為211111()()11111()jCjQLCRLH jjj CjCRL20200011, ( 1 )2,( )cRfQ Q QLfL C C 02ffQ)(110CCLc1112a r c t a n2c o s (s i n)c o s (s i n)cfcfuUtmtuUtmtu1CLR u2(a)0f0f2(b)C1第二十講第二十講 相位鑒頻電路等相位鑒頻電路等4/29/2022 1:50 AM第6章 角度調(diào)制與解調(diào)28 當(dāng)當(dāng)f/f01時，乘積型鑒相輸出為時，乘積型鑒相輸出為22cos()sin22ooooQ fQ ffuUUUQfff可