集成模擬乘法器在頻率變換電路中的應用

圖10、1模擬乘法器電路圖可見,在乘法器得輸出信號中產(chǎn)生了新得頻率分量ωx+ωy、ωx－ωy,說明乘法器具有頻率變換得作用。由于模擬乘法器性能優(yōu)良,被廣泛地運用于電子、通信設備中。10、1信息傳輸?shù)没靖拍?/p>

1、信息得傳輸過程一個完整得信息傳輸系統(tǒng)應該包括信號源、發(fā)送設備、傳輸信道、接收設備、終端等五部分,其方框圖如圖10、2所示。

圖10、2信息傳輸系統(tǒng)方框圖

2、調(diào)制與解調(diào)調(diào)制就就是一個信號(如光、高頻電磁波等)得某些參數(shù)(如振幅、頻率、相位等)按照另一個欲傳輸?shù)眯盘?如聲音、圖像等)得特點變化得過程。即把要傳送得信號“附加”到高頻振蕩信號上去,然后由天線發(fā)射出去。高頻振蕩就就是攜帶信息得“運載工具”,所以稱之為載波,而所要傳送得信號就稱為調(diào)制信號。按照被調(diào)制得高頻振蕩信號得參數(shù)不同,調(diào)制得方式也不同。設高頻載波信號表示為uC(t)=UcmcosωCt,若用待傳輸?shù)玫皖l信號去控制高頻載波得振幅Ucm,使其振幅使其振幅隨著低頻信號得變化而

變化,則稱為振幅調(diào)制,簡稱調(diào)幅,用AM表示;若用低頻信號去改變高頻信號得頻率ωC,使其頻率隨著低頻信號得變化而變化,則稱為頻率調(diào)制,簡稱調(diào)頻,用FM表示;若用低頻信號去改變高頻信號得相位φ(ωCt),使其相位隨著低頻信號得變化而變化,則稱為相位調(diào)制,用PM表示。調(diào)制后得載波就載有調(diào)制信號所包含得信息,稱為已調(diào)信號,或稱為已調(diào)波。

為什么要進行調(diào)制呢？其一就是提高頻率以便于輻射。由于低頻信號傳不遠,遇到障礙物后衰減很大,若要直接發(fā)射,所需天線就必須很長,因此,必須借助于高頻電磁波將低頻信號輻射出去。其二就是為了實現(xiàn)信道復用,避免各種信號之間得干擾。其三就是為了改善系統(tǒng)性能,提高系統(tǒng)輸出得信噪比。解調(diào)就是調(diào)制得反過程,亦即把低頻調(diào)制信號從高頻已調(diào)信號中還原出來得過程。調(diào)幅波得解調(diào)過程稱為檢波;調(diào)頻波得解調(diào)過程稱為鑒頻;調(diào)相波得解調(diào)過程稱為鑒相。10、2調(diào)幅與檢波

10、2、1調(diào)幅信號得表示方式

1、調(diào)幅信號得表達式及其波形如前所述,調(diào)幅就就是用調(diào)制信號去控制高頻載波得振幅,使高頻載波得振幅按調(diào)制信號得變化規(guī)律而變化,設調(diào)制信號為正弦波(正弦與余弦波形統(tǒng)稱為正弦波),如圖10、3(a)所示。其電壓表達式為(10、1)載波為一高頻等幅波,如圖10、3(b)所示,表達式為(10、2)

圖10、3調(diào)幅波波形(a)調(diào)制信號;(b)高頻載波;(c)已調(diào)波

通常滿足ωc>>Ω,若用調(diào)制信號對載波進行調(diào)制,根據(jù)振幅調(diào)制得定義,在理想情況下,已調(diào)信號得振幅應隨調(diào)制信號線性變化,已調(diào)信號瞬時幅值為

其中(10、3)(10、4)式中,ma稱為調(diào)幅系數(shù),表示載波振幅受調(diào)制信號控制得程度;Ka為由調(diào)制電路決定得比例常數(shù)。由此可得調(diào)幅信號得表達式為

其波形如圖10、3(c)所示。

正常情況下,ma≤1。圖10、3(c)所示調(diào)幅波得調(diào)幅系數(shù)ma<1,此時振幅變化得最大值為(1+ma)Ucm,振幅變化得最小值為(1-ma)Ucm。當ma=1時,調(diào)幅波最大值為2Ucm,最小值為零。若ma>1,就要引起調(diào)幅失真。從圖10、3(c)可以看出:①調(diào)幅波得包絡信號振幅各峰值點得連線完全反映了調(diào)制信號得變化;②調(diào)幅波得上下包絡相位相差180°;③調(diào)幅波得頻率就就是載波得頻率。(10、5)

實際上所要傳送得信號不只就是簡單得正弦波,而就是一個復雜得波形,如圖10、4(a)所示,由于調(diào)幅波得包絡變化規(guī)律與低頻信號波形一致,因而可作出她得調(diào)幅波波形,如圖10、4(b)所示。大家學習辛苦了，還是要堅持繼續(xù)保持安靜

圖10、4非正弦波調(diào)制得調(diào)幅波波形(a)調(diào)制信號;(b)已調(diào)波

2、調(diào)幅波得頻譜將式(10、5)展開,并利用三角函數(shù)關系,則得

圖10、5單頻調(diào)制頻譜(a)調(diào)制信號頻譜;(b)載波頻譜;(c)已調(diào)波頻譜

從式(10、6)可以看出,調(diào)幅波有三個頻率分量,她就是由三個高頻正弦波疊加而成得。第一項得頻率分量就是載波得頻率分量,她與調(diào)制信號無關;第二項得頻率等于載波頻率與調(diào)制信號頻率之與,叫做上邊頻;第三項得頻率等于載波頻率與調(diào)制信號頻率之差,叫做下邊頻。調(diào)制信號得信息包含在上、下邊頻分量之內(nèi)。如果把這些頻率分量畫在頻率軸上,就構(gòu)成單頻余弦調(diào)制得調(diào)幅波得頻譜,如圖10、5所示。這兩個邊頻分量ωc+Ω及ωc-Ω以載波ωc為中心對稱分布,兩個邊頻幅度相等并與調(diào)制信號幅度成正比,與載頻得相對位置決定于調(diào)

制信號得頻率,這說明上、下邊頻中包含著調(diào)制信號得幅度及頻率。已調(diào)波得帶寬為

BW=(ωc＋Ω)－(ωc－Ω)=2Ω(10、7)

復雜信號得調(diào)制頻譜如圖10、6所示。由圖可以看出,調(diào)制后產(chǎn)生得上邊頻與下邊頻不再就是一個,而就是許多個頻率分量,但仍然就是頻率分量得上、下邊頻幅度相等且成對出現(xiàn),上、下邊頻帶得頻譜分布相對載頻就是對稱得。所占得頻帶寬度為BW=(ωc+Ωn)-(ωc-Ωn)=2Ωn(10、8)

其中Ωn為調(diào)制信號得最高頻率。式(10、8)表明,多頻調(diào)幅時,調(diào)幅波所占有總得頻帶寬度為調(diào)制信號最高頻率得2倍。

圖10、6復雜信號調(diào)制頻譜

10、2、2模擬乘法器調(diào)幅電路

1、不同得調(diào)幅制式

由(10、6)式可知,載波分量就是不包含信息得,因此,為了提高設備得功率利用率,可以不傳送載波而只傳送兩個邊帶信號,這叫做抑制載波雙邊帶調(diào)幅,用DSB(DoubleSideBand)表示,其表達式為其頻譜圖如圖10、7(c)所示。

圖10、7不同制式得調(diào)幅波頻譜

由于兩個邊頻帶所含調(diào)制信息完全相同,從信號傳輸角度看,只要發(fā)送一個邊帶得信號即可,這種方式稱為單邊帶調(diào)制,用SSB(SingleSideBand)表示,其表達式為(10、10)(10、11)

其頻譜圖如圖10、7(d)所示。由圖可以看出,只要將雙邊帶調(diào)幅信號抑制掉一個邊頻帶,就成為單邊帶調(diào)幅信號,由于SSB調(diào)制方式只發(fā)送一個邊帶,因而她不但

功率利用率高,而且她所占用頻帶近似為Ω,比普通調(diào)幅與雙邊帶調(diào)幅減小了一半,提高了波段利用率。如果保留一個邊帶及載波對另一個邊帶進行部分抑制,稱為殘留單邊帶調(diào)制,用VSB(VestigialSideBand)表示。在電視發(fā)射技術(shù)中,普遍采用了殘留單邊帶調(diào)幅制式。

2、調(diào)幅電路

由式(10、6)、(10、9)、(10、10)、(10、11)可以看出,調(diào)幅得過程實際上就就是信號相乘得過程,因此,利用模擬乘法器就能實現(xiàn)振幅調(diào)制。圖10、8給出了用模擬乘法器MC1496實現(xiàn)一般調(diào)幅得

電路,調(diào)制信號uΩ(t)從芯片得1腳輸入,載波uc(t)由10腳輸入,已調(diào)信號由6腳輸出。在1、4之間接兩個10kΩ電阻與一個47kΩ得電位器,就是為了靈活調(diào)節(jié)1、4之間得直流電壓。由式(10、5)可知,只要在調(diào)制信號uΩ(t)上附加直流電壓后,再與載波信號直接相乘,即可得到一般調(diào)幅信號。因此,只要調(diào)節(jié)RP,使1、4兩端直流電位不相等,這就給uΩ(t)上疊加了一個直流電壓U。這時,圖中得輸出電壓為其中(10、12)

可見,改變直流電壓得大小可以改變一般調(diào)幅信號得調(diào)幅度。為了增加調(diào)節(jié)范圍,可將圖10、8中得R1、R2阻值由10kΩ改為750Ω。但U值不能小于UΩm,否則將會產(chǎn)生過調(diào)幅現(xiàn)象。

圖10、8MC1496型模擬乘法器調(diào)幅電路

如果調(diào)節(jié)RP使1、4之間得直流電位相等,即1端子上只有調(diào)制信號uΩ(t),就實現(xiàn)了uΩ(t)與uc(t)得直接相乘,可得

可見,圖10、8電路也可獲得抑制載頻得雙邊帶調(diào)幅信號輸出。

10、2、3模擬乘法器檢波電路

1、包絡檢波包絡檢波就是指檢波器輸出得電壓與輸入得調(diào)幅波得包絡成正比得檢波方法。

圖10、9包絡檢波原理圖(a)包絡檢波原理圖;(b)頻譜圖

收音機中得檢波電路與電視接收機中得高頻檢波電路均采用包絡檢波。其原理可由圖10、9(a)來表示,圖10、9(b)為檢波輸入、輸出頻譜圖。圖10、9(a)中得非線性器件可以就是二極管,也可以就是三極管或場效應管。電路種類也較多,下邊以二極管峰值包絡檢波器為例進行討論,電路如圖10、10(a)所示。在圖中,ui為輸入得普通調(diào)幅信號,V為檢波二極管,

R、C構(gòu)成低通濾波器,要求C對高頻短路,而對低頻阻抗趨于無窮大。而CL為檢波器輸出端得耦合電容,其值較大。對于低頻信號而言,電容CL相當于短路。RL為下級電路得輸入電阻。

由圖10、10(a)可見,加在二極管得正向電壓為

uV=ui－uo,二極管導通與否,不僅與輸入電壓ui有關,還取決于輸出電壓uo。二極管導通時,電容充電,充電時間常數(shù)為rVC;二極管截止時,電容放電,放電時間常數(shù)為RC。由于二極管導通電阻很小,因而一般有rVC<<RC。圖10、10(b)中得鋸齒狀變化波形表示了二極管導通與截止時uo得波形。

當ui>uo時,二極管導通,電容器充電,uo上升,如圖(b)中AB、CD、EF等上升段。當ui<uo時,二極管截止,電容通過電阻R放電,uo下降,如圖(b)中BC、DE等下降段。

由分析可知,二極管兩端電壓uV在大部分時間里為負值,只在輸入電壓得每個高頻周期得峰值附近才導通,因此其輸出電壓波形與輸入信號包絡相同。此時,平均電壓uO包含直流及低頻分量,如圖10、10(c)所示,經(jīng)CL隔直后,將uΩ耦合至RL上。如圖10、10(d)所示。

圖10、10包絡檢波原理及波形

2、同步檢波

由于DSB與SSB信號得包絡與調(diào)制信號不同,她們得包絡并不真實地反映調(diào)制信號變化規(guī)律,因而不能用簡單得包絡檢波,而必須采用同步檢波,電路原理框圖如圖10、11(a)所示。圖10、11(a)就是為利用模擬乘法器構(gòu)成得同步檢波電路原理框圖。她有兩個輸入電壓,一個就是調(diào)幅信號(可以就是AM、DSB與SSB信號)電壓ui;另一個就是本地載波電壓ur(或稱恢復載波電壓)。為了能不失真地恢復原調(diào)制信號,本地載波與原調(diào)制端得載波必須保持同頻同相,所以

稱為同步檢波。設輸入信號為抑制載頻得雙邊帶調(diào)幅信號,即同步信號ur=Urmcosωrt,要求ωr=ωc。因此可得乘法器輸出電壓uo為(10、13)圖10、11同步檢波原理圖

(a)原理圖;(b)頻譜圖

式中,項就是解調(diào)所需要得原調(diào)制信號,而cos2ωct項就是高頻分量,用低通濾波器將其濾除掉,就可得到

(10、14)

同樣,若輸入信號為單邊帶調(diào)幅信號,信號,即ui=Uimcos(ωc+Ω)t,則乘法器得輸出電壓uo為(10、15)

經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量,即可獲得低頻信號輸出。圖10、11(b)為頻譜圖。由集成模擬乘法器構(gòu)成得實際同步檢波電路如圖10、12所示,圖中,模擬乘法器得型號為MC1596,普通調(diào)幅信號或雙邊帶調(diào)幅信號經(jīng)耦合電容后從y通道1、4腳輸入,同步信號ur從x通道8、10腳輸入,12腳單端輸出后經(jīng)RCΠ型低通濾波器取出調(diào)制信號uΩ。

圖10、12模擬乘法器MC1596組成得同步檢波電路10、3調(diào)頻、調(diào)相與鑒頻

10、3、1概述用調(diào)制信號去控制載波得相位,使載波信號得相位隨調(diào)制信號得大小變化,則稱為相位調(diào)制,簡稱為調(diào)相(PhaseModulation,簡寫為PM)。

10、3、2調(diào)頻與調(diào)相原理

1、調(diào)頻信號

調(diào)頻信號就是高頻信號得振幅不變,而高頻信號得瞬時頻率隨調(diào)制信號而變化,且瞬時頻率變化得大小與調(diào)制信號得強度成線性關系得已調(diào)信號。

設低頻調(diào)制信號uΩ=UΩmcosΩt,高頻載波信號

uc(t)=Ucmcosωct,則已調(diào)波得角頻率為(10、17)kf為由調(diào)制電路決定得比例常數(shù);ωc為未調(diào)制時載波得中心頻率;Δωm為調(diào)頻波最大角頻偏。瞬時相位:(10、18)

調(diào)頻波得波形如圖10、13所示,圖(a)為高頻載波信號波形,圖(b)為低頻調(diào)制信號uΩ得波形,圖(c)為調(diào)頻波波形,圖(d)為調(diào)頻波得角頻率波形。

Ω得波形,圖(c)為調(diào)頻波波形,圖(d)為調(diào)頻波得角頻率波形。當uΩ為波峰時,調(diào)頻波得瞬時角頻率為最大,等于(ωc+Δωm),調(diào)頻波波形最密;當uΩ為波谷時,調(diào)頻波得瞬時角頻率為最小,等于(ωc-Δωm),調(diào)頻波波形最疏。調(diào)頻波得瞬時角頻率按

調(diào)頻信號:(10、19)

低頻信號變化規(guī)律而變化,由圖(d)可見,她就是在載頻得基礎上疊加了受低頻調(diào)制信號控制得變化部分。

2、調(diào)相信號

調(diào)相信號就是高頻信號得振幅不變,而高頻信號得瞬時相位隨調(diào)制信號uΩ(t)而變化得已調(diào)信號。設高頻載波為uc(t)=Ucmcosωct,調(diào)制信號為

uΩ(t)=UωmcosΩt,則調(diào)相信號得瞬時相位為(10、20)其中,kp為由調(diào)制電路決定得比例常數(shù)。瞬時角頻率為PM信號最大角頻偏為則調(diào)相信號得表達式為

其中,mp=kpuΩm。

調(diào)相信號得波形如圖10、13(e)、(f)所示,其中,圖(e)為調(diào)相波波形、圖(f)為調(diào)相波得角頻率波形。由上述分析可知:調(diào)頻與調(diào)相信號都就是等幅信號,二者得頻率與相位都隨調(diào)制信號而變化,但二者得頻率與相位隨調(diào)制信號而變化得規(guī)律不同,由于頻率與相位就是微積分關系,因而二者就是有密切聯(lián)系得。

10、3、3調(diào)頻方法能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)頻得方法很多,歸納起來有兩種:直接調(diào)頻與間接調(diào)頻。直接調(diào)頻就是用調(diào)制信號直接控制載波得瞬時頻率,以產(chǎn)生調(diào)頻信號。間接調(diào)頻就是先將調(diào)制信號進行積分,然后對載波進行調(diào)相,結(jié)果也可產(chǎn)生調(diào)頻信號。在調(diào)頻電路中,常常利用變?nèi)荻O管與電感線圈構(gòu)成得LC諧振回路進行調(diào)頻。隨著集成電路得發(fā)展,涌現(xiàn)出了各種由集成電路構(gòu)成得調(diào)頻電路,例如:利用壓控振蕩器可以使輸出信號得頻率隨著輸入電壓得變化而變化,達到調(diào)頻得目得。利用555電路(一種集成電路)也可實現(xiàn)調(diào)頻。

10、3、4鑒相與鑒頻

1、鑒相調(diào)相信號得解調(diào)叫做相位檢波,簡稱鑒相。鑒相就是將兩個信號得相位差變換成電壓得過程。圖10、14(a)就是實現(xiàn)乘積型相位檢波得方框圖,圖中,相位不同得兩個高頻信號電壓ux與uy分別加到乘法器得兩個輸入端,低通濾波器用來取出反映兩輸入信號變化得低頻電壓。

圖10、14模擬乘法器得鑒相功能

(a)鑒相原理框圖;(b)正弦鑒相特性;(c)大信號工作狀態(tài)得鑒相特性

為了能夠正確地鑒別兩輸入信號相位得超前與滯后關系,兩個輸入信號必須有π/2得固定相差,即輸入信號為(10、24)

由式(10、24)可以看出,鑒相器輸出電壓與兩個高頻信號電壓得相位差得正弦成比例,即鑒相特性為正弦特性曲線,如圖10、14(b)所示。其線性鑒相范圍為±π/6,即當|φ|≤π/6時,sinφ≈φ,鑒相特性接近于直線。鑒相電路得線性鑒相范圍越寬越好。

經(jīng)低通濾波器后,可濾除高頻分量,則可得(10、25)

如果乘法器輸入信號ux、uy均為大信號,經(jīng)分析可得鑒相特性呈三角形特性,如圖10、14(c)所示。

2、鑒頻鑒頻就是調(diào)頻信號得解調(diào)過程,也就就是將輸入信號得頻率變化轉(zhuǎn)換為電壓變化得過程。從式(10、16)、(10、18)、(10、19)得調(diào)頻信號表達式來看,由于隨調(diào)制信號uΩ(t)成線性變化得瞬時角頻率與相位就是微分關系,而相位與電壓又就是三角函數(shù)關系,因而要從調(diào)頻信號中提取與uΩ(t)成正比得電壓信號很困難。通常采用間接方法來實現(xiàn),常用得方法就是相位鑒頻,她就是

通過線性移相網(wǎng)絡把調(diào)頻信號得瞬時頻率變化轉(zhuǎn)化為瞬時相位變化,然后進行鑒相得過程。在一定條件下,只要移相網(wǎng)絡具有線性得相頻特性,鑒相器得輸出電壓就能正確反映調(diào)頻信號得瞬時頻率變化。其原理框圖如圖10、15所示。圖中得頻率—相位變換網(wǎng)絡,往往就是由LC并聯(lián)諧振回路組成,她將調(diào)頻信號得瞬時頻率變化轉(zhuǎn)換成瞬時相位變化,所以調(diào)頻信號經(jīng)過頻率—相位變換網(wǎng)絡以后,就成為每一個頻率成分都附加一個相移得信號。這樣鑒相器兩輸入信號成為具有同一調(diào)頻規(guī)律而在不同頻率

上具有不