基于Multisim的斜率鑒頻器仿真

王志兵，李杏清

1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東東莞 523808

2.清遠(yuǎn)市技師學(xué)院，廣東清遠(yuǎn) 511517

1 斜率鑒頻原理

鑒頻器反映了輸出信號(hào)幅度和輸入信號(hào)頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，常用的鑒頻器主要四種，斜率鑒頻器，相位鑒頻器，脈沖計(jì)數(shù)式鑒頻器和鎖相環(huán)鑒頻器。相對(duì)于其它三種鑒頻器，斜率鑒頻器的電路比較簡(jiǎn)單，并且可以通過(guò)單回路或雙回路諧振電路來(lái)控制鑒頻失真，擴(kuò)展鑒頻器的線性鑒頻范圍。單回路斜率鑒頻的頻率—幅度網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)LC并聯(lián)諧振回路，鑒頻特性曲線并不是理想的線性關(guān)系，為了實(shí)現(xiàn)不失真鑒頻，要求輸入信號(hào)頻率的變換范圍盡量小，雙回路斜率鑒頻器由于兩個(gè)對(duì)稱的LC并聯(lián)諧振回路，其鑒頻曲線比單回路斜率鑒頻器的線性要好，并且線性鑒頻范圍要大，但是雙回路斜率鑒頻器的鑒頻特性不僅與兩個(gè)LC并聯(lián)諧振回路的諧振曲線有關(guān)，還與兩個(gè)LC并聯(lián)諧振回路的固有頻率的配置有關(guān)，只有諧振回路的兩個(gè)固有頻率配置合適，雙回路斜率鑒頻器的鑒頻特性曲線在中心頻率附近才有較好的線性特性[1]。

斜率鑒頻把幅度隨頻率的變化關(guān)系反映到調(diào)頻—調(diào)幅信號(hào)中，將等幅的調(diào)頻信號(hào)變換成幅度與頻率成正比的信號(hào)，即將頻率的變化轉(zhuǎn)換到幅度上，然后通過(guò)包絡(luò)檢波器進(jìn)行檢波，完成解調(diào)功能[2]。因?yàn)樵诰€性解調(diào)范圍內(nèi)，解調(diào)信號(hào)電壓與調(diào)頻信號(hào)瞬時(shí)頻率之間的比值和頻幅轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)特性曲線的斜率成正比，在斜率鑒頻電路中，頻幅轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)通常采用LC并聯(lián)回路或LC互感耦合回路，檢波電路經(jīng)常采用差分檢波電路或二極管包絡(luò)檢波電路。斜率鑒頻器的實(shí)現(xiàn)模型如圖1。

調(diào)頻調(diào)幅信號(hào)解調(diào)輸出調(diào)頻信號(hào)包絡(luò)檢波器頻率-幅度線性變換網(wǎng)絡(luò)

圖1 斜率鑒頻器實(shí)現(xiàn)模型

2 其他常用鑒頻方法

2.1 相位鑒頻

相位鑒頻器由線性變換網(wǎng)絡(luò)和相位檢波器兩部分組成，相位鑒頻器又稱鑒相器，其功能是檢出兩個(gè)輸入信號(hào)之間的相位差，并將相位差的變化線性地轉(zhuǎn)化成輸出電壓的變化[3]。相位鑒頻先通過(guò)頻率—相位變換網(wǎng)絡(luò)將調(diào)頻信號(hào)頻率的變化轉(zhuǎn)換成相位的變化，然后通過(guò)相位檢波器將相位的變化轉(zhuǎn)化成輸出電壓的變化，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的解調(diào)，鑒相器的關(guān)鍵是找到一個(gè)線性的頻率—相位變換網(wǎng)絡(luò)。相位鑒頻器有多種實(shí)現(xiàn)電路，大體上可以歸納為數(shù)字鑒相器和模擬鑒相器兩大類(lèi)，其中模擬鑒相器廣泛用于相位鑒頻器中，這類(lèi)鑒相器又可分為乘積型和疊加型兩種。

2.2 脈沖計(jì)數(shù)式鑒頻

脈沖計(jì)數(shù)式鑒頻先通過(guò)非線性變換網(wǎng)絡(luò)將等幅的調(diào)頻信號(hào)變換成與之對(duì)應(yīng)的調(diào)頻脈沖序列，該脈沖序列中包含有反映瞬時(shí)頻率變化規(guī)律的平均電壓分量，然后通過(guò)低通濾波器取出反映輸入信號(hào)頻率變化規(guī)律的平均電壓分量，從而實(shí)現(xiàn)鑒頻。

2.3 鎖相環(huán)鑒頻

鎖相環(huán)是一個(gè)自動(dòng)相位控制系統(tǒng)，它能使受控的振蕩頻率和相位均與輸入信號(hào)保持確定關(guān)系，使得壓控振蕩器的輸出與輸入振蕩頻率相等，具有跟蹤，濾波和鎖定狀態(tài)等特性[4]。鎖相環(huán)鑒頻則是通過(guò)鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的頻率控制，當(dāng)鎖相環(huán)的輸入?yún)⒖茧妷簽檎{(diào)頻信號(hào)時(shí)，環(huán)路濾波器的輸出電壓就為解調(diào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)了鑒頻。

3 斜率鑒頻器仿真結(jié)果分析

為了更好地減少鑒頻失真，擴(kuò)展斜率鑒頻器的線性鑒頻范圍，實(shí)驗(yàn)中調(diào)頻信號(hào)的中心頻率為10kHz，調(diào)頻系數(shù)為5，調(diào)制信號(hào)頻率為1kHz。當(dāng)，時(shí)，輸入信號(hào)經(jīng)頻率—幅度變換電路變換后的調(diào)頻—調(diào)幅信號(hào)及鑒頻輸出信號(hào)的電壓波形如圖3所示，由圖3可見(jiàn)，鑒頻輸出中有少許的波紋，這些波紋可通過(guò)后級(jí)低通濾波器濾除。

圖2 斜率鑒頻器仿真電路圖

圖3 斜率鑒頻器仿真結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中一共取了5組數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如表1所示。

表1

從表1中數(shù)據(jù)可以看出：1）改變L1，C1的值，隨著諧振回路固有頻率的增大，鑒頻結(jié)果越來(lái)越好，即LC諧振電路進(jìn)行頻率—幅度變換時(shí)，電路應(yīng)工作于失諧狀態(tài)。其中LC并聯(lián)諧振電路諧振頻率為200kHz，L1=1260uH，C1=500pF和并聯(lián)諧振電路的諧振頻率為500kHz，L1=1000uH，C1=100pF兩組數(shù)據(jù)得出的鑒頻效果都很好；2）改變并聯(lián)諧振電路諧振電阻R的值，可以調(diào)節(jié)鑒頻結(jié)果，諧振電阻R的值不能太小也不能太大，實(shí)驗(yàn)中一般取值為50～100，可以得到較好的鑒頻結(jié)果；3）斜率鑒頻器要不失真鑒頻，要求輸入信號(hào)頻率的變化范圍盡量小。

4 結(jié)論

為了減小鑒頻失真，擴(kuò)展鑒頻器的線性鑒頻范圍，本文通過(guò)改變諧振電阻，諧振頻率，利用Multisim軟件對(duì)斜率鑒頻器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法可以有效地克服鑒頻器失真的問(wèn)題，雖然鑒頻結(jié)果有少許的紋波，但是可以通過(guò)后級(jí)低通濾波器濾除。

[1]曾興雯.高頻電路原理與分析[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

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[4]王剛，王艷芬，于洪珍.基于Multisim的鎖相環(huán)運(yùn)用電路仿真[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2008(30)，67-69.