模拟集成乘法器在信号处理方面中的应用市公开课获奖课件省名师优质课赛课一等奖课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第4章 模拟集成乘法器,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考!,4.6 模拟集成乘法器在信号处理方面中应用,4.6.1 信息传输基本概念,4.6.2 调幅与检波,4.6.3 调频、调相与鉴频,4.6.4 混频、倍频与锁相环路,1/66,模拟乘法器是经典非线性器件,如图4.6.1所表示,假设作用于乘法器两个输入信号电压分别为,则乘法器输出电压为,2/66,图4.6.1 模拟乘法器电路图,可见,在乘法器输出信号中产生了新频率分量x+y、xy,说明乘法器含有频率变换作用。因为模拟乘法器性能优良,被广泛地利用于电子、通信设备中。,3/66,4.6.1 信息传输基本概念,1信息传输过程,一个完整信息传输系统应该包含信号源、发送设备、传输信道、接收设备、终端等五部分,其方框图如图4.6.2所表示。,图4.6.2 信息传输系统方框图,4/66,2调制与解调,调制就是一个信号（如光、高频电磁波等）一些参数（如振幅、频率、相位等）按照另一个欲传输信号（如声音、图像等）特点改变过程。即把要传送信号“附加”到高频振荡信号上去,然后由天线发射出去。高频振荡就是携带信息“运载工具”,所以称之为载波,而所要传送信号就称为调制信号。按照被调制高频振荡信号参数不一样,调制方式也不一样。设高频载波信号表示为,u,C,(,t,)=,U,cm,cos,C,t,若用待传输低频信号去控制高频载波振幅,U,cm,使其振幅使其振幅伴随低频信号改变而,5/66,改变,则称为振幅调制,简称调幅,用AM表示;若用低频信号去改变高频信号频率,C,使其频率伴随低频信号改变而改变,则称为频率调制,简称调频,用FM表示;若用低频信号去改变高频信号相位,(,C,t,),使其相位伴随低频信号改变而改变,则称为相位调制,用PM表示。调制后载波就载有调制信号所包含信息,称为已调信号,或称为已调波。,6/66,为何要进行调制呢？其一是提升频率方便于辐射。因为低频信号传不远,碰到障碍物后衰减很大,若要直接发射,所需天线就必须很长,所以,必须借助于高频电磁波将低频信号辐射出去。其二是为了实现信道复用,防止各种信号之间干扰。其三是为了改进系统性能,提升系统输出信噪比。,解调是调制反过程,亦即把低频调制信号从高频已调信号中还原出来过程。调幅波解调过程称为检波;调频波解调过程称为鉴频;调相波解调过程称为鉴相。,7/66,4.6.2 调幅与检波,4.6.2.1 调幅信号表示方式,1调幅信号表示式及其波形,如前所述,调幅就是用调制信号去控制高频载波振幅,使高频载波振幅按调制信号改变规律而改变,设调制信号为正弦波（正弦和余弦波形统称为正弦波）,如图4.6.3（a）所表示。其电压表示式为,（4.6.1）,载波为一高频等幅波,如图4.6.3（b）所表示,表示式为,（4.6.2）,8/66,图4.6.3调幅波波形,（a）调制信号;（b）高频载波;（c）已调波,9/66,通常满足,c,若用调制信号对载波进行调制,依据振幅调制定义,在理想情况下,已调信号振幅应随调制信号线性改变,已调信号瞬时幅值为,其中,（4.6.3）,（4.6.4）,式中,m,a,称为调幅系数,表示载波振幅受调制信号控制程度;,K,a,为由调制电路决定百分比常数。由此可得调幅信号表示式为,10/66,其波形如图4.6.3（c）所表示。,正常情况下,m,a,1。图4.6.3（c）所表示调幅波调幅系数,m,a,1,就要引发调幅失真。,从图4.6.3(c)能够看出:调幅波包络信号振幅各峰值点连线完全反应了调制信号变化;调幅波上下包络相位相差180;调幅波频率就是载波频率。,（4.6.5）,11/66,实际上所要传送信号不只是简单正弦波,而是一个复杂波形,如图4.6.4（a）所表示,因为调幅波包络改变规律与低频信号波形一致,因而可作出它调幅波波形,如图4.6.4（b）所表示。,12/66,图4.6.4非正弦波调制调幅波波形,（a）调制信号;（b）已调波,13/66,2调幅波频谱,将式（4.6.5）展开,并利用三角函数关系,则得,14/66,图4.6.5单频调制频谱,(a)调制信号频谱;(b)载波频谱;(c)已调波频谱,15/66,从式（4.6.6）能够看出,调幅波有三个频率分量,它是由三个高频正弦波叠加而成。第一项频率分量是载波频率分量,它与调制信号无关;第二项频率等于载波频率与调制信号频率之和,叫做上边频;第三项频率等于载波频率与调制信号频率之差,叫做下边频。调制信号信息包含在上、下边频分量之内。假如把这些频率分量画在频率轴上,就组成单频余弦调制调幅波频谱,如图4.6.5所表示。这两个边频分量,c,+及,c,-以载波,c,为中心对称分布,两个边频幅度相等并与调制信号幅度成正比,与载频相对位置决定于调,16/66,制信号频率,这说明上、下边频中包含着调制信号幅度及频率。已调波带宽为,BW=(,c,)(,c,)=2,(4.6.7),复杂信号调制频谱如图10.6所表示。由图能够看出,调制后产生上边频和下边频不再是一个,而是许多个频率分量,但依然是频率分量上、下边频幅度相等且成对出现,上、下边频带频谱分布相对载频是对称。所占频带宽度为,17/66,BW=(,c,+,n,)-(,c,-,n,)=2,n,(4.6.8),其中,n,为调制信号最高频率。式(4.6.8)表明，多频调幅时,调幅波所占有总频带宽度为调制信号最高频率2倍。,图4.6.6 复杂信号调制频谱,18/66,4.6.2.2模拟乘法器调幅电路,1不一样调幅制式,由（4.6.6）式可知,载波分量是不包含信息,所以,为了提升设备功率利用率,能够不传送载波而只传送两个边带信号,这叫做抑制载波双边带调幅,用DSB（DoubleSideBand）表示,其表示式为,其频谱图如图4.6.7（c）所表示。,19/66,图4.6.7 不一样制式调幅波频谱,20/66,因为两个边频带所含调制信息完全相同,从信号传输角度看,只要发送一个边带信号即可,这种方式称为单边带调制,用SSB（SingleSideBand）表示,其表示式为,（4.6.10）,（4.6.11）,其频谱图如图4.6.7（d）所表示。由图能够看出,只要将双边带调幅信号抑制掉一个边频带,就成为单边带调幅信号,因为SSB调制方式只发送一个边带,因而它不但,21/66,功率利用率高,而且它所占用频带近似为,比普通调幅和双边带调幅减小了二分之一,提升了波段利用率。,假如保留一个边带及载波对另一个边带进行部分抑制,称为残留单边带调制,用VSB(VestigialSideBand)表示。在电视发射技术中,普遍采取了残留单边带调幅制式。,2调幅电路,由式（4.6.6）、（4.6.9）、（4.6.10）、（4.6.11）能够看出,调幅过程实际上就是信号相乘过程,所以,利用模拟乘法器就能实现振幅调制。,图4.6.8给出了用模拟乘法器MC1496实现普通调幅,22/66,电路,调制信号,u,(,t,)从芯片1脚输入,载波,u,c,(,t,)由10脚输入,已调信号由6脚输出。在1、4之间接两个10k电阻和一个47k电位器,是为了灵活调整1、4之间直流电压。,由式（4.6.5）可知,只要在调制信号,u,(,t,)上附加直流电压后,再与载波信号直接相乘,即可得到普通调幅信号。所以,只要调整RP,使1、4两端直流电位不相等,这就给,u,(,t,)上叠加了一个直流电压,U,。这时,图中输出电压为,23/66,其中,（4.6.12）,24/66,可见,改变直流电压大小能够改变普通调幅信号调 幅度。为了增加调整范围,可将图4.6.8中,R,1,、,R,2,阻值由10k改为750。但,U,值不能小于,U,m,不然将会产生过调幅现象。,25/66,图4.6.8 MC1496型模拟乘法器调幅电路,26/66,假如调整,RP,使1、4之间直流电位相等,即1端子上只有调制信号,u,(,t,),就实现了,u,(,t,)与,u,c,(,t,)直接相乘,可得,可见,图4.6.8电路也可取得抑制载频双边带调幅,信号输出。,27/66,4.6,.2.3 模拟乘法器检波电路,1.包络检波,包络检波是指检波器输出电压与输入调幅波包络成正比检波方法。,图4.6.9包络检波原理图,(a)包络检波原理图；(b)频谱图,28/66,收音机中检波电路和电视接收机中高频检波电路均采取包络检波。其原理可由图4.6.9（a）来表示,图4.6.9(b)为检波输入、输出频谱图。,图4.6.9(a)中非线性器件能够是二极管,也能够是三极管或场效应管。电路种类也较多,下边以二极管峰值包络检波器为例进行讨论,电路如图4.6.10(a)所表示。,在图中,u,i,为输入普通调幅信号,V,为检波二极管,R,、,C,组成低通滤波器,要求,C,对高频短路,而对低频阻抗趋于无穷大。而,C,L,为检波器输出端耦合电容,其值较大。对于低频信号而言,电容,C,L,相当于短路。,R,L,为下级电路输入电阻。,29/66,由图4.6.10(a)可见,加在二极管正向电压为,u,V,=,u,i,u,o,二极管导通是否,不但与输入电压,u,i,相关,还取决于输出电压,u,o,。二极管导通时,电容充电,充电时间常数为,r,V,C,;二极管截止时,电容放电,放电时间常数为,RC,。因为二极管导通电阻很小,因而普通有,r,V,C,u,o,时,二极管导通,电容器充电,u,o,上升,如图（b）中,AB,、,CD,、,EF,等上升段。,当,u,i,u,o,时,二极管截止,电容经过电阻,R,放电,u,o,下降,如图（b）中,BC,、,DE,等下降段。,30/66,由分析可知,二极管两端电压,u,V,在大部分时间里为负值,只在输入电压每个高频周期峰值附近才导通,所以其输出电压波形与输入信号包络相同。此时,平均电压,u,O,包含直流及低频分量,如图4.6.10(c)所表示,经,C,L,隔直后,将,u,耦合至,R,L,上。如图46.10(d)所表示。,31/66,32/66,图4.6.10 包络检波原理及波形,33/66,2.同时检波,因为DSB和SSB信号包络与调制信号不一样,它们包络并不真实地反应调制信号改变规律,因而不能用简单包络检波,而必须采取同时检波,电路原理框图如图4.6.11(a)所表示。,图4.6.11(a)是为利用模拟乘法器组成同时检波电路原理框图。它有两个输入电压,一个是调幅信号（能够是AM、DSB和SSB信号）电压,u,i,;另一个是当地载波电压,u,r,（或称恢复载波电压）。为了能不失真地恢复原调制信号,当地载波和原调制端载波必须保持同频同相,所以,34/66,称为同时检波。设输入信号为抑制载频双边带调幅信号,即,同时信号,u,r,=,U,rm,cos,r,t,要求,r,=,c,。所以可得乘法器,输出电压,u,o,为,（4.6.13）,35/66,图4.6.11同时检波原理图,(a)原理图；(b)频谱图,36/66,式中,项是解调所需要原调制信号,而cos2,c,t,项是高频分量,用低通滤波器将其滤除掉，就可得到,（4.6.14）,一样,若输入信号为单边带调幅信号,信号,即,u,i,=,U,im,cos(,c,+,),t,则乘法器输出电压,u,o,为,（4.6.15）,37/66,经低通滤波器滤除高频分量,即可取得低频信号输出。图4.6.11(b)为频谱图。,由集成模拟乘法器组成实际同时检波电路如图4.6.12所表示,图中,模拟乘法器型号为MC1596,普通调幅信号或双边带调幅信号经耦合电容后从y通道1、4脚输入,同时信号,u,r,从,x,通道8、10脚输入,12脚单端输出后经RC型低通滤波器取出调制信号,u,。,38/66,图4.6.12 模拟乘法器MC1596组成同时检波电路,39/66,4.6.3 调频、调相与鉴频,4.6.3.1 概述,用调制信号去控制载波相位,使载波信号相位随调制信号大小改变,则称为相位调制,简称为调相（PhaseModulation,简写为PM）。,4.6.3.2调频与调相原理,1调频信号,调频信号是高频信号振幅不变,而高频信号瞬,时频率随调制信号而改变,且瞬时频率变化大小与调制信号强度成线性关系已调信号。,40/66,设低频调制信号,u,=,U,m,cos,t,高频载波信号,u,c,(,t,)=,U,cm,cos,c,t,则已调波角频率为,(4.6.17),k,f,为由调制电路决定百分比常数;,c,为未调制时载波,中心频率；,m,为调频波最大角频偏。,瞬时相位:,(4.6.18),41/66,调频波波形如图4.6.13所表示,图（a）为高频载波信号波形,图（b）为低频调制信号,u,波形,图（c）为调频波波形,图（d）为调频波角频率波形。,波形,图（c）为调频波波形,图（d）为调频波角频率波形。,当,u,为波峰时,调频波瞬时角频率为最大,等于（,c,+,m,）,调频波波形最密;当,u,为波谷时,调频波瞬时角频率为最小,等于（,c,-,m,）,调频波波形最疏。调频波瞬时角频率按,调频信号:,(4.6.19),42/66,低频信号改变规律而改变,由图（d）可见,它是在载频基础上叠加了受低频调制信号控制改变部分。,2调相信号,调相信号是高频信号振幅不变,而高频信号瞬时相位随调制信号,u,（t）而改变已调信号。,设高频载波为,u,c,(,t,)=,U,cm,cos,c,t,调制信号为,u,(,t,)=,U,m,cos,t,则调相信号瞬时相位为,（4.6.20）,其中,k,p,为由调制电路决定百分比常数。,43/66,瞬时角频率为,PM信号最大角频偏为,则调相信号表示式为,其中,m,p,=,k,p,u,m,。,44/66,调相信号波形如图4.6.13(e)、(f)所表示,其中,图(e)为调相波波形、图(f)为调相波角频率波形。,由上述分析可知:调频与调相信号都是等幅信号,二者频率和相位都随调制信号而改变,但二者频率和相位随调制信号而改变规律不一样,因为频率与相位是微积分关系,因而二者是有亲密联络。,45/66,4.6.3.3调频方法,能够实现调频方法很多,归纳起来有两种:直接调频和间接调频。直接调频是用调制信号直接控制载波瞬时频率,以产生调频信号。间接调频是先将调制信号进行积分,然后对载波进行调相,结果也可产生调频信号。,在调频电路中,经常利用变容二极管与电感线圈组成,LC,谐振回路进行调频。伴随集成电路发展,涌现出了各种由集成电路组成调频电路,比如:利用压控振荡器能够使输出信号频率伴随输入电压改变而改变,到达调频目标。利用555电路(一个集成电路)也可实现调频。,46/66,4.6.3.4鉴相与鉴频,1鉴相,调相信号解调叫做相位检波,简称鉴相。鉴相是将两个信号相位差变换成电压过程。图4.6.14(a)是实现乘积型相位检波方框图,图中,相位不一样两个高频信号电压,u,x,和,u,y,分别加到乘法器两个输入端,低通滤波器用来取出反应两输入信号改变低频电压。,47/66,图4.6.14 模拟乘法器鉴相功效,a)鉴相原理框图；(b)正弦鉴相特征；(c)大信号工作状态鉴相特征,48/66,为了能够正确地判别两输入信号相位超前和滞后关系,两个输入信号必须有/2固定相差,即输入信号为,(4.6.24),49/66,由式（4.6.24）能够看出,鉴相器输出电压与两个高频信号电压相位差正弦成百分比,即鉴相特征为正弦特征曲线,如图4.6.14(b)所表示。其线性鉴相范围为/6,即当|,|/6时,sin,，鉴相特征靠近于直线。鉴相电路线性鉴相范围越宽越好。,经低通滤波器后,可滤除高频分量,则可得,(4.6.25),50/66,假如乘法器输入信号,u,x,、,u,y,均为大信号,经分析可得鉴相特征呈三角形特征,如图4.6.14(c)所表示。,2鉴频,鉴频是调频信号解调过程,也就是将输入信号频率改变转换为电压改变过程。,从式(4.6.16)、(4.6.18)、(4.6.19)调频信号表示式来看,因为随调制信号,u,(,t,)成线性改变瞬时角频率与相位是微分关系,而相位与电压又是三角函数关系,因而要从调频信号中提取与,u,(,t,)成正比电压信号很困难。通常采取间接方法来实现,惯用方法是相位鉴频,它是,51/66,经过线性移相网络把调频信号瞬时频率改变转化为瞬时相位改变,然后进行鉴相过程。在一定条件下,只要移相网络含有线性相频特征,鉴相器输出电压就能正确反应调频信号瞬时频率改变。其原理框图如图4.6.15所表示。,图中频率相位变换网络,往往是由LC并联谐振回路组成,它将调频信号瞬时频率改变转换成瞬时相位改变,所以调频信号经过频率相位变换网络以后,就成为每一个频率成份都附加一个相移信号。这么鉴相器两输入信号成为含有同一调频规律而在不一样频率,52/66,上含有不一样相位差信号。经由模拟乘法器与低通滤波器所组成鉴相器后,其输出电压就成为原低频调制信号。,图4.6.15 用模拟乘法器实现鉴频功效框图,53/66,4.6,.4 混频、倍频与锁相环路,4.6.4.1 混频,用非线性器件和模拟乘法器均能实现混频。分立元件超外差式收音机中混频电路就是由晶体三极管及LC谐振回路组成。在这里,仅介绍由模拟乘法器实现混频原理,其原理框图如图4.6.16所表示。,设输入到混频器已调波为,当地振荡为,54/66,图4.6.16 由模拟乘法器实现混频原理框图,55/66,乘法器输出电压为,可利用带通滤波器取出所需边带,即可得到中频信,号电压为,其中,（4.6.26）,56/66,从（4.6.26）式可看出,混频后得到中频信号,u,o,(,t,)与输入信号,u,i,相同,中频信号所包含信息没变,只是载频由原来,c,变为,o,。,4.6.4.2倍频,倍频电路输出信号频率是输入信号频率整数倍,即倍频电路能够成倍数地把信号频谱搬移到更高频段。能够实现倍频电路很多,而由模拟乘法器实现倍频原理如图4.6.17所表示。57/66,图4.6.17 用模拟乘法器实现二倍频原理图,（4.6.28）,58/66,经高通滤波器选出二倍频,可得,(4.6.29),倍频在电子系统及通信系统中都有广泛应用，如利用倍频器能够实现频率合成;对振荡器输出进行倍频,能够得到更高所需振荡频率,等等。,4.6.4.3锁相环路,锁相环路(PLL)是一个自动相位控制系统,它能使受控振荡器频率和相位均与输入信号保持确定关系,即保持相位同时,所以称为锁相。,59/66,1电路组成与工作原理,锁相环路基本组成如图4.6.18所表示,它由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）组成闭合环路。,图4.6.18 锁相环路基本组成框图60/66,鉴相器可由模拟乘法器实现,可判别出两信号相位之差。环路滤波器含有低通特征,用来滤除误差电压,u,PD,(,t,)中高频分量和噪声。另外,因为环路滤波器传递函数对环路有相当大影响,因而能够经过调整环路滤波器参数来取得环路所需要性能。常见环路滤波器为,RC,低通滤波器、,RC,百分比积分滤波器和,RC,有源百分比积分滤波器等。,压控振荡器是指振荡角频率受控制电压,u,c,(,t,)控制振荡器。任何一个振荡器,如,LC,振荡器、,RC,振荡器、多谐振荡器等均可组成压控振荡器。在锁相环中,压控,61/66,振荡器受环路滤波器输出控制电压,u,c,(,t,)控制,其振荡角频率,o,(,t,)随之而发生改变,实际上起电压与频率变换作用。,若锁相环路中,压控振荡器输出信号角频率,o,或输入信号角频率,i,发生改变,则输入到鉴相器电压,u,i,(,t,)和,u,o,(,t,)必定会产生对应相位改变,经鉴相器以后输出一个与相位误差成百分比误差电压,u,PD,(,t,),经过环路滤波器取出其中迟缓改变直流电压,u,c,(,t,),控制压控振荡器输出信号频率和相位,使得,u,o,(,t,)和,u,i,(,t,)之间频率和相位差减小,直到两信号之间相位差等于常数,压控振荡器输出信号,62/66,频率和输入信号频率相等为止,此时称锁相环路处于锁定状态。假如环路输出信号和输入信号频率不等,则称锁相环路处于失锁状态,环路由失锁进入锁定过程称为环路捕捉过程。,可见,锁相环路含有自动把压控振荡频率牵引到输入信号频率能力。当然,捕捉及锁定是有条件,即输入信号频率必须与压控振荡器固有频率相近,不然是不能锁定。,63/66,2锁相环路应用,在基本锁相环路反馈通道中插入分频器,就组成了锁相倍频器,如图4.6.19所表示。,图4.6.19 锁相倍频电路组成,64/66,当环路锁定时,鉴相器输入信号角频率与反馈信号角频率相等,即,i,=,o,而,o,是VCO输出信号经,n,次分频后角频率,所以VCO输出角频率,o,是输入信号角频率,n,倍,即,o,=,n,i,。若输入信号由高稳定度晶振产生,分频器分频比是可变,则能够得到一系列稳定间隔为,i,频率信号输出。,假如将图4.6.19中分频器改为倍频器,则能够组成锁相分频电路,即,o,=,i,/,n,。,在基本锁相环路反馈通道中插入混频器和中频放大器,还能够组成锁相混频电路。,65/66,利用锁相环路能够实现调频与调相,鉴频与鉴相,锁相同时检波,还能够制成锁相接收机,用于空间通信、测量仪表、水文测量和地质探矿等设备中。,66/66,