基于開關鑒相的同步檢波電路的設計與仿真分析

王佳蓓，周 浩，譚思煒

(海軍工程大學， 武漢 430033)

目標信號特征的識別能力在通信等領域尤為重要，主要包括目標信號的幅度、頻率以及相位等信息[1]。在實際應用中，當目標信號為受鐘形包絡調制的載波信號時，可以利用同步檢波解調載波信號，提取目標信號的包絡，從而得到目標信號幅值、相位等相關信息。同步檢波具有很高的精度要求，即要求本地載波信號與發射端的載波同頻同相[2]，否則會使調制信號出現偏差，影響解調質量，例如，如果出現頻差，則會產生拍頻分量，使解調信號嚴重失真。

根據目前的研究現狀，馬興平等[3]對二極管峰值包絡檢波電路進行了仿真分析研究，觀察到檢波電容的大小會影響檢波效果，但這種方法容易出現惰性失真和負峰切割失真；程秀英等[4]通過對高頻電子線路的仿真分析，利用雙蹤示波器觀察到由RC組成的低通濾波器將模擬乘法器輸出的雙邊帶信號中的高頻成分濾除，再經過大電容得到低頻基帶信號，從而實現同步檢波；羅海軍等[5]提出了一種基于同步檢波的單通道磁感應測量系統，引入模擬相移電路，使參考信號與檢測信號相位正交，提高了相位測量靈敏度；陳光等[6]研究了一種基于Hilbert變換的包絡檢波法，這種方法雖然克服了傳統峰值包絡檢波和同步檢波的不足，但卻受到目標信噪比的限制；任志良等[7]對同步檢波和平衡疊加型檢波進行了分析與推導，通過仿真分析得到了鑒相精度小于0.1°和鑒頻精度約2 Hz的效果。

本文建立了一種開關鑒相型同步檢波電路，首先利用乘法器獲取調制信號，將其與本地參考信號輸入鑒相電路部分，最后經過包絡檢波電路獲得解調信號。利用仿真軟件Multisim對該電路的包絡提取、鑒頻、鑒相功能進行了仿真研究，取得了較好的效果。

1 同步檢波電路工作原理分析

同步檢波電路信號源選用雙邊帶調幅信號(DSB-AM)。在DSB-AM調制電路中，已調信號的幅度受被傳輸消息信號控制，并正比于該消息信號。DSB-AM信號可通過消息信號與載波信號相乘得到。

設載波信號為u1=U1cosωct，目標信號為單頻余弦信號uc=UccosΩt，則經過乘法器輸出的DSB-AM信號為

u2=kU1UccosΩtcosωct=U2cosΩtcosωct

(1)

其中，ωc>>Ω，k為乘法器的增益。

同步檢波電路的原理[1]框圖如圖1，設接收信號為

u2=U2cosΩtcos(ωct+φ1)

(2)

本地參考信號形式為

ur=Urcos(ωct+φ2)

(3)

φ1和φ2分別為載波信號和本地參考信號的初始相位，那么解調信號：

u3=KDU2cosΩtcosΔφ

(4)

其中，Δφ=φ1-φ2，由式(4)可知，檢波電路的輸出結果與載波信號和本地參考信號的相位差有關，若Δφ=0，即參考信號和載波信號初相位相同，此時輸出信號最大；隨著Δφ的增大，輸出信號幅值逐漸衰減，當Δφ=90°，輸出信號為0；當Δφ=180°，輸出信號反向最大。由此可以說明電路具有相位識別的功能。

圖1 同步檢波電路原理框圖

2 開關鑒相檢波電路工作原理分析

2.1 開關鑒相電路原理分析

開關鑒相電路采用4只NPN三極管組成開關鑒相陣列，其電路原理圖如圖2所示。

圖2 開關鑒相電路原理圖

NPN三極管T1、T2、T3、T4組成開關陣列，且每只三極管的射極和基極均相連，與集電極一起分別作為每只三極管的兩個端點接入電路。與基準相位相差180°的參考信號U180°經電阻R1后與三極管T1和T2的集電極相連，參考信號U0°經電阻R2后與三極管T3和T4的射極相連。三極管T1的射極與T3的集電極相連，且為開關鑒相電路的信號輸入端，即接收模擬調制信號。三極管T2的射極與T4的集電極相連，形成開關鑒相電路的輸出端，后接電阻R3，電阻R3接地后為開關鑒相電路的輸出端，即三極管T2的射極和T4的集電極提供了參考電位0電位。

由于NPN三極管的射極和基極相連，因而這4只三級管在電路中的作用可等效成二極管，因此，開關鑒相電路的等效電路如圖3所示。

圖3 開關鑒相等效電路圖

為方便分析，可假設開關鑒相電路的輸入信號為與電路工作頻率相同的峰值為±10 V的雙極性方波信號。為保證輸入信號的信息能夠不缺失的輸出，因此作為參考信號輸入的U180°和U0°的正負峰值均小于方波信號的正負峰值。令方波的正負峰值分別為VH1、VL1，參考信號的正、負峰值分別為VH2、VL2，則必有如下關系：VH1>VH2，VL1

下面分別分析當輸入信號與基準信號U0°同相時，相位差為0°反相時相位差為180°，就這兩種情況分析開關鑒相電路的工作原理。

1) 相位差為0°。當輸入的方波信號與基準信號相位差為0°時，開關鑒相電路的工作原理如圖4所示。由輸入信號Ui和參考信號U180°、U0°的相位和幅值關系不難看出，開關鑒相電路的工作狀態可按照工作信號周期，劃分為前半周期和后半周期兩種情況分別討論。

圖4 相位差為0°時開關鑒相電路的工作原理

當輸入信號處于前半周期時，Ui處電平為VH1，此時，參考信號U180°處于負半周期，U0°處于正半周期，根據二極管的工作原理，T1處于導通狀態，T3處于截止狀態。T1的導通將影響T2的負極，使該點的電壓被輸入信號Ui拉到高位。由于開關鑒相電路輸出端的下拉電阻將T2的正極和T4的負極電位鉗制在參考0位，因而此時T2截止。T3的截止使得T4的正極端不受輸入信號Ui的電壓影響，所以該點電壓處于VH2階段，導致T4導通。由于T4的導通，使得電路輸出端將輸出參考信號的U0°正半周期。

當輸入信號處于后半周期時，Ui處電平為VL1，此時，參考信號U180°處于正半周期，U0°處于負半周期，此時T1截止，T3導通。T3的導通將影響T4的正極，使該點的電壓被輸入信號Ui拉到低位，并低于0電位，因此T4截止。T1的截止使得T2的負極不受輸入信號Ui的電壓影響，所以該點電壓處于VH2階段，導致T2也截止。T4、T2均截止，所以電路輸出端將輸出0電位電壓。

2) 相位差為180°。當輸入的方波信號與基準信號相位差為180°時，開關鑒相電路的工作原理如圖5所示。同樣，按照輸入信號Ui的相位特征，可將開關鑒相電路的工作過程分為前半周期和后半周期分別討論。當輸入信號處于前半周期時，此時三極管工作狀態與相位差為 0°時后半周期類似；當輸入信號處于后半周期時，與相位差為0°時的前半周期類似，此處不再贅述。

圖5 相位差為180°時開關鑒相電路的工作原理

2.2 包絡檢波電路

圖6 二階SALLEN-KEY低通濾波電路圖

3 仿真分析

3.1 功能分析

Multisim是美國國家儀器有限公司研發的高版本電路模擬仿真軟件，它為電子電路仿真提供了數量豐富的元件數據庫，同時提供了種類多樣且標準化的仿真儀器，大大方便了在虛擬環境中的仿真與分析[8-9]。

仿真電路及參數如圖7所示，其中目標信號頻率為 1 Hz，包絡檢波電路截止頻率約為1.7 Hz。圖中V(4)、V(6)、V(11)、V(12)等編號可以從選項-電路圖屬性-網絡名稱-全部顯示調試出來，以便仿真時選擇輸出端點。執行菜單命令仿真-分析-瞬態分析，設置仿真時長為2s，選擇輸出變量為目標信號V(4)、模擬調制信號V(12)、包絡信號V(6)、解調信號V(11)，得到仿真結果如圖8所示，由上往下分別為V(11)、V(4)、V(12)、V(6)。圖9為V(6)信號正半周、負半周信號的放大波形，其中正半周對應原理分析中相位差為0°的情況，負半周對應相位差為180°的情況，其中后半周期信號受輸入為高頻振蕩信號的影響在0附近有略微波動，幅值較小，可以忽略，因此由波形可以驗證原理分析的正確性。

圖7 仿真電路圖

圖8 各關鍵信號仿真輸出波形

圖9 V(6)信號放大波形

設置本地參考信號和發射端載波信號同頻，相位差為0°，執行菜單命令仿真-分析-傅里葉分析，選擇輸出變量為V(11)，即同步檢波輸出信號，仿真結果如圖10所示，前半周期對應相位差為180°的情況，輸出信號為參考信號的負半周期；后半周期對應相位差為180°的情況，輸出信號為參考信號的正半周期。由于輸入信號為高頻包絡信號，高低電位快速交替，從而使得輸出為高頻包絡信號。對比圖8原目標正弦信號和檢波所得解調信號可得，同步檢波器可以將調制信號中的目標信號精確解調，提取出來的低頻包絡與原始目標信號相比較，在波形上幾乎無失真，且圖10顯示傅里葉分析檢波效果較好，幾乎無諧波分量，因此得出此同步檢波電路具有可行性。

圖10 同步檢波輸出信號頻域仿真結果

3.2 性能分析

1) 鑒相性能。為了檢測電路的鑒相功能及精度，分別取相位差0°、30°、90°、180°，執行菜單命令仿真-分析-傅里葉分析，測得各項數據如表1所示。對比表1中4組數據，只有當同步檢波輸入的兩個信號同頻同相時，輸出信號幅值最大，隨著相位差的增大，幅值不斷減小；當相位差為90°時，輸出幅值近似為0；當相位差為180°時，輸出信號反向最大，這驗證了該電路的鑒相功能。由于同檢波要求參考信號與輸入信號嚴格同相，所以鑒相精度小于0.1°[7]。

表1 不同相位差測得的一組仿真數據

2) 鑒頻性能。若本地參考信號與載波信號頻率不同，設置頻差分別為1.5 Hz、2 Hz、5 Hz、10 Hz，運行仿真模型，其瞬態分析波形如圖11(a)～圖11(d)所示，從波形上看，輸出信號與目標信號差別很大，從幅值上看，當頻差越大時，幅值也在減小，這說明同步檢波電路的本地參考信號與載波信號不同頻時，輸出信號將產生嚴重的失真，同時也驗證了檢波電路具有良好的鑒頻功能。

圖11 不同頻差的檢波輸出波形

將低通濾波電路的輸入和輸出信號接入波特測試儀，其幅值特性如圖12所示。由通頻帶定義，系統輸出信號從最大值衰減3 dB的信號頻率為截止頻率，上下頻率之間的頻帶為通頻帶。仿真中得輸出最大信號為A點(1.029 Hz，0.511 dB)；根據-3 dB原則，衰減3 dB后輸出為B點(2.044 Hz，-2.552 dB)，所以通頻帶為1.015 Hz，因此電路選頻特性約為1 Hz。

圖12 輸出信號幅值特性界面

4 結論

本文對建立的開關鑒相型同步檢波電路進行了詳細的闡述和推導，將設計的電路圖在Multisim仿真環境中對電路的同步檢波性能進行了全面、深入的仿真研究。仿真結果表明當本地參考信號與載波信號同頻同相時，該電路通過控制開關鑒相電路中三極管的通斷，利用低通濾波電路的濾波性能，實現對調制信號的解調，輸出解調信號與原目標信號相比，波形幾乎無失真，此外，還具有良好的鑒頻、鑒相功能，其中鑒頻精度約為1 Hz，鑒相精度小于0.1°。本文的仿真結果準確、可靠，且不失一般性，改善了原有研究方法中存在的解調信號容易失真、鑒頻精度不高的缺陷和不足，具有積極的指導意義。