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FM-SCA射频接收系统二本振电路的设计与分析

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发表于 2019-7-18 11:11 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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FM-SCA射频接收系统二本振电路的设计与分析

; m: p/ d8 R/ }6 v4 l3 @     摘要:综合分析FM-SCA射频接收中二本振电路。该二本振电路采用了MC3374内部振荡电路。文中采用理论分析、SPICE模拟及实际调试相结合的方法,确定振荡电路的结构及其振荡电路的元器件参数。经生产实践证明,该电路满足易起振、振荡频率稳定、振荡幅度高等条件。
6 q5 i. F) T5 M3 ?  s7 y    关键词:FM-SCA射频接收 振荡电路 SPICE模拟# L0 u. x" ?9 o9 f* x7 [6 H2 c: ]/ Q
近年来国际上出现了利用调频(FM)广播副载波进行高速数据传输的技术。8 b0 z, J( ]1 u' [
5 `; n# ^+ E, ?6 }$ ]+ J9 `
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8 o3 P4 g! ^* V$ d
由于这种技术具有数据传输速率高、不额外占用频率资源、抗干扰能力强等优点,因此,通过调频广播辅助信道开展通信业务-SCA(Subsidiary Communication Authorization)得到了很大发展。! t7 w, w; J" Z6 Z# n! E; v
高频振荡电路广泛地应用在电子系统及设备中。当今随着通信的飞速发展,对本振性能的要求也越来越高。有关振荡器的理论、设计和技术在近年来也得到了不断的发展。在射频接收电路中,本地振荡信号源(高频振荡器)一般采用正弦波振荡器,对振荡器提出的主要指标为振荡频率和振荡幅度的正确性与稳定性。正弦波振荡电路主要包括LC振荡电路和RC振荡电路。在要求本地振荡信号频率精度较高的应用中,晶体振荡器频率稳定度比陶瓷振荡电路要高,可以超过10 -5数量级。但由于受晶体晶片本身的局限,在几百kHz频段时的昌振体积就很大,不适用于小型化的无线寻呼接收机。由于SCA无线数据传输信息是经过两次不同的调制(FSK调制和FM调制)后,与调频广播台其它信息一起,由调频电台发射天线发射到空间的[1],所以FM-SCA无线数据传输接收终端在接收到主载波的复合信号后,需经过两次解调才能还原出原来的数据信息,即:首先,通过天线接收且高频放大后,经一次混频、一中频滤波、一次解调输出SCA信号,此信号是FSK信号。然后,必须再进行一次解调才能还原出FM-SCA信息,即经第二次混频、第二中频滤波、第二次解调、低通滤波,较后得到数字信号。所以二本振电路在FM-SCA射频接收电路中占有很重要的地位。然而,在SCA射频接收电路中[2],根据超外差接收原理,其二本振听频率为522kHz(67kHz+455kHz)。由于该频段内石英晶体的体积很大,不利于实现SCA射频接收的小型化,因此,二本振电路采用了陶瓷振子振荡电路。7 e1 O: e% i6 C  l- h' \7 a0 I0 U
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+ b+ M  q; q3 H: h, g5 B' L+ @" P/ U
一、陶瓷振子的特性
% G2 [' p+ ?- |陶瓷振子的频率覆盖范围从千赫范围兹到兆赫兹之间,其频率稳定性介于LC/RC和石英晶体振荡器之间。它具有尺寸小、起振性能好、无需调整等优点。
9 n/ X8 h. }# a; H, X6 J1 ^陶瓷振子的等效电路如图1所示,与石英晶体的等效电路一致,但其Q值比石英晶体差。测试522kHz陶瓷振子的特性,可知该陶瓷振子在498~531kHz范围内,振子呈感性,且动态电感极大,Q值很高,是振子在振荡器中的应用范围。超过此范围振子呈容性,不满足相位条件,将不产生振荡。. C1 n; P* I3 u6 t9 H. q$ U9 L- c

  y  Y; a* d1 D3 @. j7 H
$ a, z$ S+ }  H: a# p6 b9 S5 O) z3 t1 H
二、二本振电路的设计5 D6 n7 |  g$ i
由于现在几乎所有的FSK解调芯片都把振荡器集成其中。MC3374也同样如此,所以二本振电路的结构比较简单,只需在片外接晶振与振荡回路所需的电路即可。只要电容值适录,就可以实现二本振的稳定振荡。
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4 ]7 @6 z( |. t0 H' S: ^4 x" Y) b. u' u" e; E0 I* g- |" ]
    1.理论分析
" D8 C4 V$ n- J. ]0 b1 N参阅MC3374资料,在SCA射频接收中,二本振的振荡电路如图2(a)所示[2]。图2(b)为该振荡电路的计算分析等效电路,即把二本振电路分为谐振器和有源网络两部分[3]:谐振器部分的阻抗是频率的函数,尤其在谐振点附近随着频率变化而发生较大变化;有源网络部分的阻抗随频率变化的幅度不大,而且与电路的电源电压及直流偏置参数还一定关系。+ p7 h* g5 P3 m" j! c$ d* O6 @; R* ^
利用线性负阻分析方法可得振荡电路图2(b)的交流等效电路,如图3所示。通过推导,可得出该电路的阻抗为# a0 D/ g$ _7 o
! O5 i9 Q# s$ V! X

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虽然利用上式求解振荡频率,不仅计算麻烦,而且结果也不正确,但是从该式可以看出振荡频率与C1、C2的关系。Zact=Ract+jXact,当C1减小时,Ract的有效值变大,Xact的有效值也变大;或当C2减小时,Ract的有效值也变大,Xact的有效值也变大,都会引起振荡电路的频率变高。! R& [! r2 b- Y
2.SPICE模拟
& o  j# d, f+ d1 G在工程估算的基础上,采用SPICE模拟,进一步较为正确地确定振荡元器件参数,以备实际设计的使用。5 g6 ^: @7 h! @6 W3 l2 e

: k) G# U* G* b4 N, e  V
) }$ g8 V5 E$ @, T8 I( q  w  W! F9 K! m0 I' ^
    通过对图2(b)所示拆分的振荡电路分别进行AC分析,再稍作处理,可以得到较为正确的谐振频率,而且分析速度快。在进行SPICE模拟时,将电路分为谐振器和有源网络两部分,分别加以1A的交流激励电流,然后对其进行AC分析,可得到不同频率点的Vact和Vpas(即Zact和Zpas)。设Vtotal=Vact+Vpas,在Vtotal的虚部为零、实部为负的频率点即为电路的谐振点。图4即为交流分析结果。
0 a; a' Z3 d1 |+ P: b/ s. l$ v+ L图4中:A、D曲线对应的是C1=C2=330pF;B、E曲线对应的是C1=C2=230pF;C、F曲线对应的是C1=C2=130pF。它们均能满足起振条件,并可以得到相应的振荡频率分别为:522.468kHz、524.955kHz、528.570kHz。由此可见,C1、C2改变时,振荡频率分跟着发生少量变化,变化趋势如图5所示。( O$ D5 Y6 L6 d' N

; H- P0 z, t$ D$ R/ @" F
1 Q( S2 d4 y8 f; C) \+ k- Y- p3 b2 C* q0 M$ ~
    由以上分析可知:为使二本振谐振在522kHz左右,C1与C2都选为330pF,否则,振荡频率会发生偏移,影响SCA的射频接收效果。
  K% ?5 n" g* R! y, N该陶瓷振荡器的瞬态分析输出结果如图6(a)、6(b)所示。由此可见,瞬态分析结果与AC分析得出的谐振频率吻合得很好。' ^: d6 U+ e' i; E& W, a
3.振荡器输出幅度& a8 `* B8 E8 K
在理论上估计该振荡器的输出幅度时,由于输出负载与振荡器之间属弱耦合,C1<<C2,故工程计算时可忽略负载的影响。首先计算得出:gmQ=3.79e-3,而gmin=ReXc1Xc2=130×3.14 2×522 2×10 6 ×330 2×10 -24=1.52e-4(在f=522kHz下),故:gmin/gmQ=0.04。
* I8 w1 p: I/ x' i. f# I1 Y4 s, i查表可知:V=40,因此,实际的基极电压为40×26mV=1040mV。事实上,振荡时发射极工作点发生偏移,使集电极一发射术电压达到饱和,如图7所示。
0 o5 Q* u7 W7 O& B2 t) }% r) r
1 b+ e# S+ q- V, N

" X$ V7 A6 f& {  `  N    由图7可知:若集电极出现饱和,则输出幅值正比于电源电压,同时电路的有载Q值与电源电压、发射极静态工作电流及反馈系数有关。
3 x$ H. W' N8 I+ s在SCA射频接收中,二本振电路采用了MC3374内部振荡电路,设计的振荡电路振频频率为522kHz。二本振电路中外接元件C1与C2的值取为330pF,其电路易起振、振荡频率稳定、振荡幅度高,振荡特性较好,符合设计要求。* p6 d8 B  Z2 N

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