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FM-SCA射频接收系统二本振电路的设计与分析
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。
關鍵詞: FM-SCA 射频 二本振
Abstract:
Key words :

  近年來國際上出現了利用調頻(FM)廣播副載波進行高速數據傳輸的技術。由于這種技術具有數據傳輸速率高、不額外占用頻率資源、抗干擾能力強等優點,因此,通過調頻廣播輔助信道開展通信業務-SCA(Subsidiary Communication Authorization)得到了很大發展。

  高頻振蕩電路廣泛地應用在電子系統及設備中。當今隨著通信的飛速發展,對本振性能的要求也越來越高。有關振蕩器的理論、設計和技術在近年來也得到了不斷的發展。在射頻接收電路中,本地振蕩信號源(高頻振蕩器)一般采用正弦波振蕩器,對振蕩器提出的主要指標為振蕩頻率和振蕩幅度的精確性與穩定性。正弦波振蕩電路主要包括LC振蕩電路和RC振蕩電路。在要求本地振蕩信號頻率精度較高的應用中,晶體振蕩器頻率穩定度比陶瓷振蕩電路要高,可以超過10 -5數量級。但由于受晶體晶片本身的局限,在幾百kHz頻段時的昌振體積就很大,不適用于小型化的無線尋呼接收機。由于SCA無線數據傳輸信息是經過兩次不同的調制(FSK調制和FM調制)后,與調頻廣播臺其它信息一起,由調頻電臺發射天線發射到空間的[1],所以FM-SCA無線數據傳輸接收終端在接收到主載波的復合信號后,需經過兩次解調才能還原出原來的數據信息,即:首先,通過天線接收且高頻放大后,經第一次混頻、第一中頻濾波、第一次解調輸出 SCA信號,此信號是FSK信號。然后,必須再進行一次解調才能還原出FM-SCA信息,即經第二次混頻、第二中頻濾波、第二次解調、低通濾波,最后得到數字信號。所以二本振電路在FM-SCA射頻接收電路中占有很重要的地位。然而,在SCA射頻接收電路中[2],根據超外差接收原理,其二本振聽頻率為 522kHz(67kHz+455kHz)。由于該頻段內石英晶體的體積很大,不利于實現SCA射頻接收的小型化,因此,二本振電路采用了陶瓷振子振蕩電路。

  一、陶瓷振子的特性

  陶瓷振子的頻率覆蓋范圍從千赫范圍茲到兆赫茲之間,其頻率穩定性介于LC/RC和石英晶體振蕩器之間。它具有尺寸小、起振性能好、無需調整等優點。

  陶瓷振子的等效電路如圖1所示,與石英晶體的等效電路一致,但其Q值比石英晶體差。測試522kHz 陶瓷振子的特性,可知該陶瓷振子在498~531kHz 范圍內,振子呈感性,且動態電感極大,Q值很高,是振子在振蕩器中的應用范圍。超過此范圍振子呈容性,不滿足相位條件,將不產生振蕩。

陶瓷振子的等效電路

  二、二本振電路的設計

  由于現在幾乎所有的FSK解調芯片都把振蕩器集成其中。MC3374也同樣如此,所以二本振電路的結構比較簡單,只需在片外接晶振與振蕩回路所需的電路即可。只要電容值適錄,就可以實現二本振的穩定振蕩。

  1.理論分析

  參閱MC3374資料,在SCA射頻接收中,二本振的振蕩電路如圖2(a)所示[2]。圖2(b)為該振蕩電路的計算分析等效電路,即把二本振電路分為諧振器和有源網絡兩部分[3]:諧振器部分的阻抗是頻率的函數,尤其在諧振點附近隨著頻率變化而發生較大變化;有源網絡部分的阻抗隨頻率變化的幅度不大,而且與電路的電源電壓及直流偏置參數還一定關系。

二本振的振蕩電路

交流等效電路

  利用線性負阻分析方法可得振蕩電路圖2(b)的交流等效電路,如圖3所示。通過推導,可得出該電路的阻抗為

公式

  雖然利用上式求解振蕩頻率,不僅計算麻煩,而且結果也不精確,但是從該式可以看出振蕩頻率與C1、 C2的關系。Zact=Ract+jXact,當C1減小時,Ract的絕對值變大,Xact的絕對值也變大;或當C2減小時,Ract的絕對值也變大, Xact的絕對值也變大,都會引起振蕩電路的頻率變高。

  2.SPICE模擬

  在工程估算的基礎上,采用SPICE模擬,進一步較為精確地確定振蕩元器件參數,以備實際設計的使用。

  通過對圖2(b)所示拆分的振蕩電路分別進行AC分析,再稍作處理,可以得到較為精確的諧振頻率,而且分析速度快。在進行SPICE模擬時,將電路分為諧振器和有源網絡兩部分,分別加以1A的交流激勵電流,然后對其進行AC分析,可得到不同頻率點的Vact和Vpas(即Zact和Zpas)。設 Vtotal="Vact"+Vpas,在Vtotal的虛部為零、實部為負的頻率點即為電路的諧振點。圖4即為交流分析結果。

交流分析結果

  圖4中:A、D曲線對應的是C1=C2=330pF;B、E曲線對應的是C1=C2=230pF; C、F曲線對應的是C1=C2=130pF。它們均能滿足起振條件,并可以得到相應的振蕩頻率分別為: 522.468kHz、524.955kHz、528.570kHz。由此可見,C1、C2改變時,振蕩頻率分跟著發生少量變化,變化趨勢如圖5所示。

變化趨勢

      由以上分析可知 :為使二本振諧振在522kHz左右,C1與C2都選為330pF,否則,振蕩頻率會發生偏移,影響SCA的射頻接收效果。

  該陶瓷振蕩器的瞬態分析輸出結果如圖6(a)、6(b)所示。由此可見,瞬態分析結果與AC分析得出的諧振頻率吻合得很好。

瞬態分析輸出結果

  3.振蕩器輸出幅度

  在理論上估計該振蕩器的輸出幅度時,由于輸出負載與振蕩器之間屬弱耦合,C1<

  查表可知:V=40,因此,實際的基極電壓為40×26mV=1040mV。事實上,振蕩時發射極工作點發生偏移,使集電極一發射術電壓達到飽和,如圖7所示。

電壓達到飽和

      由圖7可知:若集電極出現飽和,則輸出幅值正比于電源電壓,同時電路的有載Q值與電源電壓、發射極靜態工作電流及反饋系數有關。

      在SCA射頻接收中,二本振電路采用了MC3374內部振蕩電路,設計的振蕩電路振頻頻率為522kHz。二本振電路中外接元件C1與C2的值取為330pF,其電路易起振、振蕩頻率穩定、振蕩幅度高,振蕩特性較好,符合設計要求。

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