一种新型的相敏解调器

摘要

一种新型的相敏解调器,由运算放大器和模拟开关组成。与用二极管(或三极管)和变压器构成的开关解调器或用模拟乘法器构成的乘积解调器相比,本发明所述的解调器具有性能优良,原理简单,成本低廉,体积小巧,制作容易等特点。

说明书

本发明涉及一种相敏解调器，用于自动控制领域中调相信号的相位和幅度解调，特别适用于随动系统中对位置误差信号的解调。

在自动控制领域随动系统的信号传递与放大电路中，经常需要把交流误差信号变换为直流信号。这种把交流误差信号变换为直流信号的变换器称为相敏解调器。它的基本框图如附图1所示：Usr是通过位置误差测量而得到的交流误差信号，其相位代表着控制对象偏离给定值的方向，幅值代表着控制对象偏离给定值的距离；Ujz是供比较用的交流基准电压信号：相敏解调器以Ujz的相位为基准，解调得到含有直流分量的误差信号Usc，经低通滤波后得到直流误差信号，其极性代表控制对象偏离给定值的方向，大小代表控制对象偏离给定值的距离。

常用的相敏解调器有两类，一类是开关解调器，另一类是乘积解调器。前者最常用的是二极管环行解调器和三极管解调器，它们都需要带有中心抽头的输入变压器和参考变压器。变压器绕制困难，体积庞大笨重；二，三极管的参数需要严格挑选，有的电路需要串入电位器进行调节，还存在着较大的噪声电压。后者一般采用模拟乘法器，价格贵，电路也比较复杂。

本发明的目的是设计一种新型的相敏解调器，既能舍弃开关解调器所用的4个庞大笨重的变压器，也不用较贵的乘法器，仅采用普通运放和模拟开关各一片集成电路，即能达到同样目的，而性能有所提高，体积和重量成十上百倍的下降，制作也非常容易。

这种相敏解调器的结构框图如附图2所示：交流基准正弦波电压信号Ujz通过由运放构成的比较器变换为同相位的方波信号Urb，由它去控制二选一模拟开关MK的控制输入端；位置误差信号Usr是与Ujz频率相同而相位、幅值均不同的正弦波信号，它一路直接接到MK的一个输入端，另外一路经反相后接到MK的另一个输入端，解调输出信号Usc由MK的输出端接出。忽略模拟开关的导通电阻，把其看作一个理性开关时，可得到如下关系：当Ufb为正时，Usc=Usr；当Ufb为负时，Usc=-Usr。这种解调器可属于开关解调器，也可把Ufb的高、低电平看作+1、-1，这样，即有下列关系式：

               Usc=Usr*Ufb          (1)因此，又可将其看作乘积解调器。下面通过一个具体的实施例，说明其工作原理。

实施例的框图参见附图3，其中的模拟开关可选用3二选一模拟开关74HC4053，运放可选用4运放LF444或LM324。这是本发明用于某自动跟踪定位系统中，把通过圆锥扫描测量得到的目标在空中的交流位置误差信号，变换为直流误差信号，再经过校正，放大，去控制直流伺服电机，使天线向着消除误差的方向转动，从而达到自动跟踪目标并测量其位置的目的。圆锥扫描是指天线的波束围绕着天线的机械中心轴等速旋转，波束中心线的轨迹形成一个以天线中心为顶点，以天线的机械中心轴为轴，以波束中心线为母线的圆锥面。目标处于该圆锥面的不同位置时，接收机收到的信号幅度就会被圆锥扫描调制，其包络即会形成与扫描频率同频，相位和幅度与目标所在位置有关的正弦误差信号Usr。Ujz是与扫描电动机同步旋转的基准电压发电机发出的基准电压信号。附图4是天线波束作圆锥扫描时目标所在的横截面示意图。设天线波束顺时针等速旋转，根据本发明所述相敏解调器的输入输出关系，可以方便地得出目标偏离天线不同位置、Usr相对于Ujz不同相位差时Usc的波形，下面举例说明，参见附图5。

1．当目标位于天线中心轴，即图4的0点处时，天线正对准目标，Usr=0，根据式(1)，可得Usc=0，天线方位和俯仰两条支路的驱动电机得到的控制信号均为零，电机不转，天线保持原位置不动。

2．当目标位于天线中心轴的正上方，如图4中A点位置时，可得相敏解调器的输入信号如图5(a)的Usr 1所示，此信号与俯仰支路基准电压信号Ufb 1(实线所示)同相位，比方位支路基准电压信号Ufb 2(虚线所示)提前90度。根据式(1)，可绘出俯仰支路Usc的波形如图5(b)，此信号经低通滤波后，得到较为平滑的直流信号，极性为正，再经过功率放大后，驱动俯仰直流伺服电机正转，使天线向上转动；同理，可得方位支路Usc的波形如图5(c)，对其从0到180度求积分，由于其正负面积相等，积分值为零，可知此信号无直流分量，滤波后输出为零，因此，方位驱动电机不转，这样，天线在俯仰伺服电机的驱动下就会自动对准目标。这里需要进一步指出的是，只要目标稍微偏离A点，以方位支路为例，比如稍微向左偏离，Usr的相位就会稍微提前，而Ufb 2的相位不变，这样，根据式(1)不难分析得出，Usc波形的正负面积不再相等，而是负大于正，因此滤波后可得到极性为负的直流信号，放大后驱动伺服电机反转，使天线向左转动，自动对准目标。

3．当目标位于天线中心轴的右上方，即图4中的B点位置时，可得相敏解调器的输入信号如图5(a)的Usr 2所示，它比Ufb 1的相位落后45度，而比Ufb 2的相位提前45度。根据式(1)，可分别得到俯仰，方位两条支路相敏解调器的输出波形如图5(d)，(e)所示。经过低通滤波后，可分别得到正极性的直流电压信号，再经功放后，分别驱动俯仰，方位两条支路的直流伺服电机正转，使天线同时向上，向右转动，自动对准目标。

4．当目标位于天线中心轴的正右方，即图4中的C点位置时，可得相敏解调器的输入信号如图5(a)的Usr 3所示，它与Ufb 1正交，与Ufb 2同相。根据式(1)，可绘出俯仰支路相敏解调器的输出波形如图5(f)所示，滤波后，其直流电压为零，俯仰驱动电机不转；而方位支路相敏解调器的输出波形如图5(g)所示，滤波后可得正极性的直流电压信号，再经功放，驱动方位伺服电机正转，使天线向右转动，自动对准目标。

5．当目标位于扫描中心轴的右下方，如图4中的D点位置时，可得此时的输入信号如图5(a)中的Usr 4所示。它的相位比Ufb 1落后135度，比Ufb 2落后45度。根据式(1)，可得到俯仰支路相敏解调器的输出波形如图5(h)所示，滤波后可得到极性为负的直流信号，放大后驱动伺服电机反转，使天线向下转动：而方位支路的输出波形如图5(ⅰ)所示，滤波后可得正极性的直流信号，放大后驱动伺服电机正转，使天线向右转动。这样，在两条支路伺服电机共同驱动下，天线自动对准目标。

6.当目标分别位于图4中E，F，G，H各点所示的位置时，Usr的相位分别比Usr 1，2，3，4落后180度。根据式(1)不难分析得知，天线的运动方向将分别与目标在A，B，C，D各点时的运动方向相反。因此，在俯仰，方位两条支路的伺服电机驱动下，天线都会自动对准目标。

可见这种相敏解调器不但原理简单，成本低廉，体积小巧，制作容易，而且性能优良可靠，很有实用价值，完全可以取代上述两类相敏解调器。

图1是相敏解调器的方框图

图2是用模拟开关设计的相敏解调器的方框图

图3是实施例的方框图

图4是圆锥扫描时目标所在的圆锥横截面示意图

图5是实施例的原理波形图