學子專區(qū)-ADALM2000實驗：多相濾波電路

目標

本實驗活動的目標是研究多相濾波器作為正交信號生成技術(shù)，并生成差分可調(diào)諧放大器，去創(chuàng)建一個多相放大器或者濾波器，能夠生成輸入信號源的四個正交相位（即以90°為增量的相位）。

背景知識

正交頻率轉(zhuǎn)換在現(xiàn)代無線收發(fā)器架構(gòu)中很常見，因為當今的數(shù)字通信系統(tǒng)中同時部署了幅度調(diào)制和相位調(diào)制。

圖1顯示了簡化的一階多相電路，通常部署在許多諸如ADL5380這樣的正交解調(diào)器中。這個簡單的多相電路由互補的RC子電路組成。從輸入到一個輸出的低通傳遞函數(shù)在轉(zhuǎn)折頻率處使相位偏移–45°，而到另一個輸出的高通傳遞函數(shù)在轉(zhuǎn)折頻率處使相位偏移+45°。兩個輸出之間的凈相位差為90°。如果兩個路徑的R和C值匹配，則兩條路徑具有相同轉(zhuǎn)折頻率，更重要的是，在所有頻率下，一個輸出的相位都與另一個輸出保持90°的相移。兩個輸出信號（LO I 0°和LO Q 90°）的相對幅度僅在兩個RC路徑的–3 dB轉(zhuǎn)折頻率處相等。

圖1 簡化的一階多相濾波器

正交本振(LO)信號的產(chǎn)生是邊帶抑制外差接收器中的一個重要功能模塊。正交精度，即同相和正交90°相移信號的相位精度，直接決定了鏡像抑制比(IRR)，這是決定接收器靈敏度的重要規(guī)格參數(shù)。

材料

■   ADALM2000主動學習模塊

■   無焊試驗板和跳線套件

■   兩個1 nF電容（標記為102）

■   兩個1 kΩ電阻

說明

在無焊試驗板上構(gòu)建圖2所示的多相濾波器電路。

圖2 多相濾波器電路

硬件設(shè)置

圖2中的藍色方塊表示連接ADALM2000模塊AWG和示波器通道的位置。試驗板電路參見圖3。

圖3 簡化的一階多相濾波器試驗板連接

在Scopy中打開網(wǎng)絡(luò)分析儀軟件工具。配置頻率掃描范圍，起始頻率為10 kHz，停止頻率為30 MHz。將幅度設(shè)置為2 V，將偏置設(shè)置為零。選中示波器通道下拉菜單下的使用通道1作為參考框，以測量一個輸出路徑相對于另一個輸出路徑的相位。見圖4。

圖4 Scopy網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出

程序步驟

根據(jù)您使用的R和C值來計算預(yù)期的RC轉(zhuǎn)折頻率。運行一次頻率掃描并確保將數(shù)據(jù)保存到.csv文件中，以便之后在MATLAB?或Excel中使用。

差分多相調(diào)諧放大器

通過在NPN差分放大器中添加二階LC和CL低通和高通濾波器部分作為差分輸出負載，可以生成輸入正弦波信號的所有四個90°相位（0°、90°、180°和270°）。圖5所示就是這種調(diào)諧放大器。

材料

■   ADALM2000主動學習模塊

■   無焊試驗板和跳線套件

■   一對SSM2212 NPN匹配晶體管（Q1、Q2）

■   兩個2N3904 NPN晶體管（Q3、Q4）

■   兩個100 μH電感器（各種具有其他值的電感器）

■   兩個1 nF電容（標記為102）

■   兩個0.1 μF電容（標記為104）

■   兩個10 Ω電阻

■   兩個150 Ω電阻

■   兩個470 Ω電阻

■   三個1 kΩ電阻

■   一個10 kΩ電阻

■   所需的其他電阻和電容

說明

在無焊試驗板上構(gòu)建圖5所示的電路。使用 SSM2212 匹配的晶體管對作為 Q1 和 Q2。晶體管Q3和Q4可以是2N3904器件。設(shè)置L1 = L2 = 100 μH，C1 = C2 = 1 nF。R1應(yīng)等于R2，并使用值470 Ω。同樣，R3應(yīng)等于R4，并使用值150 Ω。

圖5 多相放大器

圖6 多相放大器試驗板連接

硬件設(shè)置

圖5中的藍色方塊表示連接ADALM2000模塊AWG、示波器通道和電源的位置。確保在反復檢查接線之后，再打開電源。試驗板電路參見圖6。

打開電源電壓控制窗口，先接通再斷開固定的+5 V和-5 V電源。在Scopy中打開網(wǎng)絡(luò)分析儀軟件工具。配置頻率掃描范圍，起始頻率為100 Hz，停止頻率為30 MHz。將幅度設(shè)置為1 V，將偏置設(shè)置為零。

程序步驟

根據(jù)您使用的L和C值來計算預(yù)期的LC轉(zhuǎn)折頻率。

接通電源。通過交流耦合電容器（圖5中的C4），將示波器輸入通道2交替連接到電阻器R1、R2、R3和R4末端的四個可能的輸出。運行單次頻率掃描并將每次掃描存儲在波形快照中，以比較每個輸出的相對增益和相位響應(yīng)。請務(wù)必將所有頻率掃描數(shù)據(jù)導出到.csv文件，以便采用Excel或MATLAB進行深入分析。

使用示波器和函數(shù)發(fā)生器軟件儀器（在時域中），將AWG頻率設(shè)置為諧振頻率，并將幅度設(shè)置為1 V峰峰值。在示波器通道1上觸發(fā)。觀察四個輸出的相對幅度和相位，并將每個波形存儲在通道2上作為參考通道，以比較每個輸出的幅度和相位。參見圖7至10。

圖7 0°相移

圖8 90°相移

圖9 180°相移

圖10 270°相移

問題

能簡單描述一下多相濾波器的一些實際應(yīng)用嗎？您可以在學子專區(qū)論壇上找到問題答案。

作者簡介

Antoniu Miclaus現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，從事ADI教學項目工作，同時為Circuits from the Lab?、QA自動化和流程管理開發(fā)嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他目前擁有貝碧思鮑耶大學軟件工程碩士學位，并擁有克盧日-納波卡科技大學電子與電信工程學士學位。

Dou Mercer于1977年畢業(yè)于倫斯勒理工學院(RPI)，獲電子工程學士學位。自1977年加入ADI公司以來，他直接或間接貢獻了30多款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，并擁有13項專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉(zhuǎn)型，并繼續(xù)以名譽研究員身份擔任ADI顧問，為“主動學習計劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。