ADALM2000實驗：多相濾波電路
前言：
作者：ADI系統應用工程師Antoniu Miclaus 及顧問研究員Doug Mercer
目標
本實驗活動的目標是研究多相濾波器作為正交訊號產生技術，並產生差分可調諧放大器來創建一個多相放大器或者濾波器，進而產生輸入訊號源的四個正交相位（即以90°為增量的相位）。
背景知識
正交頻率轉換在現代無線收發器架構中很常見，因為目前的數位通訊系統中都同時部署了幅度調變和相位調變。
圖1顯示了簡化的一階多相電路，通常部署在許多諸如 ADL5380的正交解調器中。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在轉折頻率處使相位偏移–45°，而到另一個輸出的高通傳遞函數在轉折頻率處使相位偏移+45°。兩個輸出之間的淨相位差為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。兩個輸出訊號（LO I 0°和LO Q 90°）的相對幅度僅在兩個RC路徑的–3 dB轉折頻率處相等。
圖1. 簡化的一階多相濾波器。
正交本振(LO)訊號的產生是邊帶抑制外差接收器中的一個重要功能模組。正交精度，即同相和正交90°相移訊號的相位精度，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格參數。
材料
• ADALM2000主動學習模組
• 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
在無焊試驗板上建構圖2所示的多相濾波器電路。
圖2. 多相濾波器電路。
硬體設定
圖2中的藍色方塊表示連接ADALM2000模組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中打開網路分析儀軟體工具。配置頻率掃描範圍，起始頻率為10 kHz，停止頻率為30 MHz。將幅度設定為2 V，將偏置設定為零。選擇示波器通道下拉式功能表下的使用通道1作為參考框，以測量一個輸出路徑相對於另一個輸出路徑的相位。見圖4。
圖4. Scopy網路分析儀輸出。
程式步驟
根據所使用的R和C值來計算預期的RC轉折頻率。運行一次頻率掃描並確保將資料保存到.csv檔中，以便之後在MATLAB®或Excel中使用。
差分多相調諧放大器
透過在NPN差分放大器中增加二階LC和CL低通和高通濾波器部分作為差分輸出負載，可以產生輸入正弦波訊號的所有四個90°相位（0°、90°、180°和270°）。圖5所示便是此種調諧放大器。
圖5. 多相放大器。
材料
• ADALM2000主動學習模組
• 無焊試驗板和跳線套件
• 一對SSM2212 NPN匹配電晶體（Q1、Q2）
• 兩個2N3904 NPN電晶體（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
在無焊試驗板上建構圖5所示的電路。使用 SSM2212匹配的電晶體對作為Q1和Q2。電晶體Q3和Q4可以是2N3904元件。設定L1 = L2 = 100 μH，C1 = C2 = 1 nF。R1應等於R2，並使用值470 Ω。同樣的，R3應等於R4，並使用值150 Ω。
硬體設定
圖5中的藍色方塊表示連接ADALM2000模組AWG、示波器通道和電源的位置。請確保在反覆檢查接線之後再打開電源。試驗板電路參見圖6。
圖6. 多相放大器試驗板連接。
現在打開電源電壓控制視窗，並先接通再斷開固定的+5 V和-5 V電源。在Scopy中打開網路分析儀軟體工具。配置頻率掃描範圍，起始頻率為100 Hz，停止頻率為30 MHz。將幅度設定為1 V，將偏置設定為零。
程式步驟
根據您使用的L和C值來計算預期的LC轉折頻率。
接通電源。接著透過交流耦合電容器（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。之後操作單次頻率掃描，並將每次掃描儲存在波形快照中，以比較每個輸出的相對增益和相位回應。請務必將所有頻率掃描數據匯出到.csv檔，以便採用Excel或MATLAB進行深入分析。
使用示波器和函數產生器軟體儀器（在時域中），將AWG頻率設定為諧振頻率，並將幅度設定為1 V峰對峰值。在示波器通道1上觸發。觀察四個輸出的相對幅度和相位，並將每個波形儲存在通道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用嗎？
答案請參閱 學子專區部落格。
