基于模擬乘法器芯片MC1496的調(diào)幅與檢波電路設計與實現(xiàn)

1、湖南大學工程訓練 HUNAN UNIVERSITY工程訓練報告 題 目：基于模擬乘法器芯片MC1496的調(diào)幅與檢波電路設計與實現(xiàn) 學生姓名： 秦雨晨 學生學號： 20110803305 專業(yè)班級： 通信工程1103 指導老師(簽名): 二一四 年 九 月 十五 日 第 27 頁湖南大學工程訓練 目錄1 項目概述-2 1.1引言-21.1 項目簡介-21.2 任務及要求-21.3 項目運行環(huán)境-32 相關(guān)介紹-33 項目實施過程-53.1 項目原理 -53.2 項目設計內(nèi)容-9 3.2.1 調(diào)幅電路仿真-9 3.2.2 檢波電路仿真-124 結(jié)果分析-144.1調(diào)幅電路-144.2 檢波電路-1

2、85項目總結(jié)-216 參考文獻-227 附錄 -231、 項目概述 1.1引言 在高頻電子線路中的振幅調(diào)制、同步檢波、混頻、倍頻、鑒頻、鑒相等調(diào)制與解調(diào)的過程，均可視為兩個信號相乘或包含相乘的過程。目前在無線電通信、廣播電視等方面得到廣泛應用。本文利用Multisim10 軟件仿真平臺，對MC1496 構(gòu)成的調(diào)幅電路進行軟件仿真和實際電路測試，并分析比較測試結(jié)果。利用模擬乘法器芯片MC1496設計出調(diào)幅與檢波電路，使用MC1496內(nèi)部晶體管電路，用Multisim或PSPICE軟件進行計算機仿真，并作出硬件實驗結(jié)果。 1.2項目簡介： 本項目介紹了在Multisim10 仿真平臺中構(gòu)成集成電路

3、模塊的方法，并基于Multisim10 仿真軟件，對模擬乘法器MC1496 構(gòu)成的調(diào)幅與檢波電路進行仿真。調(diào)制與解調(diào)電路是現(xiàn)代通信設備中重要組成部分。為了實現(xiàn)信號的無線傳輸,在通信設備中必須采用調(diào)制與解調(diào)電路。調(diào)制是把待傳輸信號置入載波的過程,它在發(fā)送設備中進行。調(diào)制的方法很多,若用調(diào)制信號(信息)控制載波的幅度,則稱為調(diào)幅。 解調(diào)是調(diào)制的逆過程,即從己調(diào)信號中還原出原調(diào)制信號(信息),對調(diào)幅波的解調(diào)稱為檢波。本設計是基于MC1496的幅度調(diào)制與線性檢波電路設計，首先設計調(diào)制與檢波電路，再通過Multisim軟件對電路進行仿真分析。1.3任務及要求：振幅調(diào)制器的開發(fā)用模擬乘法器MC1496設計

4、一振幅調(diào)制器，使其能實現(xiàn)信號幅度調(diào)制，主要指標：載波頻率：15MHz 正弦波 調(diào)制信號：1KHz 正弦波，輸出信號幅度：大于等于5V（峰峰值）無明顯失真檢波器的開發(fā)用模擬乘法器MC1496設計一調(diào)幅信號同步檢波器，主要指標：輸入調(diào)幅信號：載波頻率15MHz 正弦波，調(diào)制信號：1KHz 正弦波，幅度大于1V，調(diào)制度為60%。輸出信號：無明顯失真，幅度大于5V。1.4項目環(huán)境：本項目是在Multisim10軟件上模擬乘法器芯片MC1496的調(diào)幅與檢波電路設計與實現(xiàn)。NI Multisim 10用軟件的方法虛擬電子與電工元器件，虛擬電子與電工儀器和儀表，實現(xiàn)了“軟件即元器件”、“

5、軟件即儀器”。NI Multisim 10是一個原理電路設計、電路功能測試的虛擬仿真軟件。2、相關(guān)介紹高頻課程設計本是高頻電子線路課程的重要組成部分，其目的在于加深理解檢波的原理，進一步對課本知識加以掌握，基本掌握數(shù)字系統(tǒng)設計和調(diào)試方法，增加集成電路應用知識，培養(yǎng)我們的實際動手能力和分析、解決問題的能力。 另一方面也可使我們可以運用自己所學到的知識，學習設計小型高頻電子線路的方法，并且獨立完成由原理圖到實物的準確焊接、調(diào)試過程，增強實際動手能力。提高電路分析和設計能力，為今后學習和工作打下堅實的基礎(chǔ)。 通過此次設計，一方面加深我們對理論知識的認識和掌握，另一方面也可以增強我

6、們對問題的全面考慮能力，并且助于我們對理論知識的運用。Multisim簡介 Multisim是加拿大圖像交互技術(shù)公司（Interactive Image Technoligics簡稱IIT公司)推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于初級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力 。 工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路行為進行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設計，這也使其更適合電子學教育。通過Mul

7、tisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設計工程師和電子學教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設計和測試這樣一個完整的綜合設計流程 。 NI Multisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進行設計和驗證。憑借NI Multisim，可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標準SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級SPICE分析和虛擬儀器，能在設計流程中提早對電路設計進行的迅速驗證，從而縮短建模循環(huán)。與NI LabVIEW和SignalExpress軟件的集成，完善了具有強大技術(shù)的設計流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實現(xiàn)建模測量 。3、項目實

8、施過程：3.1項目原理1、模擬乘法器MC1496的工作原理： 模擬乘法器的管腳圖：其中V1、V2與V3、V4組成雙差分放大器，以反極性方式相連接，而且兩組差分對的恒流源V5與V6又組成一對差分電路，因此恒流源的控制電壓可正可負，以此實現(xiàn)了四象限工作。V7、V8為差分放大器V5與V6的恒流源。模擬乘法器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：靜態(tài)工作點的設定(1)靜態(tài)偏置電壓的設置 靜態(tài)偏置電壓的設置應保證各個晶體管工作在放大狀態(tài)，即晶體管的集-基極間的電壓應大于或等于2V，小于或等于最大允許工作電壓。根據(jù)MC1496的特性參數(shù)，對于圖10-1所示的內(nèi)部電路，應用時，靜態(tài)偏置電壓（輸入電壓為0時）應滿足下列關(guān)系，即8=10

9、, 1=4, 6=1212V6(12)8(10)>2V12V8(10)1(4)>2.7V12V1(4)5>2.7V(2)靜態(tài)偏置電流的確定靜態(tài)偏置電流主要由恒流源I0的值來確定。當器件為單電源工作時，引腳14接地，5腳通過一電阻VR接正電源+VCC由于I0是I5的鏡像電流，所以改變VR可以調(diào)節(jié)I0的大小，即 當器件為雙電源工作時，引腳14接負電源-Vee，5腳通過一電阻VR接地，所以改變VR可以調(diào)節(jié)I0的大小，即根據(jù)MC1496的性能參數(shù)，器件的靜態(tài)電流應小于4mA，一般取。在本實驗電路中VR用6.8K的電阻R15代替。（3）設輸入信號， ，則MC1496乘法器的輸出U0與反

10、饋電阻RE 及輸入信號、的幅值有關(guān)。1) 不接負反饋電阻（腳2和3短接）、和皆為小信號時，由于三對差分放大器（VT1，VT2，VT3，VT4及VT5，VT6）均工作在線性放大狀態(tài)，則輸出電壓U0可近似表示為 （2.5）式中，乘法器的乘積系數(shù)，與器件外接元件參數(shù)有關(guān)，即 （2.6）式中， 溫度的電壓當量，當T=300K時， 輸出負載電阻。式（2.5）表明，輸入均為小信號時，MC1496可近似為一理想乘法器。輸出信號中只包含兩個輸入信號的和頻與差頻分量。、為小信號，為大信號（大于100mV）時，由于雙差分放大器（VT1、VT2和VT3、VT4）處于開關(guān)工作狀態(tài)，其電流波形將是對稱的方波，乘法器的輸

11、出電壓可近似表示為 （n為奇數(shù)） （2.7）輸出信號中包含、等頻率分量。2) 接入負反饋電阻由于的接入，擴展了的線性動態(tài)范圍，所以器件的工作狀態(tài)主要由決定，分析表明：、當為小信號時，輸出電壓可表示為 （2.8）式中： （2.9）式（2.9）表明，接入負反饋電阻后，為小信號時，MC1496近似為一理想的乘法器，輸出信號中只包含兩個輸入信號的和頻與差頻。、當為大信號時，輸出電壓可近似表示為 (2.10)上式表明，為大信號時，輸出電壓與輸入信號無關(guān)。MC1496構(gòu)成的振幅調(diào)制器電路如圖3所示。其中載波信號經(jīng)高頻耦合電容C1從10腳輸入，C3為高頻旁路電容，使8腳接地。調(diào)制信號經(jīng)低頻耦合電容C2，從1

12、腳輸入。調(diào)幅信號從12腳單端輸出。R12可以調(diào)節(jié)ma的值，也可以是電路對稱，減小載波信號輸出。器件采用雙電源供電方式，所以5腳的偏置電阻R5接地。3.2項目設計內(nèi)容3.2.1普通調(diào)幅電路設計：用模擬乘法器實現(xiàn)單頻調(diào)幅普通條幅波的實現(xiàn)框圖： 根據(jù)上面的引腳圖，作出如下設計：兩輸入端8和10腳直流電位均為6V，可作為載波輸入通道；Y通道兩輸入端1和4腳之間有外接調(diào)零電路；輸出端6和12腳外可接調(diào)諧于載頻的帶通濾波器；2和3腳之間外接Y通道負反饋電阻R8。若實現(xiàn)普通調(diào)幅，可通過調(diào)節(jié)10k電位器RP1使1腳比4腳高，調(diào)制信號與直流電壓疊加后輸入Y通道，調(diào)節(jié)電位器可以改變Vy的大小，即改變指數(shù)Ma；若實

13、現(xiàn)DSB調(diào)制，10k電位器RP1使1、4腳之間直流等電位，即Y通道輸入信號僅為交流調(diào)制信號。為了減小流經(jīng)電位器的電流，便于調(diào)零準確，可加大兩個750電阻的阻值，比如各增大10。MC1496線性區(qū)好飽和區(qū)的臨界點在15-20mV左右，僅當輸入信號電壓均小于26mV時，器件才有良好的相乘作用，否則輸出電壓中會出現(xiàn)較大的非線性誤差。顯然，輸入線性動態(tài)范圍的上限值太小，不適應實際需要。為此，可在發(fā)射極引出端2腳和3腳之間根據(jù)需要接入反饋電阻R8=1k，從而擴大調(diào)制信號的輸入線性動態(tài)范圍，該反饋電阻同時也影響調(diào)制器增益。增大反饋電阻，會使器件增益下降，但能改善調(diào)制信號輸入的動態(tài)范圍。MC1496可采用單

14、電源，也可采用雙電源供電，其直流偏置由外接元器件來實現(xiàn)。1腳和4腳所接對地電阻R5、R6決定于溫度性能的設計要求。若要在較大的溫度變化范圍內(nèi)得到較好的載波抑制效果，R5、R6一般不超過51；當工作環(huán)境溫度變化范圍較小時，可以使用稍大的電阻。5腳電阻R7決定于偏置電流I5的設計。I5的最大額定值為10mA，通常取1mA。由圖可看出，當取I5=1mA，雙電源（+12V，-8V）供電時，R7可近似取6.8k。輸出負載為R15，亦可用L2與C7組成的并聯(lián)諧振回路作負載，其諧振頻率等于載頻，用于抑制由于非線性失真所產(chǎn)生的無用頻率分量。VT1所組成的射隨器用于減少負載變化和測量帶來的影響。下面是實驗電路圖

15、：由于實驗要求中輸出信號為5V以上，即為大信號，如果用原來的電路會造成波形失真，所以需要設計帶通濾波器。帶通濾波器（band-pass filter）是一個允許特定頻段的波通過同時屏蔽其他頻段的設備。比如RLC振蕩回路就是一個模擬帶通濾波器。3.2.2檢波電路的設計同步檢波又分為疊加型同步檢波和乘積型同步檢波。利用模擬乘法器的相乘原理，實現(xiàn)同步檢波是很方便的，其工作原理如下：在乘法器的一個輸入端輸入振幅調(diào)制信號如抑制載波的雙邊帶信號，另一輸入端輸入同步信號（即載波信號），經(jīng)乘法器相乘，由上式可得輸出信號U0（t）為下面是同步檢波器的框圖： 檢波的物理過程如下：在高頻信號電壓的正半周時，二極管正

16、向?qū)ú﹄娙萜鰿充電，由于二極管的正向?qū)娮韬苄?，所以充電電流iD很大，使電容器上的電壓c很快就接近高頻電壓的峰值。充電電流的方向如左圖所示。理想情況下，峰值包絡檢波器的輸出波形應與調(diào)幅波包絡線的形狀完全相同。但實際上二者之間總會有一些差距，亦即檢波器輸波形有某些失 真。本實驗可以觀察到該檢波器的兩種特有失真：即惰性失真和負峰切割失真。惰性失真是由于負載電阻R與負載電容C選得不合適，使放電時間常數(shù)RC過大引起的。惰性失真又稱對切割失真，如左下圖所示。通常使檢波器音頻輸出電壓的負峰被切割的失真稱為負峰切割失真或底部切割失真，如右下圖所示。 下面是檢波實驗圖：4、結(jié)果分析4.1調(diào)幅電路：在實現(xiàn)

17、調(diào)幅時載波信號加載在Q1，Q4 的輸入端，即IO8、IO10 管腳。調(diào)制信號加載在差動放大器Q5、Q6 即管腳IO1、IO4。IO2、IO3 管腳外接電阻，以擴大調(diào)制信號動態(tài)范圍。已調(diào)制信號由雙差動放大器的兩集電極輸出。接于正電源電路的電阻R6, R4用來分壓，以便提供相乘器內(nèi)部Q1Q4 管的基極偏壓；負電源通過RP，R12，R13 及R9，R10 的分壓供給相乘器內(nèi)部Q5、Q6 管基極偏壓，RP 為載波調(diào)零電位器，調(diào)節(jié)RP 可使電路對稱以減小載波信號輸出；R8,R14 為輸出端的負載電阻，接于IO2、IO3端電阻R7 用來擴大U 的線性動態(tài)范圍，同時控制乘法器的增益。載波信號由XFG1 提控

18、C（t）=VcmcosCt 通過電容C1，C2 以及R5 加到相乘器的輸入端IO8，IO10 管腳。調(diào)制信號由XFG2 提供（t）=Vcost，通過電容C4 及電阻R12,R9 加到乘法器的輸入端IO1，IO4 管腳。輸出信號經(jīng)過C3 輸出。仿真電路測試數(shù)據(jù)分析乘法器的直流工作點通過仿真得出乘法器的直流工作點（直流工作點是各個管腳在電路中的工作點并非管腳號）。可得，V（3）=V（2），V（10）=V（9），V（14）=V（15），V(11)=V（12），且V（15）-V（2）2.6V>2V所以MC1496 內(nèi)部的晶體管Q1 處于導通狀態(tài)，同理可得出Q2，Q3，Q4 這三個晶體管也處于工作

19、狀態(tài)；V（2）-V（9）6V>2.7V，所以晶體管Q5 導通，同理可得Q6 也處于工作狀態(tài)；V （11）-V （12）6V>2V 所以Q7 處于工作狀態(tài)，同理可得Q8 也處于工作狀態(tài)。由總電路可得示波器的通道A為調(diào)制信號；通道B為已調(diào)信號；通道C為檢波出來的信號；通道D可接載波信號。實驗調(diào)試到后面出波形后出現(xiàn)了如下圖一樣的失真，經(jīng)過老師的指導我加了帶通濾波器，但是還是失真，后來老師說由于實驗要求里調(diào)制信號為大信號，所以帶通濾波器中的電容應該根據(jù)調(diào)整，因此減小了電路的失真。調(diào)整后： 載波信號 調(diào)幅信號調(diào)幅波形：分析：本次實驗通過用MC1496對輸入的信號相乘，再經(jīng)過放大器來對其功率進

20、行放大，使最終的輸出波形幅度達到了5V。基本滿足了本次實驗的要求。4.2檢波電路根據(jù)公式可知，要實現(xiàn)同步檢波需將與高頻載波同頻的同步信號與已調(diào)信號相乘，實現(xiàn)同步解調(diào)。經(jīng)過低通濾波器濾除2附近的頻率分量后，得到頻率為的低頻信號： 同步檢波亦采用模擬乘法器MC1496將同步信號與已調(diào)信號相乘，其電路圖如圖3.5所示。端輸入同步信號或載波信號，端輸入已調(diào)波信號，輸出端接有電阻R11、C6組成的低通濾波器和1uF的隔直電容，所以該電路對有載波調(diào)幅信號及抑制載波的調(diào)幅信號均可實現(xiàn)解調(diào)，但要合理的選擇低通濾波器的截止頻率。本次檢波實驗數(shù)據(jù)： 載波信號 調(diào)制信號頻率調(diào)制信號幅度調(diào)制度檢波波形：5、項目總結(jié)：

21、通過進行本次工程訓練，我對普通條幅的相關(guān)知識有了更深的理解，同時，我對檢波電路的性能及工作原理也有了更深的掌握。并認識到自己并沒有將書本上的知識很好的領(lǐng)悟并能應用到實際中來。在本次不夠工程訓練的開始，并沒有抓緊時間操作，對待的態(tài)度也不夠認真，在第一次聽了導師的講解之后才對本次工程訓練有了更認真的態(tài)度和更深的認識。在實踐中最容易忽略的就是基本原理，在中期檢查的時候，自己的波形并沒有弄出來，很大一部分原因是沒有弄清楚原理，一味的上網(wǎng)研究電路圖，然后希望老師幫助自己調(diào)試，自己也沒有認真的該參數(shù)調(diào)波形。 中期檢查上老師講了調(diào)幅和檢波的原理，并推薦我們回去看曾經(jīng)學過的課本弄清楚原理。在幾天的學習和調(diào)試中

22、終于將調(diào)幅與檢波的仿真實驗完成。這次工程訓練很好的鍛煉了我的實踐能力和知識的運用能力，熟悉了操作軟件和基本原理，總結(jié)了很多學習經(jīng)驗，也為以后的實驗打下了基礎(chǔ)。此外，本次工程訓練的另一個軟件并沒有在有限時間內(nèi)掌握，但是通過其他同學的代碼對其有了簡單的認識。（見附錄）6、參考文獻：1樊昌信, 通信原理M . 北京: 國防工業(yè)出版社, 2001 .2張肅文, 陸兆熊. 高頻電子線路M . 北京: 高等教育出版社, 1993 .3于洪珍，通信電子電路M . 北京: 電子工業(yè)出版社,2002 .4 周錦榮,林楠.基于Multisim10 的MC1496 調(diào)幅電路仿真及分析J 龍巖學院學報，2008，26

23、（36）.7、附錄PSPICE 起源 用于模擬電路仿真的SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）軟件于1972年由美國加州大學伯克利分校的計算機輔助設計小組利用FORTR AN語言開發(fā)而成，主要用于大規(guī)模集成電路的計算機輔助設計。SPICE的正式版SPICE 2G在1975年正式推出，但是該程序的運行環(huán)境至少為小型機。1985年，加州大學伯克利分校用C語言對SPICE軟件進行了改寫， 并由MICROSIM公司推出。1988年SPICE被定為美國國家工業(yè)標準。與此同時，各種以SPICE為核心的商用模擬電路仿真軟件，在SP

24、ICE的基礎(chǔ)上做了大量實用化工作，從而使SPICE成為最為流行的電子電路仿真軟件。發(fā)展PSPICE采用自由格式語言的5.0版本自80年代以來在我國得到廣泛應用，并且從6.0版本開始引入圖形界面。1998年著名的EDA商業(yè)軟件開發(fā)商ORCAD公司與Microsim公司正 式合并，自此Microsim公司的PSPICE產(chǎn)品正式并入ORCAD公司的商業(yè)EDA系統(tǒng)中。不久之后，ORCAD公司已正式推出了ORCAD PSPICE Release 10.5，與傳統(tǒng)的SPICE軟件相比，PSPICE 10.5在三大方面實現(xiàn)了重大變革：首先，在對模擬電路進行直流、交流和瞬態(tài)等基本電路特性分析的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了蒙

25、特卡羅分析、最壞情況分析以及優(yōu)化設計等較為復雜的電路特性分析；第二，不但能夠?qū)δM電路進行，而且能夠?qū)?shù)字電路、數(shù)/?；旌想娐愤M行仿真；第三，集成度大大提高，電路圖繪制完成后可直接進行電路仿真，并且可以隨時分析觀察仿真結(jié)果。PSPICE軟件的使用已經(jīng)非常流行。在大學里，它是工科類學生必會的分析與設計電路工具；在公司里，它是產(chǎn)品從設計、實驗到定型過程中不可缺少的設計工具。用Pspice文本做的調(diào)幅電路代碼（本代碼為參考學習代碼，非本人編寫）.LIB BIPOLAR.LIB.LIB JDIODE.LIB.TRAN 10U 2MS 0 2NV1 2 0 SIN (0 40mv 1000k )C1 1

26、08 0 100nFR1 108 0 1kR2 104 0 1kC2 2 110 100nFR3 102 103 1kR7 101 0 1kR8 1 108 20kV2 1 0 DC 12R9 1 112 6.2KV3 0 114 DC 12R10 1 106 6.2kR11 104 13 510C4 3 101 10uFC5 104 0 100fFR12 110 108 510R14 101 12 510R15 105 0 13kR20 12 114 650R21 13 114 350V4 3 0 SIN (0 100mv 20k )Q9 106 108 39 Q2N2222Q10 112 110 39 Q2N2222Q11 106 108 49 Q2N2222Q12 39 104 103 Q2N2222Q13 49 101 102 Q2N2222Q14 112 108