AM調(diào)制解調(diào)電路的設(shè)計(jì)與仿真報(bào)告2011

AM調(diào)制解調(diào)電路的設(shè)計(jì)與仿真報(bào)告2011武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說明書1武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說明書件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件),從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍Proteus軟件具有4大功能模塊：智能原理圖設(shè)計(jì)、完善的電路仿真功能、獨(dú)特的單片機(jī)協(xié)同仿真功能、實(shí)用的PCB設(shè)計(jì)平臺。由于Proteus軟件界面直觀、操作方便、仿真測試和分析功能強(qiáng)大，因此非常適合電子類課程的課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)，是一種相當(dāng)好的電子技術(shù)實(shí)訓(xùn)工具，同時也是學(xué)生和電子設(shè)計(jì)開發(fā)人員進(jìn)行電路仿真分析的重要手段。Proteus軟件具有其它EDA工具軟件(例：multisim)的功能。這些(1)原理布圖(2)PCB自動或人工布線革命性的特點(diǎn)(1)互動的電路仿真用戶甚至可以實(shí)時采用諸如RAM,ROM,鍵盤，馬達(dá)，LED,LCD,AD/DA,部分SPI器件，部分I(2)仿真處理器及其外圍電路接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運(yùn)行后建立了完備的電子設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境。本次Proteus課程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)AM調(diào)制解的仿真。運(yùn)用由三極管組成的乘法器調(diào)制出AM信號，再經(jīng)非線性元件二極管與電容等組成的包絡(luò)檢波電路解調(diào)得到解調(diào)信號。2武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說明書2.AM調(diào)制解調(diào)電路基本原理AM調(diào)制也稱普通調(diào)幅波，已調(diào)波幅度將隨調(diào)制信號的規(guī)律變化而線性變化，但載波頻率不變。設(shè)載波是頻率為wc的余弦波：uc(t)AM調(diào)制信號波形如圖1所示：圖1.普通調(diào)幅波形顯然AM波正負(fù)半周對稱時：MaUcm=Umax-Ucm=Ucm—Umin,Ma=0時，未調(diào)幅狀態(tài)Ma=1時，滿調(diào)幅狀態(tài)(100%),正常Ma值處于0～1之間。Ma>1時，普通調(diào)幅波的包絡(luò)變化與調(diào)制信號不再相同，會產(chǎn)生失真，稱為過調(diào)幅現(xiàn)象。所以，普通調(diào)幅要求Ma必須不大于1。圖2所示為產(chǎn)生失真時的波形。3武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說明書2.1.2振幅調(diào)制電路的組成模型從調(diào)幅波的表達(dá)式(1)可知，在數(shù)學(xué)上調(diào)幅電路的組成模型，可以由一個相乘器和一個相加器組成。如圖3所示：圖3.低電平調(diào)幅原理圖振幅解調(diào)是振幅調(diào)制的逆過程，從頻譜的角度看就是將有用信號從高頻段搬到低頻段。而要完成頻譜搬移(有新頻率產(chǎn)生),電路中必須要解調(diào)。即包絡(luò)檢波就是從AM波中還原出原調(diào)制信號的過程。4武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說明書設(shè)輸入普通調(diào)幅信號uAM(t)如(1)式所示，圖4中非線性器件工作在開關(guān)狀態(tài)，則非線性器件輸出電流為：io(t)=guAM(t)·K1(wct)可見io中含有直流，Q,wc,wc±Ω以及其它許多組合頻率分量，其中的低頻分量是gUm(1+MscosΩt)/Ⅱ。用低通濾波器取出io中這一低頻分量，濾除wc-Ω及其以上的高頻分量，就可以恢復(fù)與原調(diào)制信號U(t)成正比的單頻信號了。圖4.包絡(luò)檢波原理圖原信號的波形變化過程和頻譜的變化情況。二極管峰值包絡(luò)檢波器的性能指標(biāo)主要有檢波效率(電壓傳輸系數(shù))Kd、輸入電阻Ri、惰性失真和底部切割失真幾項(xiàng)。1.檢波效率檢波效率是指檢波器的輸出電壓和輸入高頻電壓振幅之比。解調(diào)信號幅度，UQ為包絡(luò)幅度。由以上關(guān)系可知，檢波效率Kd越大越好。2.等效輸入電阻由于二極管在大部分時間處于截止?fàn)顟B(tài)，僅在輸入高頻信號的峰值附近才導(dǎo)通，所以檢波器的瞬時輸入電阻是變化的。檢波器的前級通常是一個調(diào)諧在載頻的高Q值諧振回5武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說明書路，檢波器相當(dāng)于此諧振回路的負(fù)載。為了研究檢波器對前級諧振波器等效輸入電阻Ri=Uim/lim,其中Uim是輸入等幅高頻電壓振幅，流的基波振幅。經(jīng)分析可知，檢波器對前級諧振回路等效電阻的影響是并聯(lián)了一個阻值為3.惰性失真在調(diào)幅波包絡(luò)線下降部分，若電容放電速度過慢，導(dǎo)致uo的下降速率比包絡(luò)線的下降速率慢，則在緊接其后的一個或幾個高頻周期內(nèi)二極管上為負(fù)電壓，造成Uo波形與包絡(luò)線的失真。由于這種失真來源于電容來不及放電2失真。要避免惰性失真，需要滿足的條件是RC≤由交直流負(fù)載不同引起。直流負(fù)載為R,交流負(fù)載R’是R與RL的并聯(lián)。不失真的條件是Ma≤R’/R。負(fù)載切割失真在整個調(diào)制頻率范圍內(nèi)都可能出圖5.底部切割失真波形6武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說明書3.各組成部分的工作原理3.1調(diào)制電路的工作原理模擬乘法器是低電平調(diào)幅電路的常用器件，它不僅可以實(shí)現(xiàn)普通調(diào)幅，也可以實(shí)現(xiàn)雙邊帶調(diào)幅與單邊帶調(diào)幅。既可以用單片集成模擬乘法器來組成低電平調(diào)幅電路，也可以直接采用含有模擬乘法器部分的專用集成調(diào)模擬乘法器可實(shí)現(xiàn)輸出電壓為兩個輸入電壓的線性積，典型應(yīng)用包括：乘、除、平方、均方、倍頻、調(diào)幅、檢波、混頻、相位檢測等。單片集成模擬乘法器種類較多，由于內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)不同，各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)也不同。在選擇時應(yīng)該以下主要參數(shù)：工作頻率范圍、電源電壓、輸入電壓動態(tài)本次AM調(diào)制實(shí)驗(yàn)中選擇的是MC1596模擬乘法器，其主要特性參數(shù)輸出電壓動態(tài)范圍：±4V;MC1596是以雙差分電路為基礎(chǔ)，在Y輸入通道加入了反饋電阻，故Y通道輸入電壓動態(tài)范圍較大，X通道輸入電壓動態(tài)范圍很小。通常X通道作為載波或本振的輸入端，而調(diào)制信號或已調(diào)波信號從Y通道輸入。當(dāng)X通道輸入是小信號(小于26mV)時，輸出信號是X、Y通道輸入信號的線性乘積。當(dāng)X通道輸入是頻率為wc的單頻很大信號時(大于260mV),根據(jù)雙差分模擬乘法器原理，輸出信號應(yīng)是Y通道輸入信號和雙向開關(guān)函數(shù)K2(wct)的乘積：兩種情況均可實(shí)現(xiàn)調(diào)幅。圖6是MC1596內(nèi)部電路圖。7武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說明書Y通道兩輸入端1、4腳之間外接有調(diào)零電路，可通過調(diào)節(jié)50kΩ電位器使1腳電位比4腳高Uy,調(diào)制信號uΩ(t)與直流電壓Uy迭加后輸入Y通道。調(diào)節(jié)電位器可改變調(diào)制指數(shù)Ma。輸出端6、12腳外應(yīng)接調(diào)諧于載頻的帶通濾波器。2、3腳之間外接Y通道負(fù)反饋8武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說明書實(shí)驗(yàn)中所用的AM調(diào)制電路是由圖6和圖7電路圖組合而成的電路圖，如下圖8所示：AM波采用的解調(diào)電路為包絡(luò)檢波電路。包絡(luò)檢波電路通常采用二極管和RC濾波網(wǎng)絡(luò)組成，如圖9所示。當(dāng)輸入的AM波的幅度足夠大時，假設(shè)二極管起理想開關(guān)的作用，則AM波經(jīng)過二極管后AM波的負(fù)半周被削去，只剩下幅度按調(diào)制信號規(guī)律變化的一連串正半周余弦脈沖，如圖10所示。將這一串余弦脈沖經(jīng)RC濾波網(wǎng)絡(luò)濾除高頻分量后，就可取出調(diào)制信號UQ(t)分量，完成解調(diào)過程。如果輸入是高頻等幅波，則檢波輸出就是直流電壓，這就可以9武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說明書為了使二極管峰值包絡(luò)檢波器能正常工作，避免失真，實(shí)驗(yàn)過程中將普通二極管檢波電路做了一些改進(jìn)，因而實(shí)驗(yàn)選取的電路如圖11所示。要求必須根據(jù)輸入調(diào)幅信號的工作頻率與調(diào)幅指數(shù)以及實(shí)際負(fù)載RL,正確選擇二極管和R1、R2和C、Cc的值。此次實(shí)驗(yàn)各元件的參數(shù)如下：綜合以上的原理，可以得到實(shí)驗(yàn)總電路圖，如圖12所示：武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說明書圖12.實(shí)驗(yàn)總原理圖武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說明書4.Proteus原理圖繪制1.安裝好軟件后點(diǎn)擊桌面上圖標(biāo)進(jìn)入軟件環(huán)境。3.設(shè)置所需原件。單擊繪圖工具欄中的元件模式按鈕，進(jìn)入元件庫，找到對應(yīng)屬性的元件。需在元件庫中找出相應(yīng)阻值，電容，1.通過對象選擇器窗口單擊選擇相應(yīng)元件，在右側(cè)圖形編輯窗口中單元件的移動：用鼠標(biāo)左鍵按住元件拖曳。元件的旋轉(zhuǎn)：選定所需旋轉(zhuǎn)元件，單擊繪圖工具欄左右旋轉(zhuǎn)按鈕完元件的刪除：通過鼠標(biāo)左鍵選定要刪除的元件，點(diǎn)擊鍵盤上的delete鍵即可完成對應(yīng)武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說明書2.將鼠標(biāo)移至元件引腳處待出現(xiàn)紅色方框單擊鼠標(biāo)左鍵將鼠標(biāo)移至所需連接的另一元件管腳處待出現(xiàn)紅色方框后再次單擊鼠標(biāo)左鍵完成單根導(dǎo)線的連接。以此類推，按照實(shí)驗(yàn)原理圖放置元件并布線。引出節(jié)點(diǎn)：在所需引出節(jié)點(diǎn)導(dǎo)線處單擊鼠標(biāo)右鍵，移動鼠標(biāo)即可在該點(diǎn)設(shè)置節(jié)點(diǎn)并引出導(dǎo)線。3.完成電路布線后，為使電路更加緊湊有邏輯性，各功能區(qū)域明顯，應(yīng)對相應(yīng)元件或?qū)Ь€位置進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。元件位置調(diào)整：單擊相應(yīng)元件按住鼠標(biāo)左鍵并將元件拖曳至相應(yīng)位置后放開即可。導(dǎo)線間距的調(diào)整：將鼠標(biāo)移至要調(diào)整導(dǎo)線所連接的元器件，單擊該器件，相應(yīng)導(dǎo)線及元器件將變?yōu)檫x定狀態(tài)，將鼠標(biāo)移至該導(dǎo)線處出現(xiàn)左右(上下)調(diào)節(jié)標(biāo)志，按住鼠標(biāo)左鍵拖曳相應(yīng)導(dǎo)線到預(yù)定位置后放開，即可移動導(dǎo)線。添加示波器：在繪圖欄中選擇虛擬儀器菜單中的Oscilloscope(示波器)選項(xiàng)，將其放置到圖形編輯窗口，連接相應(yīng)導(dǎo)線至測試點(diǎn)。電路連接無誤，并且添加完示波器以后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，選定所需信號源及測試儀表，單擊仿真鍵仿真。觀察仿真波形，并選擇合適的周期，然后調(diào)節(jié)波形的幅值，以獲得清晰的波形。武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說明書實(shí)驗(yàn)選用Proteus軟件實(shí)現(xiàn)本電路圖的仿真。在電路原理圖中，將各元件合理安放，并將參數(shù)調(diào)試完畢，然后用示波器觀察各輸出參考點(diǎn)波形。由圖12可清楚看到uAM(t)和Uo的輸出端口，這樣便于將示波器上的波形與輸入輸出信號一一對應(yīng)。單擊開始按鈕，彈出示波器顯示窗格，調(diào)整周期與各幅值使各波形清新可見。仿真結(jié)果如圖14所示，各波形從上到下依次為：解調(diào)信號Uo,調(diào)制信號uAM(t),輸入信號Uc,輸入信號UΩ。將掃描周期改為100μs,觀察到的波形如下圖15所示，波形由上到下依次為：解調(diào)信號Uo,調(diào)制信號uAM(t),輸入信號Uc,輸入信號武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說明書然后緩慢調(diào)節(jié)滑動變阻器，觀察各波形的變化情況，發(fā)生失真時的波形記錄如下圖16所示：武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說明書圖17為變掃描周期后觀察到的波形武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說明書6.結(jié)果與分析6.1輸入信號的參數(shù)調(diào)制信號UQ:1V,600Hz。6.2AM調(diào)制信號產(chǎn)生電路因?yàn)閄通道輸入的是很大的信號，故Uo(t)=k2UyK2(wct),又由于是普通調(diào)頻，故輸入調(diào)制信號應(yīng)疊加在直流電壓E2上，即Uy(t)=E2+UΩ(t),而E2=-8V,不小于UQ(t)的最大幅值，顯然調(diào)制指數(shù)不大于1。由于fc=25kHz,fΩ=600Hz,所以用帶通濾波器很容易取出其中的普通調(diào)幅信號頻譜而濾除fc的三次及其以上奇次諧波周圍的無用頻譜。1)檢波二極管通常選正向電阻小(500Ω以下)、反向電阻大(500kΩ以上)、結(jié)電容小的點(diǎn)接觸型鍺二極管，注意最高工作頻率應(yīng)滿足要求。3)設(shè)R17/R18=0.2,則R17=R/6R≤63kΩ。因?yàn)闄z波器的輸入電阻Ri不應(yīng)太小，而Ri=0.5R,所以R不能4)Cc的取值應(yīng)使低頻調(diào)制信號能有效的耦合到RL上，故取由此可見：調(diào)幅指數(shù)越大，調(diào)制信號的頻率越高，時間常數(shù)RC的允許值越小。武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說明書武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)