AM调制解调电路的设计与仿真报告.doc-资料库

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武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书 1

武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书 1．Proteus 软件简介 Proteus 软件是英国 LABCENTERELECTRONICS 公司出版的 EDA 工具软件。它不仅具有其它 EDA 工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。Proteus 是世界上著名的 EDA 工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到 PCB 设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。 Proteus 软件具有 4 大功能模块：智能原理图设计、完善的电路仿真功能、独特的单片机协同仿真功能、实用的 PCB 设计平台。由于 Proteus 软件界面直观、操作方便、仿真测试和分析功能强大，因此非常适合电子类课程的课堂教学和实践教学，是一种相当好的电子技术实训工具，同时也是学生和电子设计开发人员进行电路仿真分析的重要手段。 Proteus 软件具有其它 EDA 工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是：（1）原理布图（2）PCB 自动或人工布线（3）SPICE 电路仿真革命性的特点（1）互动的电路仿真用户甚至可以实时采用诸如 RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分 SPI 器件，部分 IIC 器件。（2）仿真处理器及其外围电路可以仿真 51 系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus 建立了完备的电子设计开发环境。本次 Proteus 课程设计实现 AM 调制解调电路的原理图绘制以及电路的仿真。运用由三极管组成的乘法器调制出 AM 信号，再经非线性元件二极管与电容等组成的包络检波电路解调得到解调信号。 2

武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书 2．AM 调制解调电路基本原理 2.1 振幅调制电路 2.1.1 振幅调制 AM 调制也称普通调幅波，已调波幅度将随调制信号的规律变化而线性变化，但载波频率不变。设载波是频率为ωc 的余弦波： uc(t)=Ucmcosωct, 调制信号为频率为Ω的单频余弦信号，即 UΩ(t)=UΩmcosΩt(Ωωc),则普通调幅波信号为: uAM(t)= (Ucm+kUΩm cos Ωt)cosωct = Ucm(1+MacosΩt)cosωct （1） ——式中：Ma＝kUΩm/Ucm，称为调幅系数或调幅度 AM 调制信号波形如图 1 所示：图 1.普通调幅波形显然 AM 波正负半周对称时：MaUcm＝Umax－Ucm ＝Ucm－Umin，调幅度为：Ma=( Umax－Ucm )∕Ucm =( Ucm－Umin )∕Ucm。 Ma＝0 时，未调幅状态 Ma＝1 时，满调幅状态（100％），正常 Ma 值处于 0～1 之间。 Ma>1 时，普通调幅波的包络变化与调制信号不再相同，会产生失真，称为过调幅现象。所以，普通调幅要求 Ma 必须不大于 1。图 2 所示为产生失真时的波形。 3

武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书 2.1.2 振幅调制电路的组成模型图 2.Ma>1 时的过调制波形从调幅波的表达式（1）可知，在数学上调幅电路的组成模型，可以由一个相乘器和一个相加器组成。如图 3 所示：图 3.低电平调幅原理图 2.2 振幅解调电路 2.2.1 包络检波原理振幅解调是振幅调制的逆过程，从频谱的角度看就是将有用信号从高频段搬到低频段。而要完成频谱搬移（有新频率产生），电路中必须要有非线性器件。一般情况下，AM 波采用包络检波即峰值检波的方式实现解调。即包络检波就是从 AM 波中还原出原调制信号的过程。 4

武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书设输入普通调幅信号 uAM（t）如（1）式所示，图 4 中非线性器件工作在开关状态，则非线性器件输出电流为：io(t)=guAM(t)·K1（ωct） 2 =gUcm(1+MacosΩt)cosωct· n  式中： g——非线性器件伏安特性曲线斜率。   1[ 2 )1(  2( )1  n  1 n  1  cos( 2 n  )1 tw c ] 可见 io 中含有直流，Ω，ωc，ωc±Ω以及其它许多组合频率分量，其中的低频分量是 gUm(1+MscosΩt)∕Π。用低通滤波器取出 io 中这一低频分量，滤除ωc-Ω及其以上的高频分量，就可以恢复与原调制信号 U（t）成正比的单频信号了。图 4 中（a）图为包络检波电路的组成模型，（b）图则为包络检波还原信号的波形变化过程图 4.包络检波原理图和频谱的变化情况。 2.2.2 检波器的性能指标二极管峰值包络检波器的性能指标主要有检波效率（电压传输系数）Kd、输入电阻 Ri、惰性失真和底部切割失真几项。 1. 检波效率检波效率是指检波器的输出电压和输入高频电压振幅之比。直流传输系数：Kd=Uo∕Um；其中，Uo 为输出直流电压，Um 为输入高频载波幅度；mUc 为输出解调信号幅度，UΩ为包络幅度。由以上关系可知，检波效率 Kd 越大越好。交流传输系数：Kd=UΩ/mUc。 2. 等效输入电阻由于二极管在大部分时间处于截止状态, 仅在输入高频信号的峰值附近才导通, 所以检波器的瞬时输入电阻是变化的。检波器的前级通常是一个调谐在载频的高 Q 值谐振回 5

武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书路，检波器相当于此谐振回路的负载。为了研究检波器对前级谐振回路的影响, 故定义检波器等效输入电阻 Ri=Uim∕Iim，其中 Uim 是输入等幅高频电压振幅，Iim 是输入高频电流的基波振幅。经分析可知，检波器对前级谐振回路等效电阻的影响是并联了一个阻值为 Ri 的电阻。 3. 惰性失真在调幅波包络线下降部分, 若电容放电速度过慢, 导致 uo 的下降速率比包络线的下降速率慢, 则在紧接其后的一个或几个高频周期内二极管上为负电压, 二极管不能导通, 造成 Uo 波形与包络线的失真。由于这种失真来源于电容来不及放电的惰性, 故称为惰性失真。要避免惰性失真, 需要满足的条件是 RC≤ M 2 a 4. 底部切割失真 max 1 M   a 由交直流负载不同引起。直流负载为 R，交流负载 R’是 R 与 RL 的并联。不失真的条件是 Ma≤R’/R。负载切割失真在整个调制频率范围内都可能出现。图 5.底部切割失真波形 6

武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书 3．各组成部分的工作原理 3.1 调制电路的工作原理 3.1.1 单片集成模拟乘法器模拟乘法器是低电平调幅电路的常用器件, 它不仅可以实现普通调幅, 也可以实现双边带调幅与单边带调幅。既可以用单片集成模拟乘法器来组成低电平调幅电路, 也可以直接采用含有模拟乘法器部分的专用集成调幅电路。模拟乘法器可实现输出电压为两个输入电压的线性积, 典型应用包括：乘、除、平方、均方、倍频、调幅、检波、混频、相位检测等。单片集成模拟乘法器种类较多, 由于内部电路结构不同, 各项参数指标也不同。在选择时应该以下主要参数：工作频率范围、电源电压、输入电压动态范围、线性度等。本次 AM 调制实验中选择的是 MC1596 模拟乘法器，其主要特性参数如下：电源电压：V+＝12V，V-＝-8V；输入电压动态范围：-26mV≤Ux≤26mV，-4V≤Uy≤4V；输出电压动态范围：±4V； 3dB 带宽：300MHz。 MC1596 是以双差分电路为基础, 在 Y 输入通道加入了反馈电阻, 故 Y 通道输入电压动态范围较大, X 通道输入电压动态范围很小。通常 X 通道作为载波或本振的输入端, 而调制信号或已调波信号从 Y 通道输入。当 X 通道输入是小信号(小于 26 mV)时, 输出信号是 X、Y 通道输入信号的线性乘积。当 X 通道输入是频率为ωc 的单频很大信号时(大于 260 mV), 根据双差分模拟乘法器原理，输出信号应是 Y 通道输入信号和双向开关函数 K2(ωct)的乘积：两种情况均可实现调幅。图 6 是 MC1596 内部电路图。 7

武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书 3.1.2 模拟乘法器调幅电路图 6.MC1596 内部电路图图 7.MC1596 组成的普通调幅电路 Y 通道两输入端 1、4 脚之间外接有调零电路, 可通过调节 50kΩ电位器使 1 脚电位比 4 脚高 Uy, 调制信号 uΩ(t)与直流电压 Uy 迭加后输入 Y 通道。调节电位器可改变调制指数 Ma。输出端 6、12 脚外应接调谐于载频的带通滤波器。2、3 脚之间外接 Y 通道负反馈 8

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