模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)AM調(diào)制解調(diào)電路的設(shè)計(jì)仿真與實(shí)現(xiàn)

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(shuō)明書(shū)1proteus軟件簡(jiǎn)介proteus軟件是英國(guó)labcenterelectronics公司出版的eda工具軟件。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)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到pcb設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。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(tái)。由于proteus軟件界面直觀、操作方便、仿真測(cè)試和分析功

2、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(shí)也是學(xué)生和電子設(shè)計(jì)開(kāi)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。這些功能是：（1）原理布圖（2）pcb自動(dòng)或人工布線（3）spice電路仿真革命性的特點(diǎn)（1）互動(dòng)的電路仿真用戶甚至可以實(shí)時(shí)采用諸如ram，rom，鍵盤(pán)，馬達(dá)，led，lcd，ad/da，部分spi器件，部分iic器件。（2）仿真處理器及其外圍電路可以仿真51系列、avr、pic、arm、等常用主流單片機(jī)。還可以直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)行后輸入輸出

3、的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，proteus建立了完備的電子設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)境。本次proteus課程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)am調(diào)制解調(diào)電路的原理圖繪制以及電路的仿真。運(yùn)用由三極管組成的乘法器調(diào)制出am信號(hào)，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(hào)。2am調(diào)制解調(diào)電路基本原理2.1振幅調(diào)制電路2.1.1振幅調(diào)制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(hào)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c的余弦波： uc(t)=ucmcosct, 調(diào)制信號(hào)為頻率為的單頻余弦信號(hào)，即u(t)=umcost(c),則普通調(diào)幅波信號(hào)為:uam(t)= (ucm+kum cos

4、 t)cosct = ucm(1+macost)cosct （1）式中：makum/ucm，稱為調(diào)幅系數(shù)或調(diào)幅度am調(diào)制信號(hào)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(duì)稱時(shí)：maucmumaxucm ucmumin，調(diào)幅度為：ma=( umaxucm )ucm =( ucmumin )ucm。ma0時(shí)，未調(diào)幅狀態(tài)ma1時(shí)，滿調(diào)幅狀態(tài)（100），正常ma值處于01之間。ma1時(shí)，普通調(diào)幅波的包絡(luò)變化與調(diào)制信號(hào)不再相同，會(huì)產(chǎn)生失真，稱為過(guò)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(shí)的波形。圖2.ma1時(shí)的過(guò)調(diào)制波形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（

5、1）可知，在數(shù)學(xué)上調(diào)幅電路的組成模型，可以由一個(gè)相乘器和一個(gè)相加器組成。如圖3所示：圖3.低電平調(diào)幅原理圖2.2振幅解調(diào)電路2.2.1包絡(luò)檢波原理振幅解調(diào)是振幅調(diào)制的逆過(guò)程，從頻譜的角度看就是將有用信號(hào)從高頻段搬到低頻段。而要完成頻譜搬移（有新頻率產(chǎn)生），電路中必須要有非線性器件。一般情況下，am波采用包絡(luò)檢波即峰值檢波的方式實(shí)現(xiàn)解調(diào)。即包絡(luò)檢波就是從am波中還原出原調(diào)制信號(hào)的過(guò)程。設(shè)輸入普通調(diào)幅信號(hào)uam（t）如（1）式所示，圖4中非線性器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，則非線性器件輸出電流為：io(t)=guam(t)k1（ct）=gucm(1+macost)cosct式中： g非線性器件伏安特性曲線斜

6、率。可見(jiàn)io中含有直流，c，c以及其它許多組合頻率分量，其中的低頻分量是gum(1+mscost)。用低通濾波器取出io中這一低頻分量，濾除c-及其以上的高頻分量，就可以恢復(fù)與原調(diào)制信號(hào)u（t）成正比的單頻信號(hào)了。圖4.包絡(luò)檢波原理圖圖4中（a）圖為包絡(luò)檢波電路的組成模型，（b）圖則為包絡(luò)檢波還原信號(hào)的波形變化過(guò)程和頻譜的變化情況。2.2.2檢波器的性能指標(biāo)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。直流傳輸系數(shù)：kd=uoum； 交流傳輸系數(shù)：kd=u/muc。其

7、中，uo為輸出直流電壓，um為輸入高頻載波幅度；muc為輸出解調(diào)信號(hào)幅度，u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(shí)間處于截止?fàn)顟B(tài), 僅在輸入高頻信號(hào)的峰值附近才導(dǎo)通, 所以檢波器的瞬時(shí)輸入電阻是變化的。檢波器的前級(jí)通常是一個(gè)調(diào)諧在載頻的高q值諧振回路，檢波器相當(dāng)于此諧振回路的負(fù)載。為了研究檢波器對(duì)前級(jí)諧振回路的影響, 故定義檢波器等效輸入電阻ri=uimiim，其中uim是輸入等幅高頻電壓振幅，iim是輸入高頻電流的基波振幅。經(jīng)分析可知，檢波器對(duì)前級(jí)諧振回路等效電阻的影響是并聯(lián)了一個(gè)阻值為ri的電阻。 3. 惰性失真在調(diào)幅波包絡(luò)線下降部分,

8、若電容放電速度過(guò)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(gè)或幾個(gè)高頻周期內(nèi)二極管上為負(fù)電壓, 二極管不能導(dǎo)通, 造成uo波形與包絡(luò)線的失真。由于這種失真來(lái)源于電容來(lái)不及放電的惰性, 故稱為惰性失真。要避免惰性失真, 需要滿足的條件是rc4. 底部切割失真由交直流負(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mar/r。負(fù)載切割失真在整個(gè)調(diào)制頻率范圍內(nèi)都可能出現(xiàn)。圖5.底部切割失真波形3各組成部分的工作原理3.1調(diào)制電路的工作原理3.1.1單片集成模擬乘法器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

9、帶調(diào)幅。 既可以用單片集成模擬乘法器來(lái)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)幅電路。模擬乘法器可實(shí)現(xiàn)輸出電壓為兩個(gè)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(cè)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(shí)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(dòng)態(tài)范圍、線性度等。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)如下：電源電壓：v+12v，v-8v；輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍：-26mvux26mv，-4vuy4v；輸出電壓動(dòng)態(tài)范圍：4v；3db帶寬：300mhz。mc

10、1596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(dòng)態(tài)范圍較大, x通道輸入電壓動(dòng)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(hào)或已調(diào)波信號(hào)從y通道輸入。當(dāng)x通道輸入是小信號(hào)(小于26 mv)時(shí), 輸出信號(hào)是x、y通道輸入信號(hào)的線性乘積。當(dāng)x通道輸入是頻率為c的單頻很大信號(hào)時(shí)(大于260 mv), 根據(jù)雙差分模擬乘法器原理，輸出信號(hào)應(yīng)是y通道輸入信號(hào)和雙向開(kāi)關(guān)函數(shù)k2(ct)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。圖6.mc1596內(nèi)部電路圖3.1.2模擬乘法器調(diào)幅電路圖7.mc1596組成的普通調(diào)幅電路 y通道兩輸入端1、4腳之間外

11、接有調(diào)零電路, 可通過(guò)調(diào)節(jié)50k電位器使1腳電位比4腳高uy, 調(diào)制信號(hào)u(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)反饋電阻。3.1.3實(shí)驗(yàn)采用的調(diào)幅電路實(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：圖8.am調(diào)制電路3.2包絡(luò)檢波電路3.2.1二極管包絡(luò)檢波電路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。圖9.二極管檢波電路當(dāng)輸入的am波的幅度足夠大時(shí)，假設(shè)二極管起理想開(kāi)關(guān)的作用，則am波經(jīng)過(guò)二極管后am波的負(fù)半周被削

12、去，只剩下幅度按調(diào)制信號(hào)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(hào)u（t）分量，完成解調(diào)過(guò)程。如果輸入是高頻等幅波，則檢波輸出就是直流電壓，這就可以作為接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)指示。圖10.檢波輸出波形3.2.2實(shí)驗(yàn)采用的包絡(luò)檢波電路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(guò)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(hào)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：c=0.01f，r1=1k，r2=5k，cc=47

13、f，rl=10k圖11.改進(jìn)后的二極管峰值包絡(luò)檢波器3.3實(shí)驗(yàn)總原理圖綜合以上的原理，可以得到實(shí)驗(yàn)總電路圖，如圖12所示：圖12.實(shí)驗(yàn)總原理圖4proteus原理圖繪制4.1 準(zhǔn)備畫(huà)圖1.安裝好軟件后點(diǎn)擊桌面上圖標(biāo)進(jìn)入軟件環(huán)境。2.在看是菜單中找到proteus圖標(biāo)單擊，進(jìn)入proteus操作界面。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(kù)，在元件庫(kù)中通過(guò)搜索欄中分別鍵入cap電容、res電阻、pot-hg滑動(dòng)變阻器、2n1711型npn三極管、1n914二極管、lt1014a運(yùn)放、alternator找到對(duì)應(yīng)屬性的元件。需在元件庫(kù)中找出相應(yīng)阻值，電容，電感的元件。圖13.p

14、roteus元件選擇框4.2放置元件及排版1.通過(guò)對(duì)象選擇器窗口單擊選擇相應(yīng)元件，在右側(cè)圖形編輯窗口中單擊左鍵放置元件。元件的移動(dòng)：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)按鈕完成旋轉(zhuǎn)。元件的刪除：通過(guò)鼠標(biāo)左鍵選定要?jiǎng)h除的元件，點(diǎn)擊鍵盤(pán)上的delete鍵即可完成對(duì)應(yīng)元器件的刪除。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(dòng)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

15、路更加緊湊有邏輯性，各功能區(qū)域明顯，應(yīng)對(duì)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：?jiǎn)螕粝鄳?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(kāi)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(kāi)，即可移動(dòng)導(dǎo)線。4.3模擬及仿真添加示波器：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(cè)試點(diǎn)。電路連接無(wú)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(hào)源及測(cè)試儀表，單擊仿真鍵仿真。觀察仿真波形，并選擇合適

16、的周期，然后調(diào)節(jié)波形的幅值，以獲得清晰的波形。5proteus電路的仿真實(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(hào)一一對(duì)應(yīng)。單擊開(kāi)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(jiàn)。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(hào)uo，調(diào)制信號(hào)uam(t)，輸入信號(hào)uc，輸入信號(hào)u。圖14.仿真得到的波形 將掃描周期改為100s，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(hào)uo，調(diào)制信號(hào)uam(

17、t)，輸入信號(hào)uc，輸入信號(hào)u。圖15然后緩慢調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，觀察各波形的變化情況，發(fā)生失真時(shí)的波形記錄如下圖16所示：圖16 圖17為變掃描周期后觀察到的波形圖176結(jié)果與分析6.1輸入信號(hào)的參數(shù)載波信號(hào)uc ：8v，25khz；調(diào)制信號(hào)u：1v，600hz。6.2 am調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路因?yàn)閤通道輸入的是很大的信號(hào)，故uo(t)=k2uyk2(ct)，又由于是普通調(diào)頻，故輸入調(diào)制信號(hào)應(yīng)疊加在直流電壓e2上，即uy(t)=e2+u(t)，而e2=-8v，不小于u(t)的最大幅值，顯然調(diào)制指數(shù)不大于1。由于fc=25khz，f=600hz，所以用帶通濾波器很容易取出其中的普通調(diào)幅信號(hào)頻譜而濾除f

18、c的三次及其以上奇次諧波周圍的無(wú)用頻譜。6.3包絡(luò)檢波電路1) 檢波二極管通常選正向電阻小(500以下)、 反向電阻大(500k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。 2) rc時(shí)間常數(shù)應(yīng)同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件: 電容c對(duì)載頻信號(hào)應(yīng)近似短路, 故應(yīng)有 , 通常取 ; 為避免惰性失真,應(yīng)有rc ，代入已知條件,可得(1734)10-6rc0.1510-3 3）設(shè)r17r18=0.2，則r17=r/6，r18=5r/6。為避免底部切割失真，應(yīng)有mar/r，其中r=r17+r18rl/(r18+rl)。代入已知條件, 可得r63 k。因?yàn)闄z波器的輸入電阻ri不應(yīng)太小, 而ri=0.5r，所以r不能太小。取r=6k，另取c4=0.01f，這樣rc=0.0610-3，滿足對(duì)于時(shí)間常數(shù)的要求，因此，r17=1 k，r18=5 k。4）cc的取值應(yīng)使低頻調(diào)制信號(hào)能有效的耦合到rl上，故取c5=47f由此可見(jiàn)：調(diào)幅指數(shù)越大, 調(diào)制信號(hào)的