高频电子线路课程设计同步解调电路设计.doc

课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 电信0901 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目 六：同步解调电路设计初始条件：具较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；具备高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力；能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、采用晶体管或集成电路完成一个同步解调电路的设计。2、电源电压Vcc 12V，VEE 8V;3、输入双或单边带信号，输出解调信号；4、完成课程设计报告（应包含电路图，清单、调试及设计总结）。时间安排： 二十周一周，其中4天硬件设计与制作，3天软、硬件调试及答辩。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录摘要I1.绪论12.功能分析及方案对比22.1 同步检波器功能分析22.2 设计方案对比33.单元电路设计63.1 元器件选择63.2单元电路设计74.电路总图105.工作原理及仿真分析115.1基本工作原理115.2 仿真波形图及结果分析126.元器件清单147.设计体会15参考文献16摘要振幅调制信号的解调过程称为检波。有载波振幅调制信号的包络直接反映调制信号的变化规律，可以用二极管包络检波的方法进行检波。而抑制载波的双边带或单边带振幅调制信号的包络不能直接反映调制信号的变换规律，无法用包络检波进行解调，所以要采用同步检波方法。同步检波器主要是用于对DSB和SSB信号进行解调（当然也可以用于AM）。它的特点是必须加一个与载波同频同相的恢复载波信号。外加载波信号电压加入同步检波器的方法有两种。利用模拟乘法器的相乘原理，实现同步检波是很简单的，利用抑制载波的双边带信号Vs（t）,和输入的同步信号（即载波信号）Vc（t），经过乘法器相乘，可得输出信号，实现了双边带信号解调。关键字：同步解调，EWB仿真同步解调电路设计1.绪论 课程设计作为高频电子线路课程的重要组成部分，目的是一方面使我们能够进一步理解课程内容，基本掌握数字系统设计和调试的方法，增加集成电路应用知识，培养我们的实际动手能力以及分析、解决问题的能力。另一方面也可使我们更好地巩固和加深对基础知识的理解，学会设计中小型高频电子线路的方法，独立完成调试过程，增强我们理论联系实际的能力，提高电路分析和设计能力。通过实践引导我们在理论指导下有所创新，为专业课的学习和日后工程实践奠定基础。 通过设计，一方面可以加深我们的理论知识，另一方面也可以提高我们考虑问题的全面性，将理论知识上升到一个实践的阶段。 2.功能分析及方案对比 2.1 同步检波器功能分析 根据高频电子线路理论分析,双边带信号DSB,就是抑制了载波后的调制信号,它的有用信号成分以边带形式对称地分布在被抑制载波的两侧。由于有用信号所在的双边带调制信号的上、下边频功率之和只有载波功率的一半,即它只占整个调幅波功率1/3，实际运用中,调制度 在0.11之间变化,其平均值仅为0.3,所以边频所占整个调幅波的功率还要小。为了节省发射功率和提高有限频带资源的利用率,一般采用传送抑制载波的单边带调制信号SSB,单边带调制信号已经包含了所有有用信号成分,电视信号采用残留单边带发送图像的调幅信号就是其中一例。而要实现对抑制载波的双边带调制信号DSB或单边带调制信号SSB进行解调,检出我们所需要的调制有用信号,不能用普通的二极管包络检波电路,而需要用同步检波电路。 同步检波电路与包络检波不同,检波时需要同时加入与载波信号同频同相的同步信号。利用乘法器可以实现调幅波的乘积检波功能,普通调幅电压乘积器的原理框图如图2.1所示。 图2.1 普通调幅电压乘积器原理框图图2.1中,设输入信号为普通调幅信号: （2.1）限幅器输出为等幅载波信号 ,乘法器将两输入信号进行相乘后输出信号为: （2.2） （条件：为大信号） 再通过低通滤波器作为乘法器的负载,将所有高频分量去除,并用足够大的电容器隔断直流分量,就可以得到反映调制规律的低频电压。2.2 设计方案对比 根据功能分析，可知同步检波必须外加一个与载波同频同相的恢复载波信号。外加载波信号电压家人同步检波器有两种方法：乘积型和叠加型。 方案一 乘积型同步检波器 这种方法是将外加载波信号电压与接收信号在检波器中相乘，再经过低通滤波器，最后检出原调制信号，如图2.2所示。图2.2乘积型同步检波器 设输入的已调波为载波分量被抑制的DSB信号u1为： （2.3） 本地载波电压： （2.4） 上两式中，即本地载波的角频率等于输入信号的角频率，它们的相位不一定相同 （2.5） 低通滤波器滤除2附近的频率分量后，得到频率为的低频信号： （2.6） 由上式可见，低频信号的成正比。当=0时，低频信号电压最大，随着相位差变大，输出电压变小。所以我们不但要求本地载波与输出信号载波的角频率必须相等。可以采用平衡或环形调节器来做同步检波器，如图2.3所示；也可以用模拟乘法器，如图4.1所示。 图2.3 二极管环形同步检波器方案二 叠加型同步检波器叠加型是将外加载波信号与接收信号相加，经过包络检波器取出原调制信号，原理框图如图2.4所示。图2.4 叠加型同步检波器原理图设u1为单边带信号U1cos（w1+）t，uc为本振电压Uccosw1t。则合成的输出信号为：u2=u2+uc （2.7）由此可见，合成信号的包络Um和相角都受到调制信号的控制，所以包络检波器构成的同步检波器检出的调制信号会有失真，这样会有很大的干扰。输出信号也会产生起伏性衰减，从而影响解调质量。 方案三 集成XFC1596同步检波器 集成XFC1596同步检波器特点： R1，R2，R3对压控吉尔伯特电路T1T4偏置，并防止T1T4 进入饱和，其他电阻保证T5T6工作在放大区；12V单电源供电，能采用电阻分压网络； vs为很小的信号，所以即可以得到线性检波，其电路图如图2.5所示。图2.5 集成XFC1596同步检波器 以上三种方式都要接收端恢复载波支持，恢复载波性能的好坏，直接影响到接收机解调性能的优劣。乘积型同步检波是直接把本地恢复载波与接收信号相乘，用低通滤波器将低频信号提取出来。在这种检波器中，要求恢复载波与发端载波同频同相。如果频率或相位有一定的偏差将会恢复出来的解调信号失真。叠加型同步检波将DSB或SSB信号插入恢复载波，使之成为近似AM信号，利用包络检波器将其解调出来。对于DSB信号而言，只要加入恢复载波电压在数值上满足一定的关系，就可以得到一个不失真的AM波。在SSB模式，接收机采用高稳定度振荡器产生制定频率的恢复载波，要使恢复载波与原载波信号严格同步是不可能的，只要频率和相位的不同步量限制在允许的范围内还原出原调制信号的失真还是可以容忍的。经上述对比，从考虑抗干扰的角度出发选择方案一。3.单元电路设计 3.1 元器件选择根据上述对比，采用乘积型同步检波器。此电路中最关键的电子元件是乘法器，这里我们选择的是集成模拟乘法器，集成模拟乘法器是完成两个模拟信号（电流或电压）相乘的电子器件。采用集成模拟乘法器实现上述功能比采用分立器件要简单的多，而且性能优越。从价格和性能的角度我们选择MC1496芯片实现模拟乘法器功能。MC1496是爽平衡四象限模拟乘法器，VT1、VT2与VT3、VT4组成双差分对放大器。其内部结构如图3.1所示。 图3.1 MC1496的内部电路及引脚图 静态工作点设置MC1496可以采用单电源供电，也可以采用双电源供电。器件的静态工作点由外接元件确定。、静态偏置电压的确定静态偏置电压的设置应保证各个晶体管工作在放大状态，即晶体管的集基极间的电压应大于或等于2V，小于或等于最大允许工作电压。根据MC1496的特性参数，对于图7-1所示的内部电路，应用时，静态偏置电压（输入电压为0时）应满足下列关系，即 (3.1) (3.2) 、静态偏置电压的确定一般情况下，晶体管的基极电流很小，对于图7-1（a），三对差分放大器的基极电流、和可以忽略不记，因此器件的静态偏置电流主要由恒流源的值确定。当器件为单电源工作时，引脚14接地，5脚通过一电阻R5接正电源（+UCC的典型值为+12V），由于是的镜像电流，所以改变电阻R5可以调节的大小，即 PD=2I5(V6-V14)+I5(V5-V14) （3.3) 根据MC1496的性能参数，器件的静态电流应小于4mA，一般Io=I5=1mA。器件的总散耗功率可以由下式估算出PD应小于器件的最大散耗功率为33mW。 3.2单元电路设计 3.2.1 调幅信号发生器要实现同步检波，首先应该得到DSB信号。这里采用将高频载波信号与低频调制信号根据公式2.1可知，两者像乘的结果中包含我们所需的高频已调信号cos（w+)t或cos（w-)t，即可将低频信号频谱搬移到高频端，从而实现调制。图3.2 调幅信号发生电路原理图 图3.2中乘法器采用模拟乘法器MC1496及外接偏置电路、旁路电路组成。其内部结构如图3.3所示。芯片2 3管脚之间接入1k负反馈电阻，以扩展调制信号的线性动态范围，其阻值越大，线性范围增大，但乘法器的增益随之减小。电阻R9、R10提供静态偏置电压，保证乘法器内部的各个晶体管的工作在放大状态。电阻R1、R2及滑动变阻器RP组成平衡调节电路，改变滑动变阻器的值可以使乘法器实现抑制载波的振幅调制或有载波的振幅调制。调节此滑动变阻器可以改善波形的对称型，为了得到抑制载波双边带信号可将滑动变阻器调制50%。 图3.3 MC1496构成的调幅器 （a）抑制载波的双边带调幅 （b）有载波调幅波图3.4 乘法器输出的调幅波3.2.2 同步检波电路根据公式2.3可知，要实现同步检波需将与高频载波同频的同步信号与已调信号相乘，实现同步解调。经过低通滤波器滤除2附近的频率分量后，得到频率为的低频信号： （3.4）同步检波亦采用模拟乘法器MC1496将同步信号与已调信号相乘，其电路图如图3.5所示。端输入同步信号或载波信号，端输入已调波信号，输出端接有电阻R11、C6组成的低通滤波器和1uF的隔直电容，所以该电路对有载波调幅信号及抑制载波的调幅信号均可实现解调，但要合理的选择低通滤波器的截止频率。 图3.5 同步检波电路调节平衡电位器RP,使输出,即为平衡状态.再从端输入有载波的调制信号。调制度，这时乘法器的输出经低通滤波器后的输出，经隔直电容后的输出的波形分别如图3.6（a）所示。调节电位器RP可使输出波形的幅度增大，波形失真减小。若为抑制载波的调制信号，经MC1496同步检波后的输出波形如图3.6（b）所示。 (a)有载波信号调制 （b）抑制载波调制信号 图3.6 同步检波输出波形4.电路总图根据上述单元电路设计从而得到整体电路图，如图4.1所示。限于尺寸大小在这里将调幅信号发生器发生器电路封装起来,如图中DSB模块，其内部结构如图4.2所示。图4.1 同步检波整体电路图图4.2 DSB模块内部结构5.工作原理及仿真分析 5.1基本工作原理在模拟乘法器MC1496的一个输入端输入振幅调制信号如抑制载波的双边带信号，另一输入端输入同步信号（即载波信号），经乘法器相乘，由式（7-9）可 得输出信号U0（t）为（条件：，为大信号） （5.1）上式中，第一项是所需要的低频调制信号分量，后两项为高频分量，可用低通滤波器滤掉，从而实现双边带信号的解调。 若输入信号为单边带振幅调制信号，即 ，则乘法器的输为： （5.2）上式中，第一项是所需要的低频调制信号分量，第二项为高频分量，也可以被低通滤波器滤掉。如果输入信号为有载波振幅调制信号，同步信号为载波信号,利用乘法器的相乘原理，同样也能实现解调。设， 则输出电压为+ (条件：，为大信号) （5.3） 上式中，第一项为直流分量，第二项是所需要的低频调制信号分量，后面三项为高频分量，利用隔直电容及低通滤波器可滤掉直流分量及高频分量，从而实现了有载波振幅调制信号的解调。5.2 仿真波形图及结果分析运用EWB仿真软件对如图4.1电路进行仿真,从示波器中观察得到如图5.1（a）、(b)、(c)波形图。图（a）、（b）为调幅信号，（c）为检波得到信号与原始信号。（a） DSB信号与调制信号（b）AM信号与调制信号（c） 检波信号与原始调制信号图5.1 EWB中示波器显示波形结果分析 调节如图3.3电路中RP的滑动比例可以调节调幅信号的调幅度，将比例调到80%即可得到如图5.1（b）的AM信号。利用公式5.3可将有载波振幅调制信号的所需要的低频调制信号分量解调出来。由图可以看出AM信号的包络与调制信号相同，经过解调可以得到如图5.2（c）的检波信号。将比例调到50%，使乘法器偏执电路处于平衡状态，可以得到调幅度为1的抑制载波信号，即DSB信号，其波形如图5.1（a）所示。如图5.1（c）所示两波形存在相位差异，这是由于载波信号与同步信号存在相位差异，但不会影响信号的传输，信号的失真程度在允许的范围之内，由此可知所设计的电路图符合设计要求，能达到所需要的各种参数。6.元器件清单表6.1 元器件清单 元件名称 个数/个 51电阻 1 100电阻 1 910电阻 2 1k电阻 5 3.3k电阻 2 6.8k电阻 1 10k滑动变阻器 1 0.01uF电容 5 0.1uF电容 4 20uF电容 1 MC1496芯片 1 7.设计体会 本次课程设计是收获很大的一次课程设计。利用所学知识惊喜电子线路设计是我们将来必需的技能，这次课程设计恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的机会，从到图书馆查找资料到对电路的设计对电路的仿真再到最后电路的成型，都对我所学的知识进行了检验。可以说，本次课程设计有苦也有甜。 本次课程设计选取的是书本上现成的电路原理图 ，在设计方面相对而言比较容易，但是在制作仿真过成和做设计报告的过程中确实遇到了很多的问题，而这些问题正是我们今后学习工作的重点问题或者说是应该是必须掌握的技能。首先，设计思路是最重要的，只要你的设计思路是成功的，那你的设计已经成功了一半。因此我们应该在设计前做好充分的准备，像查找详细的资料，为我们设计的成功打下坚实的基础。 其次，在电脑上调试比较慢，又要求我们有一个比较正确的调试方法，像把频率调快等等。这又要我们要灵活处理，在不影响试验的前提下可以加快进度。 要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有耐心，要有坚韧的毅力。设计过程中，我深刻的体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当烦琐，有时花很长时间设计出来的电路还是需要重做，那时心中未免有点灰心，有时还特别想放弃，此时更加需要静下心，查找原因。分析问题的原因以及可能出现问题的地方，在此期间是考验我们学习能力的最关键的时刻，同时也是获取经验的最好的途径。这位今后的工作奠定了坚实的基础，也