《模拟电子技术基础》课程设计-AM调制解调电路的设计仿真与实现.doc

武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书1Proteus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。2AM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c的余弦波： uc(t)=Ucmcosct, 调制信号为频率为的单频余弦信号，即U(t)=Umcost(c),则普通调幅波信号为:uAM(t)= (Ucm+kUm cos t)cosct = Ucm(1+Macost)cosct （1）式中：MakUm/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：MaUcmUmaxUcm UcmUmin，调幅度为：Ma=( UmaxUcm )Ucm =( UcmUmin )Ucm。Ma0时，未调幅状态Ma1时，满调幅状态（100），正常Ma值处于01之间。Ma1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。图2.Ma1时的过调制波形2.1.2 振幅调制电路的组成模型从调幅波的表达式（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。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（ct）=gUcm(1+Macost)cosct式中： g非线性器件伏安特性曲线斜率。可见io中含有直流，c，c以及其它许多组合频率分量，其中的低频分量是gUm(1+Mscost)。用低通滤波器取出io中这一低频分量，滤除c-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.包络检波原理图图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=UoUm； 交流传输系数：Kd=U/mUc。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，U为包络幅度。由以上关系可知，检波效率Kd越大越好。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=UimIim，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RC4. 底部切割失真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MaR/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：-26mVUx26mV，-4VUy4V；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c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(ct)的乘积：两种情况均可实现调幅。图6是MC1596内部电路图。图6.MC1596内部电路图3.1.2模拟乘法器调幅电路图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50k电位器使1脚电位比4脚高Uy, 调制信号u(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通道负反馈电阻。3.1.3实验采用的调幅电路实验中所用的AM调制电路是由图6和图7电路图组合而成的电路图，如下图8所示：图8.AM调制电路3.2包络检波电路3.2.1二极管包络检波电路AM波采用的解调电路为包络检波电路。包络检波电路通常采用二极管和RC滤波网络组成，如图9所示。图9.二极管检波电路当输入的AM波的幅度足够大时，假设二极管起理想开关的作用，则AM波经过二极管后AM波的负半周被削去，只剩下幅度按调制信号规律变化的一连串正半周余弦脉冲，如图10所示。将这一串余弦脉冲经RC滤波网络滤除高频分量后，就可取出调制信号U（t）分量，完成解调过程。如果输入是高频等幅波，则检波输出就是直流电压，这就可以作为接收信号的场强指示。图10.检波输出波形3.2.2实验采用的包络检波电路为了使二极管峰值包络检波器能正常工作, 避免失真, 实验过程中将普通二极管检波电路做了一些改进，因而实验选取的电路如图11所示。要求必须根据输入调幅信号的工作频率与调幅指数以及实际负载RL, 正确选择二极管和R1、R2和C、Cc的值。此次实验各元件的参数如下：C=0.01F，R1=1k，R2=5k，Cc=47F，RL=10k图11.改进后的二极管峰值包络检波器3.3实验总原理图综合以上的原理，可以得到实验总电路图，如图12所示：图12.实验总原理图4Proteus原理图绘制4.1 准备画图1.安装好软件后点击桌面上图标进入软件环境。2.在看是菜单中找到Proteus图标单击，进入Proteus操作界面。3.设置所需原件。单击绘图工具栏中的元件模式按钮，进入元件库，在元件库中通过搜索栏中分别键入CAP电容、RES电阻、POT-HG滑动变阻器、2N1711型NPN三极管、1N914二极管、LT1014A运放、ALTERNATOR找到对应属性的元件。需在元件库中找出相应阻值，电容，电感的元件。图13.Proteus元件选择框4.2放置元件及排版1.通过对象选择器窗口单击选择相应元件，在右侧图形编辑窗口中单击左键放置元件。元件的移动：用鼠标左键按住元件拖曳。元件的旋转：选定所需旋转元件，单击绘图工具栏左右旋转按钮完成旋转。元件的删除：通过鼠标左键选定要删除的元件，点击键盘上的delete键即可完成对应元器件的删除。2.将鼠标移至元件引脚处待出现红色方框单击鼠标左键将鼠标移至所需连接的另一元件管脚处待出现红色方框后再次单击鼠标左键完成单根导线的连接。以此类推，按照实验原理图放置元件并布线。引出节点：在所需引出节点导线处单击鼠标右键，移动鼠标即可在该点设置节点并引出导线。3.完成电路布线后，为使电路更加紧凑有逻辑性，各功能区域明显，应对相应元件或导线位置进行相应调整。元件位置调整：单击相应元件按住鼠标左键并将元件拖曳至相应位置后放开即可。导线间距的调整：将鼠标移至要调整导线所连接的元器件，单击该器件，相应导线及元器件将变为选定状态，将鼠标移至该导线处出现左右（上下）调节标志，按住鼠标左键拖曳相应导线到预定位置后放开，即可移动导线。4.3模拟及仿真添加示波器：在绘图栏中选择虚拟仪器菜单中的Oscilloscope（示波器）选项，将其放置到图形编辑窗口，连接相应导线至测试点。电路连接无误，并且添加完示波器以后，根据实验要求，选定所需信号源及测试仪表，单击仿真键仿真。观察仿真波形，并选择合适的周期，然后调节波形的幅值，以获得清晰的波形。5Proteus电路的仿真实验选用Proteus软件实现本电路图的仿真。在电路原理图中，将各元件合理安放，并将参数调试完毕，然后用示波器观察各输出参考点波形。由图12可清楚看到uAM(t)和Uo的输出端口，这样便于将示波器上的波形与输入输出信号一一对应。单击开始按钮，弹出示波器显示窗格，调整周期与各幅值使各波形清新可见。仿真结果如图14所示，各波形从上到下依次为：解调信号Uo，调制信号uAM(t)，输入信号Uc，输入信号U。图14.仿真得到的波形 将扫描周期改为100s，观察到的波形如下图15所示，波形由上到下依次为：解调信号Uo，调制信号uAM(t)，输入信号Uc，输入信号U。图15然后缓慢调节滑动变阻器，观察各波形的变化情况，发生失真时的波形记录如下图16所示：图16 图17为变扫描周期后观察到的波形图176结果与分析6.1输入信号的参数载波信号Uc ：8V，25kHz；调制信号U：1V，600Hz。6.2 AM调制信号产生电路因为X通道输入的是很大的信号，故Uo(t)=k2UyK2(ct)，又由于是普通调频，故输入调制信号应叠加在直流电压E2上，即Uy(t)=E2+U(t)，而E2=-8V，不小于U(t)的最大幅值，显然调制指数不大于1。由于fc=25kHz，f=600Hz，所以用带通滤波器很容易取出其中的普通调幅信号频谱而滤除fc的三次及其以上奇次谐波周围的无用频谱。6.3包络检波电路1) 检波二极管通常选正向电阻小(500以下)、 反向电阻大(500k以上)、结电容小的点接触型锗二极管, 注意最高工作频率应满足要求。 2) RC时间常数应同时满足以下两个条件: 电容C对载频信号应近似短路, 故应有 , 通常取 ; 为避免惰性失真,应有RC ，代入已知条件,可得(1734)10-6RC0.1510-3 3）设R17R18=0.2，则R17=R/6，R18=5R/6。为避免底部切割失真，应有MaR/R，其中R=R17+R18RL/(R18+RL)。代入已知条件, 可得R63 k。因为检波器的输入电阻Ri不应太小, 而Ri=0.5R，所以R不能太小。取R=6k，另取C4=0.01F，这样Rc=0.0610-3，满足对于时间常数的要求，因此，R17=1 k，R18=5 k。4）Cc的取值应使低频调制信号能有效的耦合到RL上，故取C5=47F由此可见：调幅指数越大, 调制信号的