高频课程设计AM波调制与解调

1、 高频电子线路课程设计报告（2014-2015年度第一学期） 题目： AM 波的调制与解调 学院： 信息科学技术学院 专业： 指导老师： 黄艳 2014年11月9日 目录1. 摘要.12.设计指标.13原理框图及概述.14.单元电路设计.2 4.1本地振荡器原理及真.2 4.2基极调幅原理及仿真.6 4.3包络检波器原理及仿真.10 4.4低通滤波器原理及仿真.175.问题与分析.196.评价.207.元件清单.208.参考文献.211、摘要本次课程设计，我组以AM波调制与解调电路设计为课题，借助Multisim仿真软件，运用本地振荡器产生高频载波，通过

2、基极调幅电路将调制信号附加在高频载波上调制 ，再用包络检波器解调，最后用低通滤波器滤除解调出来的信号里面的高频成分，并进行放大还原调制信号。首先进行单元电路设计，根据计算以及波形设置参数，进行仿真；然后将各单元电路进行整合，仿真，反复调试后，得出结果和心得体会。2、设计指标设计指标如下：输入调制信号：1KHZ 0.5V 正弦波载波信号 ：1MHZ 0.75V 正弦波 3、原理框图及概述 低频信号低通滤波包络检波基极调幅调制信号本地震荡高频载波调幅图3.1 AM波产生原理图调幅信号的时域表达式： （1）调幅信号的频域表达式： （2）图3.2 AM信号的波形和频谱由图3.2中时域波形可以看出，当满

3、足条件|m(t)|max时，调幅波的包络与调制信号波形完全一致，因此用包络检波法将会很容易恢复出原始调制信号。4、单元电路设计4.1、本地振荡器原理及仿真我们采用的是电容反馈式三端振荡器来产生一个1MHz的等幅振荡波，用来作为调制解调系统中的高频载波，并利用耦合电感输出高频载波。要想构成一个振荡器就必须包括一套振荡回路（LC振荡回路），一个能量来源（直流电源），一个控制设备（晶体管和正反馈电路）。从图4.1.1可以看出，我们设置的电路图已包含了这三个基本部分。当振荡器接通电源后，就开始产生瞬变电流，由于谐振回路的选择性，它只选择出本身谐振的信号，又由于正反馈的作用，谐振信号越来越强，最后形成稳

4、定的振荡，因此我们在仿真时可以看到振荡器起振以后，振幅就从小到大增长起来，达到一定的数值后稳定下来。稳定下来的高频载波波形如图4.1.6所示。而振荡要达到平衡稳定，就必须要从振幅和相位两个方面考虑。 振幅平衡的条件为： (4.1.1)其中A表示平衡点的电压放大倍数，F为振荡电路的反馈系数。在起振时A0>,当振幅达到一定程度时，晶体管进入饱和区或者截止区，放大倍数迅速下降，一直到，即振幅达到平衡稳定。相位平衡条件为： X1+X2+X3=0 （4.1.2)由三端式振荡器的构成法则可知，X1必须与X2的符号相同，X3的符号则相反，否则不能产生振荡。图4.1.1 振荡器等效三端式电路利用MULT

5、ISIM仿真的原理图及结果如下：图4.1.2 本地震荡电路图为满足晶体管工作在放大区： 图4.1.3 直流等效电路取VCEQ=0.5V,ICQ=2mA,=40由公式得： 由计算取得R4=24.5K,R5=15K，R6=8K，R7=4.25K。本电路设计采用的是1MHz的高频载波用公式 （4.1.3） （4.1.4）可以计算得到C4=3nF,C9=12nF其他参数：V2=25V,C2=10uF,C3=10nF,C5=10uF图4.1.4 振荡频率图4.1.5 高频载波的频谱图图4.1.6 高频载波波形分析：由图4.1.4和图4.1.5可知，相对于理论值而言，高频载波的频率由1MHz降低到了991

6、KHz，说明电路本身也会造成一定的损失，此外从高频载波波形图中可以看出，高频载波有一点点的失真。4.2、基极调幅原理及仿真所谓基极调幅，就是用调幅信号电压来改变高频功率放大器的基极偏压，以实现调幅。由于在欠压状态下，集电极电流的基波分量Icm1随基极电压成正比。因此，集电极的回路输出高频电压振幅将随调制信号的波形而变化，于是得到调幅波输出。 由于基极调幅电路必须工作于欠压状态，所以设置Re=1,Rc=2K使得晶体管工作在放大区满足基极调幅电路工作要求。又因为采用的是1MHz的高频载波，所以输出调幅波的时候应该有一个产生1MHz振荡电路，通过公式 计算可得，令L=100uH,则C1=2

7、53pF，这里为了减小上下两级之间相互影响同样采用了耦合电感，比例为一比一。 利用MULTISIM仿真的原理图及结果如下：图4.2.1 基极调幅电路图4.2.2 调幅波的频谱图图4.2.3 调幅波波形 电路参数：Vcc=25V,R1=1K，R2=2K分析：从图中可以看出调幅波在开始时刻的电压幅度比后面的电压幅度有点小，这是因为在本地震荡开始产生的时候，振幅并不能达到一个稳定的值。另外理论上，AM调幅波的数学表达式为：图4.2.4或者可由调幅波的波形计算得到调幅度ma图4.2.5 ma=(Vmax-Vmin)/2V0 （4.2.1）由图4.2.3以及公式（4.2.1）可以计算得到ma=0.5而理

8、论值ma应该为0.67，说明在仿真的时候还是存在许多误差的，个人认为调制系数变小是因为电路本身的损耗，使得调制系数不可能达到我们计算的理论值。理论上AM调幅波的频谱分析如下：图4.2.6 因此我们理论上应该得到的频谱图应该如图4.2.6中所示有三根竖线，其频率分别为1001KHz,1000KHz,999KHz。但是在实际仿真过程中，由于高频载波和调制信号频率相差太远，所以在频谱图中只能看到在991KHz地方有一根竖线，紧挨着有两根竖线，所以整体看起来上面细下面粗。4.3、包络检波器原理及其仿真在包络检波中，只要适当选择RLC和二极管D，以使充电时间常数RdC足够小（Rd为二极管导通时的内阻），

9、充电很快；而放电时间常数RLC足够大,放电很慢（RdCRLC），就可使C两端的电压Vc 幅度与输入电压VS的幅度相当接近,即传输系数接近1，另一方面，电压VC虽然有些起伏不平，但因为正向导电时间很短，放电时间又远大于高频电压周期，所以输出电压V的起伏是很小的，可看成与高频调幅波包络基本一致，所以又叫做峰值包络检波。图4.3.1 电路原理图其中Cc为隔值电容，对呈交流短路，Cc两端电压为VAV。Ri2为下级电路输入电阻。这里我们主要考虑包络检波器失真方面的几个质量指标，具体如下：惰性失真：     （4.3.1）底边切割失真：    （

10、4.3.2）频率失真：     （4.3.3）      （4.3.4）   在进行仿真的时候，只是用上面四个公式进行简单的估算，确定上述参数主要是通过观察包络检波器输出波形以及低通滤波器输出波形来进行调节。利用MULTISIM仿真的原理图及结果如下：图4.3.1 包络检波器电路图图4.3.2 包络检波器检波出来的频谱图图4.3.3 包络检波器检波出来的波形图电路参数：C7=1uF R3=5k C6=15uF R8=15k分析如下：从波形中可以看出解调波上还有高次谐波、底部可能有点失真，但总体还是可以看出

11、是调幅波包络的。此外由频谱图也可以看出存在着许多高次谐波。对于包络检波器当中的参数设置分析如下： 当采用如图4.3.4时，检波出来的正弦波有很明显的高频谐波，图4.3.4 包络检波器电路图图4.3.5 包络检波器检波出来的波形图图4.3.6 低通滤波器输出波形 对于上述检波器输出电压以及低通滤波器输出电压在开始震荡时产生的失真，我们认为是由于是本地震荡以及各级电路误差引起失真相互叠加所导致的。 因此我们对电路进行修改，通过增加C7的大小减小高次谐波分量，由仿真图可知同时会使得检波出来的正弦波电压幅度变小，而且对下一级电路的影响加大，使得还原的调制信号有很大失真，令C7=10uF时，波形如下所示

12、:图4.3.7 包络检波器检波出来的波形图图4.3.8 低通滤波器输出波形从上面四个图的比较可以知道在其他参数不变的情况下并不能一直增大C7来改善检波器输出的电压。所以最后取了C7=1uF。同样的对C6进行调节观察可以发现C6越小滤除直流分量的效果就越好。具体如下:因为包络检波器输出的波形含有比较多的高次谐波，不能准确的判断是否存在直流分量，因此我们通过观察低通滤波器输出的波形对C6进行调节。当其他条件不变，调节C6=10uF时，从低通滤波器输出电压波形可以看出滤除直流分量的效果比较好，如图4.3.9所示。调节C6=1mF时，从低通滤波器输出电压的波形中很明显可以看到有直流分量，如图4.3.1

13、0所示。图4.3.9 C6=10uF时低通滤波器输出波形图4.3.10 C6=1mF时低通滤波器输出波形4.4、低通滤波器原理及仿真 本实验采用一阶同向输入低通滤波器，由公式可知调节R11与R12的比值使得低通滤波器输出波形的电压值接近调制信号的电压幅度。又通过公式 可计算得到参数C8及R10，截止频率为1KHz，所以当令R10=1K时，C8=159nF。利用MULTISIM仿真的原理图及结果如下：图4.4.1 低通滤波器电路图图4.4.2 低通滤波器输出波形的频谱图图4.4.3低通滤波器输出波形图 电路参数：R10=1k R11=60k R12=1k  

14、;C8=159nF 分析：从频谱图中可以看到在1KHz时有一根竖线，说明滤波的效果比较好。此外根据上一级电路输出的波形对放大倍数进行调节使得A=61时，低通滤波器输出的是电压为0.5V，频率为1KHz的正弦波。 总电路图如下所示：5、 问题与分析1、为什么要采用包络检波，采用包络检波要注意什么，如何消除高次谐波和直流分量？ 分析：检波有同步检波和包络检波，但是同步检波主要用于对载波被抑制的双边带信号或单边带信号进行解调。采用包络检波是因为电路简单容易实现。由包络检波器的质量指标可知要考虑惰性失真、底边切割失真，非线性失真、频率失真，因此我们通过公式（4.3.1）（4.3.2）（4.3.3）（4

15、.3.4）对参数进行估算，最主要的是靠观察波形来调节参数以改善失真。包络检波器基本电路中设置了两个电容C和Cc。C是用来滤除调幅波的高频成分的，C越大效果越好，通过前面的分析可知，C不能太大不然会影响下一级电路输出波形，并且本级电路输出的电压幅度变得很小；Cc是用来滤除直流成分的，Cc越小效果越好，同样的Cc值也不能太小。2、未解决的问题在产生高频载波的时候由于起振时不能立马产生一个电压恒定的正弦波，另外理论上虽然计算得到的是1MHz，但是由于电路本身的损耗，频率只能做到接近于1MHz，而且频率还存在波动。使得后面每一级电路在波形产生开始时存在误差，但随着时间增加，逐渐稳定。此外虽然采用耦合电感对前后级进行连接以减少相互影响，但仍然存在失真。6、评价 本电路采用电容三端式振荡器，并没有采用改进的西勒电路，从而使得调节电容改变振荡频率的时候，反馈系数也跟着改变。其次便是基极调幅电路由于强调减小调制失真而导致的能量转换率比较低。所以最后在滤波的时候采用的是一阶同相低通滤波器，对电压倍数进行设置使得输出波形的电压峰峰值接近于调制信号的电压幅值，然而滤波性能并不是很好，所以存在一定的频率干扰。此外还在分单元电路连接的时候用到了耦合电感