高頻電子線路課程設(shè)計(jì)

1、 2012 2013 學(xué)年 第 一 學(xué)期 高頻電子線路 課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告題 目： 同步解調(diào)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 專 業(yè)： 電氣工程系電子信息工程 班 級(jí)： 10電子信息工程2班 姓 名： 指導(dǎo)教師： 王銀花 電氣工程系2012年12月17日任務(wù)書課題名稱同步解調(diào)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)教師（職稱）王銀華（講師） 執(zhí)行時(shí)間2012 2013 學(xué)年 第 一 學(xué)期 第 16 周學(xué)生姓名學(xué)號(hào)承擔(dān)任務(wù)整個(gè)方案的構(gòu)思與實(shí)施乘積型同步檢波器的設(shè)計(jì)及資料查詢疊加型同步檢波器的設(shè)計(jì)及資料查詢總體仿真圖的繪制總體仿真原理圖的繪制集成XFC1596同步檢波器的設(shè)計(jì)及資料查詢?cè)O(shè)計(jì)目的1、學(xué)習(xí)同步解調(diào)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)電路的設(shè)計(jì)

2、方法；2、研究同步解調(diào)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)電路的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)要求 1原理分析及電路圖設(shè)計(jì)；2用相關(guān)仿真軟件畫出電路并對(duì)電路進(jìn)行分析與測(cè)試(1)疊加型同步檢波器對(duì)DSB、SSB信號(hào)進(jìn)行檢波的分析；(2)輸入調(diào)幅波m不同時(shí)疊加型同步檢波器檢波分析；(3)乘積型同步檢波器對(duì)DSB、SSB信號(hào)進(jìn)行檢波的分析；(4)輸入調(diào)幅波m不同時(shí)乘積型同步檢波器檢波分析； (5)檢波器電壓傳輸系數(shù)計(jì)算。目 錄第一章 功能分析及方案比較- 5 -1.1同步檢波器功能分析- 5 -1.2設(shè)計(jì)方案對(duì)比- 6 -第二章 單元電路設(shè)計(jì)- 9 -2.1元器件選擇- 9 -2.2單元電路設(shè)計(jì)- 10 -2.2.1調(diào)幅信號(hào)發(fā)生器- 1

3、0 -2.2.2同步檢波電路- 11 -第三章 電路總圖- 13 -第四章 仿真軟件Multisim的簡(jiǎn)介- 14 -第五章 工作原理及仿真分析- 15 -5.1基本工作原理- 15 -5.2仿真波形圖及結(jié)果分析- 15 -總結(jié)與心得體會(huì)- 18 -附錄- 20 -元器件清單- 20 -參考文獻(xiàn)- 21 -同步解調(diào)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘 要振幅調(diào)制信號(hào)的解調(diào)過(guò)程稱為檢波。有載波振幅調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)直接反映調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律，可以用二極管包絡(luò)檢波的方法進(jìn)行檢波。而抑制載波的雙邊帶或單邊帶振幅調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)不能直接反映調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律，無(wú)法用包絡(luò)檢波進(jìn)行檢波，所以要采用同步檢波的方法。同步檢波器主要是用

4、于對(duì)DSB和SSB信號(hào)進(jìn)行解調(diào)（當(dāng)然也可以用于AM）。它的特點(diǎn)是必須加一個(gè)與載波同頻同相的恢復(fù)載波信號(hào)。外加載波信號(hào)電壓加入同步檢波器的方法有兩種。一是利用模擬乘法器的相乘原理，實(shí)現(xiàn)同步檢波是很簡(jiǎn)單的；二是利用抑制載波的雙邊帶信號(hào)和輸入的同步信號(hào)（即載波信號(hào)），經(jīng)過(guò)乘法器相乘，可得輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了雙邊帶信號(hào)解調(diào)。關(guān)鍵字：同步解調(diào)，仿真緒論課程設(shè)計(jì)作為通信電路課程的重要組成部分，目的是一方面使我們能夠進(jìn)一步理解課程內(nèi)容，基本掌握數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試的方法，增加集成電路應(yīng)用知識(shí)，培養(yǎng)我們的實(shí)際動(dòng)手能力以及分析、解決問(wèn)題的能力。另一方面也使我們更好地鞏固和加深對(duì)于基礎(chǔ)知識(shí)的理解，學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)中小型通信電路

5、的方法，獨(dú)立完成調(diào)試過(guò)程，增強(qiáng)我們理論聯(lián)系實(shí)際的能力，提高電路分析和設(shè)計(jì)能力。通過(guò)實(shí)踐引導(dǎo)我們?cè)诶碚撝笇?dǎo)下有所創(chuàng)新，為專業(yè)課的學(xué)習(xí)和日后工程實(shí)踐奠定基礎(chǔ)。通過(guò)設(shè)計(jì)，一方面可以加深我們的理論知識(shí)，另一方面也可以提高我們考慮問(wèn)題的全面性，將理論知識(shí)上升到一個(gè)實(shí)踐的階段。第一章 功能分析及方案比較1.1同步檢波器功能分析根據(jù)通信電路理論分析，雙邊帶信號(hào)DSB，就是抑制了載波后的調(diào)制信號(hào)，它的游泳信號(hào)成分以邊帶形式對(duì)稱分布在被抑制載波的兩側(cè)。由于有用信號(hào)所在的雙邊帶調(diào)制信號(hào)的上、下邊頻功率之和只有載波功率的一半，即它只占整個(gè)調(diào)幅波功率，實(shí)際運(yùn)用中，調(diào)制度在0.1-1之間變化，其平均值僅為0.3，所以邊

6、頻所占整個(gè)調(diào)幅波的功率還要小。為了節(jié)省發(fā)射功率和提高有限頻帶資源的利用率，一般采用傳送抑制載波的單邊帶調(diào)制信號(hào)SSB，單邊帶調(diào)制信號(hào)已經(jīng)包含了所有有用信號(hào)成分，電視信號(hào)采用殘留單邊帶發(fā)送圖像的調(diào)幅信號(hào)就是其中一例。而要實(shí)現(xiàn)對(duì)抑制載波的雙邊帶調(diào)制信號(hào)DSB或單邊帶調(diào)制信號(hào)SSB進(jìn)行解調(diào)，檢出我們所需要的調(diào)制有用信號(hào)，不能用普通的二極管包絡(luò)檢波電路，而需要用同步檢波電路。同步檢波電路與包絡(luò)檢波不同，檢波時(shí)需要同時(shí)加入與載波信號(hào)同頻同相的同步信號(hào)。利用乘法器可以實(shí)現(xiàn)調(diào)幅波的乘積檢波功能，普通調(diào)幅電壓乘法器的原理框圖如圖1-1所示。 XY振幅限幅器 低通濾波器 圖1-1普通調(diào)幅電壓乘積器原理框圖圖中，

7、設(shè)輸入信號(hào)為普通調(diào)幅信號(hào)： （1.1）限幅器輸入為等幅載波信號(hào)，乘法器將兩個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行相乘后輸入信號(hào)為： (1.2)（條件：為大信號(hào)）再通過(guò)低通濾波器作為乘法器的負(fù)載，將所有高頻分量去掉，并用足夠大的電容器隔斷直流分量，就可以得到反映調(diào)制規(guī)律的低頻電壓。1.2設(shè)計(jì)方案對(duì)比根據(jù)功能分析，可知同步檢波必須外加一個(gè)與載波同頻同相的恢復(fù)信號(hào)。外加載波信號(hào)電壓加入同步檢波器有兩種方法：乘積型和疊加型。方案一 乘積型同步檢波器這種方法是將外加載波信號(hào)電壓與接收信號(hào)在檢波器中相乘，在經(jīng)過(guò)低通濾波器，最后檢出原調(diào)制信號(hào)，如圖1-2所示。低通濾波器 圖1-2乘積型同步檢波器設(shè)輸入的已調(diào)波為載波分量被抑制的DS

8、B信號(hào)為： (1.3)本地載波電壓： (1.4)上兩式中，即本地載波的角頻率等于輸入信號(hào)的角頻率，它們的相位不一定相同 (1.5) 低通濾波器濾除2附近的頻率分量后，得到頻率為的低頻信號(hào)： (1.6) 由上式可見，低頻信號(hào)的成正比。當(dāng)=0時(shí)，低頻信號(hào)電壓最大，隨著相位差變大，輸出電壓變小。所以我們不但要求本地載波與輸出信號(hào)載波的角頻率必須相等?？梢圆捎闷胶饣颦h(huán)形調(diào)節(jié)器來(lái)做同步檢波器，如圖1-3所示；也可以用模擬乘法器，如圖3-1所示。圖1-3二極管環(huán)形同步檢波器方案二 疊加型同步檢波器疊加型是將外加載波信號(hào)與接收信號(hào)相加，經(jīng)過(guò)包絡(luò)檢波器取出原調(diào)制信號(hào)，原理框圖如圖1-4所示。包絡(luò)檢波器 圖1-

9、4疊加型同步檢波器原理圖設(shè)為單邊帶信號(hào)，為本振電壓。則合成的輸入信號(hào)為： (1.7)由此可見，合成信號(hào)的包絡(luò)和相角都受到調(diào)制信號(hào)的控制，所以包絡(luò)檢波構(gòu)成的同步檢波器檢出的調(diào)制信號(hào)會(huì)有失真，這樣會(huì)有很大的干擾。輸出信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生起伏性衰減，從而影響解調(diào)質(zhì)量。方案三 集成XFC1596同步檢波器集成XFC1596同步檢波器的特點(diǎn)：，對(duì)壓控吉爾伯特電路T1-T4偏置，并防止T1-T4進(jìn)入飽和，其他電阻保證T5-T6工作在放大區(qū)；+12V單電源供電，能采用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)；vs為很小的信號(hào)，所以即可以得到線性檢波，其電路圖如圖1-5所示。圖1-5集成XFC1596同步檢波器 以上三種方式都要接收端恢復(fù)載波支

10、持，恢復(fù)載波性能的好壞，直接影響到接收機(jī)解調(diào)性能的優(yōu)劣。乘積型同步檢波是直接把本地恢復(fù)載波與接收信號(hào)相乘，用低通濾波器將低頻信號(hào)取出來(lái)。在這種檢波器中，要求恢復(fù)載波與發(fā)端載波同頻同相如果頻率或相位有一定的偏差將會(huì)恢復(fù)出來(lái)的解調(diào)信號(hào)失真。疊加型同步檢波器將DSB或SSB信號(hào)插入恢復(fù)載波，使之成為近似AM信號(hào)，利用包絡(luò)檢波器將其解調(diào)出來(lái)。對(duì)于DSB信號(hào)而言，只要加入恢復(fù)載波電壓在數(shù)值上滿足一定的關(guān)系，就可以得到一個(gè)不失真的AM波。在SSB模式，接收機(jī)采用高穩(wěn)定度振蕩器產(chǎn)生制定頻率的恢復(fù)載波，要使恢復(fù)載波與原載波信號(hào)嚴(yán)格同步是不可能的，只要頻率和相位的不同步量限制在允許的范圍內(nèi)還原出原原調(diào)制信號(hào)的失

11、真還是可以容忍的。經(jīng)上述對(duì)比，從考慮抗干擾的角度出發(fā)選擇方案一。第二章 單元電路設(shè)計(jì)2.1元器件選擇 根據(jù)上述對(duì)比，采用乘積型同步檢波器。此電路中最關(guān)鍵的電子元件是乘法器，這里我們選擇的是集成模擬乘法器，集成模擬乘法器是完成兩個(gè)模擬信號(hào)（電流或電壓）相乘的電子器件。采用集成模擬乘法器實(shí)現(xiàn)上述功能比采用分立器件要簡(jiǎn)單得多，而且性能優(yōu)越。從價(jià)格和性能的角度我們選擇MC1496芯片實(shí)現(xiàn)模擬乘法器功能。MC1496是平衡四象限模擬乘法器，VT1、VT2與VT3、VT4組成雙差分對(duì)放大器。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1MC1496的內(nèi)部電路及引腳圖靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置MC1496可以采用單電源供電也可以采

12、用雙電源供電。器件的靜態(tài)工作點(diǎn)由外接元件確定。a、 靜態(tài)偏置電壓的確定靜態(tài)偏置電壓的設(shè)置應(yīng)保證各個(gè)晶體管工作在放大狀態(tài)，即晶體管的集-基極間的電壓應(yīng)大于或等于2V，小于或等于最大允許工作電壓。根據(jù)MC1496的特性參數(shù)，對(duì)于圖所示的內(nèi)部電路，應(yīng)用時(shí)，靜態(tài)偏置電壓（輸入電壓為0時(shí)）應(yīng)滿足下列關(guān)系，即調(diào)節(jié) ， (2.1) (2.2)b、靜態(tài)偏置電壓的確定一般情況下，晶體管的基極電流很小，對(duì)于圖，三對(duì)差分放大器的基極電流、和可以忽略不計(jì)，因此器件的靜態(tài)偏置電流主要由恒流源的值確定。當(dāng)器件為單電源工作時(shí)，引腳14接地，引腳5通過(guò)一電阻接正電源（+的典型值為+12V），由于是的鏡像電流，所以改變電阻可以

13、的大小，即 (2.3)根據(jù)MC1496的性能參數(shù)，器件的靜態(tài)電流應(yīng)小于4mA，一般=1mA。器件的總消耗功率可以由下式估算出應(yīng)小于器件的最大消耗功率為33mW。2.2單元電路設(shè)計(jì) 2.2.1調(diào)幅信號(hào)發(fā)生器要實(shí)現(xiàn)同步檢波，首先應(yīng)該得到DSB信號(hào)。這里采用將高頻載波信號(hào)與低頻調(diào)制信號(hào)根據(jù)公式2.1可知，兩者相乘的結(jié)果中包含我們所需的高頻已調(diào)信號(hào)或，即可將低頻信號(hào)頻譜搬移到高頻端，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制。圖2-2乘法模擬器 圖2-2中乘法器采用模擬乘法器MC1496及外接偏置電路、旁路電路組成。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。芯片2、3管腳之間介入1負(fù)反饋電阻，以擴(kuò)展調(diào)制信號(hào)的線性動(dòng)態(tài)范圍，其阻值越大，線性范圍越大

14、，但乘法器的增益隨之越小。電阻、提供靜態(tài)偏置電壓，保證乘法器內(nèi)部的各個(gè)晶體管的工作在放大狀態(tài)。電阻、及滑動(dòng)變阻器組成平衡調(diào)節(jié)電路，改變滑動(dòng)變阻器的值可以使乘法器實(shí)現(xiàn)抑制載波的振幅調(diào)制或有載波的振幅調(diào)制。調(diào)節(jié)此滑動(dòng)變阻器可以改善波形的對(duì)稱性，為了得到抑制載波雙邊帶信號(hào)可將滑動(dòng)變阻器調(diào)至50%。圖2-3MC1496構(gòu)成的調(diào)幅器 （a）抑制載波的雙邊帶調(diào)幅 （b）有載波調(diào)幅波圖2-4乘法模擬器輸出的調(diào)幅波2.2.2同步檢波電路根據(jù)公式1.3可知，要實(shí)現(xiàn)同步檢波需將高頻載波同頻的同步信號(hào)與已調(diào)信號(hào)相乘，實(shí)現(xiàn)同步解調(diào)。經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除2附近的頻率分量后，得到頻率為的低頻信號(hào)： (2.4) 同步檢波亦采

15、用模擬乘法器MC1496將同步信號(hào)與已調(diào)信號(hào)相乘，其電路圖如圖2-5所示。端輸入同步信號(hào)或載波信號(hào)，端輸入已調(diào)信號(hào)，輸出端接有電阻、電容組成的低通濾波器和1uF的隔直電容，所以該電路對(duì)有載波調(diào)幅信號(hào)及抑制載波的調(diào)幅信號(hào)均可實(shí)現(xiàn)解調(diào)，但要合理的選擇低通濾波器的截止頻率。圖2-5同步檢波電路調(diào)節(jié)平衡電位器RP，使輸入出=0，即為平衡狀態(tài)。再?gòu)亩溯斎胗休d波的調(diào)制信號(hào)。調(diào)制度m=100%，這時(shí)乘法器的輸出經(jīng)過(guò)低通濾波器后的輸出，經(jīng)隔直電容后的輸出的波形。調(diào)節(jié)電位器RP可使輸出波形的幅度增大，波形失真減小。若為抑制載波的調(diào)制信號(hào)，經(jīng)MC1496同步檢波后可得輸出波形。第三章 電路總圖根據(jù)上述單元電路設(shè)計(jì)

16、從而得到整體電路圖，如圖3-1所示。限于尺寸大小在這里將調(diào)幅信號(hào)發(fā)生器電路封裝起來(lái)，其中DSB模塊，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。圖3-1同步檢波整體電路圖圖3-2DSB模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)第四章 仿真軟件Multisim的簡(jiǎn)介 Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。 工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對(duì)電路進(jìn)行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無(wú)需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進(jìn)

17、行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過(guò)Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計(jì)工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。Multisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強(qiáng)大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。憑借Multisim，您可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫(kù)的電路圖，并利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級(jí)SPICE分析和虛擬儀器，您能在設(shè)計(jì)流程中提早對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行的迅速驗(yàn)證，從而縮短建模循環(huán)。與LabEW和SignalExpress軟件的集成，完善了具有強(qiáng)大技術(shù)的設(shè)計(jì)流程，從而能夠比

18、較具有模擬數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)建模測(cè)量。 Multisim的仿真 器件建模及仿真；電路的構(gòu)建及仿真；系統(tǒng)的組成及仿真；儀表儀器原理及制造仿真。 器件建模及仿真：可以建模及仿真的器件： 模擬器件（二極管，三極管，功率管等）；數(shù)字器件（74系列，COMS系列，PLD，CPLD等）；FPGA器件。 第五章 工作原理及仿真分析5.1基本工作原理在模擬乘法器MC1496的一個(gè)輸入端輸入振幅調(diào)制信號(hào)和抑制載波的雙邊帶信號(hào)，另一輸入端輸入同步信號(hào)（即載波信號(hào)），經(jīng)乘法器相乘，由式7-9可得輸出信號(hào)為： (4.1)（條件:,為大信號(hào)）上式中，第一項(xiàng)是所需要的低頻調(diào)制信號(hào)分量，后兩項(xiàng)為高頻分量，可用低通濾波器濾掉，從而實(shí)

19、現(xiàn)雙邊帶信號(hào)的解調(diào)。若輸入信號(hào)為單邊帶振幅調(diào)制信號(hào)，則乘法器的輸出為： (4.2)上式中，第一項(xiàng)時(shí)所要的低頻調(diào)制信號(hào)分量，第二項(xiàng)為高頻分量，也可以被低通濾波器濾掉。如果輸入信號(hào)為有載波振幅調(diào)制信號(hào)，同步信號(hào)為載波信號(hào)，利用乘法器的相乘原理，同樣也能實(shí)現(xiàn)解調(diào)。 設(shè)則輸出電壓為 （條件：為大信號(hào)）上式中，第一項(xiàng)為直流分量，第二項(xiàng)是所需要的低頻調(diào)制信號(hào)分量，后面三項(xiàng)為高頻分量，利用隔直電容及低通濾波器可濾掉直流分量及高頻分量，從而實(shí)現(xiàn)了有載波振幅調(diào)制信號(hào)的調(diào)解。5.2仿真波形圖及結(jié)果分析運(yùn)用multisim 10仿真軟件對(duì)如圖5-1所示電路進(jìn)行仿真，從示波器中觀察到如圖5-2所示的波形圖。圖5-1D

20、SB信號(hào)仿真原理圖圖5-2DSB信號(hào)的仿真圖圖5-3總體仿真原理圖圖5-4檢波仿真波形圖結(jié)果分析調(diào)節(jié)如圖所示電路中RP的滑動(dòng)比例可以調(diào)節(jié)調(diào)幅信號(hào)的調(diào)幅度，將比例調(diào)到50%，使乘法器偏置電路處于平衡狀態(tài)，可以得到調(diào)幅度為1的抑制載波信號(hào)，即DSB信號(hào)，其波形圖如圖5-2所示。如圖5-2所示波形存在多邊形失真，但信號(hào)的失真程度在允許的范圍之內(nèi)，由此可知所設(shè)計(jì)的電路圖符合設(shè)計(jì)要求，能達(dá)到所需要的各種參數(shù)。 總結(jié)與心得體會(huì) 本次課程設(shè)計(jì)的收獲很大。利用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)電子線路是我們將來(lái)必須的技能，這次課程設(shè)計(jì)恰恰給我們提供了一個(gè)應(yīng)用自己所學(xué)知識(shí)的機(jī)會(huì)，從圖書館查找資料到對(duì)電路的設(shè)計(jì)、對(duì)電路的仿真、再到最后

21、電路的成型，都對(duì)我所學(xué)大知識(shí)進(jìn)行了檢驗(yàn)?？梢哉f(shuō)，本次課程設(shè)計(jì)有苦也有甜。 本次課程設(shè)計(jì)選取的是書本上的電路原理圖，在設(shè)計(jì)方面相對(duì)而言比較容易，但是在制作仿真過(guò)程合作設(shè)計(jì)報(bào)告的過(guò)程中確實(shí)遇到了很多的問(wèn)題，而這些問(wèn)題正是我們今后學(xué)習(xí)工作的重點(diǎn)問(wèn)題或者說(shuō)是應(yīng)該必須掌握的技能。 首先，設(shè)計(jì)思路是最重要的，只要你的設(shè)計(jì)思路是成功的，那你的設(shè)計(jì)已經(jīng)成功了一半。因此我們必須在設(shè)計(jì)前做好充足的準(zhǔn)備，像查找詳細(xì)資料，為我們?cè)O(shè)計(jì)的成功打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 其次，在電腦上調(diào)是比較慢，又要求我們有一個(gè)比較正確的調(diào)試方法，像把頻率調(diào)快等等。 這又要我們要靈活處理，在不影響試驗(yàn)的前提下可以加快速度。要熟練地掌握課本上的知識(shí)，這樣才能對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析解決。留給我印象最深的是要設(shè)計(jì)一個(gè)成功的電路，必須要有耐心，要有堅(jiān)韌的毅力