高頻電子線路課程設計-同步解調電路設計

1、課程設計任務書學生姓名： 專業(yè)班級： 電信0901 指導教師： 工作單位： 信息工程學院 題 目 六：同步解調電路設計初始條件：具較扎實的電子電路的理論知識及較強的實踐能力；對電路器件的選型及電路形式的選擇有一定的了解；具備高頻電子電路的基本設計能力及基本調試能力；能夠正確使用實驗儀器進行電路的調試與檢測。要求完成的主要任務：（包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、采用晶體管或集成電路完成一個同步解調電路的設計。2、電源電壓Vcc 12V，VEE 8V;3、輸入雙或單邊帶信號，輸出解調信號；4、完成課程設計報告（應包含電路圖，清單、調試及設計總結）。時間安排： 二十周一

2、周，其中4天硬件設計與制作，3天軟、硬件調試及答辯。指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日目錄摘要I1.緒論12.功能分析及方案對比22.1 同步檢波器功能分析22.2 設計方案對比33.單元電路設計63.1 元器件選擇6單元電路設計74.電路總圖105.工作原理及仿真分析11基本工作原理115.2 仿真波形圖及結果分析126.元器件清單147.設計體會15參考文獻16摘要振幅調制信號的解調過程稱為檢波。有載波振幅調制信號的包絡直接反映調制信號的變化規(guī)律，可以用二極管包絡檢波的方法進行檢波。而抑制載波的雙邊帶或單邊帶振幅調制信號的包絡不能直接反映調制信號的變換規(guī)律，無

3、法用包絡檢波進行解調，所以要采用同步檢波方法。同步檢波器主要是用于對DSB和SSB信號進行解調（當然也可以用于AM）。它的特點是必須加一個與載波同頻同相的恢復載波信號。外加載波信號電壓加入同步檢波器的方法有兩種。利用模擬乘法器的相乘原理，實現(xiàn)同步檢波是很簡單的，利用抑制載波的雙邊帶信號Vs（t）,和輸入的同步信號（即載波信號）Vc（t），經(jīng)過乘法器相乘，可得輸出信號，實現(xiàn)了雙邊帶信號解調。關鍵字：同步解調，EWB仿真同步解調電路設計1.緒論 課程設計作為高頻電子線路課程的重要組成部分，目的是一方面使我們能夠進一步理解課程內(nèi)容，基本掌握數(shù)字系統(tǒng)設計和調試的方法，增加集成電路應用知識，培養(yǎng)我們的實

4、際動手能力以及分析、解決問題的能力。另一方面也可使我們更好地鞏固和加深對基礎知識的理解，學會設計中小型高頻電子線路的方法，獨立完成調試過程，增強我們理論聯(lián)系實際的能力，提高電路分析和設計能力。通過實踐引導我們在理論指導下有所創(chuàng)新，為專業(yè)課的學習和日后工程實踐奠定基礎。 通過設計，一方面可以加深我們的理論知識，另一方面也可以提高我們考慮問題的全面性，將理論知識上升到一個實踐的階段。 2.功能分析及方案對比 2.1 同步檢波器功能分析 根據(jù)高頻電子線路理論分析,雙邊帶信號DSB,就是抑制了載波后的調制信號,它的有用信號成分以邊帶形式對稱地分布在被抑制載波的兩側。由于有用信號所在的雙邊帶調制信號的上

5、、下邊頻功率之和只有載波功率的一半,即它只占整個調幅波功率1/3，實際運用中,調制度 在0.11之間變化,其平均值僅為0.3,所以邊頻所占整個調幅波的功率還要小。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制信號SSB,單邊帶調制信號已經(jīng)包含了所有有用信號成分,電視信號采用殘留單邊帶發(fā)送圖像的調幅信號就是其中一例。而要實現(xiàn)對抑制載波的雙邊帶調制信號DSB或單邊帶調制信號SSB進行解調,檢出我們所需要的調制有用信號,不能用普通的二極管包絡檢波電路,而需要用同步檢波電路。 同步檢波電路與包絡檢波不同,檢波時需要同時加入與載波信號同頻同相的同步信號。利用乘法器可以實現(xiàn)調

6、幅波的乘積檢波功能,普通調幅電壓乘積器的原理框圖如圖2.1所示。 圖2.1 普通調幅電壓乘積器原理框圖圖2.1中,設輸入信號為普通調幅信號: （2.1）限幅器輸出為等幅載波信號 ,乘法器將兩輸入信號進行相乘后輸出信號為: （2.2） （條件：為大信號） 再通過低通濾波器作為乘法器的負載,將所有高頻分量去除,并用足夠大的電容器隔斷直流分量,就可以得到反映調制規(guī)律的低頻電壓。2.2 設計方案對比 根據(jù)功能分析，可知同步檢波必須外加一個與載波同頻同相的恢復載波信號。外加載波信號電壓家人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電壓與接收信號在檢波器中相

7、乘，再經(jīng)過低通濾波器，最后檢出原調制信號，如圖2.2所示。 設輸入的已調波為載波分量被抑制的DSB信號u1為： （2.3） 本地載波電壓： （2.4） 上兩式中，即本地載波的角頻率等于輸入信號的角頻率，它們的相位不一定相同 （2.5） 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： （2.6） 由上式可見，低頻信號的成正比。當。 圖2.3 二極管環(huán)形同步檢波器方案二 疊加型同步檢波器。圖2.4 疊加型同步檢波器原理圖設u1為單邊帶信號U1cos（w1+）t，uc為本振電壓Uccosw1t。則合成的輸出信號為：u2=u2+uc （2.7）由此可見，合成信號的包絡Um和相角都受到調制信號

8、的控制，所以包絡檢波器構成的同步檢波器檢出的調制信號會有失真，這樣會有很大的干擾。輸出信號也會產(chǎn)生起伏性衰減，從而影響解調質量。 方案三 集成XFC1596同步檢波器 集成XFC1596同步檢波器特點： R1，R2，R3對壓控吉爾伯特電路T1T4偏置，并防止T1T4 進入飽和，其他電阻保證T5T6工作在放大區(qū)；12V單電源供電，能采用電阻分壓網(wǎng)絡； vs為很小的信號，所以即可以得到線性檢波，其電路圖如圖2.5所示。圖2.5 集成XFC1596同步檢波器 以上三種方式都要接收端恢復載波支持，恢復載波性能的好壞，直接影響到接收機解調性能的優(yōu)劣。乘積型同步檢波是直接把本地恢復載波與接收信號相乘，用低

9、通濾波器將低頻信號提取出來。在這種檢波器中，要求恢復載波與發(fā)端載波同頻同相。如果頻率或相位有一定的偏差將會恢復出來的解調信號失真。疊加型同步檢波將DSB或SSB信號插入恢復載波，使之成為近似AM信號，利用包絡檢波器將其解調出來。對于DSB信號而言，只要加入恢復載波電壓在數(shù)值上滿足一定的關系，就可以得到一個不失真的AM波。在SSB模式，接收機采用高穩(wěn)定度振蕩器產(chǎn)生制定頻率的恢復載波，要使恢復載波與原載波信號嚴格同步是不可能的，只要頻率和相位的不同步量限制在允許的范圍內(nèi)還原出原調制信號的失真還是可以容忍的。經(jīng)上述對比，從考慮抗干擾的角度出發(fā)選擇方案一。 3.1 元器件選擇根據(jù)上述對比，采用乘積型同

10、步檢波器。此電路中最關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模擬信號（電流或電壓）相乘的電子器件。采用集成模擬乘法器實現(xiàn)上述功能比采用分立器件要簡單的多，而且性能優(yōu)越。從價格和性能的角度我們選擇MC1496芯片實現(xiàn)模擬乘法器功能。MC1496是爽平衡四象限模擬乘法器，VT1、VT2與VT3、VT4組成雙差分對放大器。其內(nèi)部結構如圖3.1所示。 MC1496的內(nèi)部電路及引腳圖 靜態(tài)工作點設置MC1496可以采用單電源供電，也可以采用雙電源供電。器件的靜態(tài)工作點由外接元件確定。、靜態(tài)偏置電壓的確定靜態(tài)偏置電壓的設置應保證各個晶體管工作在放大狀態(tài)，即晶體管的集

11、基極間的電壓應大于或等于2V，小于或等于最大允許工作電壓。根據(jù)MC1496的特性參數(shù)，對于圖7-1所示的內(nèi)部電路，應用時，靜態(tài)偏置電壓（輸入電壓為0時）應滿足下列關系，即 (3.1) (3.2) 、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，對于圖7-1（a），三對差分放大器的基極電流、和可以忽略不記，因此器件的靜態(tài)偏置電流主要由恒流源的值確定。當器件為單電源工作時，引腳14接地，5腳通過一電阻R5接正電源（+UCC的典型值為+12V），由于是的鏡像電流，所以改變電阻R5可以調節(jié)的大小，即 PD=2I5(V6-V14)+I5(V5-V14) （3.3) 根據(jù)MC1496的性能參數(shù)，器件

12、的靜態(tài)電流應小于4mA，一般Io=I5=1mA。器件的總散耗功率可以由下式估算出PD應小于器件的最大散耗功率為33mW。 調幅信號發(fā)生器要實現(xiàn)同步檢波，首先應該得到DSB信號。這里采用將高頻載波信號與低頻調制信號根據(jù)公式2.1可知，兩者像乘的結果中包含我們所需的高頻已調信號cos（w+)t或cos（w-)t，即可將低頻信號頻譜搬移到高頻端，從而實現(xiàn)調制。圖3.2 調幅信號發(fā)生電路原理圖 圖3.2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)部結構如圖3.3所示。芯片2 3管腳之間接入1k負反饋電阻，以擴展調制信號的線性動態(tài)范圍，其阻值越大，線性范圍增大，但乘法器的增益隨之

13、減小。電阻R9、R10提供靜態(tài)偏置電壓，保證乘法器內(nèi)部的各個晶體管的工作在放大狀態(tài)。電阻R1、R2及滑動變阻器RP組成平衡調節(jié)電路，改變滑動變阻器的值可以使乘法器實現(xiàn)抑制載波的振幅調制或有載波的振幅調制。調節(jié)此滑動變阻器可以改善波形的對稱型，為了得到抑制載波雙邊帶信號可將滑動變阻器調制50%。 圖3.3 MC1496構成的調幅器 （a）抑制載波的雙邊帶調幅 （b）有載波調幅波圖3.4 乘法器輸出的調幅波 同步檢波電路根據(jù)公式2.3可知，要實現(xiàn)同步檢波需將與高頻載波同頻的同步信號與已調信號相乘，實現(xiàn)同步解調。經(jīng)過低通濾波器濾除2附近的頻率分量后，得到頻率為的低頻信號： （3.4）同步檢波亦采用模

14、擬乘法器MC1496將同步信號與已調信號相乘，其電路圖如圖3.5所示。端輸入同步信號或載波信號，端輸入已調波信號，輸出端接有電阻R11、C6組成的低通濾波器和1uF的隔直電容，所以該電路對有載波調幅信號及抑制載波的調幅信號均可實現(xiàn)解調，但要合理的選擇低通濾波器的截止頻率。 圖3.5 同步檢波電路調節(jié)平衡電位器RP,使輸出端輸入有載波的調制信號。調制度，這時乘法器的輸出經(jīng)低通濾波器后的輸出，經(jīng)隔直電容后的輸出的波形分別如圖3.6（a）所示。調節(jié)電位器RP可使輸出波形的幅度增大，波形失真減小。若為抑制載波的調制信號，經(jīng)MC1496同步檢波后的輸出波形如圖3.6（b）所示。 (a)有載波信號調制 （

15、b）抑制載波調制信號 圖3.6 同步檢波輸出波形4.電路總圖根據(jù)上述單元電路設計從而得到整體電路圖，如圖4.1所示。限于尺寸大小在這里將調幅信號發(fā)生器發(fā)生器電路封裝起來,如圖中DSB模塊，其內(nèi)部結構如圖4.2所示。圖4.1 同步檢波整體電路圖圖4.2 DSB模塊內(nèi)部結構5.工作原理及仿真分析 5.1基本工作原理在模擬乘法器MC1496的一個輸入端輸入振幅調制信號如抑制載波的雙邊帶信號，另一輸入端輸入同步信號（即載波信號），經(jīng)乘法器相乘，由式（7-9）可 得輸出信號U0（t）為（條件：，為大信號） （5.1）上式中，第一項是所需要的低頻調制信號分量，后兩項為高頻分量，可用低通濾波器濾掉，從而實現(xiàn)

16、雙邊帶信號的解調。 若輸入信號為單邊帶振幅調制信號，即 ，則乘法器的輸為： （5.2）上式中，第一項是所需要的低頻調制信號分量，第二項為高頻分量，也可以被低通濾波器濾掉。如果輸入信號為有載波振幅調制信號，同步信號為載波信號,利用乘法器的相乘原理，同樣也能實現(xiàn)解調。設， 則輸出電壓為+ (條件：，為大信號) （5.3） 上式中，第一項為直流分量，第二項是所需要的低頻調制信號分量，后面三項為高頻分量，利用隔直電容及低通濾波器可濾掉直流分量及高頻分量，從而實現(xiàn)了有載波振幅調制信號的解調。5.2 仿真波形圖及結果分析運用EWB仿真軟件對如圖4.1電路進行仿真,從示波器中觀察得到如圖5.1（a）、(b)

17、、(c)波形圖。圖（a）、（b）為調幅信號，（c）為檢波得到信號與原始信號。（a） DSB信號與調制信號（b）AM信號與調制信號（c） 檢波信號與原始調制信號圖5.1 EWB中示波器顯示波形結果分析P所需要的低頻調制信號分量解調出來。由圖可以看出AM信號的包絡與調制信號相同，經(jīng)過解調可以得到如圖5.2（c）的檢波信號。將比例調到50%，使乘法器偏執(zhí)電路處于平衡狀態(tài)，可以得到調幅度為1的抑制載波信號，即DSB信號，其波形如圖5.1（a）所示。如圖5.1（c）所示兩波形存在相位差異，這是由于載波信號與同步信號存在相位差異，但不會影響信號的傳輸，信號的失真程度在允許的范圍之內(nèi)，由此可知所設計的電路圖

18、符合設計要求，能達到所需要的各種參數(shù)。6.元器件清單表6.1 元器件清單 元件名稱 個數(shù)/個 51電阻 1 100電阻 1 910電阻 2 1k電阻 5 2 1 10k滑動變阻器 1 5 4 20uF電容 1 MC1496芯片 1 7.設計體會 本次課程設計是收獲很大的一次課程設計。利用所學知識驚喜電子線路設計是我們將來必需的技能，這次課程設計恰恰給我們提供了一個應用自己所學知識的機會，從到圖書館查找資料到對電路的設計對電路的仿真再到最后電路的成型，都對我所學的知識進行了檢驗?？梢哉f，本次課程設計有苦也有甜。 本次課程設計選取的是書本上現(xiàn)成的電路原理圖 ，在設計方面相對而言比較容易，但是在制作

19、仿真過成和做設計報告的過程中確實遇到了很多的問題，而這些問題正是我們今后學習工作的重點問題或者說是應該是必須掌握的技能。首先，設計思路是最重要的，只要你的設計思路是成功的，那你的設計已經(jīng)成功了一半。因此我們應該在設計前做好充分的準備，像查找詳細的資料，為我們設計的成功打下堅實的基礎。 其次，在電腦上調試比較慢，又要求我們有一個比較正確的調試方法，像把頻率調快等等。這又要我們要靈活處理，在不影響試驗的前提下可以加快進度。 要熟練地掌握課本上的知識，這樣才能對試驗中出現(xiàn)的問題進行分析解決。留給我印象最深的是要設計一個成功的電路，必須要有耐心，要有堅韌的毅力。設計過程中，我深刻的體會到在設計過程中，需要反復實踐，其過程很可能相當煩