基于multisism的M1496振幅調(diào)制實驗

1、湖南大學(xué)工程訓(xùn)練 HUNAN UNIVERSITY工程訓(xùn)練報告 題 目：基于模擬乘法器芯片MC1496的調(diào)幅與檢波電路設(shè)計與實現(xiàn) 學(xué)生姓名：征察 學(xué)生學(xué)號：20110803501 專業(yè)班級：通信工程5班 指導(dǎo)老師(簽名): 2014 年9 月13 日第 22 頁湖南大學(xué)工程訓(xùn)練 目錄1. 摘要32. 正文 32.1 Multisim 簡介32.1.1 Multisim的發(fā)展歷史32.1.2 Multisim應(yīng)用方向32.2 項目介紹42.2.1 項目簡介42.1.2 項目任務(wù)及要求42.1.3項目環(huán)境 52.3 項目設(shè)計與實現(xiàn)52.2.1項目背景52.2.2項目組成52.2.3項目原理及設(shè)計6

2、2.4 實驗過程和結(jié)果 122.4.1抑制載波振幅調(diào)制實驗 122.4.2.包含載波的振幅調(diào)制162.4.3.在振幅調(diào)制電路中加入放大電路和帶通濾波器173. 實驗總結(jié) 224. 參考文獻(xiàn) 225. 導(dǎo)師指導(dǎo)意見 22一摘要 信號相乘與我們的生活息息相關(guān)，從電話手機(jī)通信，到廣播電視的傳播，無一不和信號相乘有著緊密的聯(lián)系。信號相乘是各種的調(diào)制方式的核心，也是相干檢波的核心。在高頻電子線路中的振幅調(diào)制、同步檢波、混頻、倍頻、鑒頻、鑒相等調(diào)制與解調(diào)的過程，均可視為兩個信號相乘或包含相乘的過程。信號相乘是使用模擬乘法器來實現(xiàn)的，本項目利用Multisim10 軟件仿真平臺，對模擬乘法器MC1496 構(gòu)

3、成的調(diào)幅電路進(jìn)行軟件仿真和實際電路測試，并分析比較測試結(jié)果。關(guān)鍵詞：MC1496 信號相乘 調(diào)幅 解調(diào) 檢波2 正文2.1 Multisim 簡介 2.1.1 Multisim的發(fā)展歷史Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。目前在各高校教學(xué)中普遍使用Multisim10.0，網(wǎng)上最為普遍的是Multisim10.0，NI于2007年08月26日發(fā)行NI系列電子電路設(shè)計軟件，NI Multisimv10作為其中一個組成部分包含于其

4、中。2.1.2 Multisim應(yīng)用方向 工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進(jìn)行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計工程師和電子學(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)計和測試這樣一個完整的綜合設(shè)計流程。Multisim可以設(shè)計、測試和演示各種電子電路，包括電工學(xué)、模擬電路、數(shù)字電路、射頻電路及微控制器和接口電路等。可以對被仿真的電路中的元器件設(shè)置各種故障，如開路、短路和不同程度的漏

5、電等，從而觀察不同故障情況下的電路工作狀況。在進(jìn)行仿真的同時，軟件還可以存儲測試點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)，列出被仿真電路的所有元器件清單，以及存儲測試儀器的工作狀態(tài)、顯示波形和具體數(shù)據(jù)等。仿真的內(nèi)容包括:a.器件建模及仿真；b.電路的構(gòu)建及仿真；c.系統(tǒng)的組成及仿真；d.儀表儀器原理及制造仿真。本次仿真實驗主要是利用Multisim的軟件仿真功能畫出電路圖并分析波形是否正確，熟悉元器件的各種操作，為以后的畢業(yè)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。 （ 本實驗所用的Multisim 10）2.2項目介紹2.2.1項目簡介 利用模擬乘法器芯片MC1496設(shè)計出調(diào)幅與檢波電路，使用MC1496內(nèi)部晶體管電路，用Multisim軟件進(jìn)行

6、計算機(jī)仿真，并作出硬件實驗結(jié)果。2.2.2 項目任務(wù)及要求 任務(wù)一：振幅調(diào)制器的開發(fā) 用模擬乘法器MC1496設(shè)計一振幅調(diào)制器，使其能實現(xiàn)信號幅度調(diào)制，主要指標(biāo)：載波頻率：15MHz 正弦波 調(diào)制信號：1KHz 正弦波，輸出信號幅度：大于等于5V（峰峰值）無明顯失真。任務(wù)二：檢波器的開發(fā)用模擬乘法器MC1496設(shè)計一調(diào)幅信號同步檢波器，主要指標(biāo)：輸入調(diào)幅信號：載波頻率15MHz 正弦波，調(diào)制信號：1KHz 正弦波，幅度大于1V，調(diào)制度為60%。輸出信號：無明顯失真，幅度大于5V。2.2.3 項目環(huán)境 采用Multisim軟件進(jìn)行計算機(jī)仿真。2.3 項目設(shè)計與實現(xiàn)2.3.1 項目背景 在高頻電子

7、線路中的振幅調(diào)制、同步檢波、混頻、倍頻、鑒頻、鑒相等調(diào)制與解調(diào)的過程，均可視為兩個信號相乘或包含相乘的過程。目前在無線電通信、廣播電視等方面得到廣泛應(yīng)用。相乘的過程在電路中有時可用模擬乘法器芯片MC1496來進(jìn)行實現(xiàn)。本項目通過Multisim10 軟件仿真平臺，對MC1496 構(gòu)成的調(diào)幅電路進(jìn)行軟件仿真和實際電路測試，并分析比較測試結(jié)果。 （MC1496實體圖）2.3.2項目組成 1.模擬乘法器芯片MC1496 2.含有模擬乘法器MC1496的振幅調(diào)制電路 3.含有模擬乘法器MC1496的相干解調(diào)電路2.3.3 項目原理及設(shè)計1. 模擬乘法器MC1496的工作原理：（1）引腳圖：（2）模擬乘

8、法器芯片mc1496內(nèi)部結(jié)構(gòu)：（3）工作原理： 模擬乘法器是對兩個模擬信號（電壓或電流）實現(xiàn)相乘功能的有源非線性器件，主要功能是實現(xiàn)兩個互不相關(guān)信號相乘，即輸出信號與兩輸入信號相乘積成正比。它有兩個輸入端口，即X 和Y 輸入端口。MC1496 是根據(jù)雙差分對模擬相乘器基本原理制成的四象限的乘法器芯片，是調(diào)幅電路中的核心器件。 Q1、Q2、Q3、Q4 組成雙差分放大器，Q5、Q6 組成單差分放大器用于激勵Q1Q4。Q7、Q8 及其偏置電路構(gòu)成恒流源電路。引腳IO8 與IO10 接輸入電壓，引腳1 與4 接另一個輸入電壓，輸出電壓從其中引腳IO6 與IO12 輸出。引腳IO2 與IO3 外接電阻，

9、對差分放大器Q5，Q6 產(chǎn)生電流負(fù)反饋，可調(diào)節(jié)乘法器的信號增益，擴(kuò)展輸入電壓的線性動態(tài)范圍。引腳IO14 為負(fù)電源端或接地端，引腳IO5 外接電阻R5，用來偏置電流以及鏡像電流。 在實現(xiàn)調(diào)幅時載波信號加載在Q1，Q4 的輸入端，即IO8、IO10 管腳。調(diào)制信號加載在差動放大器Q5、Q6 即管腳IO1、IO4。IO2、IO3 管腳外接電阻，以擴(kuò)大調(diào)制信號動態(tài)范圍。已調(diào)制信號由雙差動放大器的兩集電極輸出。接于正電源電路的電阻R6, R4用來分壓，以便提供相乘器內(nèi)部Q1Q4 管的基極偏壓；負(fù)電源通過RP，R12，R13 及R9，R10 的分壓供給相乘器內(nèi)部Q5、Q6 管基極偏壓，RP 為載波調(diào)零電

10、位器，調(diào)節(jié)RP 可使電路對稱以減小載波信號輸出；R8,R14 為輸出端的負(fù)載電阻，接于IO2、IO3端電阻R7 用來擴(kuò)大U 的線性動態(tài)范圍，同時控制乘法器的增益。（4）靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置 靜態(tài)偏置電壓的設(shè)置 靜態(tài)偏置電壓的設(shè)置應(yīng)保證各個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)，對于圖10-1所示的內(nèi)部電路，應(yīng)用時，靜態(tài)偏置電壓（輸入電壓為0時）應(yīng)滿足下列關(guān)系，即8=10, 1=4, 6=1212V6(12)8(10)2V12V8(10)1(4)2.7V12V1(4)52.7V靜態(tài)偏置電流的確定 靜態(tài)偏置電流主要由恒流

11、源I0的值來確定。當(dāng)器件為單電源工作時，引腳14接地，5腳通過一電阻VR接正電源+VCC由于I0是I5的鏡像電流，所以改變VR可以調(diào)節(jié)I0的大小，即 當(dāng)器件為雙電源工作時，引腳14接負(fù)電源-Vee，5腳通過一電阻VR接地，所以改變VR可以調(diào)節(jié)I0的大小，即根據(jù)MC1496的性能參數(shù)，器件的靜態(tài)電流應(yīng)小于4mA，一般取。在本實驗電路中VR用6.8K的電阻R15代替。2.普通調(diào)幅電路的設(shè)計及仿真（1）用模擬乘法器實現(xiàn)單頻調(diào)幅 普通條幅波的實現(xiàn)框圖： 根據(jù)上面的引腳圖，作出如下設(shè)計：兩輸入端8和10腳直流電位均為6V，可作為載波輸入通道；Y通道兩輸入端1和4腳之間有外接調(diào)零電路；輸出端6和12腳外可

12、接調(diào)諧于載頻的帶通濾波器；2和3腳之間外接Y通道負(fù)反饋電阻R8。若實現(xiàn)普通調(diào)幅，可通過調(diào)節(jié)10k電位器RP1使1腳比4腳高，調(diào)制信號與直流電壓疊加后輸入Y通道，調(diào)節(jié)電位器可以改變Vy的大小，即改變指數(shù)Ma；若實現(xiàn)DSB調(diào)制，10k電位器RP1使1、4腳之間直流等電位，即Y通道輸入信號僅為交流調(diào)制信號。為了減小流經(jīng)電位器的電流，便于調(diào)零準(zhǔn)確，可加大兩個750電阻的阻值，比如各增大10。 MC1496線性區(qū)好飽和區(qū)的臨界點(diǎn)在15-20mV左右，僅當(dāng)輸入信號電壓均小于26mV時，器件才有良好的相乘作用，否則輸出電壓中會出現(xiàn)較大的非線性誤差。顯然，輸入線性動態(tài)范圍的上限值太小，不適應(yīng)實際需要。為此，可

13、在發(fā)射極引出端2腳和3腳之間根據(jù)需要接入反饋電阻R8=1k，從而擴(kuò)大調(diào)制信號的輸入線性動態(tài)范圍，該反饋電阻同時也影響調(diào)制器增益。增大反饋電阻，會使器件增益下降，但能改善調(diào)制信號輸入的動態(tài)范圍。MC1496可采用單電源，也可采用雙電源供電，其直流偏置由外接元器件來實現(xiàn)。1腳和4腳所接對地電阻R5、R6決定于溫度性能的設(shè)計要求。若要在較大的溫度變化范圍內(nèi)得到較好的載波抑制效果，R5、R6一般不超過51；當(dāng)工作環(huán)境溫度變化范圍較小時，可以使用稍大的電阻。 5腳電阻R7決定于偏置電流I5的設(shè)計。I5的最大額定值為10mA，通常取1mA。由圖可看出，當(dāng)取I5=1mA，雙電源（+12V，-8V）供電時，R

14、7可近似取6.8k。輸出負(fù)載為R15，亦可用L2與C7組成的并聯(lián)諧振回路作負(fù)載，其諧振頻率等于載頻，用于抑制由于非線性失真所產(chǎn)生的無用頻率分量。VT1所組成的射隨器用于減少負(fù)載變化和測量帶來的影響。（2） 實驗電路圖本實驗采用的調(diào)幅電路圖載波信號由XFG1 提控C（t）=VcmcosCt 通過電容C1，C2 以及R5 加到相乘器的輸入端IO8，IO10 管腳。調(diào)制信號由XFG2 提供（t）=Vcost，通過電容C4 及電阻R12,R9 加到乘法器的輸入端IO1，IO4 管腳。輸出信號經(jīng)過C3 輸出。3.檢波電路的設(shè)計與仿真（1）相干檢波原理 調(diào)幅波的解調(diào)即是從調(diào)幅信號中取出調(diào)制信號的過程，通常

15、稱之為檢波。調(diào)幅波解調(diào)方法有二極管包絡(luò)檢波器，同步檢波器。下面是同步檢波器的框圖： 檢波的物理過程如下：在高頻信號電壓的正半周時，二極管正向?qū)ú﹄娙萜鰿充電，由于二極管的正向?qū)娮韬苄。猿潆婋娏鱥D很大，使電容器上的電壓c很快就接近高頻電壓的峰值。充電電流的方向如左圖所示。理想情況下，峰值包絡(luò)檢波器的輸出波形應(yīng)與調(diào)幅波包絡(luò)線的形狀完全相同。但實際上二者之間總會有一些差距，亦即檢波器輸波形有某些失真。 （2） 實驗用檢波電路4.實驗完整電路圖2.4 實驗過程及結(jié)果2.4.1抑制載波振幅調(diào)制實驗 （1）使用要求的調(diào)制頻率信號：載波信號（XFG1）：f=5MHz，Vp-p=40mv；調(diào)制信

16、號（XFG2）：f=1KHz，Vp-p=200mv。結(jié)論：由圖可看出，由于調(diào)制信號的頻率過小，從圖像上觀察結(jié)果十分緩慢，要知道正確與否需要很長時間。（2）使用頻率較大的調(diào)制信號進(jìn)行調(diào)制：載波信號（XFG1）：f=5MHz，Vp-p=40mv；調(diào)制信號（XFG2）：f=100KHz，Vp-p=200mv。 仿真波形如下圖：觀察示波器，適當(dāng)調(diào)節(jié)R15，當(dāng)R15為30%時，可以看到已調(diào)信號和解調(diào)信號：載波信號（XFG1）：f=5MHz，Vp-p=40mv；調(diào)制信號（XFG2）：f=300KHz，Vp-p=300mv。適當(dāng)調(diào)節(jié)R 的值，出現(xiàn)如下結(jié)果： 結(jié)論：由圖可以看出，電路擁有調(diào)幅和解調(diào)功能。設(shè)置參

17、數(shù)和要求值不一樣，原因是當(dāng)調(diào)制頻率過小時，輸出結(jié)果過慢，不易看出結(jié)論。所以將調(diào)制信號頻率提高到100Hz。當(dāng)輸入調(diào)制信號為幾百毫伏時，出現(xiàn)抑制載波調(diào)幅信號，從圖中可以看出波形在零點(diǎn)相位有180 度的變化。 2.4.2.包含載波的振幅調(diào)制載波信號（XFG1）：f=5MHz，Vp-p=40mv；調(diào)制信號（XFG2）：f=100KHz，Vp-p=60mv。結(jié)論：從圖中可以看出該波形中，高頻載波信號的振幅和調(diào)制信號有著一樣的變化規(guī)律，也就是載波振幅隨著信號的規(guī)律變化。這是有載波振幅調(diào)制的波形。這里的，調(diào)幅系數(shù)為Ma= *100%1當(dāng)調(diào)幅系數(shù)大于1時，會出現(xiàn)如下情況：結(jié)論：若Ma1，在t= 附近，V0（

18、t）變?yōu)樨?fù)值。就出現(xiàn)上圖波形。從圖中可以看出，已調(diào)波的包絡(luò)形狀與調(diào)幅信號不一樣，產(chǎn)生了嚴(yán)重的包絡(luò)失真，在實際應(yīng)用中應(yīng)盡量避免，保證調(diào)幅系數(shù)在0 與1 之間。 2.4.3.在振幅調(diào)制電路中加入放大電路和帶通濾波器 在振幅調(diào)制電路中加入放大電路和帶通濾波器后實驗電路圖如下，其余電路和條件不變增加的電路內(nèi)容，對已調(diào)信號進(jìn)行放大和濾波。增加后的調(diào)制電路：實驗結(jié)果如下：結(jié)論：由圖可以看出，當(dāng)增加了放大器和帶通濾波器后，實驗結(jié)果顯示已調(diào)信號變大。幅度可以達(dá)到2v。但是解調(diào)出的結(jié)果依然和調(diào)制信號一樣。當(dāng)調(diào)制信號增大到一定程度時，調(diào)制信號會失真。結(jié)果如下實驗結(jié)果如下：矯正方法：對A進(jìn)行調(diào)整，波形變化為如下：已調(diào)信號正常，沒有失真。3. 實驗總結(jié) 通過本次實驗，我對調(diào)幅電路有了更進(jìn)一步的認(rèn)識和了解，對乘法器知識有了更深的認(rèn)識。以前都是對乘法器的印象就是一個黑箱，但通過這次實驗，自己做出了乘法器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使我對乘法器的原理和使用有了進(jìn)一步的了解。除此