基于multisism的M1496振幅調(diào)制實驗

1、湖南大學工程訓練 HUNAN UNIVERSITY工程訓練報告 題 目：基于模擬乘法器芯片MC1496的調(diào)幅與檢波電路設計與實現(xiàn) 學生姓名：征察 學生學號：20110803501 專業(yè)班級：通信工程5班 指導老師(簽名): 2014 年9 月13 日第 22 頁湖南大學工程訓練 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應用方向32.2 項目介紹42.2.1 項目簡介42.1.2 項目任務及要求42.1.3項目環(huán)境 52.3 項目設計與實現(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 225. 導師指導意見 22一摘要 信號相乘與我們的生活息息相關，從電話手機通信，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)幅電路進行軟件仿真和實際電路測試，并分析比較測試結(jié)果。關鍵詞：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為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作。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，并對電路進行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設計，這也使其更適合電子學教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設計工程師和電子學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計和測試這樣一個完整的綜合設計流程。Multisim可以設計、測試和演示各種電子電路，包括電工學、模擬電路、數(shù)字電路、射頻電路及微控制器和接口電路等?？梢詫Ρ环抡娴碾娐分械脑骷O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。在進行仿真的同時，軟件還可以存儲測試點的所有數(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)設計奠定基礎。 （ 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軟件進行

6、計算機仿真，并作出硬件實驗結(jié)果。2.2.2 項目任務及要求 任務一：振幅調(diào)制器的開發(fā) 用模擬乘法器MC1496設計一振幅調(diào)制器，使其能實現(xiàn)信號幅度調(diào)制，主要指標：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。任務二：檢波器的開發(fā)用模擬乘法器MC1496設計一調(diào)幅信號同步檢波器，主要指標：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軟件進行計算機仿真。2.3 項目設計與實現(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用。相乘的過程在電路中有時可用模擬乘法器芯片MC1496來進行實現(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)生電流負反饋，可調(diào)節(jié)乘法器的信號增益，擴展輸入電壓的線性動態(tài)范圍。引腳IO14 為負電源端或接地端，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 為輸出端的負載電阻，接于IO2、IO3端電阻R7 用來擴大U 的線性動態(tài)范圍，同時控制乘法器的增益。（4）靜態(tài)工作點的設置 靜態(tài)偏置電壓的設置 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-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10-1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 當器件為雙電源工作時，引腳14接負電源-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)的臨界點在15-20mV左右，僅當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的設計。I5的最大額定值為10mA，通常取1mA。由圖可看出，當取I5=1mA，雙電源（+12V，-8V）供電時，R

14、7可近似取6.8k。輸出負載為R15，亦可用L2與C7組成的并聯(lián)諧振回路作負載，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?，所以充電電流iD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，峰值包絡檢波器的輸出波形應與調(diào)幅波包絡線的形狀完全相同。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，適當調(diào)節(jié)R15，當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。設置參

17、數(shù)和要求值不一樣，原因是當調(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)樨撝?。就出現(xiàn)上圖波形。從圖中可以看出，已調(diào)波的包絡形狀與調(diào)幅信號不一樣，產(chǎn)生了嚴重的包絡失真，在實際應用中應盡量避免，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。幅度可以達到2v。但是解調(diào)出的結(jié)果依然和調(diào)制信號一樣。當調(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)幅電路有了更進一步的認識和了解，對乘法器知識有了更深的認識。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一步的了解。除此