高频电子线路课程设计同步检波器设计仿真与研究

武汉理工大学《高频电子线路》课程设计PAGEPAGE20武汉理工大学《高频电子线路》课程设计学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：题目:同步检波器设计初始条件：高频理论知识，Multisim和Protel软件使用基础，装有Multisim和Protel的PC机一台。要求完成的主要任务:1.设计出信号调制系统2.设计出同步检波器原理图3.结合仿真软件进行仿真设计4.给出设计具体参数及技术指标参考书：电子线路设计·实验·测试(谢自美)高频电子线路实验与课程设计(杨翠娥)模拟电子线路Ⅱ(谢沅清)时间安排：1、 理论讲解，老师布置课程设计题目，学生根据选题开始查找资料；2、课程设计时间为1周。（1）确定技术方案、电路，并进行分析计算，时间1天；（2）选择元器件、安装与调试，或仿真设计与分析，时间2天；（3）总结结果，写出课程设计报告，时间2天。指导教师签名：2010年01月26日系主任（或责任教师）签名：年月日目录摘要 IAbstract II1MC1496芯片介绍 11.1MC1496内部结构及基本性能 11.2误差源和非线性 21.3应用电路 31.3.1乘法器 31.3.2压控低通滤波器 32信号调制的一般方法 32.1模拟调制 42.2数字调制 42.3脉冲调制 43振幅调制 43.1基本原理 43.2AM调制与仿真实现 84解调 104.1解调基本原理 104.2包络检波 104.3同步检波 114.3.1叠加型同步检波器 114.3.2乘积型同步检波器 134.3.3乘积型同步检波器的优点 165小结与体会 186参考文献 197附录：总原理图 20摘要信息传输是人类社会生活的重要内容。而信息的传递很大程度上而言离不开调制和解调技术。解调也称作检波，就是从从接收端最大程度不失真的恢复出有用的信息。同步检波器是解调技术的一个重要分支。同步检波，又称相干检波，它利用与已调幅波的载波（同频，同向)与已调幅波相乘，再利用低通滤波器滤除高频分量，从而得到调制信号。本文详细介绍了基于ADI公司的模拟乘法器MC1496的AM调制系统和同步检波器的详细方案和各种参数。给出了基于Multisim软件的调制和解调仿真结果。关键词：信息AM调制同步检波MultisimAbstractTheintelligencetransmissionisthehumansocietylifeimportantcontent.Buttheinformationtransmissionsaystoagreatextentcannotleavethemodulationandthedemodulationtechnology.Thedemodulationisalsocalledasthedetection,isthehighreceivingendgreatestdegreenotdistortedrestorationusefulinformation.Thesynchronousdetectorisdemodulatestechnicalanimportantbranch.Synchronizeddetection,alsocallsthecoherentdetection,ituseswiththeamplitudemodulatedwavecarrier(frequency,cocurrent)rideswiththeamplitudemodulatedwavemode,againusinglowpassfilterfiltrationhighfrequencycomponent,thusobtainsthemodulationsignal.ThisarticleintroducedindetailbasedonADICorporation'ssimulationmultiplierMC1496AMmodulationsystemandsynchronousdetector'sdetailedplanandeachkindofparameter.HasgivenbasedontheMultisimsoftware'smodulationandthedemodulationsimulationresult.Keyword:informationAMmodulationsynchronizationdetectsMultisim同步检波器设计1MC1496芯片介绍1.1MC1496内部结构及基本性能在高频电子线路中，振幅调制、同步检波、混频、倍频、鉴频等调制与解调的过程均可视为两个信号相乘的过程，而集成模拟乘法器正是实现两个模拟量电压或电流相乘的电子器件。采用集成模拟乘法器实现上述功能比用分立器件要简单得多，而且性能优越，因此集成模拟乘法器在无线通信、广播电视等方面应用较为广泛。在目前的乘法器中，单通道器件（如MOTOROLA的MC1496）无法实现多通道的复杂运算；二象限器件（如ADI公司的AD539）又会使负信号的应用受到限制。而ADI公司的MC1496则是一款完全四通道四象限电压输出模拟乘法器，这种完全乘法器克服了以上器件的诸多不足之处，适用于电压控制放大器、可变滤波器、多通道功率计算以及低频解调器等电路。非常适合于产生复杂的要求高的波形，尤其适用于高精度CRT显示系统的几何修正。其内部结构及引脚排列如图1-1所示。图1-1MC1496内部结构图MC1496是由互补双极性工艺制作而成，它包含有四个高精度四象限乘法单元。温度漂移小于0．005％／℃。0．3μV／Hz的点噪声电压使低失真的Y通道只有0．02％的总谐波失真噪声，四个8MHz通道的总静止功耗也仅为150mW。MC1496的工作温度范围为－40℃～＋85℃。MC1496的其它主要特性如下：●四个独立输入通道；●四象限乘法信号；●电压输入电压输出；●乘法运算无需外部元件；●电压输出：W＝（X×Y）／2．5V，其中X或Y上的线性度误差仅为0．2％；●具有优良的温度稳定性：0．005％；●模拟输入范围为±2．5V，采用±5V电压供电；●低功耗一般为150mW。1.2误差源和非线性模拟乘法器的静态误差主要由输入失调电压、输出偏置电压、比例系数以及非线性度引起。在这四种误差源中，只有X和Y的输入失调电压可以由外部调整。而MC1496的输出偏置电压在出厂时已由厂家调整至50mV，比例系数在整个量程之内被内部调整为2．5％。MC1496的输入失调电压的误差可以采用图2所示的可变失调电压调整电路来消除。这种电路还可以减小乘法器内核中的输出偏置电压、增益误差以及非线性器件引起的固有误差。乘法器的内部非线性是器件的固有误差。它指的是所有成对输入值的实际输出与理想的线性理论输出值之间的差值。其定义是在完全没有电流误差时，误差量与满刻度的百分比。在最坏的情况下，MC1496的X输入端的最大非线性也小于0．2％，Y输入端的最大非线性仅为0．06％。因此，在应用于调制解调器或是混频器时，最好将载波信号由X输入端输入，而实际信号由Y输入端输入。1.3应用电路1.3.1乘法器四个独立通道中的每一通道都是由两个单端电压输入(X和Y)和一个低阻抗输出(W)组成，而且每个通道都有自己专有的接地，这些接地都被接模拟地。为了达到最好的性能，电路布局一定要紧凑，连线要短，电源电压的馈电电流要旁路。不用的引脚接地处理。1.3.2压控低通滤波器用模拟乘法器MC1496构成的一个压控低通滤波器。比传统的滤波器配置相比这种技术的好处在于滤波器的截至频率ω0直接正比于乘法器的输入电压。这使得滤波器中的电容可以由电压控制，从而可以直接或间接调整。这样滤波器的频率特性就可以在不影响其它参数的情况下由一个单独的电压进行控制。2信号调制的一般方法调制就是对信号源的信息进行处理，使其变为适合于信道传输的形式的过程。一般来说，信号源的信息（也称为信源）含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。基带信号往往不能作为传输信号，因此必须把基带信号转变为一个相对基带频率而言频率非常高的信号以适合于信道传输。这个信号叫做已调信号，而基带信号叫做调制信号。调制是通过改变高频载波即消息的载体信号的幅度、相位或者频率，使其随着基带信号幅度的变化而变化来实现的。而解调则是将基带信号从载波中提取出来以便预定的接收者（也称为信宿）处理和理解的过程。调制在通信系统中有十分重要的作用。通过调制，不仅可以进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而将调制信号转换成适合于传播的已调信号，而且它对系统的传输有效性和传输的可靠性有着很大的影响，调制方式往往决定了一个通信系统的性能。在通信中，我们常常采用的调制方式有以下几种。2.1模拟调制模拟调制就是用用连续变化的信号去调制一个高频正弦波。主要有：(a)幅度调制：调幅AM，双边带调制DSB，单边带调幅SSB，残留边带调制VSB以及独立边带ISB。(b)角度调制：调频FM，调相PM。因为相位的变化率就是频率，所以调相波和调频波是密切相关的。2.2数字调制用数字信号对正弦或余弦高频振荡进行调制.主要有：(a)振幅键控ASK；(b)频率键控FSK；(c)相位键控PSK.2.3脉冲调制用脉冲序列作为载波。主要有：1.脉冲幅度调制PAM；2.脉宽调制PDM；3.脉位调制PPM；4.脉冲编码调制PCM.3振幅调制3.1基本原理在本设计中调制方法采用的是振幅调制。振幅调制，也可简称为调幅，AM(AmplitudeModulation)，通过改变输出信号的振幅，来实现传送信息的目的。一般在调制端输出的高频信号的幅度变化与原始信号成一定的函数关系，在解调端进行解调并输出原始信号。实际上的函数关系一般是正比关系。这种调制方式的最大好处是调制和解调非常简单，只需要一个二极管和一个电容器即可，当然最大的缺点是失真比较大，同时对干扰比较敏感，相对来说是一种比较古老的技术。不过技术古老并不表示应用不广泛，目前仍然在很多领域应用，如收音机(中波广播)及航空无线电，尤其在航空无线电的领域，飞机的行进速度非常快，战斗机更快，对调频而言，多普勒效应太大了，会影响通讯，而调幅不受多普勒效应的影响，故无法被取代。同时调幅也有一些改进的技术，如单边带调制（SingleSideBand,SSB，又称旁波调制）、残边带调制(VestigialSideBand,VSB)，以及调幅的变种如目前在移动通信广泛使用的多幅度数字调制等。使受调波的幅度随调制信号而变化的电路。调幅器输出信号幅度ua与调制信号瞬时值的关系曲线叫作调幅特性。理想的调幅特性应是直线，否则便会产生失真。用于大功率广播或通信发射机的调幅器，还要求有足够大的输出功率和较高的效率。调幅器主要由非线性器件和选择性电路构成。非线性器件实现频率变换，产生边带和谐波分量；选择性电路用来选出所需的频率分量并滤掉其他成分，如高次谐波等。常用的非线性器件有晶体二极管、晶体管、场效应晶体管和电子管等。选择性电路大多用谐振回路或带通滤波器。按照电平的高低，调幅器可分为高电平调幅和低电平调幅。大功率调幅发射机多采用高电平调幅器。这种调幅器输出功率大，效率高。载波电话机和各种电子仪器多采用低电平调幅器。它们对输出功率和效率要求不高，可以选用调幅特性较好的电路。幅度调制系统框图如图3-1所示。图3-1幅度调制系统原理方框图调幅波的数学表式设：调制信号(3-1)载波信号(3-2)其中：——载波角频率，——载波频率，若同时作用在一个非线性器件上：(3-3)为分析方便，将非线性器件的输出电流用麦可劳林级数展开，(3-4)将(3-3)代入(3-4)，取前三项，则：(3-5)将第三项展开，利用式，故(3-5)式 若负载为LC调谐回路，W，2W，2wc均远离w故，调幅波电流的数学表达式为式中：——为载波电流的振幅若负载为LC调谐回路，中心频率f0，谐振电阻RP，则回路两端电压式中，——载波电压振幅，、取决于调幅电路的比例常数。为保证不失真，要求<其波形和频谱分别如图3-2和3-3所示。图3-2各种调幅度下的AM波形图3-3M(t)频谱及AM信号频谱3.2AM调制与仿真实现本次设计中采用的基于MC1496的AM调制，电路如图3-3所示。图3-4基于MC1496的AM调制电路原理图考虑到电路仿真不是Protel的强势所在，故选择了优秀的模拟电路仿真软件Multisim，而前者只是用来画原理图和制板。下图3-4是基于Multisim的AM调制电路。3-5基于Multisim的AM调制仿真电路图其中，两路输入端口加载的信号如下：

载波输入端IN1加上的信号为：f=400KHZ，Vp-p=400mv。调制信号输入端IN2加上的信号为：f=2KHZ，Vp-p=140mv。仿真输出波形如图3-5所示：图3-6AM调制仿真输出波形4解调4.1解调基本原理解调是从携带消息的已调信号中恢复消息的过程。在各种信息传输或处理系统中，发送端用所欲传送的消息对载波进行调制，产生携带这一消息的信号。接收端必须恢复所传送的消息才能加以利用，这就是解调。解调是调制的逆过程。调制方式不同，解调方法也不一样。因为前面的调制采用的AM调制，所以在此选择振幅解调的方式还原信号。从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波。用以完成这个任务的电路称为检波器。最简单的检波器仅需要一个二极管就可以完成，这种二极管就被称作检波二极管。目前，集成射频检波器现已得到了广泛的应用，而且每当要求更高的灵敏度和稳定性时，集成射频检波器有代替传统的二极管检波器的趋向。从调幅波中恢复调制信号的电路，也可称为幅度解调器。与调制器一样，检波器必须使用非线性元件，因而通常含有二极管或非线性放大器。通常，振幅解调的方法有包络检波和同步检波两种。4.2包络检波包络检波，是指还原得到的信号与高频条幅信号的包络变化规律一致的检波方法。由于AM信号有包络与调制信号呈线性关系这一特点，所以包络检波只适用于AM信号检波。其原理框图如图4-1所示。应用非线性器件频率变换，首先产生许多新频率，然后通过滤波器，滤除无用频率分量，取出所需要的原调制信号。根据电路及工作状态不同，检波器可分为峰值包络检波和平均包络检波。其中，二极管包络检波是包络检波中最简单的一种电路。图4-1包络检波原理框图4.3同步检波同步检波器主要用于DSB和SSB信号进行解调（当然也可以用于AM）。它的特点是必须外加一个与载波同频同相的恢复载波信号。其原理方框图如图4-2所示。.外加载波信号电压加入同步检波器有两种方法：叠加型和乘积型。低通滤波器已调振幅信号检波器低通滤波器检波器 插入载波信号图4-2同步检波器原理方框图4.3.1叠加型同步检波器将输入信号与同步信号叠加后，合成包络反映调制信号变化的普通调幅信号，再利用包络检波器实现解调，原理电路如图4-3所示。包络检波器加法器已调振幅信号包络检波器加法器插入载波信号图4-3叠加型同步检波器原理方框图若当为双边带信号时，合成电压只要满足，，合成信号即为不失真的AM调幅信号，利用包络检波器可以解调出所需要的音频信号。当为单边带信号时，合成电压式中：合成信号的包络和相角均受到调制信号的控制，不能不失真地反映原调制信号的变化规律。所以，一般情况下，由包络检波器构成的叠加型同步检波器不能对单边带信号实现线性解调。将改写为假若满足一定的条件，失真可以减小到允许值若满足>，上式可以简化为进一步忽略上式中的三次方及其以上的各项，经三角变换后可得将角频率为和分量的振幅之比定义为二次谐波失真系数，用表示，其值为若要求则要求通过上述分析知：当采用包络检波器构成同步检波电路用以解调单边带信号时，为将限制在允许的范围内，必须要求同步信号有足够大的振幅。叠加型同步检波器电路图如下图4-4所示。图4-4叠加型同步检波器4.3.2乘积型同步检波器这种方法是将外加载波信号和电压接收信号在检波器重相乘，再经过低通滤波器，最后检出原调制信号，原理框图如图4-5所示。乘法器低通滤波器已调振幅信号乘法器低通滤波器插入载波信号图4-5乘积型同步检波器原理方框图设输入普通调幅信号uAM(t)=(Ucm+kUΩmcosΩt)cosωct=Ucm(1+MacosΩt)cosωct乘法器另一输入同步信号为:ur(t)=Urmcosωct则乘法器输出为:其中k2是乘法器增益。可见,输出信号中含有直流,Ω,2ωc,2ωc±Ω几个频率分量。用低通滤波器取出直流和Ω分量,再去掉直流分量,就可恢复原调制信号。如果同步信号与发射端载波同频不同相,有一相位差θ,即ur=Urmcos(ωct+θ),则乘法器输出中的Ω分量为k2UcmUrmMacosθcosΩt。若θ是一常数,即同步信号与发射端载波的相位差始终保持恒定,则解调出来的Ω分量仍与原调制信号成正比,只不过振幅有所减小。当然θ≠90，否则cosθ=0,Ω分量也就为零了。若θ是随时间变化的,即同步信号与发射端载波之间的相位差不稳定,则解调出来的Ω分量就不能正确反映调制信号了。设载波为uc(t)=Ucmcosωct,单频调制信号为uΩ(t)=UωmcosΩt(Ω《ωc),则双边带调幅信号为:uDSB(t)=kuΩ(t)uc(t)=kUΩmUcmcosΩtcosωct=［cos(ωc+Ω)t+cos(ωc-Ω)t］其中k为比例系数。可见双边带调幅信号中仅包含两个边频,无载频分量,其频带宽度仍为调制信号带宽的两倍。由于双边带调幅信号的包络不能反映调制信号,所以包络检波法不适用,而同步检波是进行双边带调幅信号解调的主要方法。与普通调幅信号同步检波不同之处在于,乘法器输出频率分量有所减少。设双边带调幅信号如式(6.2.10)所示,同步信号为ur(t)=Urmcosωct,则乘法器输出为:uo(t)=其中k2是乘法器增益。用低通滤波器取出低频分量Ω,即可实现解调。将式(6.2.10)所示双边带信号取平方,则可以得到频率为2ωc的分量,然后经二分频电路,就可以得到ωc分量。这是从双边带调幅信号中提取同步信号的一种方法。在Protel中绘制出原理图如下图4-6所示。图4-6基于MC1496的AM解调电路原理图同样，用Multisim进行仿真处理。仿真电路原理图如图4-7所示。图4-7基于Multisim的同步检波器仿真电路其中，载波输入IN11端加入的是与调制端IN1端同频同相的正旋信号。载波输入端IN11加上的信号为：f=400KHZ，Vp-p=400mv。已调幅信号输入端IN2加上的为从调制电路输出端OUT端口处输出的信号。图4-8为AM调制和解调整体仿真架构。同步检波仿真波形如图4-9所示。图4-8AM调制和解调整体仿真架构图4-9乘积型同步检波仿真输出波形其中，上面A通道（上面的曲线）显示的是解调输出波形，B通道（下面的曲线）显示的是原来的调制信号波形。通过观察可知，解调输出有一定的延时，即产生了相位失真时延约在0.16ms左右。但是几乎没有产生频率失真。4.3.3乘积型同步检波器的优点对于双边带或单边带调幅信号来说，无法直接从双边带或单边带调幅信号中提取参考信号。为了产生同频同相的本地同步载频信号，往往在发射机发射双边带或单边带调幅信号的同时，附带发射一个载频信号，其功率远低于双边带或单边带调幅信号的功率，通常称为导频信号。接收机在接收双边带或单边带调幅信号的同时也接收导频信号，由晶体滤波器从输人信号中取出该导频信号，经放大后作为本地载频信号。如果发射机不发射导频信号，那么在接收端可采用与发射机相同的高稳定度的石英晶体振荡器或频率合成器来产生本地载频信号。本地载频信号与输入信号的载频