AM调制解调电路的设计与仿真报告

课程设计任务书学生姓名：张媛 专业班级：电信0905班指导教师：黄晓放 工作单位：信息工程学院题 目: AM调制解调电路的设计仿真与实现 初始条件：可选元件：运算放大器，三极管，电阻、电位器、电容、二极管若干，直流电源Vcc=+12V，VEE=-12V，或自选元器件。可用仪器：示波器，万用表，直流稳压源，毫伏表等。要求完成的主要任务:（1）设计任务根据要求，完成对AM调制解调电路的设计、装配与调试。（2）设计要求 载波信号：频率，100 Hz1KHz；幅度，1V左右；调制信号频率：1K50KHz；幅度，10V以下。 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。（用Proteus画电路原理图并实现仿真） 安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告书。时间安排：1、 2010 年1月3日 至2010年1月7日，完成仿真设计、制作与调试；撰写课程设计报告。 2、 2010 年1月8日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。参考文献：1）2）3）指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录1Proteus软件简介32AM调制解调电路基本原理42.1 振幅调制电路42.1.1振幅调制2.1.2振幅调制电路的组成模型2.2 振幅解调电路3各组成部分的工作原理3.1调制电路的工作原理53.2 解调电路的工作原理64Proteus原理图绘制4.1 准备画图4.2放置元件及排版4.3模拟及仿真5 .Proteus电路的仿真6仿真结果与分析7.1计算元件参数7.2电路7.3电路7.设计过程中发现的问题8设计总结9心得体会10.仪器仪表清单11.参考文献12.附件：本科生课程设计成绩评定表1Proteus软件简介Proteus软件是英国LABCENTERELECTRONICS公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。Proteus软件具有4大功能模块：智能原理图设计、完善的电路仿真功能、独特的单片机协同仿真功能、实用的PCB设计平台。由于Proteus软件界面直观、操作方便、仿真测试和分析功能强大，因此非常适合电子类课程的课堂教学和实践教学，是一种相当好的电子技术实训工具，同时也是学生和电子设计开发人员进行电路仿真分析的重要手段。Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是：（1）原理布图（2）PCB自动或人工布线（3）SPICE电路仿真革命性的特点（1）互动的电路仿真用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。（2）仿真处理器及其外围电路可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。本次Proteus课程设计实现AM调制解调电路的原理图绘制以及电路的仿真。运用由三极管组成的乘法器调制出AM信号，再经非线性元件二极管解调，最后经过运算放大器组成的低通滤波器滤除载波得到音频信号。2AM调制解调电路基本原理2.1振幅调制电路2.1.1振幅调制AM调制也称普通调幅波，已调波幅度将随调制信号的规律变化而线性变化，但载波频率不变。设载波是频率为c的余弦波：uc(t)=Ucmcosct, 调制信号为频率为的单频余弦信号，即U(t)=Umcost(c),则普通调幅波信号为:uAM(t)= (Ucm+kUm cos t)cosct = Ucm(1+Macost)cosct（1）式中：MakUm/Ucm，称为调幅系数或调幅度AM调制信号波形如图1所示：图1.普通调幅波形显然AM波正负半周对称时：MaUcmUmaxUcm UcmUmin调幅度为：Ma=( UmaxUcm )Ucm =( UcmUmin )UcmMa0时，未调幅状态Ma1时，满调幅状态（100）正常Ma值处于01之间Ma1时，普通调幅波的包络变化与调制信号不再相同，会产生失真，称为过调幅现象。所以，普通调幅要求Ma必须不大于1。图2所示为产生失真时的波形。图2.Ma1时的过调制波形 振幅调制电路的组成模型从调幅波的表达式（1）可知，在数学上调幅电路的组成模型，可以由一个相乘器和一个相加器组成。如图3所示：图3.低电平调幅原理图2.2振幅解调电路2.2.1振幅解调振幅解调是振幅调制的逆过程，从频谱的角度看就是将有用信号从高频段搬到低频段。而要完成频谱搬移（有新频率产生），电路中必须要有非线性器件。一般情况下，AM波采用包络检波即峰值检波的方式实现解调。包络检波就是从AM中还原出原调制信号的过程。设输入普通调幅信号uAM（t）如（1）式所示，图4中非线性器件工作在开关状态，则非线性器件输出电流为：io(t)=guAM(t)K1（ct）=gUcm(1+Macost)cosct1/2+(-1)2.2.2包络检波原理图图4.包络检波原理图图4中（a）图为包络检波电路的组成模型，（b）图则为包络检波还原信号的波形变化过程和频谱的变化情况。检波器的质量指标：检波效率（电压传输系数）Kd检波效率是指检波器的输出电压和输入高频电压振幅之比。直流传输系数：Kd=UoUm交流传输系数：Kd=UmUc其中，Uo为输出直流电压，Um为输入高频载波幅度： mUc为输出解调信号幅度，U为包络幅度。由以上关系可知，检波效率Kd越大越好。检波器的失真（越小越好）非线性失真系数：Kf谐波幅度 / 基波幅度有二种特殊失真：惰性失真和负峰切割（平底）失真等效输入电阻（越大越好）Ri输入高频电压振幅 / 输入高频电流的基波振幅高频滤波系数（越大越好）F输入高频电压振幅 / 输出高频电压振幅3各组成部分的工作原理3.1调制电路的工作原理单片集成模拟乘法器模拟乘法器是低电平调幅电路的常用器件, 它不仅可以实现普通调幅, 也可以实现双边带调幅与单边带调幅。 既可以用单片集成模拟乘法器来组成低电平调幅电路, 也可以直接采用含有模拟乘法器部分的专用集成调幅电路。模拟乘法器可实现输出电压为两个输入电压的线性积, 典型应用包括：乘、除、平方、均方、倍频、调幅、检波、混频、 相位检测等。单片集成模拟乘法器种类较多, 由于内部电路结构不同, 各项参数指标也不同。在选择时应该以下主要参数：工作频率范围、电源电压、输入电压动态范围、线性度等。本次AM调制实验中选择的是MC1596模拟乘法器，其主要特性参数如下：电源电压：V+12V，V-8V；输入电压动态范围：-26mVUx26mV，-4VUy4V；输出电压动态范围：4V；3dB带宽：300MHz。MC1596是以双差分电路为基础, 在Y输入通道加入了反馈电阻, 故Y通道输入电压动态范围较大, X通道输入电压动态范围很小。通常X通道作为载波或本振的输入端, 而调制信号或已调波信号从Y通道输入。当X通道输入是小信号(小于26 mV)时, 输出信号是X、Y通道输入信号的线性乘积。当X通道输入是频率为c的单频很大信号时(大于260 mV), 根据双差分模拟乘法器原理，输出信号应是Y通道输入信号和双向开关函数K2(ct)的乘积：两种情况均可实现调幅。图6是MC1596内部电路图。图5.MC1596内部电路图3.1.2模拟乘法器调幅电路图6.MC1596组成的普通调幅电路Y通道两输入端1、4脚之间外接有调零电路, 可通过调节50k电位器使1脚电位比4脚高Uy, 调制信号u(t)与直流电压Uy迭加后输入Y通道。调节电位器可改变调制指数Ma。输出端6、12脚外应接调谐于载频的带通滤波器。2、3脚之间外接Y通道负反馈电阻。3.1.3实验调幅电路实验中所用的AM调制电路是由图6和图7电路图组合而成的电路图，如下图8所示：图7.AM调制电路3.2包络检波电路3.2.1二极管包络检波电路AM波采用的解调电路又称为包络检波电路。包络检波电路通常采用二极管和RC滤波网络组成，如图9所示。图8.二极管检波电路当输入的AM波的幅度足够大时，假设二极管起理想开关的作用，则AM波经过二极管后AM波的负半周被削去，只剩下幅度按调制信号规律变化的一连串正半周余弦脉冲，如图10所示。将这一串余弦脉冲经RC滤波网络滤除高频分量后，就可取出调制信号U（t）分量，完成解调过程。如果输入是高频等幅波，则检波输出就是直流电压，这就可以作为接收信号的场强指示。图9.检波输出波形3.2.2实验采用的包络检波电路为了使二极管峰值包络检波器能正常工作, 避免失真, 实验过程中将普通二极管检波电路做了一些改进，因而实验选取的电路如图10所示。要求必须根据输入调幅信号的工作频率与调幅指数以及实际负载RL, 正确选择二极管和R1、R2和C、Cc的值。此次实验各元件的参数如下：C=0.01F，R1=1k，R2=5k，Cc=47F，RL=10k图10.改进后的二极管峰值包络检波器3.3实验总原理图实验总电路图为图7的AM调至电路与图10的改进后的包络检波电路联合起来的电路，如图11所示：图11.实验总原理图4Proteus原理图绘制4.1 准备画图1.安装好软件后点击桌面上图标进入软件环境。2.在看是菜单中找到Proteus图标单击，进入Proteus操作界面。3.设置所需原件。单击绘图工具栏中的元件模式按钮，进入元件库，在元件库中通过搜索栏中分别键入CAP电容，RES电阻，POT-HG滑动变阻器，NPN三极管，1N914二极管，LT1014A运放等找到对应属性的元件。需在元件库中找出相应阻值，电容，电感的元件。图Proteus元件选择框4.2放置元件及排版1.通过对象选择器窗口单击选择相应元件，在右侧图形编辑窗口中单击左键放置元件。元件的移动：用鼠标左键按住元件拖曳。元件的旋转：选定所需旋转元件，单击绘图工具栏左右旋转按钮完成旋转。元件的删除：通过鼠标左键选定要删除的元件，点击键盘上的delete键即可完成对应元器件的删除。2.将鼠标移至元件引脚处待出现红色方框单击鼠标左键将鼠标移至所需连接的另一元件管脚处待出现红色方框后再次单击鼠标左键完成单根导线的连接。以此类推，按照实验原理图放置元件并布线。引出节点：在所需引出节点导线处单击鼠标右键，移动鼠标即可在该点设置节点并引出导线。3.完成电路布线后，为使电路更加紧凑有逻辑性，各功能区域明显，应对相应元件或导线位置进行相应调整。元件位置调整：单击相应元件按住鼠标左键并将元件拖曳至相应位置后放开即可。导线间距的调整：将鼠标移至要调整导线所连接的元器件，单击该器件，相应导线及元器件将变为选定状态，将鼠标移至该导线处出现左右（上下）调节标志，按住鼠标左键拖曳相应导线到预定位置后放开，即可移动导线。4.3模拟及仿真1.电路连接无误后，根据实验要求，选定所需信号源及测试仪表，单击仿真键仿真。示波器：在绘图栏中选择虚拟仪器菜单中的Oscilloscope（示波器）选项，将其放置到图形编辑窗口，连接相应导线至测试点。5Proteus电路的仿真由于Proteus具有强大的仿真功能，所以我们优先选用Proteus作为本电路图的仿真工作。在电路原理图中，我们已经将各元件安放参数调试完毕。然后用示波器观察各输出参考点波形。由图11可清楚知道uAM(t)，由图（6）可知正弦波输出端应为电容C5处。单击开始按钮，弹出示波器显示窗格，通过调节R14改变方波产生频率进而改变三角波正弦波频率及幅，同样调节RV1可改变方波产生幅度。调节R17可对三极管Q1、Q2的对称性进行调整使波形达到最佳状态。观察示波器输出波形的关系。进行仿真结果分析。图9.仿真实验原理图6仿真结果与分析6.1输入信号的参数Uc：6V，10kHz；U：1V，500Hz。6.2 AM调制信号产生电路如图所示的电路能自动产生方波-三角波。电路工作原理如下：若a点断开，运算放大器A1与R1、R2及R3、RP1组成的电压比较器，C1称为加速电容，可加速比较器的翻转。运放的反相端接基准电压，即U-=0，同向端接输入电压Uia，R1称为平衡电阻。比较器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+VCC，低电平等于负电源电压-VEE（|+VCC|=|-|），当比较器的时，比较器翻转，输出从高电平跳到VEE，或从低电平-VEE跳到高电平+VCC。可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系如图所示。a点闭合，即比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。三角波的幅度Uo2m为Uo2m=R2/(R3+RP1)VCC方波-三角波的频率f为f=R3+RP1/(4R2(R4+RP2)C2)由式()、式（6.2.9）可以得出以下结论：电位器RP2在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。若要求输出频率范围较宽，可用C2改变频率的范围，RP2实现频率微调。方波的输出幅度应等于电源电压+VCC。三角波的输出幅度应不超过电源电压+VCC。电位器RP1可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。6.3包络检波电路根据图的组成框图，三角波-正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定、输入阻抗高、抗干扰能力强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。分析表明，传输特性曲线的表达式为Ic1=Ie1=Io/(1+)()Ic2=Ie2=Io/(1+)()式中:=Ic/Ie1Io差分放大器的恒定电流Ut温度的电压当量，室温为25时，Ut26MV。如果Uid为三角波，设表达式为Uid=式中：Um三角波的幅度；T温度的电压当量，当室温为25时，Ut26MV。将式（）带入式（6.2.10）或式（6.2.11）可得Ic1（t）=Io/(1+e4Um/T*(t-T/4) 0tT/2Io/(1+e4Um/T*(t-3T/4) T/2tT()由此可见：7设计过程发现的问题8设计总结此次通过设计AM调制解调电路并用PROTEUS软件对其进行仿真，我深刻认识到了实践的重要性，我们的收获也很丰盛。通过本次课设对于电路仿真软件我们有了系统的认识，并且掌握了基本的操作技能，能够完成原理图的绘制，PCB的制作及仿真等。最重要的是锻炼了实际动手操作能力，掌握了新的技能，这大概就是学校安排这个课程设计的原因吧。本次课设更接近与实际的结合，例如有能力和条件的小组学校老师要求每个成员都完成一份实物的制造。学校这样要求是有意培养我们的动手能力，使我们能够更有竞争力能在现实社会中掌握真本领，有立足之地。在了解原理、设计整个电路、绘制电路再到仿真，我个人感觉仿真部分是最难的，本次软件使用中，前几次的仿真都无法完全成功，不是没有波形就是无法形成所需要的AM调制波形。后来通过多次修改实验原理图和实验元器件相关参数，我们最终成功使示波器上出现了想要的波形。当然对实验原理的了解和认识也非常重要，只有理解和认识了实验原理才能完成实验电路图的绘制与仿真。经过这次课程设计，我们深刻体会到当出现问题并想方设法去解决问题的时候才是真正考验一个人的时候。通过这次课程设计，我第一次比较独立的完成了对一个工具软件的从学习到使用的整个过程，可以想象在实际电路的设计时会是怎样的情形。对于PROTEUS这个软件的强大功能有了深刻的了解。当一次次的绘图布局与一次次的仿真失败到最终看到仿真波形的时候，心里感到非常的兴奋，虽然几经周折，但最后还是成功了，实现了应有的功能，感觉有很大的收获。 9心得体会10仪器仪表清单DescriptionDesignatorFootprintLibRefQuantityVoltage Source12VnegVSRC1Voltage Source12VposVSRC1CapacitorC1RAD-0.3Cap1CapacitorC2RAD-0.3Cap1CapacitorC3RAD-0.3Cap1CapacitorC4RAD-0.3Cap1CapacitorC5RAD-0.3Cap1NPN General Purpose AmplifierQ1BCY-W3/E42N39041NPN General Purpose AmplifierQ2BCY-W3/E42N39041NPN General Purpose AmplifierQ3BCY-W3/E42N39041NPN General Purpose AmplifierQ4BCY-W3/E42N39041ResistorR1AXIAL-0.4Res21ResistorR2AXIAL-0.4Res21ResistorR3AXIAL-0.4Res21ResistorR4AXIAL-0.4Res21ResistorR5AXIAL-0.4Res21Tapped ResistorR6VR3Res Tap1ResistorR7AXIAL-0.4Res21ResistorR8AXIAL-0.4Res21ResistorR9AXIAL-0.4Res21Tapped ResistorR10VR3Res Tap1ResistorR11AXIAL-0.4Res21ResistorR12AXIAL-0.4Res21ResistorR13AXIAL-0.4Res21ResistorR14AXIAL-0.4Res21ResistorR15AXIAL-0.4Res21ResistorR16AXIAL-0.4Res21ResistorR17AXIAL-0.4Res21Four UA741 Quad Bipolar Operational AmplifierU1DIP14LM348N1Four UA741 Quad Bipolar Operational AmplifierU2DIP14LM348N111参考文献【1】顾宝良编著通信电子线路（第2版） ，电子工业出版社，2007.8【2】宁帆 方建邦 高立 编通信电子电路基础 ，人民邮电出版社，2009.1【3】高卫斌主编电子线路（第3版） ， 电子工业出版社，2009.11【4】余萍、李然、贾惠彬编著通信电子电路 ，清华大学出版，2010.10【5】鲁捷编 电子技术基础教程 ，清华大学出版社，2005.9【6】谢自美 罗杰编电子线路设计、实验、测试（第4版） ，电子工业出版社，2008.4本科生课程设计成绩评定表姓 名性 别专业、班级课程设计题目：课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字：年 月 日