包络检波器设计书

通信电子线路 课程设计说明书 包络检波器 学 院 电气与信息工程学院 学生姓名 张磊 指导教师 李欣 职称 学位 实验师 专 业 通信工程 班 级 通信 1302 班 学 号 1330440253 完成时间 2015 12 31 湖南工学院通信电子线路课程设计课题任务书 学院 电气与信息工程学院 专业 通信工程 指导教师 李欣 学生姓名 张磊 课题名称 包络检波器 内 容 及 任 务 1 目标 熟悉包络检波器的结构 原理 掌握电路设计和实物制作方法 2 内容 用检波二极管 2AP12 设计 AM 信号包络检波器 主要指标 输入 AM 信号 载波频率 10MHz 正弦波 调制信号 1KHz 正弦波 幅度大于 1V 调 制度为 60 输出信号 无明显失真 幅度大于 5V 3 要求 制作实际电路并成功调试 编写设计计算说明书 主 要 参 考 资 料 1 胡宴如 高频电子线路 M 北京 高等教育出版社 2012 2 谢自美 电子线路设计 实验 测试 第三版 M 武汉 华中科技大学出版 社 2006 3 康华光 电子技术基础 模拟部分 M 北京 高等教育出版社 2006 4 张肃文 陆兆熊 高频电子线路 M 北京 高等教育出版社 1992 5 路勇 电子电路实验及仿真 M 北京 清华大学出版社 2004 6 陈松 金鸿 电子设计自动化技术 Multisim2001 Protel 99se M 南京 东南大 学出版社 2001 教 研 室 意 见 教研室主任 签字 年 月 日 摘 要 调幅波的解调即是从调幅信号中取出调制信号的过程 通常称为检波 检 波广义的检波通常称为解调 是调制的逆过程 即从已调波提取调制信号的过 程 对调幅波来说是从它的振幅变化提取调制信号的过程 对调频波是从它的 频率变化提取调制信号的过程 对调相波是从它的相位变化提取调制信号的过 程 工程实际中 有一类信号叫做调幅波信号 这是一种用低频信号控制高频 信号幅度的特殊信号 为了把低频信号取出来 需要专门的电路 叫做检波电 路 使用二极管可以组成最简单的调幅波检波电路 调幅波解调方法有二极管 包络检波器 同步检波器 目前应用最广的是二极管包络检波器 不论哪种振 幅调制信号 都可采用相乘器和低通滤波器组成的同步检波电路进行解调 但 是 普通调幅信号来说 它的载波分量被抑制掉 可以直接利用非线性器件实 现相乘作用 得到所需的解调电压 而不必另加同步信号 通常将这种振幅检 波器称为包络 关键词 调幅波 低频信号 振幅检波 目 录 1 绪论 1 2 包络检波器设计原理 2 2 1 原理框图 2 2 2 原理电路 3 2 3 工作原理分析 3 2 4 峰值包络检波器的输出电路 5 2 5 电压传输系数 5 2 6 检波器的惰性失真 6 2 7 检波器的底部切割失真 7 3 包络检波器电路设计 8 4 调试 9 4 1 AM 发射机实验 9 4 2 AM 接收机实验 10 参考文献 12 致 谢 13 0 1 绪论 无线通信的发展经历了三个阶段 首先 远古时期的手段是用烽火和旗语 其次 到近代出现了有线通信 其中著名的发明就是 1837 年 Morse 发明得电报 和 1876 年 Bell 发明的电话 电话的发明加速了通信领域的发展 为无线通信 的出现奠定了坚实的基础 无线通信的出现加快了现代通信领域的飞速发展 无线通信 Wireless Communication 是利用电磁波信号可以在自由空间中传 播的特性进行信息交换的一种通信方式 近些年信息通信领域中 发展最快 应用最广的就是无线通信技术 在移动中实现的无线通信又通称为移动通信 人们把二者合称为无线移动通信 无线通信主要包括微波通信和卫星通信 微 波是一种无线电波 它传送的距离一般只有几十千米 但微波的频带很宽 通 信容量很大 微波通信每隔几十千米要建一个微波中继站 卫星通信是利用通 信卫星作为中继站在地面上两个或多个地球站之间或移动体之间建立微波通信 联系 无线通信系统可以分为 信源 调制 高频功放 天线 高频小放 混频 和解调 其中解调就是从高频已调信号的过程 又称为检波 对于振幅调制信 号 解调就是从它的幅度变化上提取调制信号的过程 解调是调制的逆过程 实质上是将高频信号搬移到低频段 这种搬移正好与调制的搬移过程相反 振 幅解调方法可以分为包络检波和同步检波 包络检波是指解调器输出电压与输 入已调波的包络成正比的检波方法 由于 AM 信号的包络与调制信号呈线性关 系 因此包络检波只适用于 AM 波 包络检波是从调幅波包络中提取调制信号的过程 先对调幅波进行整流 得到波包络变化的脉动电流 再以低通滤波器滤除去高频分量 便得到调制信 号 包络检波电路有很多种 无源的有二极管检波 有源的有三极管 运放等 还有单向检波 桥式检波 同步检波等等 最简单的 也是用得最多的就是二 极管和三极管 此次设计就是利用二极管和低通滤波器实现 AM 包络检波 得到不失真的 调制信号 1 2 包络检波器设计原理 2 1 原理框图 包络检波主要用于普通调幅 AM 信号的解调 主要由二极管和低通滤波器 组成原理框图如图 1 图 1 包络检波器原理框图 因 经由非线性器件后输出电流中含有能线性反映输入信号包络变化规AMu 律的音频信号分量 即反映调制信号变化规律 所以包络检波仅适用于标准调 制波的解调 此电路不需要加同步信号 电路显得较简单 调幅波的波形及频谱如图 2 调幅波频谱 c c c 图 2 调幅波的波形及频谱 包络检波后的调制信号波形与频谱如图 3 包络检波输出 t 输出信号频谱 图 3 调制信号的波形及频谱 t 非线性器件 低通滤波 调幅波 2 0CLZR 2 2 原理电路包络检波电路的组成 输入回路 二极管 VD RC 低通滤波器 如图 4所示 图 4 包络检波电路在图 4 中 VD 起整流作用 C 起高频滤波作用 R 作为检波器的低频负载在其两端输出已恢复的调制信号 RC 低通滤波电路有两个作用 1 对低频调制信号 来说 电容 C 的容抗相当大 电容 C 相当于开路 u 电阻 R 就作为检波器的负载 其两端产生输出低频解调电压 2 对高频载波信号 来说 电容 C 的容抗特别小 电容 C 相当于短路 起c到对高频电流的旁路作用 即滤除高频信号 理想情况下 RC 低通滤波网络所呈现的阻抗为 1 2 3 工作原理分析 原理电路如图 5 当输入信号 为调幅波时 那么载波正半周时二极管 iut 导通 输入高频电压通过二极管对电容 C 充电 充电时间常数为 因为drC 较小 充电很快 电容上电压建立的很快 输出电压 很快增长 drC iut 作用在二极管 VD 两端上的电压为 与 之差 即 所以 itotDiou 二极管的导通与否取决于 Du 当 二极管导通 0Diou 当 二极管截止 达到峰值开始下降以后 随着 的下降 当 即 it iut ioutt 时 二极管 VD 截止 C 把导通期间储存的电荷通过 R 放电 Dot 因放电时常数 RC 较大 放电较缓慢 3 图 5 二极管对电容 C 充电原理 图 6 电容 C 放电原理 检波器的有用输出电压 2 oDuttU 检波器的实际输出电压为 3 cCcutu 当电路元件选择正确时 高频纹波电压 很小 可以忽略 输出电压为 包含了直流及低频调制分量 oDCutt 其输出电压波形如图 8 图 7 包络检波原理图 图 8 包络检波器输出电压 4 2 4 峰值包络检波器的输出电路 图 9 检波电路 检波电路如图 9 所示 电容 的隔直作用 直流分量 被隔离 输出信dCDCU 号为解调恢复后的原调制信号 一般常作为接收机的检波电路 u 2 5 电压传输系数 检波器传输系数 或称为检波系数 检波效率 是用来描述检波器对输入dK 已调信号的解调能力或效率的一个物理量 是指检波电路的输出电压和输入高 频电压振幅之比 当检波电路的输入信号为高频等幅波 即 时 cosiimutUt 当输入高频调幅波 时 1cosiimautU 定义为输出低频信号 分量的振幅 与输入高频调幅波包络变化的振dK 幅 的比值 4 aimU 若设输入信号 ttcaimAMs c i 5 输出信号为 os1 tUKtuaido 6 则加在二极管两端的电压 oAMoDuu i 如果下图所示的折线表示二极管的伏安特征曲线 注意在大信号输入情况下 是允许的 则有 cos 1 d tutmUgtgti oaidoAM 当 时0ct tUttmUu mDCiaimaio csscssco1 可见 有两部分 t 直流分量 iDC 7 低频调制分量 ttum cos 8 ad 5 图 10 包络检波图 图 11 二极管特性曲线 所以有 电流通角 二极管导通角度 cosmaidaimUK 2 6 检波器的惰性失真 一般为了提高检波效率和滤波效果 C 越大 高频波纹越小 总希望选取较 大的 R C 值 但如果取值过大 使 R C 的放电时间常数所对应的放电速度小 于输入信号 AM 包络下降速度时 会造成输出波形不随输入信号包络而变化 从而产生失真 这种失真是由于电容放电惰性引起的 故称为惰性失真 图 12 包络检波惰性失真波形 原因 由于负载电阻 R 与负载电容 C 的时间常数 RC 太大所引起的 这时 电容 C 上的电荷不能很快地随调幅波包络变化 从而产生失真 电容 C 两端电 压通过 R 放电的速度太慢 输入 AM 信号包络的变化率 RC 放电的速率 6 改进措施 为避免产生惰性失真 必须在任何一个高频周期内 使电容 C 通 过 R 放电的速度大于或等于包络下降速度 避免产生惰性失真的条件 在任何时刻 电容 C 上电压的变化率应大于或 等于包络信号的变化率 tUtuAMc 9 即得出不失真条件 mRC 21 10 2 7 检波器的底部切割失真 原因 一般为了取出低频调制信号 检波器与后级低频放大器的连接如图 13 所示 图 13 包络检波应用型电路 图 14 底部切割失真波形图 如图 14 所示 越小 分压值越大 底部切割失真越容易产生 另外 LRRU 值越大 调幅波包络的振幅 越大 调幅波包络的负峰值 越amaim 1imaU 小 底部切割失真也越易产生 改进的措施 要防止这种失真 必须要求调幅波包络的负峰值 ia 大于直流电压 即 R 11 1ii L 7 避免底部切割失真的条件为 式中 R 为直流负载电阻 3 包络检波器电路设计 根据包络检波原理设计出包络检波电路 电路图如图 15 所示 图 15 包络检波设计电路 XPC1 是 AM 信号 载波幅度为 3V 频率为 10MHz 调制信号的频率为 1KHz 调制幅度为 60 SD41 是检波二极管 用于整流 电容 C1 电阻 R1 电阻 R2 构成低通滤波器 C 起高频滤波作用 R 作为 检波器的低频负载在其两端输出已恢复的调制信号 对低频调制信号 来说 u 电容 C 的容抗相当大 电容 C 相当于开路 电阻 R 就作为检波器的负载 其两 端产生输出低频解调电压 对高频载波信号 来说 电容 C 的容抗特别小 电cu 容 C 相当于短路 起到对高频电流的旁路作用 即滤除高频信号 电容 C2 的隔直作用 直流分量 被隔离 输出信号为解调恢复后的原调DCU 制信号 u 在已知调制系数 m 下满足避免惰性失真条件 和满足避免底部 切割失真条件 下选择合适的参数使包络检波器产生 不失真的波形 AM 调幅信号在经过选用合适的二极管 低通滤波器电容 C 和电阻 R 的参数 后在 R 两端输出调制信号 完成包络检波 根据仿真电路运行电路观察不失真的输出与输入的波形如图 17 所示 LaR m 21La 8 图 16 包络检波器输入输出波形 从图 16 可以读出输入信号的频率为 包络的最大值为30fKHz 包络的最小值为 输出波形的频率为 幅度为max9UV min1UV1fKz 3 6o 4 调试 4 1 AM 发射机实验 1 将振荡模块中拨码开关 S2 中 4 置于 ON 即为晶振 将振荡模 块中拨码开光 S4 中 3 置于 ON S3 全部开路 用示波器观察 J6 输出 10MHz 载波信号 调整电位器 VR5 使其输出幅度为 0 3V 左右 2 低频调制模块中开关 S6 拨向左端 短路块 J11 J17 连通到下横线处 将示波器连接到振幅调制模块中就 J19 处 TZXH1 调整低频调制模块中 VR9 使输出 1KHZ 正弦信号 v2 0 1p V 3 将示波器接在 J23 处可观察到普通调幅波 4 将前置放大模块中 J15 连通到 TF 下横线处 用示波器在 J26 处可观 察到放大后的调幅波 改变 VR10 可改变前置放大单元的增益 5 调整前置放大模块 VR10 使 J26 输出 1Vpp 左右的不失真 AM 波 将 功率放大模块中 J4 连通 调节 VR4 使 J8 JF OUT 输出 6Vpp 左右不失真的 放大信号 9 6 将 J5 J10 连通到下横线处 开关 S1 拨向右端 12V 处 示波器 在 J13 BF OUT 可观察到放大后的调幅波 改变电位器 VR6 可改变丙放的放 大量 4 2 AM 接收机实验 1 在小信号放大器模块 J30 处 XXH IN 处加入 10MHZ 小于 50mv 的 调幅信号 调幅度小于 30 2 将晶体管混频模块中 J33 J34 均连通到下横线处 示波器在输出端 J36 J H OUT 端可观察到混频后 6 455MHZ 的 AM 波 3 调整中周 CP3 及 VR13 使 J36 处输出电压最大 4 将 J29 连通到 J H IN 下横线处 开关 S9 拨向右端 调整 VR14 使二 次混频输出 J38 Z P OUT 输出 0 2V 455KHZ 不失真的调幅波 5 连通中放模块中 J40 到下横线处 在中放输出端 J55 处可观察到放大 后的 AM 波 如图 18 所示 图 17 输入 AM 波形 10 6 调谐中周 CP6 使 J55 输出 3V 左右的 AM 信号 7 振幅解调处与包络检波器的信号输入端接入电路 将信号输出端接入 示波器 则可以观察到放大后的低频信号 解调后的低频信号如图 19 所示 图 18 解调后输出波形 11 参考文献 1 曾兴文 刘乃安 陈健 高频电子线路 M 北京 高等教育出版社 2007 2 张肃文等 高频电子线路 M 第四版 北京 高等教育出版社 2004 3 路而红等 虚拟电子实验室 M 北京 人民邮电出版社 2006 4 华成英 童诗白 模拟电子技术 M 第四版 北京 高等教育出版社 2006 5 清华大学通信教研组 高频电路 M 北京 人民邮电出版社 1979 6 杨欣 王玉凤 电子设计从零开始 M 北京 清华大学出版社 2009 7 谢嘉奎 高频电子线路 M 第二版 北京 高等教育出版社 1984 8 武秀玲 沈伟慈 高频电子线路 M 西安 西安电子科技大学出版社 1995 12 致 谢 这次的设计 给我的印象很深 刚拿到课程设计的题目时侯感觉这次课程 设计的内容不太难 但是当开始进行设计的时候感觉电路原理比较简单 但是 参数的选择比较难 后来在查了一些资料和计算后对各个参数的选择有了大致 的了解 然后经过多次的的修改终于设计出比较满意的作品 通过本次课程设计 对本课题有了一定的了解 但是 在对该课题有一定 的了解的前提下 也发现了很多问题 认识到理论与实践之间的差距 联系实 际的应用去理解只是比一大堆理论来的直接与清晰明了 在设计中难免会遇到 很多学习中不会注意到的问题 比如说在调制中在取元件的某些值后输出是失 真的波形 在设计并没有想过会存在那样多的问题 当着手时才发现要完成一 个信号的调制与解调 在元件 电路和取值都要有一部分的要求 做课程设计 同时也是对课本知识的巩固和加强 由于课本上的知识太多 平时课间的学习 并不能很好的理解和运用各个元件的功能 而且考试内容有限 所以在这次课 程设计中 我们了解了很多元件的功能 并且对于其在电路中的使用有了更多 的认识 认识来源于实践 实践是认识的动力和最终目的 实践是检验真理的 唯一标准 所以这个课程设计对我们的作用是非常大的 同时通过这次课程设 计使我懂得了理论与实际结合是很重要的 只有理论知识是远远不够的 只有 把所学的理论知识与实践结合起来 从理论中得出结论 才能真正为社会服务 从而提高自己的实际动手能力和独立思考能力 此次课程设计学到了许多可能 学不到的东西 比如多利思考解决问题的能力 出现差错的随机应变 和与人 合作共同提高 我们都受益匪浅 今后的制作应该更加轻松 自己都能扛得起 并高质量的完成项目 最后感谢李欣老师的耐心指导 这次的课程设计是在李欣老师的悉心指导 下完成的 从课题的选择到论文的最终完成 李欣老师都始终给予我细心的指 导和不懈的支持 在我调试中 多次询问我调试进度 为我指点迷津 帮助我 顺利完成调试 感谢李欣老师在我设计电路时给我的理论指导 对我帮助很大 再次谨向李欣老师表示崇高的敬意和衷心的感谢 在说明书即将完成之际 我的心情无法平静 本说明书的完成远非终点 文中的不足和浅显之处则是我新的征程上一个个新的起点 13 附录 附 录 A 元件清单 附 录 B PC B 封装图 附 录 C 实 物 图 序号 元件名称 数值 数量 1 R1 1K 1 2 R2 200 1 3 C1 1uf 1 4 C2 10uf 1 5 2AP9 二极管 1 6 排针 若干 14