包络检波器的设计与实现

目 录 前言 1 1 设计目的及原理 2 1 1 设计目的和要求 2 1 1 设计原理 2 2 包络检波器指标参数的计算 6 2 1 电压传输系数的计算 6 2 2 参数的选择设置 6 3 包络检波器电路的仿真 9 3 1 Multisim 的简单介绍 10 3 2 包络检波电路的仿真原理图及实现 10 4 总结 13 5 参考文献 14 高频电子线路课程设计 0 0 前言 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 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 对普通调幅信号来说 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 为了生动直观的分析检波电路 利用最新电子仿真软件 Multisim11 0 进行 二极管包络检波虚拟实验 Multisim 具有组建电路快捷 波形生动直观 实验 效果理想等优点 计算机虚拟仿真作为高频电子线路实验的辅助手段 是一种 很好的选择 可以加深学生对一些抽象枯燥理论的理解 从而达到提高高频电 子线路课程教学质量的目的 高频电子线路课程设计 1 1 1 设计目的及原理 1 1 设计目的和要求 通过课程设计 使学生加强对高频电子技术电路的理解 学会查寻资料 方 案比较 以及设计计算等环节 进一步提高分析解决实际问题的能力 创造一 个动脑动手 独立开展电路实验的机会 锻炼分析 解决高频电子电路问题的实际 本领 真正实现由课本知识向实际能力的转化 通过典型电路的设计与制作 加深对基本原理的了解 增强学生的实践能力 要求 掌握串 并联谐振回路及耦合回路 高频小信号调谐放大器 高频 功率放大器 混频器 幅度调制与解调 角度调制与解调的基本原理 实际电 路设计及仿真 设计要求及主要指标 用检波二极管设计一 AM 信号包络检波器 并且能 够实现以下指标 输入 AM 信号 载波频率 200kHz 正弦波 调制信号 1KHz 正弦波 幅度为 2V 调制度为 40 输出信号 无明显失真 幅度大于 6V 1 2 设计原理 调幅调制和解调在理论上包括了信号处理 模拟电子 高频电子和通信原理 等知识 涉及比较广泛 包括了各种不同信息传输的最基本的原理 是大多数 设备发射与接收的基本部分 因为本次课题要求调制信号幅度大于 1V 而输出 信号大于 5 所以本课题设计需要运用放大电路 本次实验采用二极管包络 检波以及运算放大电路 在确定电路后 利用 EAD 软件 Multisim 进行仿真来 验证假设结果 总设计框图如 1 1 图 1 1 总设计框图 输入信号 非线性器件 二极管包络检波器 运放电路 输出信号 高频电子线路课程设计 2 2 二极管包络检波器的工作原理 检波原理电路图如图 1 2 图 1 2 检波原理电路图 检波的物理过程如下 在高频信号电压的正半周期 二极管正向导通并对电容 C 充电 由于二极管正 向导通电阻很小 所以充电电流 I 很大 是电容的电压 Vc 很快就接近高频电压 峰值 充电电流方向如下图 1 3 所示 图 1 3 这个电压建立后 通过信号源电路 又反向地加到二极管 D 的两端 这时 高频电子线路课程设计 3 3 二极管是否导通 由电容 C 上的电压 Vc 和输入电压 Vi 共同决定 当高频信号 的瞬时值小于 Vc 时 二极管处于反向偏置 处于截止状态 电容就会通过负 载电阻 R 放电 由于放电时间常数 RC 远大于调频电压周期 故放电很慢 当电容上的电压下降不多时 调频信号第二个正半周期的电压又超过二极管上 的负压 使二极管导通 如图 1 3 中 t1 到 t2 的时间为二极管导通 如图 1 4 的时间 在此时间内又对电容充电 电容的电压又迅速接近第二个高频的最大 量 如图 1 3 中 t2 至 t3 时间为二极管截止 如图 1 5 的时间 在此时间内电 容又通过负载 R 放电 这样不断地反复循环 所以 只要充电很快 即充电时 间常数 RdC 很小 Rd 为二极管导通时的内阻 而放电时间很慢即放电时间常 数 RC 很大 就能使传输系数接近 1 另外 由于正向导电时间很短 放电时间常数又远大于高频周期 所以输 出电压 Vc 的起伏很小 可看成与高频调幅波包络基本一致 而高频调幅波的 包络又与原调制信号的形状相同 故输出电压 Vc 就是原来的调制信号 达到 解调得目的 图 1 4 二极管导通 图 1 5 二极管截止 高频电子线路课程设计 4 4 图 1 6 根据上述二极管包络检波的工作原理可设计出符合本次课程设计 包络检波 器的设计与实现 的检波器 其原理电路图如图 1 7 所示 图 1 7 包络检波器电路图 高频电子线路课程设计 5 5 2 包络检波器指标参数的计算 2 1 电压传输系数的计算 等幅载频 K d cosV AM 波 K d ms 仅于 RD2R 有关 与包络无关 Kd 为常数 理想 R RD 0 Kd 1 理想 R RD 0 Kd 1 2 2 参数的选择设置 vs 较小时 工作于非线性区 R 较小时 RD 的非线性作用 解决 R 足够大时 RD 的非线性作用 R 的直流电压负反馈作用 但 R RC 过大时 将产生 高频电子线路课程设计 6 6 a 惰性失真 放跟不上 vs 的变化 b 负峰切割失真 交流负载变化引起 a 惰性失真 如图 图 2 1 由图可见 不产生惰性失真的条件 vs 包络在 A 点的下降速率 C 的放电速率 即 RC 2max1 b 负峰切割失真 交流负载的影响及 m 的选择 图 2 2 Cc 为耦合电容 很大 直流负载为 R 高频电子线路课程设计 7 7 交流负载为 R 交 RRL R RL Cc 很大 在一个周期内 Vc 不变 Vs Kd 1 时 VR VAB Vc R R RL 由图 临界不失真条件 Vsmin Vc mVs Vs mVs Vs 1 m m 较大时 若 VR Vsmin 则产生失真 则要求 RC 2max1 例 m 0 3 R 4 7k 时 要求 RL 2k m 0 8 R 4 7k 时 要求 RL 4 7k 即 m 较大时 要求负载阻抗 RL 较大 负载较轻 负峰切割失真的改进 图 2 3 检波器的改进电路 R 直 R1 R2 R 交 R1 R 2RL R2 RL R1 R 交 即 R1 足够大时 R 交 的影响减小 不易负峰切割失真 但 R1 过大时 V 的幅度下降 一般取 R1 R2 0 1 0 2 2 检波电路 Ri 大 即检波电路的 RL 大 3 晶体管和集成电路包络检波 为直接耦合方式 不存在 Cc 高频电子线路课程设计 8 8 3 包络检波器电路的仿真 3 1Multisim 的简单介绍 Multisim 是 Interctive Image Technologies 公司推出的一个专门用于电子电 路仿真和设计的软件 目前在电路分析 仿真与设计等应用中较为广泛 该软 件以图形界面为主 采用菜单栏 工具栏和热键相结合的方式 具有一般应用 软件的界面风格 用户可以根据自己的习惯和熟练程度自如使用 尤其是多种 可放置到设计电路中的虚拟仪表 使电路的仿真分析操作更符合工程技术人员 的工作习惯 3 2 包络检波电路的仿真原理图及实现 如下图所示为 Multisim 的仿真原理图 高频电子线路课程设计 9 9 图 3 1 仿真原理图 a 如果将仿真原理图中开关 A C 闭合 打开仿真按钮 此时二极管包络检波后 的波形 如下图 高频电子线路课程设计 10 10 图 3 2 检波不失真波形 此时输出的为正弦波 输出波形不失真 与试验要求相符 b 如果将仿真原理图中开关 B C 闭合 打开仿真按钮 此时二极管包络检波后 的波形 如下图 图 3 3 惰性失真的波形 此时输出波形呈锯齿状变化 输出发生了失真 为惰性失真 与试验要求相符 c 如果将仿真原理图中开关 A D 闭合 再将滑动变阻器旋钮移到 100 即使所 接电阻为最大 打开仿真按钮 观察示波器 可得到二极管包络检波后的波形 如下图 高频电子线路课程设计 11 11 图 3 4 切割失真 此时发现输出的正弦波底部被切割了一部分 输出发生了失真 为底部切割失 真 与试验要求相符 再次旋动滑动变阻器到 75 观察示波器 看到输出波形如下图 图 3 5 切割失真 发现输出的正弦波底部也被切割了一部分 发生了失真 为底部切割失真 与试验要求相符 与图 3 4 相比 发现图 3 5 切割的更多 即失真变大 继续旋动滑动变阻器到 50 观察示波器 看到输出波形如下图 高频电子线路课程设计 12 12 图 3 6 切割失真 结论 滑动变阻器接入电阻越小越易发生切割失真 即失真越明显 4 总结 高频电子线路课程设计 13 13 这次的设计 给自己的印象很深刻 通过本次实验的课题设计 对本课题 有了一定的了解 但是 在对该课题有一定了解的前提下 也发现了很多问题 当然 都是自身的不足 认识到理论与实践之间的差距 联系实际的应用去理 解知识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 在取某些值后输出是失真的波形 在设计 开始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 在元器件 电路和取值都要有一部分的要求 当然 在设计中也遇到很多学习上的问题 有些地方自己根本看不明白 但经过同组有些同学一提 才发现有些很简单的地方自己却并不理解 确实是 一个很纠结的问题 不过 我相信 通过自己的努力 不会让自己失望的 高频电子线路课程设计 14 14 5 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