基于模拟乘法器芯片MC1496的调幅与检波电路设计与实现.doc

湖南大学工程训练 HUNAN UNIVERSITY工程训练报告 题 目:基于模拟乘法器芯片MC1496的调幅与检波电路设计与实现 学生姓名:秦雨晨 学生学号： 20110803305 专业班级： 通信工程1103 指导老师(签名）: 二一四 年 九 月 十五 日第 18 页湖南大学工程训练 目录1 项目概述-2 1.1引言-21。1 项目简介-21.2 任务及要求-21.3 项目运行环境-32 相关介绍-33 项目实施过程-53。1 项目原理 -53。2 项目设计内容-9 3。2。1 调幅电路仿真-9 3。2。2 检波电路仿真-124 结果分析-144。1调幅电路-144.2 检波电路-185项目总结-216 参考文献-227 附录 -231、 项目概述1。1引言 在高频电子线路中的振幅调制、同步检波、混频、倍频、鉴频、鉴相等调制与解调的过程,均可视为两个信号相乘或包含相乘的过程.目前在无线电通信、广播电视等方面得到广泛应用。本文利用Multisim10 软件仿真平台,对MC1496 构成的调幅电路进行软件仿真和实际电路测试,并分析比较测试结果。利用模拟乘法器芯片MC1496设计出调幅与检波电路，使用MC1496内部晶体管电路，用Multisim或PSPICE软件进行计算机仿真，并作出硬件实验结果。1。2项目简介：本项目介绍了在Multisim10 仿真平台中构成集成电路模块的方法，并基于Multisim10 仿真软件，对模拟乘法器MC1496 构成的调幅与检波电路进行仿真.调制与解调电路是现代通信设备中重要组成部分。为了实现信号的无线传输，在通信设备中必须采用调制与解调电路。调制是把待传输信号置入载波的过程，它在发送设备中进行。调制的方法很多，若用调制信号(信息）控制载波的幅度，则称为调幅。 解调是调制的逆过程，即从己调信号中还原出原调制信号（信息),对调幅波的解调称为检波。本设计是基于MC1496的幅度调制与线性检波电路设计，首先设计调制与检波电路，再通过Multisim软件对电路进行仿真分析。1.3任务及要求：振幅调制器的开发用模拟乘法器MC1496设计一振幅调制器,使其能实现信号幅度调制，主要指标：载波频率：15MHz 正弦波 调制信号：1KHz 正弦波,输出信号幅度：大于等于5V(峰峰值)无明显失真检波器的开发用模拟乘法器MC1496设计一调幅信号同步检波器，主要指标：输入调幅信号：载波频率15MHz 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。1.4项目环境：本项目是在Multisim10软件上模拟乘法器芯片MC1496的调幅与检波电路设计与实现。NIMultisim10用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表,实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”。NIMultisim10是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。2、相关介绍高频课程设计本是高频电子线路课程的重要组成部分,其目的在于加深理解检波的原理,进一步对课本知识加以掌握，基本掌握数字系统设计和调试方法,增加集成电路应用知识，培养我们的实际动手能力和分析、解决问题的能力。 另一方面也可使我们可以运用自己所学到的知识,学习设计小型高频电子线路的方法,并且独立完成由原理图到实物的准确焊接、调试过程，增强实际动手能力.提高电路分析和设计能力，为今后学习和工作打下坚实的基础. 通过此次设计，一方面加深我们对理论知识的认识和掌握，另一方面也可以增强我们对问题的全面考虑能力，并且助于我们对理论知识的运用。Multisim简介 Multisim是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technoligics简称IIT公司）推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于初级的模拟/数字电路板的设计工作.它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力 。 工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术,PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程 。 NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证.凭借NI Multisim，可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量 。3、项目实施过程：3。1项目原理1、模拟乘法器MC1496的工作原理: 模拟乘法器的管脚图:其中V1、V2与V3、V4组成双差分放大器，以反极性方式相连接，而且两组差分对的恒流源V5与V6又组成一对差分电路，因此恒流源的控制电压可正可负，以此实现了四象限工作.V7、V8为差分放大器V5与V6的恒流源。模拟乘法器的内部结构：静态工作点的设定(1）静态偏置电压的设置静态偏置电压的设置应保证各个晶体管工作在放大状态，即晶体管的集基极间的电压应大于或等于2V，小于或等于最大允许工作电压。根据MC1496的特性参数,对于图101所示的内部电路,应用时,静态偏置电压（输入电压为0时)应满足下列关系,即8=10， 1=4, 6=1212V6（12)8（10）2V12V8（10）1（4）2。7V12V1（4）52。7V（2)静态偏置电流的确定静态偏置电流主要由恒流源I0的值来确定。当器件为单电源工作时，引脚14接地，5脚通过一电阻VR接正电源+VCC由于I0是I5的镜像电流，所以改变VR可以调节I0的大小，即当器件为双电源工作时,引脚14接负电源Vee,5脚通过一电阻VR接地，所以改变VR可以调节I0的大小，即根据MC1496的性能参数，器件的静态电流应小于4mA，一般取.在本实验电路中VR用6。8K的电阻R15代替。(3）设输入信号, ，则MC1496乘法器的输出U0与反馈电阻RE 及输入信号、的幅值有关.1) 不接负反馈电阻(脚2和3短接）、和皆为小信号时,由于三对差分放大器(VT1,VT2，VT3，VT4及VT5，VT6）均工作在线性放大状态,则输出电压U0可近似表示为 （2.5）式中，乘法器的乘积系数，与器件外接元件参数有关，即（2。6）式中， 温度的电压当量,当T=300K时,输出负载电阻。式（2。5）表明,输入均为小信号时，MC1496可近似为一理想乘法器。输出信号中只包含两个输入信号的和频与差频分量。、为小信号，为大信号（大于100mV）时，由于双差分放大器(VT1、VT2和VT3、VT4）处于开关工作状态，其电流波形将是对称的方波，乘法器的输出电压可近似表示为(n为奇数） （2。7）输出信号中包含、等频率分量。2) 接入负反馈电阻由于的接入,扩展了的线性动态范围，所以器件的工作状态主要由决定，分析表明：、当为小信号时,输出电压可表示为 （2。8)式中： （2。9）式(2。9)表明,接入负反馈电阻后,为小信号时,MC1496近似为一理想的乘法器，输出信号中只包含两个输入信号的和频与差频。、当为大信号时,输出电压可近似表示为（2。10）上式表明,为大信号时，输出电压与输入信号无关。MC1496构成的振幅调制器电路如图3所示。其中载波信号经高频耦合电容C1从10脚输入,C3为高频旁路电容，使8脚接地。调制信号经低频耦合电容C2，从1脚输入.调幅信号从12脚单端输出。R12可以调节ma的值，也可以是电路对称，减小载波信号输出。器件采用双电源供电方式，所以5脚的偏置电阻R5接地。3。2项目设计内容3.2。1普通调幅电路设计:用模拟乘法器实现单频调幅普通条幅波的实现框图：根据上面的引脚图，作出如下设计：两输入端8和10脚直流电位均为6V,可作为载波输入通道；Y通道两输入端1和4脚之间有外接调零电路；输出端6和12脚外可接调谐于载频的带通滤波器；2和3脚之间外接Y通道负反馈电阻R8.若实现普通调幅，可通过调节10k电位器RP1使1脚比4脚高，调制信号与直流电压叠加后输入Y通道，调节电位器可以改变Vy的大小,即改变指数Ma；若实现DSB调制，10k电位器RP1使1、4脚之间直流等电位，即Y通道输入信号仅为交流调制信号.为了减小流经电位器的电流,便于调零准确,可加大两个750电阻的阻值，比如各增大10。MC1496线性区好饱和区的临界点在1520mV左右，仅当输入信号电压均小于26mV时，器件才有良好的相乘作用，否则输出电压中会出现较大的非线性误差.显然，输入线性动态范围的上限值太小，不适应实际需要。为此，可在发射极引出端2脚和3脚之间根据需要接入反馈电阻R8=1k，从而扩大调制信号的输入线性动态范围，该反馈电阻同时也影响调制器增益。增大反馈电阻,会使器件增益下降,但能改善调制信号输入的动态范围。MC1496可采用单电源，也可采用双电源供电，其直流偏置由外接元器件来实现。1脚和4脚所接对地电阻R5、R6决定于温度性能的设计要求。若要在较大的温度变化范围内得到较好的载波抑制效果,R5、R6一般不超过51;当工作环境温度变化范围较小时，可以使用稍大的电阻。5脚电阻R7决定于偏置电流I5的设计.I5的最大额定值为10mA,通常取1mA.由图可看出，当取I5=1mA，双电源（+12V，8V）供电时，R7可近似取6.8k.输出负载为R15，亦可用L2与C7组成的并联谐振回路作负载，其谐振频率等于载频，用于抑制由于非线性失真所产生的无用频率分量。VT1所组成的射随器用于减少负载变化和测量带来的影响。下面是实验电路图：由于实验要求中输出信号为5V以上，即为大信号,如果用原来的电路会造成波形失真，所以需要设计带通滤波器。带通滤波器（band-pass filter）是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备.比如RLC振荡回路就是一个模拟带通滤波器。3.2.2检波电路的设计同步检波又分为叠加型同步检波和乘积型同步检波。利用模拟乘法器的相乘原理,实现同步检波是很方便的，其工作原理如下：在乘法器的一个输入端输入振幅调制信号如抑制载波的双边带信号，另一输入端输入同步信号（即载波信号）,经乘法器相乘，由上式可得输出信号U0（t）为下面是同步检波器的框图：检波的物理过程如下：在高频信号电压的正半周时，二极管正向导通并对电容器C充电,由于二极管的正向导通电阻很小,所以充电电流iD很大，使电容器上的电压c很快就接近高频电压的峰值.充电电流的方向如左图所示。理想情况下，峰值包络检波器的输出波形应与调幅波包络线的形状完全相同.但实际上二者之间总会有一些差距，亦即检波器输波形有某些失 真.本实验可以观察到该检波器的两种特有失真:即惰性失真和负峰切割失真。惰性失真是由于负载电阻R与负载电容C选得不合适，使放电时间常数RC过大引起的。惰性失真又称对切割失真，如左下图所示。通常使检波器音频输出电压的负峰被切割的失真称为负峰切割失真或底部切割失真，如右下图所示。 下面是检波实验图：4、结果分析4。1调幅电路:在实现调幅时载波信号加载在Q1，Q4 的输入端,即IO8、IO10 管脚。调制信号加载在差动放大器Q5、Q6 即管脚IO1、IO4。IO2、IO3 管脚外接电阻，以扩大调制信号动态范围。已调制信号由双差动放大器的两集电极输出。接于正电源电路的电阻R6， R4用来分压，以便提供相乘器内部Q1Q4 管的基极偏压；负电源通过RP，R12，R13 及R9，R10 的分压供给相乘器内部Q5、Q6 管基极偏压，RP 为载波调零电位器，调节RP 可使电路对称以减小载波信号输出；R8,R14 为输出端的负载电阻,接于IO2、IO3端电阻R7 用来扩大U 的线性动态范围，同时控制乘法器的增益.载波信号由XFG1 提控C(t)=VcmcosCt 通过电容C1，C2 以及R5 加到相乘器的输入端IO8，IO10 管脚.调制信号由XFG2 提供（t）=Vcost，通过电容C4 及电阻R12，R9 加到乘法器的输入端IO1，IO4 管脚.输出信号经过C3 输出.仿真电路测试数据分析乘法器的直流工作点通过仿真得出乘法器的直流工作点（直流工作点是各个管脚在电路中的工作点并非管脚号）。可得，V(3）=V（2），V（10)=V(9），V(14）=V(15）,V(11)=V（12）,且V（15)V(2）2.6V2V所以MC1496 内部的晶体管Q1 处于导通状态，同理可得出Q2，Q3，Q4 这三个晶体管也处于工作状态；V（2）V（9）6V2.7V,所以晶体管Q5 导通，同理可得Q6 也处于工作状态；V (11）-V （12）6V2V 所以Q7 处于工作状态,同理可得Q8 也处于工作状态.由总电路可得示波器的通道A为调制信号;通道B为已调信号;通道C为检波出来的信号；通道D可接载波信号。实验调试到后面出波形后出现了如下图一样的失真，经过老师的指导我加了带通滤波器，但是还是失真，后来老师说由于实验要求里调制信号为大信号,所以带通滤波器中的电容应该根据调整,因此减小了电路的失真。调整后： 载波信号 调幅信号调幅波形：分析：本次实验通过用MC1496对输入的信号相乘，再经过放大器来对其功率进行放大，使最终的输出波形幅度达到了5V。基本满足了本次实验的要求。4。2检波电路根据公式可知,要实现同步检波需将与高频载波同频的同步信号与已调信号相乘，实现同步解调.经过低通滤波器滤除2附近的频率分量后，得到频率为的低频信号:同步检波亦采用模拟乘法器MC1496将同步信号与已调信号相乘，其电路图如图3.5所示。端输入同步信号或载波信号,端输入已调波信号，输出端接有电阻R11、C6组成的低通滤波器和1uF的隔直电容，所以该电路对有载波调幅信号及抑制载波的调幅信号均可实现解调，但要合理的选择低通滤波器的截止频率.本次检波实验数据：载波信号调制信号频率调制信号幅度调制度检波波形：5、项目总结：通过进行本次工程训练,我对普通条幅的相关知识有了更深的理解，同时,我对检波电路的性能及工作原理也有了更深的掌握.并认识到自己并没有将书本上的知识很好的领悟并能应用到实际中来.在本次不够工程训练的开始，并没有抓紧时间操作,对待的态度也不够认真，在第一次听了导师的讲解之后才对本次工程训练有了更认真的态度和更深的认识.在实践中最容易忽略的就是基本原理,在中期检查的时候，自己的波形并没有弄出来,很大一部分原因是没有弄清楚原理，一味的上网研究电路图，然后希望老师帮助自己调试,自己也没有认真的该参数调波形。 中期检查上老师讲了调幅和检波的原理，并推荐我们回去看曾经学过的课本弄清楚原理.在几天的学习和调试中终于将调幅与检波的仿真实验完成.这次工程训练很好的锻炼了我的实践能力和知识的运用能力,熟悉了操作软件和基本原理,总结了很多学习经验,也为以后的实验打下了基础。此外，本次工程训练的另一个软件并没有在有限时间内掌握,但是通过其他同学的代码对其有了简单的认识.（见附录)6、参考文献：1樊昌信， 通信原理M 。 北京： 国防工业出版社， 2001 .2张肃文, 陆兆熊。 高频电子线路M 。 北京： 高等教育出版社， 1993 。3于洪珍，通信电子电路M 。 北京: 电子工业出版社，2002 。4周锦荣，林楠.基于Multisim10 的MC1496 调幅电路仿真及分析J 龙岩学院学报，2008，26（36）.7、附录PSPICE 起源 用于模拟电路仿真的SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）软件于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTR AN语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。SPICE的正式版SPICE 2G在1975年正式推出，但是该程序的运行环境至少为小型机.1985年，加州大学伯克利分校用C语言对SPICE软件进行了改写， 并由MICROSIM公司推出.1988年SPICE被定为美国国家工业标准。与此同时，各种以SPICE为核心的商用模拟电路仿真软件,在SPICE的基础上做了大量实用化工作，从而使SPICE成为最为流行的电子电路仿真软件。发展PSPICE采用自由格式语言的5。0版本自80年代以来在我国得到广泛应用，并且从6。0版本开始引入图形界面。1998年著名的EDA商业软件开发商ORCAD公司与Microsim公司正 式合并，自此Microsim公司的PSPICE产品正式并入ORCAD公司的商业EDA系统中。不久之后,ORCAD公司已正式推出了ORCAD PSPICE Release 10.5，与传统的SPICE软件相比，PSPICE 10。5在三大方面实现了重大变革：首先，在对模拟电路进行直流、交流和瞬态等基本电路特性分析的基础上，实现了蒙特卡罗分析、最坏情况分析以及优化设计等较为复杂的电路特性分析；第二，不但能够对模拟电路进行,而且能够对数字电路、数/模混合电路进行仿真；第三，集成度大大提高，电路图绘制完成后可直接进行电路仿真,并且可以随时分析观察仿真结果.PSPICE软件的使用已经非常流行。在大学里，它是工科类学生必会的分析与设计电路工具;在公司里,它是产品从设计、实验到定型过程中不可缺少的设计工具。用Pspice文本做的调幅电路代码(本代码为参考学习代码，非本人编写）。LIB BIPOLAR。LIB。LIB JDIODE。LIB.TRAN 10U 2MS 0 2NV1 2 0 SIN （0 40mv 1000k )C1 108 0 100nFR1 108 0 1kR2 104 0 1kC2 2 110 100nFR3 102 103 1kR7 101 0 1kR8 1 108 20kV2 1 0 DC 12R9 1 112 6.2KV3 0 114 DC 12R10 1 106 6.2kR11 104 13 510C4 3 101 10uFC5 104 0 100fFR12 110 108 510R14 101 12 510R15 105 0 13kR20 12 114 650R21 13 114 350V4 3 0 SIN （0 100mv 20k ）Q9 106 108 39 Q2N2222Q10 112 110 39 Q2N2222Q11 106 108 49 Q2N2222Q12 39 104 103 Q2N2222Q13 49 101 102 Q2N2222Q14 112 108 49 Q2N2222Q15 103 105 19 Q2N2222Q16 102 105 29 Q2N2222D2 105 59 D1N5719R4 59 114 500R5 19 114 500R6 29 114 500V5 20 0 SIN （0 40mv 1000k ）C10 1080 0 100nFR101 1080 0 1kR201 1040 0 1kC20 20 1100 100nFR30 1020 1030 1kR70 1010 0 1kR80 10 1080 20kV60 10 0 DC 12R90 10 1120 6。2KV70 0 1140 DC 12R100 10 1060 6.2kR110 1040 130 510C40 112 1010 10uFC50 1040 0 100fFR120 1100 1080 510R140 1010 120 510R150 1050 0 13kR200 120 1140 650R210 130 1140 350C6 1120 0 5nFR16 1120 150 1kC7 150 0 5nFC8 150 30 100nFR17 30 0 1kQ90 1060 1080 390 Q2N2222Q100 1120 1100 390 Q2N2222Q110 1060 1080 490 Q2N2222Q120 390 1040 1030 Q2N2222Q130 490 1010 1020 Q2N2222Q140 1120 1080 490 Q2N2222Q150 1030 1050 190 Q2N2222Q160 1020 1050 290 Q2N2222D20 1050 590 D1N5719R40 590 1140 500R50 190 1140 500R60 290 1140 500。LIB BIPOLAR.LIB。PROBE .MODEL D1N5719 D (IS=2。95057E09 RS=0。428046 N=1。99427 BV=165 IBV=0)。end