测控电路课程设计--开关型振幅调制与解调电路的设计与调试------刘婧改过后..

测控电路课程设计说明书论文题目：开关型振幅调制与解调电路的设计与调试作者所在系部：机电工程学院作者所在专业：测控技术与仪器作者所在班级：B13122作者姓名：刘婧作者学号：201321462指导教师姓名：刘宝华刘健刘珊完成时间：2016年6月8日北华航天工业学院教务处制目录一．设计任务、要求及内容.............................................（3）二．设计过程及原理.................................................................(3)三.分析误差原因....................................................................(11)四.分析电路中产生的故障.................................................（13）五.课设心得.........................................................................（13）一．设计任务、要求及内容1.设计任务：利用场效应管的开关特性，实现低频信号的幅值调制与解调，以抑制噪声干扰，提高信噪比。2.设计要求：（1）设计出相应的各部分电路，组装与调试该电路，并试验其抗干扰性能；（2）设计一份电路原理图（包括题目的理论设计模型及电路的multisim仿真结果）。（3）完成一份设计说明书。3.设计电路参数：调制信号：正弦波，频率500HZ，幅值0.1v，载波：方波，频率：5—10KHZ，幅值：5—7v，占空比：50%。调制后信号幅值5v。4.设计内容：（1）分析设计任务，设计各部分电路，分析其工作原理，选择相应的参数；（2）画出完整的电路图；（3）对完整电路图进行Multisim仿真；（4）分析电路实验中产生的故障；（5）分析产生误差原因。5.时间安排：第一周，查阅资料；第二周，理论设计模拟电路及计算机Multisim仿真；第三周，撰写设计说明书；二．设计过程及原理（一）元器件的可靠性检验：1.运放的可靠性检验：先用运放搭成跟随器，输入正弦信号，用示波器检验器是否跟随；之后用运放搭成反向放大器，输入正弦信号看输出幅值与相位；2.稳压管的匹配：将稳压二极管串联电阻构成稳压电路，接入电源，测其性能参数，选择稳压值相近的两个稳压管。3导线的可靠性检验：把将要用到的导线全部用万用表检测其通断；（二）原理方框图：开关型调制器放大器开关型解调器低通滤波器方波发生器信号调制解调信号（三）方波发生电路：原理图如下：-++-C0.01UFR110KR210K2.2K20KR3R4IcIi方波发生电路中，积分电路的电压电流关系:001u[()]tocQitdtQCC其中0Q是t=0时电容器已存储的电荷，由ic=-Ii=-ui/R,得到：001()toiouutdtURC常量0oU根据初始条件确定，即t=0时，ou（0）=0oU=Q0/C.当输入为常量时，输出为：0()ioouuttURC可见输入为方波时输出为三角波。-1+1R2R3R4uiR1URUO上图为迟滞比较电路，该电路用的是同向迟滞比较电路。R1=0时，ui接地，UR接输入，Uo接输出，门限电压由3223230oRUURRRRRR求得：23oRUURR。oU由稳压管确定.由此我们选定电阻R1=10KΩ，R2=10KΩ，R3=30KΩ，R4=2.2KΩ，电容C=0.01μF，稳压管的稳压值为5V。综上所述，该电路前一部分是积分电路，后一部分为滞回比较器。作用：（a）积分电路：利用RC回路的充放电来产生三角波。（b）滞回电路：产生方波，方波的频率为f=R3/4*R1*R2*C。计算可以得到：方波的频率f=7500Hz，方波的占空比为50%。该电路中调节R1，R2，R3的阻值和C的容值，可以改变振荡频率；调节R1，R2的阻值可以改变方波的幅值。知该方波发生电路为调制电路和解调提供开关信号Ua和Ub，进而控制三极管的导通和截止，并且Ua和Ub是一对相位相反的方波信号，则可知该电路后应该接一个反向器用来产生相位相反的信号Ub。方波发生电路的仿真电路如图所示：方波发生电路产生的方波如下图所示：（四）脉冲平衡调制电路：脉冲平衡调制电路如下图所示，它由两个电子开关，一个运算放大器和两个脉冲信号Ua和Ub组成。电路中电阻均为5.1KΩ，接方波处的电阻为2.2KΩ，放大器处的反馈电阻为10.2KΩ。根据调制电路的中的香农定理，至少要求载波信号的频率大于10倍的调制信号的频率，解调时才可以较好的将调制信号与载波信号分开，检出调制信号，并且由乃奎斯特采样定理：为了保留一个频率分量的全部信息，一个周期的间隔至少抽样两次，即必须保证Ws=2*Wm或者Fs=2*Fm。该电路中输入的正弦波的频率f=400Hz，此时方波的脉宽为0.125ms时，则有频率f=4000Hz，满足香农定理的要求，可以防止频率混叠的现象。电路中的电子开关用两个晶体管构成。两个输入脉冲信号Ua与Ub的幅值和频率相等，相位相反。Ua，Ub如下图所示：当Ua为高电平时，Q1导通，Q2截止，a点接地，运算放大器则处于同向放大状态。其闭环增益为：2RGI1=——————=—1（R+R）当Ub为高电平时，Q2导通，Q1截止，b点接地，运算放大器则处于反向放大状态。其闭环增益为：R2RGI2=—————(1+——)=+1（2R+R）R由此可见，当增益为GI1时，输出信号为–Ui,而当第二种状态时，输出信号为+Ui。这样，由于两个晶体管受到两个相位相反的脉冲控制，使输入信号Ui的极性不断地“变换”，所以在输出端就得到与输入信号相反的脉冲平衡调制波调制电路仿真图如下所示：仿真电路（调制电路）产生的波形如图所示：（五）放大器：由于调制信号的幅值较小不便于后续的测量，要经过放大电路的放大后再送入解调电路。要求的调制信号的参数：调制信号：正弦波.频率500HZ，幅值0.1v。可知放大5倍，幅值为0.5V，作为解调电路的输入信号。（六）脉冲平衡式解调电路：下图为双极性振幅调制电路的电路图，在这里研究该电路的解调。图为现行较好的脉冲平衡式双开关解调电路，由两个运算放大器和两个电子开关组成。其中，A2为反向放大器，A1位反向加法器。晶体管Q1和Q2是两个电子开关，C为交流耦合电容，起隔直流作用。反向器A2使A点电压与输入信号反相，B点电压与输入信号相同。由于所有元件全是对称匹配的，所以Ua与Ub也是反相对称的。Ua与Ub是两个极性相反的脉冲序列，其频率和幅值是相同的。由这两个脉冲信号交替控制电子开关。当Ua为正电平，Ub为负电平，即电子开关Q4导通，Q3截止时，O点对地短路，B点电压不能输给A2，P点电压可输给A2,其输出为：R6Uo(t)=--———Ua(t)R3+R5假设ui(t)为正电平，当t从0～t1时，输入信号ui(t)由包线路1决定，即由正的载波决定。在Q3截止Q4导通的条件下，ui(t)首先被A1反相，即A点电压uA（t）=ui(t)，将这个关系带入Uo（t）得到：R6Uo（t）=————Ui(t)R3+R5可见，输出ui(t)也是正值，与ui(t)同相位。在A点电压为Ua（t）＝－Ui(t)，Ub（t）＝Ui(t)。与此同时，控制方波脉冲Ua与Ub也反向，即Ua为负电平Ub为正电平，电子开关Q3导通，Q4截止。因此P点对地短路，A点电压不能传输给A2，而Q点对地“断路”,B点电压可以传输给A2。所以A2地输出为：R6Uo（t）=－---------------Ui(t)（R3+R5）由方程uo（t）显然可以知道，增益仍然为R6/(R3+R5),与线段1的增益相同。在电路中，如果取值R6=R3+R5,，则输出曲线与输入信号曲线的包络线相同。而且，由于这是用运算放大器构成的解调电路，所以对小信号也可以得到良好得线性度。电路中输出所存在的纹波，可以进行适当的滤波。如果输入信号Ui需要阻抗变换以增加其带负载的能力，可以在A1的前面另外一个缓冲放大器，即为（五）中的放大器。解调电路的仿真图如下：仿真电路（解调电路）产生的波形如图：(七)低通滤波器：低通滤波器的参数：R1=5.1KΩ，C1=200pF，解调信号中的低频信号可以通过。滤除解调信号中的的干扰信号，进而更好的还原出来原来的波形。三：分析误差原因（1）经计算后搭建的电路两路方波幅值相等，相位相反，占空比为50%，与预期效果基本相同，但仍存在一定问题。1.三角波的顶端有时会有部分失真产生原因：通过匹配R、C使理论输出幅值大于运放的线性放大输出范围，而使输出出现非线性失真，如果门限电压选择较高可能会导致无输出或输出错误；解决办法：选择合适的运放，计算好RC环节，选取合适的电阻与电容，适当减小门限电压。2.输出方波近似为梯形波产生原因：由于运算放大器在比较输出时会经过一个线性区，由高向低（后有低向高）的过渡而产生；解决办法：通过匹配R2与R3可以减小线性区但不能消除。（2）在设计时临时把场效应管换成9013三极管，由于场效应管有负夹断电压，而三极管只能在PN结呈正电压时才开启，所以要把原来的原理图进行改变，把用于反向导通的二极管换成限制基极电流的限流电阻。1.输出的调制后波形出现相邻波峰幅值不等现象产生原因：输入含有直流分量，在经调制后与直流分量符号同向的正弦波形幅值变高，与直流分量符号相反的正弦波形幅值变小。而且会有输入越小复制相差越大，的现象。解决办法：匹配电容滤去部分直流分量，小输入可以先做放大处理，滤波后接入调制电路。（3）1.在方波信号接入该电路时出现带负载能力不足现象解决办法：由UA、UB接跟随器以提高其带负载能力。2.输出信号有毛刺。产生原因：因输入脉冲信号不是标准的方波而是近似梯形波，在线性区会由Q3与Q4同时开的时刻，此时输出会有短暂的低电平毛刺现象解决办法：输出信号接入低通滤波器根据输出频率算出匹配电阻与电容即可，有源无源滤波器皆可，现象都很好。四：分析电路实验中产生的故障1、信号发生器产生的方波信号作为载波信号输入下一级时，发现幅值出现衰减，分析电路原因，是方波信号的带负载能力差，所以在方波信号后面加了一个跟随器，同时，跟随器还有隔离电路的作用。2、调制后波形有因方波边沿不平滑引起的毛刺现象，最后可以在电路后面加一低通滤波电路可以减小毛刺现象。3、因输入信号含有直流分量而使调制后波形同一周期的两幅值不等。五：课设心得通过这次课设，我收获很大，同时这也是把自己所学知识运用的平台。首先，我深刻感受到正确的思路是很重要的，只要设计思路是正确的，那么设计才可能成功。因此，我们在第一周查阅了相关资料，为课设做了充分的的准备，为设计成功打下坚实的基础。其次，我认识到：电路图的连接和各种参数的选择都是很重要的，有时不细心电路连接出现了错误就会导致不能输出想要得到的波形图，这需要反复的实验和校正，要有很大的耐心。再有，在使用Multisim仿真测试时，我了解了该软件的原理和使用方法，虽然在测控电路实验时用到了Multisim仿真，但是没有熟练掌握，应用时有些生硬。这次的课设使我熟练的掌握了仿真，为以后的实践打下了坚实的基础。我觉得课程设计的过程是一种享受，当我们的设计成果成功时，内心的喜悦无法言语，看到努力了，自己也收获了，因此我会更加认真努力学习以后的专业课程。