包络检波器的设计与实现

2013~2014学年第一学期《高频电子线路》课程设计报告题目：包络检波器的设计与实现专业：电子信息工程班级：11电信1班姓名：指导教师：冯锁电气工程学院2013年12月12日任务书课题名称包络检波器的设计与实现指导教师（职称）执行时间2013~2014学年第一学期第16周学生姓名学号承担任务进程安排12月8号课设理论讲解及仿真软件介绍、学生练习使用软件12月9号电路图理论设计12月10号仿真分析12月11号整理、撰写说明书12月12号进行测试或答辩设计内容、要求1．原理分析及电路图设计2．用相关仿真软件画出电路并对电路进行分析与测试(1)大信号峰值包络检波的观察分析；(2)包络检波的惰性失真的观察分析；(3)负峰切割失真的观察分析；(4)观察负峰切割失真是所用电阻为电位器，阻值不同时，失真情况分析；(5)检波器电压传输系数计算。。2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。为了生动直观的分析检波电路，利用了最新电子仿真软件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。3目录第1章设计目的及原理.............................................41.1设计目的和要求...............................................41.1设计原理.....................................................4第2章指标参数的计算.............................................82.1电压传输系数的计算...........................................82.2参数的选择设置...............................................8第3章Multisim的仿真结果及分析..................................11总结.............................................................16参考文献.......................................................17答辩记录及评分表..................................................184第1章设计目的及原理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6V1.2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5Ｖ，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进行仿真来验证设结果。总设计框图如1-1：5图1-1二极管包络检波的工作原理：检波原理电路图如图1-2图1-2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。6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的电压又超过二极管上的负压，使二极管导通。如图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3中t2至t3时间为二极管截止（如图1-5）的时间，在次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7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”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8第2章包络检波器指标参数的计算2.1电压传输系数计算等幅载频：Kd==cosAM波：Kd=理想：RRD,φ→0,Kd=1理想：RRD,φ→0,Kd=12.2参数的选择设置①vs较小时，工作于非线性区；②R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：(a)惰性失真(τ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)9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(b)负峰切割失真(交流负载的影响及m的选择)图2-2Cc为耦合电容(很大)直流负载为：R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)10∴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VRVsmin,则产生失真。则要求：=RC例：m=0.3,R=4.7kΩ时，要求：RL≥2kΩ；m=0.8,R=4.7kΩ时，要求：RL≥4.7kΩ；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+R2R交=R1+(R2RL)/(R2+RL)=R1+R交'11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，VΩ的幅度下降，一般取R1/R2=0.1~0.2(2)检波电路后接射随(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第3章Multisim的仿真结果及分析如下图所示为Multisim的仿真原理图图3-1仿真原理图12a）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：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13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%，即使电路接。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：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：14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：图3-6切割失真15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与图3-5相比，发现图3-6切割的更多，即失真更大。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。16总结这次的设计，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，在对该课题有一定的了解的前提下，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。17参考文献[1]曾兴文、刘乃安、陈健《高频电子线路》北京：高等教育出版社，2007[2]张肃文等《高频电子线路（第四版）》北京：高等教育出版社，2004[3]聂典等《Multisim10计算机仿真》北京：电子工业出版社，2010[5]夏术泉等《通信电子电路》北京：北京理工大学出版社，201018答辩记录及评分表课题名称包络检波器的设计与实现答辩教师（职称）冯锁答辩时间2013～2014学年第一学期第16周答辩记录评分表学生姓名学号评分19