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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。
。
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。
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:
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
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1-5二极管截止
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
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=
=cos
AM波:
Kd=
理想:
R>>RD,φ→0,Kd=1
理想:
R>>RD,φ→0,Kd=1
2.2参数的选择设置
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)
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2-2
Cc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)
∴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
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+R2
R交=R1+(R2RL)/(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,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
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:
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:
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
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。
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。
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,2010
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
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