基于multisim的集电极调幅与大信号检波设计与仿真解读

课程设计报告

题目：基于multisim的集电极调幅与大信号检

波设计与仿真

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电气信息工程学院制

2013年3月

基于multisim的集电极调幅与大信号检波设计与仿真

前言

调制器与解调器是通信设备中的重要部件。所谓的调制，就是用调制信号去控制载波某个参数的过程。调制信号是由原始消息转变成的低频或视频信号，这些信号可以是模拟的，也可以是数字的。未受调制的高频振荡信号称为载波。受调制后的振荡波称为以调波，它具有调制信号的特征。

振幅调制是由调制信号去控制载波的振幅，使之按信号的变化规律，严格的讲是使高频振荡的振幅与调制信号呈线性关系。

使受调波的幅度随调制信号而变化的电路称为调幅器。调幅器输出信号幅度与调制信号瞬时值的关系曲线叫做调幅特性。理想的调幅特性应是直线，否则便会产生失真。调幅器主要由非线性器件和选择性电路构成。非线性器件实现频率变换，产生边带和谐波分量；选择性电路用来选出所需的频率分量并滤掉其他成分，如高次谐波等。常用的非线性器件有晶体二极管、场效应晶体管等。选择性电路大多用谐振回路或带通滤波器。按照电平的高低，调幅器可分为高电平调幅和低电平调幅。大功率广播或通信发射机多采用高电平调幅器。这种调幅器输出功率大，效率高。载波电话机和各种电子仪器多采用低电平调幅器。它们对输出功率和效率要求不高，可以选用调幅特性较好的电路。

所谓的集电极调幅，就是用调幅信号来改变高频功率放大器的集电极直流电源电压，以实现调幅.集电极调幅的特点：

(1)因过压工作，η高(与m无关)

(2)用于大功率调幅发射机

提供较大的驱动功率

(3)要求U

(4)m较大时，调幅波非线性失真

不论哪种振幅调制信号，都可以采用由相乘器和低通滤波器组成的同步检波电路进行解调。但是，对于普通条幅信号来说，它的载波分量未被预制掉，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，通常将这种振幅调制检波器称为包络检波器。目前应用最广泛的是二极管包络检波器，而在集成电路中，主要采用三极管包络检波电路。

1集电极振幅调制器的工作原理及分析

1.1集电极振幅调幅器的工作原理

集电极调幅是利用低频调制电压去控制晶体管的集电极电压，通过集电极电压的变化，使集电极高频电流的基波分量随调制电压的规律变化，从而实现调幅。实际上，它是一个集电极电源受调制信号控制的谐振功率放大器，属高电平调幅。调幅管处于丙类工作状态。要完成无线电通信，首先必须产生高频率的载波电流，然后设法将电报、电话等信号“加到”载波上去。将声音电流加在高频电流上，这个过程称为调制。一个载波电流有三个参数可以改变，即振幅、频率和相位。本次设计要求采用调幅方式。它的基本原理是，将要传送的调制信号（这里我们以话音信号为例）从低频率搬移到高频，使它能通过电离层反射进行传输，在远距离接收端我们用适当的解调装置再把原信号不失真的恢复出来，就达到了传输话音低频信号的目的。即载波的频率和相角不变，载波的振幅按照信号的变化规律而变化，高频振幅变化所形成的包络信号就是原信号的波形。

1-1集电极调幅工作原理图

图中，设基极激励信号电压（即载波电压）为：t V 000cos ωυ=则加在基射极间的瞬时电

压为t V V BE B 00cos ωυ+-=调制信号电压υΩ 加在集电极电路中，与集电极直流电压V CC 串联，因此，集电极有效电源电压为 ()t m V t V V V V a CC CC CC C Ω+=+=+=ΩΩcos 1cos 0ωυ 。式中，V CC 为集电极固定电源电压； CC a V V m Ω=为调幅指数。由式可见，集电极的有效电源电压VC 随调制信号压变化而变化。

1.2 集电极电路脉冲的变化情况

线性调幅时，由集电极有效电源CC U 所提供的集电极电流的直流分量0C I 和集电极电流的基波分量1C I 与CC U 成正比。

调制信号电压加在集电极电路中，与集电极直流电压C

E 串联，因此，集电极有效电

源电压为CC U 式中, C E 为集电极固定电源电压；m 为调幅指数。

集电极电压相对应的集电极电流脉冲的CC U 变化情形如图1-2所示：

图1-2同集电极电压相对应的集电极电流脉冲的

CC

U 变化情形

由图可见，集电极的有效电源电压CC U 随调制信号压变化而变化。由于BB U 与b U 不变，故为常数，又P R 不变，因此动态特性曲线的斜率也不变。若电源电压变化，则动态线随CC U 值的不同，沿C E 平行移动。

由图可以看出，在欠压区内，当CC U 由1CC U 变至2CC U （临界）时，集电极电流脉冲的振幅与通角变化很小，因此分解出的1cm I 的变化也很小，因而回路上的输出电压C E 的变化也很小。这就是说在欠压区内不能产生有效的调幅作用。

1.3 集电极调幅波形图

在这种情况下，分解出的1cm I 随集电极电压CC U 的变化而变化，集电极回路两端的高

频电压也随CC U 而变化。输出高频电压的振幅1CC cm P U I R =?，P R 不变，1cm I 随CC U 而变化，而CC U 是受O U 控制的，回路两端输出的高频电压也随O U 变化，因而实现了集电极调幅。

(t)v t 0Ω

(t)

v t

00

(t)

v t 0(t)

（A ）调制信号波形 （B ）载波信号波形

t

0Ω

(t)

v λ

（C ）已调信号波形 图1-3集电极调幅波形图

1.4集电极调幅的静态调制特性

当没有加入低频调制电压U Ω（即0U Ω=）时，逐步改变集电极直流电压CC U 的大小，同样可使c i 电流脉冲发生变化，分解出的0c I 或1cm I 也会发生变化。我们称集电极高频电流1cm I （或0c I ）随CC U 变化的关系线为静态调制特性曲线。根据分析结果可作出静态调制特性曲线如图1-4所示。

图1-4 集电极调幅的静态调制特性

静态调制特性曲线不能完全反映实际的调制过程，因为没有加入调制信号，输出电压中没有边频存在，只有载波频率，不是调幅波。通常调制信号角频率Ω要比载波角频率0ω低得多，因此对载波来说，调制信号的变化是很缓慢的，可以认为在载波电压交变的一周内，调制信号电压基本上不变。这样，静态调制特性曲线仍然能正确反映调制过程。我们可以利用它来确定已调波包络的非线性失真的大小。

由图1-4可知，为了减小非线性失真，当加上调制信号电压时，保证整个调制过程

都工作在过压状态，所以工作点Q 应选在调制特性曲线直线段的中央，即0

1

2CCQ CC U U =处， 0CC U 为临界工作状态时的集电极直流电压。否则，工作点Q 偏高或偏低，都会使已调波的包络产生失真。 2集电极调幅设计与仿真 2.1集电极振幅调制设计电路

图2-1集电极振幅调制设计电路

2.2集电极振幅调制仿真电路

图2-2集电极振幅调制仿真电路2.3集电极调幅输入载波信号波形

图2-3集电极调幅输入载波波形2.4集电极调幅输入调制信号波形

图2-4集电极调幅输入调制信号波形

2.5集电极调幅输出波形及分析

图2-5集电极调幅输出波形

1.输出波形原理分析

载波C U 直接加到放大器的基极。调制信号0c U 加到集电极电路且与直流电源相串联。C1、C2是高频旁路电容。集电极谐振回路LC 调谐在载频C 上。

由于0C U 与C E 相串联，因此，丙类被调放大器集电极等效电源CC U 将随0C U 变化，从而导致被调放大器工作状态发生变化，在过压状态下，集电极电流C I 的基波分量振幅1C I 随0C U 成正比变化，从而实现调幅。

集电极调幅电路具有调制线性好，集电极效率高的优点。广泛用于输出功率较大的发射机中。所需调制信号功率大是该调制电路的缺点。 2.输出波形特点分析

调幅波的振幅变化规律与调制信号波形一致，调幅度m 反映了调幅的强弱程度。 可以看出：一般m 值越大调幅越深：

0m =时，未调幅

1m =时，最大调幅(百分之百)

1m >时，过调幅，包络失真，实际电路中必须避免

3．二极管大信号检波的工作原理及分析

3.1二极管大信号检波原理

当输入信号较大（大于0.5伏）时，利用二极管单向导电特性对振幅调制信号的解调，称为大信号检波。

大信号检波原理电路如图3-1—a 所示。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i D 很大，使电容器上的电压υc 很快就接近高频电压的峰值。充电电流的方向如图4-1—a 图中所示。

图3-1二极管检波器的原理图和波形图

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。这时二极管导通与

否，由电容器C上的电压υ

c 和输入信号电压υ

i

共同决定。当高频信号的瞬时值小于υ

c

时，二极管处于反向偏置，管子截止，电容器就会通过负载电阻R放电。由于放电时间

常数RC远大于调频电压的周期，故放电很慢。当电容器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，使二极管又导通。如图3-1—b中的t

1

至

t

2

的时间为二极管导通的时间，在此时间内又对电容器充电，电容器的电压又迅速接近

第二个高频电压的最大值。在图3-1—b中的t

2至t

3

时间为二极管截止的时间，在此时间

内电容器又通过负载电阻R放电。这样不断地循环反复，就得到图3-1—b中电压υ

c

的

波形。因此只要充电很快，即充电时间常数R

d ·C很小（R

d

为二极管导通时的内阻）；而

放电时间常数足够慢，即放电时间常数R·C很大，满足R

d ·C<< RC,就可使输出电压υ

c

的幅度接近于输入电压υ

i

的幅度,即传输系数接近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电压周期（放电时υ

c 的基本不变），所以输出电压υ

c

的起伏是

很小的，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υ

c

就是原来的调制信号，达到了解调的目的。

根据上述工作特点，大信号检波又称峰值包络检波。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，如图4-2所示。

t

Vi

0t1t2

Vc

图5-6惰性失真

如图中t 1-t 2时间内，由于调幅波的包络下降，电容C 上的电荷不能很快地随调幅波包络变化，而输入信号电压υi 总是低于电容C 上的电压υc ，二极管始终处于截止状态，输出电压不受输入信号电压控制，而是取决于RC 的放电，只有当输入信号电压的振幅重新超过输出电压时，二极管才重新导电。为了避免这种失真，理论分析证明，R ·C 的大小应满足下列条件

max

2

1Ω-<

?a m Ma C R 式中m a 是调制系数；Ωmax 是被检信号的最高调制角频率。 负峰切割失真是由于检波器的直流负载电阻R 与交流（音频）负载电阻相差太大引起的一种失真。

检波器总是通过耦合电容C C 与低频放大器或其他电路相连接。如图3-3所示。图中C C 是耦合电容，容量较大；r i2是下一级电路的输入电阻（一般较小1K Ω左右）。由图可见：检波器的直流负载电阻为R （R L ）；由于C C 的容量较大，对音频（低频）来说，可以认为是短路。

图3-3 接有交流负载的检波器

因此，检波器的交流负载电阻R Ω等于R 与r i2的并联值，即

R r R r R R i i <+?=

Ω2

2

显然交、直流电阻是不同的，因而有可能产生失真。这种失真通常使检波器音频输出电压的负峰被切割，因而称为负峰切割失真或底部切割失真，如图3-4所示。

3-2堕性失真

图 3-4负峰切割失真

3.2大信号检波仿真电路图

图3-5 大信号检波仿真电路图3.3大信号检波仿真波形

图3-6 大信号检波仿真波形4软件Multisim 10介绍

4.1仿真软件概述

Multisim10是美国NI公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟、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。有了Multisim 软件，就相当于拥有了一个设备齐全的实验室，可以非常方便的从事电路设计、仿真、分析工作。

4.2界面概述

4.3元器件库的操作