包络检波器的设计与实现之令狐文艳创作

目录

令狐文艳

前言1

1 设计目的及原理2

1.1设计目的和要求2

1.1设计原理2

2包络检波器指标参数的计算6

2.1电压传输系数的计算6

2.2参数的选择设置6

3包络检波器电路的仿真9

3.1 Multisim的简单介绍10

3.2 包络检波电路的仿真原理图及实现10 4总结13

5参考文献14

前言

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。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，对普通调幅信号来说，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。

1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进行仿真来验证假设结果。

总设计框图如1-1：

图

1-1总设计框图

二极管包络检波器的工作原理：

检波原理电路图如图1-2

图 1-2检波原理电路图

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期的电压又超过二极管上的负压，使二极管导通。如图1-3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1-3中t2至t3时间为二极管截止（如图1-5）的时间，在此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1-6

图1-4 二极管导通图1-5 二极管截止

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”的检波器，其原理电路图如图1-7所示。

图1-7 包络检波器电路图

2 包络检波器指标参数的计算

2.1电压传输系数的计算

等幅载频：K d=

cos

cos

Vo Vs

Vs Vs

?

==?

AM波：K d=

cos

cos

V mVs

mVs Vs

Ω?

==?

φ仅于RD2R有关，与包络无关。

Kd为常数，

理想：R>>R D，φ→0，K d=1

理想：R>>R D，φ→0，K d=1

2.2参数的选择设置

①v s较小时，工作于非线性区；

②R较小时，R D的非线性作用↑。

解决：R足够大时，R D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v s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：

v s包络在A点的下降速率≤C的放电速率。

即：

τ=RC≤

2

max

max max

1+m

mΩ

(b)负峰切割失真(交流负载的影响及m的选择)

图2-2

C c为耦合电容(很大)

直流负载为：R

交流负载为：R交=(RR L)/(R+R L)

∵C c很大，在一个周期内，V c(不变)≈V s(K d≈1时) ∴V R=V AB=V c[R/(R+R L)]

由图：临界不失真条件：

V smin=V c-m V s≈V s-mV s=V s(1-m)

m较大时，若V R>V smin,则产生失真。

则要求：

τ=RC≤

2

max max max 1+m

mΩ

例：

m=0.3，R=4.7kΩ时，要求：R L≥2kΩ；

m=0.8，R=4.7kΩ时，要求：R L≥4.7kΩ；

即：m较大时，要求负载阻抗R L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+(R2R L)/(R2+R L)=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R i大，即检波电路的R L大。

(3)晶体管和集成电路包络检波，为直接耦合方式，不存在C c。

3包络检波器电路的仿真

3.1Multisim的简单介绍

Multisim是Interctive Image Technologies公司推出的一个专门用于电子电路仿真和设计的软件，目前在电路分析、仿真与设计等应用中较为广泛。该软件以图形界面为主，采用菜单栏、工具栏和热键相结合的方式，具有一般应用软件的界面风格，用户可以根据自己的习惯和熟练程度自如使用。尤其是多种可放置到设计电路中的虚拟仪表，使电路的仿真分析操作更符合工程技术人员的工作习惯。

3.2包络检波电路的仿真原理图及实现

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%，即使所

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

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。

4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。

5参考文献

[1] 曾兴文，刘乃安，陈健.高频电子线路[M].北京：高等教育出版社，2007

[2] 张肃文等.高频电子线路[M](第四版).北京：高等教育出版社，2004

[3] 路而红等.虚拟电子实验室[M].北京：人民邮电出版社，2006

[4] 华成英，童诗白.模拟电子技术[M](第四版).北京：高等教育出版社，2006

[5] 清华大学通信教研组.高频电路[M].北京：人民邮电出版社，1979

[6] 杨欣，王玉凤.电子设计从零开始[M].北京：清华大学出版社，2009

[7] 谢嘉奎.高频电子线路[M](第二版).北京：高等教育出版社，1984

[8] 武秀玲，沈伟慈.高频电子线路[M].西安：西安电子科技大学出版社，1995