调幅与检波multisim仿真

调幅与检波电路的Multisim 仿真分析
一、实验目的：
（1）在掌握理论知识的基础上，学会利用multisim 等仿真软件进行实验的虚拟仿真，熟练掌握仿真的设计过程与方法。

（2）通过仿真以及仿真得到的结果能够进一步理解调幅、检波电路的结构与原理。

（3）通过观察仿真输出波形，分析仿真结果，得出并验证相关结论。

二、实验原理
2.1 AM 信号
AM 信号是载波信号振幅在0m V 上下按输入调制信号规律变化的一种调幅信号，表达式如下：
[]t w t u k V t v c a m o cos )()(0Ω+= （1）
由表达式（1）可知，在数学上，调幅电路的组成模型可由一个相加器和一个相乘器组成。

设调制信号为：
)(t u Ω=M c U E Ω+cos t Ω载波电压为：cM t c U u =)(cos t w c 上两式相乘为普通振幅调制信号：
cM C t s U E K u +=()(cos t Ω）t w U c cM cos
=C cM E KU (+t w t U c M cos )cos ΩΩ
=t w t M E KU c a c cM cos )cos 1(Ω+
=t w t M U c a S cos )cos 1(Ω+
式中,C
M a E U M Ω=称为调幅系数(或调制指数) ，其中0＜a M ≤1。

而当a M ＞1时，在π=Ωt 附近，)(t u c 变为负值，它的包络已不)(t u c
能反映调制信号的变化而造成失真，通常将这种失真成为过调幅失真，此种现象是要尽量避免的。

2.2 DSB 信号
抑制掉调幅信号频谱结构中无用的载频分量，仅传输两个边频的调制方式成为抑制载波的双边带调制，简称双边带调制，并表示为：
t w t u k t u c a cos )()(0Ω=
显然，它与调幅信号的区别就在于其载波电压振幅不是在0m V 上下按调制信号规律变化。

这样，当调制信号)(t u Ω进入负半周时，)(t u o 就变为负值。

表明载波电压产生0180相移。

因而当)(t u Ω自正值或负值通过零值变化时，双边带调制信号波形均将出现0180的相移突变。

双边带调制信号的包络已不再反映)(t u Ω的变化，但它仍保持频谱搬移的特性，因而仍是振幅调制波的一种，并可用相乘器作为双边带调制电路的组成模型，如下图9所示，图中a cm M k V A =。

图9 双边带调制信号组成模型
2.3 二极管包络检波
包络检波是指检波器的输出电压直接反映输入高频调幅波包络
变化规律的一种检波方式。

即，解调器输出电压 输入已调波的包络。

由于AM信号的包络与调制信号成正比。

包络检波只适用于AM波的解调。

（确切地说：只能解调Ma<=1的普通调幅波）
特点：包络检波电路实现简单，检波效率高，几乎所有AM调幅式接收机均采用这种电路。

注意：若AM波，当Ma>1，无法用此方法检波，可用同步检波法。

解调调幅波时，二极管总是在输入信号的每个周期的峰值附近到导通，因此输出电压与输入信号包络相同。

由于参数的选择，检波器容易惰性失真。

在二极管截止期间，电容C两端电压下降的速度取决于RC的时常数。

如果电容放电速度很慢，使得输出电压不能跟随输入信号包络下降的速度，那么检波输出将与输入信号包络不一样，产生失真。

把由于RC时间常数过大而引起的这种失真称为惰性失真或者对角线切割失真。

同时还有一种失真，底部切割失真。

产生这种失真是因为交直流负载不同引起的。

要避免底边切割失真，一定要设法增大交流阻抗和直流阻抗的比值。

2.4同步检波
同步检波主要应用于双边带调幅波（DSB）和单边带调幅波（SSB）的检波。

因为双边带调幅波和单边带调幅波的频谱中缺少载波频率分量。

因此不能用包络检波器解调，必须用“同步检波器”实现解调。

图6.4.3 检波电路的频谱搬移过程
同步检波又可分为乘积型图（a）和叠加型图（b）（乘积型用的比较普遍，叠加型使用的较少）.
（a）
本地载波
( b)
说明：（i）同步检波法适用于AM, DSB，SSB的解调。

由于同步检波比包络检波器复杂，所以很少用于AM解调，通常只用于解调DSB和SSB信号和Ma>1的AM解调。

（ii）为了不失真的恢复原调制信号，本地载波r u必须与调制端的载波电压完全同步。

这是同步检波名称的来由。

三、multisim仿真设计
3.1模拟乘法器MC1496分立元件的搭建与原理分析
单片集成模拟乘法器MC1496的内部Multisim电路结构如下图2所示。

图中Q9~Q12组成双差分放大器，Q13、Q14组成单差分放大器，用以激励Q9~Q12；Q15、Q16、D2及相应的电阻等组成多路电源电路，Q15、Q16分别给Q13、Q14提供恒流电流。

图3 MC1496内部结构图
那么如何在Multisim仿真环境中创建集成模拟乘法器电路模块呢？其实很简单，首先启动Multisim程序，Crtrl+N新建电路图文件，按照MC1496内部结构图，将元器件放到电子工作平台的电路窗口上。

为了能对子电路进行外部连接，需要对子电路添加输入输出。

单击Place/HB/SB Connector命令或使用Ctrl+I快捷操作，屏幕上出现输入/输出符号，将其与子电路的输入/输出信号端进行连接。

按住鼠标左键拖动，全部选中，单击Place/Replace by Subcircuit命令，屏幕上出现Subcircuit Name对话框，在对话框中输入MC1496，单击OK，即可完成MC1496子电路模块的创建。

具体过程如下图所示：
图4 MC1496子电路替代模块
3.2 AM调幅波的multisim仿真分析
3.2.1仿真电路的搭建及说明
启动Multisim程序，Crtrl+N新建电路图文件，Crtrl+B调用MC1496电路模块，将元器件放到电子工作平台的电路窗口上，搭建调幅电路，其Multisim电路图如下图所示。

MC1496调幅电路
当实现普通调幅，可通过调节50KΩ电位器Rp1使①脚与④脚之间形成电位差即产生直流分量Uab，调制信号与直流电压Uab叠加后输入Y通道，调节电位器可改变Uab的大小，即改变调制指数Ma；若实现DSB调制，通过调节50KΩ电位器Rp1（=50%）
使①、④脚之间直流等电位，即Y通道输入信号仅为交流调制信号。

为了减小流经电位器的电流，便于调零准确，可加大两个750Ω电阻的阻值，比如各增大10KΩ。

R1、R2、R3、R7及Rp1为调零电路。

在实现双边带调制时，R1及R2接入，以使载漏减小；在实现普通调幅时，将R1及R2短路（关闭开关S1、S2）,以获得足够大的直流补偿电压调节范围，由于直流补偿电压与调制信号相加后作用到乘法器上，故输出端产生的将是普通调幅波，并且可以利用Rp1来调节调制系数的大小。

Ma<1的调幅波形
3.2.2改变Rp1(Uab)实现调制度的控制，分别实现调制度m a<1; m a=1;
m a>1。

①调节Rp1=10%时，Uab=0.784V（即①④管脚电压差），当载波信号V C(t)=200sin2π×105t (mV),调制信号()t
= 50V S sin2π×103t (mV)
V
Ω
时，记录波形如下所示:
由示波器可以测出V(P-P)=1.326V,V(L-L)=1.022V,此时Ma=12.95%
②调节Rp1=42%时，Uab=63.5mV，当载波信号V C(t)=200sin2π×
= 50V S sin2π×103t (mV)时，记录波形如下所105t (mV),调制信号()t
V
Ω
示:
由示波器可以测出V(P-P)=219.444mV,V(L-L)=0.688mV,此时Ma=99.375%。

③调节Rp1=48%时，Uab=17mV，当载波信号V C(t)=200sin2π×
= 50V S sin2π×103t (mV)时，记录波形如下所105t (mV),调制信号()t
V
Ω
示:
由示波器可以测出V(P-P)=134.348mV,V(L-L)= 86.596mV,此时Ma>100%。

3.2.3产生DSB信号
首先需要打开开关S1和S2，然后调节Rp1（=50%）使调制
端平衡，产生的DSB信号波形如下：
3.2.4调节RP2观察音漏现象
RP1=30%,RP2=50%时的调幅波:
RP1=30%,RP2=95%时的调幅波:
通过对比以上两幅调幅波形可以发现第二幅波形的上下明显不再对称，这是因为调节了RP2使载波端不再平衡即产生了音漏现象。

3.3 二极管包络检波电路
3.3.1 multisim仿真电路图
未使用分立元件的仿真电路图
使用分立元件的仿真电路图
3.3.2 multisim仿真分析
①二极管包络检波输出
输入的已调波形如下：
二极管包络检波的输出：红色为调制信号，蓝色为检波输出。

可以发现此时Ma<100%,二极管检波电路可以很好的解调AM信号
当Ma>100%时，二极管检波电路已经无法解调出调制信号了。

②研究惰性失真现象
为了提高检波的效率和滤波效果，希望选取较大的RC 值，使电容器在载波周期内放电很慢，C 上电压的平均值能够不失真地跟随输入电压包络的变化。

但是当RC 选得过大的情况下，也就是C 通过R 的放电速度过慢时，电容器上的端电压不能紧跟输入调幅波的幅度下降而及时放电，这样，输出电压将跟不上调幅波的包络变化而产生失真，这种非线性失真是由于C 的惰性太大引起的，称为惰性失真。

为避免惰性失真，应满足：Ω-≤a a m m 21RC 可知Ma 越大，调制频率Ω越高，
则包络下降的速度就越快，越易产生惰性失真。

增大电容C1的值为100nf ，同时增大调制度Ma （通过减小RP1叠加的直流电平的大小来实现）。

可以看到图4-21所示的惰性失真现象：
③研究负峰切割失真现象
负峰切割失真又称底部切割失真。

产生这种失真后, 输出电压的波形如下图所示。

图6.4.11负峰切割失真
产生负峰切割失真原因分析：
检波输出中有音频和平均直流电平，因为C c较大,在音频一周内,
u基本不变，可以把它看作一直流加在Cc其两端的平均直流电平DC
电源，在电阻R 和R L 上产生分压。

DC u 在电阻R 上的压降为:
R DC L
R u u R R =+该电压反向的加在检波二极管上。

检波器的输入t t m V u C a im i ωcos )cos 1(Ω+=
(1cos )(1cos )cos cos im a d im a d V m t k V m t k θ
θ
+Ω=+Ω=g g 检波输出式中其中的平均直流电平cos ,
cos 1DC im u V θθ=≈DC im u V ∴= 即DC u 大小约为载波振幅值
要避免负峰切割失真：输入调幅波包络的最小值必须大于二极管上的反向电压R u
()(1)(0)L L a L L R R Z m R R R Z ΩΩ≤==+
式中R Ω为检波器交流负载 (2)L L
R R R R R Ω=+ 由上式可知，当a m 一定时，检波器的交流负载ΩR 越接近检波器的直流负载R,负峰切割失真就越不易产生，因此可以通过添加射级跟随器来满足交流负载ΩR 直流负载R 。

减小交流负载电阻ΩR ，将仿真电路中的R18调到5%时，同时适当增大调制度Ma ，就可以看到明显的负峰切割失真现象。

如下图所示，输出电压在包络检波的过程中出现明显的负峰切割失真现象：
3.4 同步检波电路
3.4.1 multisim仿真电路图
这个电路图用了两个分立元件分别是AM调幅模块和MC1496模块，因此电路的复杂度大大降低，也更加直观清晰。

当然也可以进一步把同步检波电路也做成一个分立元件，这样电路就更加简单明了
了。

如下图：
3.4.2multisim仿真分析
当本地载波与原载波同频同相时：
设置载波幅度为80mV，频率为100kHz。

调制信号幅度设置为40 mV，频率为1kHz。

调制度Ma<100%时：蓝色为检波输出信号
调制度Ma=100%时：蓝色为检波输出信号
调制度Ma>100%时：蓝色为检波输出信号
输入DSB信号时的同步检波输出：
通过以上三种情况的仿真分析我们可以发现无论是Ma>100%的调幅信号还是抑制载波的双边带调幅DSB信号利用同步检波成功解调出来，但是因为同步检波电路构成比较复杂因此只在Ma>100%或者DSB信号中使用。

当本地载波与原载波同频不同相时：
设置原载波幅度为80mV，频率为100kHz，相位为0。

本地载波幅度为80mV，频率为100kHz，相位为90。

调制信号幅度设置为40 mV，频率为1kHz。

可以发现输出波形与调制信号同频同相但是幅度有衰减。

当本地载波与原载波不同频同相时：
设置原载波幅度为80mV，频率为100kHz，相位为0。

本地载波幅度为80mV，频率为200kHz，相位为0。

调制信号幅度设置为40 mV，频率为1kHz。

当本地载波与原载波不同频时，原调制信号与解调信号的波形如图4-28所示，可以看到解调输出波形已失真，无法还原出原调制信号。

四、实验总结
首先是看到一幅幅仿真电路图很有成就感，虽然遇到了很多问题但是最终结果还是很好的，这让我十分开心。

当然在开心的背后我遇到了好多问题，比如在用Multisim构建MC1496时，由于对创建分立元件以及他的使用不是很了解，因此刚开始时我始终不会正确创建并应用。

最后我通过查阅资料，找到了在Multisim中构建模块的方法和步骤，这才最终解决了这个让人虐心的问题。

另外，在仿真调幅电路时，输出始终不符合要求。

我用了很长的时间来微调电路参数，并且一直在与同学互相讨论，当然最后这个问题也变成了历史。

还有在做二极管包络检波波这部分时，由于检波电路参数调节的不合理导致了检波输出波形始终存在问题。

通过我长时间的微调电路参数，最终摸清了各个参数对输出波形的影响。

总之，这次仿真让我付出了很多时间和精力但是也回报我的却远比我付出的要多得多。

最后，我想说由于时间仓促，仿真过程和结果可能存在瑕疵，希望老师能谅解。