AM调制解调电路的设计与仿真报告

AM调制解调电路的设计仿真与实现
1.Proteus 软件简介
Proteus软件是英国LABCENTERELECTRONICS公司出版的EDA工具软件。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。

它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。

Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

Proteus软件具有4大功能模块：智能原理图设计、完善的电路仿真功能、独特的单片机协同仿真功能、实用的PCB设计平台。

由于Proteus软件界面直观、操作方便、仿真测试和分析功能强大，因此非常适合电子类课程的课堂教学和实践教学，是一种相当好的电子技术实训工具，同时也是学生和电子设计开发人员进行电路仿真分析的重要手段。

Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。

这些功能是：
（1）原理布图
（2）PCB自动或人工布线
（3）SPICE电路仿真
革命性的特点
（1）互动的电路仿真
用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。

（2）仿真处理器及其外围电路
可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。

还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。

配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。

本次Proteus课程设计实现AM调制解调电路的原理图绘制以及电路的仿真。

运用由三极管组成的乘法器调制出AM信号，再经非线性元件二极管与电容等组成的包络检波电路解调得到解调信号。

2．AM调制解调电路基本原理
2.1振幅调制电路
2.1.1振幅调制
AM调制也称普通调幅波，已调波幅度将随调制信号的规律变化而线性变化，但载波频率不变。

设载波是频率为ωc的余弦波：uc(t)=Ucmcosωct, 调制信号为频率为Ω的单频余弦信号，即UΩ(t)=UΩmcosΩt(Ωωc),则普通调幅波信号为:
u AM (t)= (U
cm
+kU
Ωm
cos Ωt)cosω
c
t = U
cm
(1+M
a
cosΩt)cosω
c
t（1）
——式中：Ma＝kU
Ωm /U
cm
，称为调幅系数或调幅度
AM调制信号波形如图1所示：
图1.普通调幅波形
显然AM波正负半周对称时：MaUcm＝Umax－Ucm ＝Ucm－Umin，
调幅度为：Ma=( Umax－Ucm )∕Ucm =( Ucm－Umin )∕Ucm。

Ma＝0时，未调幅状态
Ma＝1时，满调幅状态（100％），正常Ma值处于0～1之间。

Ma>1时，普通调幅波的包络变化与调制信号不再相同，会产生失真，称为过调幅现象。

所以，普通调幅要求Ma必须不大于1。

图2所示为产生失真时的波形。

图2.Ma>1时的过调制波形
2.1.2 振幅调制电路的组成模型
从调幅波的表达式（1）可知，在数学上调幅电路的组成模型，可以由一个相乘器和一个相加器组成。

如图3所示：
图3.低电平调幅原理图
2.2振幅解调电路
2.2.1包络检波原理
振幅解调是振幅调制的逆过程，从频谱的角度看就是将有用信号从高频段搬到低频段。

而要完成频谱搬移（有新频率产生），电路中必须要有非线性器件。

一般情况下，AM 波采用包络检波即峰值检波的方式实现解调。

即包络检波就是从AM波中还原出原调制信号的过程。

设输入普通调幅信号uAM （t ）如（1）式所示，图4中非线性器件工作在开关状态，
则非线性器件输出电流为：io(t)=guAM(t)·K1（ωc t ）
=gUcm(1+M a cosΩt)cosωc t · 式中： g ——非线性器件伏安特性曲线斜率。

可见io 中含有直流，Ω，ωc ，ωc ±Ω以及其它许多组合频率分量，其中的低频分
量是gUm(1+M s cos Ωt)∕Π。

用低通滤波器取出io 中这一低频分量，滤除ωc -Ω及其以
上的高频分量，就可以恢复与原调制信号U （t ）成正比的单频信号了。

图4.包络检波原理图
图4中（a ）图为包络检波电路的组成模型，（b ）图则为包络检波还原信号的波形变化过
程和频谱的变化情况。

2.2.2检波器的性能指标
二极管峰值包络检波器的性能指标主要有检波效率（电压传输系数）Kd 、输入电阻Ri 、
惰性失真和底部切割失真几项。

1. 检波效率
检波效率是指检波器的输出电压和输入高频电压振幅之比。

直流传输系数：Kd=Uo∕Um； 交流传输系数：Kd=UΩ/mUc 。

其中，Uo 为输出直流电压，Um 为输入高频载波幅度；mUc 为输出解调信号幅度，UΩ为包
络幅度。

由以上关系可知，检波效率Kd 越大越好。

2. 等效输入电阻
由于二极管在大部分时间处于截止状态, 仅在输入高频信号的峰值附近才导通, 所
])12cos()12(2)1(21[11t w n n c n n --⋅-+∑∞=-π
以检波器的瞬时输入电阻是变化的。

检波器的前级通常是一个调谐在载频的高Q值谐振回路，检波器相当于此谐振回路的负载。

为了研究检波器对前级谐振回路的影响, 故定义检波器等效输入电阻Ri=Uim∕Iim，其中Uim是输入等幅高频电压振幅，Iim是输入高频电流的基波振幅。

经分析可知，检波器对前级谐振回路等效电阻的影响是并联了一个阻值为Ri的电阻。

3.惰性失真
在调幅波包络线下降部分, 若电容放电速度过慢, 导致uo的下降速率比包络线的下降速率慢, 则在紧接其后的一个或几个高频周期二极管上为负电压, 二极管不能导通, 造成Uo波形与包络线的失真。

由于这种失真来源于电容来不及放电的惰性, 故称为惰性失真。

要避免惰性失真, 需要满足的条件是RC≤
4.底部切割失真
由交直流负载不同引起。

直流负载为R，交流负载R’是R与RL的并联。

不失真的条件是Ma≤R’/R。

负载切割失真在整个调制频率围都可能出现。

图5.底部切割失真波形
m ax
2
1
Ω
-
a
a
M
M
3．各组成部分的工作原理
3.1调制电路的工作原理
3.1.1单片集成模拟乘法器
模拟乘法器是低电平调幅电路的常用器件, 它不仅可以实现普通调幅, 也可以实现
双边带调幅与单边带调幅。

既可以用单片集成模拟乘法器来组成低电平调幅电路, 也可以直接采用含有模拟乘法器部分的专用集成调幅电路。

模拟乘法器可实现输出电压为两个输入电压的线性积, 典型应用包括：乘、除、平方、均方、倍频、调幅、检波、混频、相位检测等。

单片集成模拟乘法器种类较多, 由于部电路结构不同, 各项参数指标也不同。

在选择时应该以下主要参数：工作频率围、电源电压、输入电压动态围、线性度等。

本次AM调制实验中选择的是MC1596模拟乘法器，其主要特性参数如下：
电源电压：V+＝12V，V-＝-8V；
输入电压动态围：-26mV≤Ux≤26mV，-4V≤Uy≤4V；
输出电压动态围：±4V；
3dB带宽：300MHz。

MC1596是以双差分电路为基础, 在Y输入通道加入了反馈电阻, 故Y通道输入电压动态围较大, X通道输入电压动态围很小。

通常X通道作为载波或本振的输入端, 而调制信号或已调波信号从Y通道输入。

当X通道输入是小信号(小于26 mV)时, 输出信号是X、Y 通道输入信号的线性乘积。

当X通道输入是频率为ω
c
的单频很大信号时(大于260 mV), 根
据双差分模拟乘法器原理，输出信号应是Y通道输入信号和双向开关函数K
2(ω
ct
)的乘积：
两种情况均可实现调幅。

图6是MC1596部电路图。

图6.MC1596部电路图
3.1.2模拟乘法器调幅电路
图7.MC1596组成的普通调幅电路
Y通道两输入端1、4脚之间外接有调零电路, 可通过调节50kΩ电位器使1脚电位比4脚高Uy, 调制信号uΩ(t)与直流电压Uy迭加后输入Y通道。

调节电位器可改变调制指数Ma。

输出端6、12脚外应接调谐于载频的带通滤波器。

2、3脚之间外接Y通道负反馈电阻。

3.1.3实验采用的调幅电路
实验中所用的AM调制电路是由图6和图7电路图组合而成的电路图，如下图8所示：
图8.AM调制电路
3.2包络检波电路
3.2.1二极管包络检波电路
AM波采用的解调电路为包络检波电路。

包络检波电路通常采用二极管和RC滤波网络组成，如图9所示。

图9.二极管检波电路
当输入的AM波的幅度足够大时，假设二极管起理想开关的作用，则AM波经过二极管后AM波的负半周被削去，只剩下幅度按调制信号规律变化的一连串正半周余弦脉冲，如图10所示。

将这一串余弦脉冲经RC滤波网络滤除高频分量后，就可取出调制信号UΩ（t）分量，完成解调过程。

如果输入是高频等幅波，则检波输出就是直流电压，这就可以作为接收信号的场强指示。

图10.检波输出波形
3.2.2实验采用的包络检波电路
为了使二极管峰值包络检波器能正常工作, 避免失真, 实验过程中将普通二极管检波电路做了一些改进，因而实验选取的电路如图11所示。

要求必须根据输入调幅信号的工作频率与调幅指数以及实际负载RL, 正确选择二极管和R1、R2和C、Cc的值。

此次实验各元件的参数如下：
C=0.01μF，R1=1kΩ，R2=5kΩ，Cc=47μF，RL=10kΩ
图11.改进后的二极管峰值包络检波器
3.3实验总原理图
综合以上的原理，可以得到实验总电路图，如图12所示：
图12.实验总原理图
4．Proteus原理图绘制
4.1 准备画图
1.安装好软件后点击桌面上图标进入软件环境。

2.在看是菜单中找到Proteus图标单击，进入Proteus操作界面。

3.设置所需原件。

单击绘图工具栏中的元件模式按钮，进入元件库，在元件库中通过搜索栏中分别键入CAP电容、RES电阻、POT-HG滑动变阻器、2N1711型NPN三极管、1N914二极管、LT1014A运放、ALTERNATOR找到对应属性的元件。

需在元件库中找出相应阻值，电容，电感的元件。

图13.Proteus元件选择框
4.2放置元件及排版
1.通过对象选择器窗口单击选择相应元件，在右侧图形编辑窗口中单击左键放置元件。

元件的移动：用鼠标左键按住元件拖曳。

元件的旋转：选定所需旋转元件，单击绘图工具栏左右旋转按钮完成旋转。

元件的删除：通过鼠标左键选定要删除的元件，点击键盘上的delete键即可完成对应元器件的删除。

2.将鼠标移至元件引脚处待出现红色方框单击鼠标左键将鼠标移至所需连接的另一元件管脚处待出现红色方框后再次单击鼠标左键完成单根导线的连接。

以此类推，按照实验原理图放置元件并布线。

引出节点：在所需引出节点导线处单击鼠标右键，移动鼠标即可在该点设置节点并引出导线。

3.完成电路布线后，为使电路更加紧凑有逻辑性，各功能区域明显，应对相应元件或导线位置进行相应调整。

元件位置调整：单击相应元件按住鼠标左键并将元件拖曳至相应位置后放开即可。

导线间距的调整：将鼠标移至要调整导线所连接的元器件，单击该器件，相应导线及元器件将变为选定状态，将鼠标移至该导线处出现左右（上下）调节标志，按住鼠标左键拖曳相应导线到预定位置后放开，即可移动导线。

4.3模拟及仿真
添加示波器：在绘图栏中选择虚拟仪器菜单中的Oscilloscope（示波器）选项，将其放置到图形编辑窗口，连接相应导线至测试点。

电路连接无误，并且添加完示波器以后，根据实验要求，选定所需信号源及测试仪表，单击仿真键仿真。

观察仿真波形，并选择合适的周期，然后调节波形的幅值，以获得清晰的波形。

5．Proteus电路的仿真
实验选用Proteus软件实现本电路图的仿真。

在电路原理图中，将各元件合理安放，并将参数调试完毕，然后用示波器观察各输出参考点波形。

由图12可清楚看到uAM(t)和Uo的输出端口，这样便于将示波器上的波形与输入输出信号一一对应。

单击开始按钮，弹出示波器显示窗格，调整周期与各幅值使各波形清新可见。

仿真结果如图14所示，各波形从上到下依次为：解调信号Uo，调制信号uAM(t)，输入信号Uc，输入信号UΩ。

图14.仿真得到的波形
将扫描周期改为100μs，观察到的波形如下图15所示，波形由上到下依次为：解调信号Uo，调制信号uAM(t)，输入信号Uc，输入信号UΩ。

图15
然后缓慢调节滑动变阻器，观察各波形的变化情况，发生失真时的波形记录如下图16所示：
图16
图17为变扫描周期后观察到的波形
图17
6．结果与分析
6.1输入信号的参数
载波信号Uc ：8V ，25kHz ； 调制信号UΩ：1V ，600Hz 。

6.2 AM 调制信号产生电路
因为X 通道输入的是很大的信号，故Uo(t)=k 2UyK 2(ωc t)，又由于是普通调频，故输入调制信号应叠加在直流电压E2上，即Uy(t)=E2+UΩ(t)，而E2=-8V ，不小于UΩ(t)的最大幅值，显然调制指数不大于1。

由于fc=25kHz ，f Ω=600Hz ，所以用带通滤波器很容易取出其中的普通调幅信号频谱而滤除fc 的三次及其以上奇次谐波周围的无用频谱。

6.3包络检波电路
1) 检波二极管通常选正向电阻小(500Ω以下)、 反向电阻大(500kΩ以上)、结电容小的点接触型锗二极管, 注意最高工作频率应满足要求。

2) RC 时间常数应同时满足以下两个条件:
① 电容C 对载频信号应近似短路, 故应有 , 通常取 ; ②为避免惰性失真,应有RC≤ ，代入已知条件,可得(17～34)×10-6≤RC≤0.15×10-3
3）设R17∕R 18=0.2，则R17=R/6，R18=5R/6。

为避免底部切割失真，应有Ma≤R’/R，其中R ’=R17+R18RL/(R18+RL)。

代入已知条件, 可得R≤63 kΩ。

因为检波器的输入电阻R i 不应太小, 而Ri=0.5R ，所以R 不能太小。

取R=6kΩ，另取C4=0.01μF，这样Rc=0.06×10-3，满足对于时间常数的要求，因此，R17=1 kΩ，R18=5 kΩ。

4）Cc 的取值应使低频调制信号能有效的耦合到RL 上，故取C5=47μF 由此可见：调幅指数越大, 调制信号的频率越高, 时间常数RC 的允许值越小。

,1
,1c
c w RC R c
w >><<c
w RC 10~5≥
m ax
21Ω-a a
M M
8．设计总结
9．心得体会
10．参考文献
【1】顾宝良编著《通信电子线路（第2版）》，电子工业出版社，2007.8
【2】宁帆方建邦高立编《通信电子电路基础》，人民邮电出版社，2009.1
【3】高卫斌主编《电子线路（第3版）》，电子工业出版社，2009.11
【4】余萍、然、贾惠彬编著《通信电子电路》，清华大学出版，2010.10
【5】鲁捷编《电子技术基础教程》，清华大学出版社，2005.9
【6】谢自美罗杰编《电子线路设计、实验、测试（第4版）》，电子工业出版社，2008.4
淮海工学院
课程设计报告书
题目：超外差式调幅发射与接收机
电路设计
学院：电子工程学院
专业：通信工程
班级：通信091
姓名：蒋瑛洁
学号： 030912110
2012年 1 月 5 日
超外差式调幅发射与接收机电路设计
1 引言
随着科学技术的不断发展，我们的生活越来越科技化。

正是这些科学技术的进步，才使得我们的生活发生了翻天覆地的变化。

这学期，我们学习了《高频电子线路》这门课，让我对无线电通信方面的知识有了一定的认识与了解。

通过这次的课程设计，可以来检验和考察自己理论知识的掌握情况，同时，将理论变成实践，更是能使自己加深对理论知识的理解，提高自己的设计能力。

1.1 发射机原理概述及框图
发射机的主要任务是完成有用的低频信号对高频载波的调制,将其变为在某一中心频率上具有一定带宽、适合通过天线发射的电磁波。

通常，发射机包括三个部分：高频部分，低频部分，和电源部分。

高频部分一般包括主振荡器、缓冲放大、倍频器、中间放大、功放推动级与末级功放。

主振器的作用是产生频率稳定的载波。

为了提高频率稳定性，主振级往往采用石英晶体振荡器，并在它后面加上缓冲级，以削弱后级对主振器的影响。

低频部分包括话筒、低频电压放大级、低频功率放大级与末级低频功率放大级。

低频信号通过逐渐放大，在末级功放处获得所需的功率电平，以便对高频末级功率放大器进行调制。

因此，末级低频功率放大级也叫调制器。

超外差式调幅发射机系统原理框图如图1所示。

图1.1 超外差式调幅发射机系统原理框图
1.2 接收机原理概述及框图
接收机的主要任务是从已调制AM波中解调出原始有用信号，主要由输入电路、混频电路、中放电路、检波电路、低频放大器、低频功率放大电路和喇叭或耳机组成。

原理框图如图2所示。

图1.2 超外差式调幅接收机系统原理框图
放大器将检波出来的音频信号进行电压放大。

再由功率放大器将音频信号放大，放大到其功率能够推动扬声器或耳机的水平。

由扬声器或耳机将音频电信号转变为声音。

2 调幅发射机电路设计与工作原理
2.1 主振荡器的设计及仿真
此次设计，主振荡器采用经典的三点式晶体振荡器，要求产生一个15MHz的正弦波。

晶体的稳定性较好，所以，晶体振荡器的频率也相对稳定。

图2.1.1 皮尔斯晶体振荡电路
图2.1.1为并联型晶体振荡器，其中晶体是作为Q值的电感使用，因此用晶体构成的选网络应该是LC谐振回路，该电路又称为皮尔斯晶体振荡电路。

L1为高频扼流圈，为集电极提供直流偏置；C4为旁路电容，保证晶体管的基极交流接地，直接接入LC回路，减小损耗；Cc为耦合电容，利用极高的Qq和极小的Cq便可以获得喝高的频稳定度。

C1,C2是晶体负载电容。

仿真如图2.1.2所示。

图2.1.2 并联晶体振荡器仿真图
2.2 缓冲放大器的设计
晶体振荡器产生的信号相对较弱，再加上传播过程中各种原因导致的衰减，必须要进行放大后才能做载波，同时也必须减弱前后电路的相互影响，所以产生振荡电路后必须使用缓冲放大器进行控制。

图2.2.1 缓冲放大电路
这是采用分压式偏置电路，静态电压时通过电阻R1、R2的分压提供的。

R4旁边的加
一个旁路电容C3可以避免电阻R4对电路的影响。

输入信号由C1耦合到三极管的基极，输出信号由电容C2耦合输出。

为了更好的对高频信号放大，采用型号为MPQ2222的三极管，要改变放大倍数只要调整电阻就可以了。

仿真如图2.2.2所示。

图2.2.2 缓冲放大电路仿真
2.3 振幅调制电路的设计
振幅调制电路采用基极振幅调制电路，基极调制是三极管本身具有的调制特性。

如图2.3所示，载波变压器耦合L2、C1构成的L型网络加到晶体管基极上，调制信号通过变压器Tr和扼流圈L3加到基极上，C2为高频滤波电容。

图2.3 基极振幅调制电路
2.4 高频功率放大器的设计及仿真
由调制器产生的高频已调制信号的功率很小，所以必须对已调信号进行功率放大，才能进行远距离高质量的传输，功率放大电路有很多，如图2.4.1所示，采用的是乙类推挽功率放大器，功率放大后的已调波信号通过天线以电磁波的形式发射出去了。

图2.4.1 乙类推挽功率放大电路
经AM调制后的信号通过C1进入基极，基极偏执电压必须设置在功率管的截止区。

仿真如图2.4.2所示。

图2.4.2 高频功率放大电路仿真图
2.5 低频信号的设计
音频信号是一个低频信号，音频放大器被用作一个普通的低频放大器，放大到调制信号需要的幅值上。

图2.5是音频放大电路，产生一个3kHz的音频信号，如图是一个两级低频放大电路，三极管Q1为射级跟随器，主要起隔离级的作用；三极管Q2采用的是高频定性的分压式偏置电路。

电容C1、C2为隔直流耦合电容，C1讲音频信号耦合到放大电路中，C3讲信号耦合出来，从而避免直流电源和交流信号相互影响。

由上可看出放大电路采用的是直接耦合的方式，前后放大电路的静态工作点互不影响，原始音频信号在这样的电路下被放大成我们需要的信号。

图2.5 音频放大电路仿真如图2.5.2所示。

图2.5.2 音频放大电路仿真图2.6 发射机的整体电路及PCB版
图2.6.1 发射机整体电路
图2.6.2 发射机电路制成的PCB 版
3 调幅发射机电路设计与工作原理
3.1 本机震荡电路的设计及仿真
电容三点式振荡电路。

图中RB1，RB2和RE 是偏执电阻C1和CE 为旁路电容，Cc 为隔直流电容，CE 和RE 组成负反馈电路，L 和C1,C2构成并联谐振回路，三极发射机通过CE 交流接地，所以C2上反馈到发射结的电压必须加到三极管的基极上。

根据反馈振荡器的起振条件：振幅起振条件i f V V >或()1>OSC T ω和相位起振条件()()...2,1,02==n n osc T πωϕ可得电容三点式振荡器的震荡角频率''+=''+=2122111C C g g C C g g LC o L i o L i osc ωωω,式中PF C C C C C 1202121='+'=,e b C C C ''+='22，i i R g 1=，L L R g '='1,L=2UH,根据公式
LC 21f π=,可算出输出波的频率大小πω2o o f =约为15MHZ 。

3.2 混频电路的设计及仿真
3.3 中频电路的设计及仿真3.4 检波电路的设计及仿真
3.5 低频电压放大电路的设计及仿真
3.6 低频功率放大电路的设计及仿真3.7 接收机的整体电路及PCB版。