基于乘法器調(diào)幅電路設(shè)計與仿真

朱彩蓮

（東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，廣東 東莞 523808）

隨著仿真技術(shù)在電子設(shè)計中的不斷應(yīng)用，傳統(tǒng)的基于硬件的電子設(shè)計方法正在朝著先仿真設(shè)計調(diào)試，然后再硬件調(diào)試方向發(fā)展。在傳統(tǒng)高頻電子技術(shù)中，信號的調(diào)制采用純理論的方法進(jìn)行分析，然后通過電路實現(xiàn)，不是很直觀。本文利用Multisim強大的電子電路仿真工具，設(shè)計了基于乘法器實現(xiàn)信號的正常調(diào)幅和平衡調(diào)幅電路，并對電路進(jìn)行仿真分析。

1 調(diào)幅電路理論知識

根據(jù)高頻電子技術(shù)理論，調(diào)制就是將所傳遞的信號“附加”到高頻載波上。根據(jù)調(diào)制時被控制的高頻參數(shù)的不同，可以分為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相電路。調(diào)幅就是控制高頻載波信號的振幅隨著低頻調(diào)制信號的變化而變化；調(diào)頻或調(diào)相就是控制高頻載波信號的頻率或相位隨著低頻調(diào)制信號的變化而變化[1-2]。

正常調(diào)幅波的表達(dá)式為：

cosω0t（為簡單起見，設(shè)初相為 0°）。

利用三角函數(shù)變換，可得到：

其中ma=VΩ/V0為調(diào)幅系數(shù)。式中第一項為載波分量，第二項和第三項分別為上邊頻和下邊頻。

平衡調(diào)幅波為抑制了載波頻率成分的調(diào)幅波，它的表達(dá)為：

利用三角函數(shù)變換，可得到：

上式表明平衡調(diào)幅波只有上邊頻和下邊頻。

2 基于乘法器調(diào)幅電路設(shè)計

由調(diào)幅電路理論知識，設(shè)計利用乘法器來實現(xiàn)信號的幅度調(diào)制。圖1所示電路為乘法器實現(xiàn)正常調(diào)幅電路，電路輸出：v0=KXY=KV1（V2+V3）[3-4]。 V1是一個頻率為 20 kHz，幅度為1 V，初相為0°的高頻載波信號；V2是一個頻率為1 000 Hz，幅度為1 V，初相為0°的低頻調(diào)制信號；V3為2 V的直流電源，改變V3的大小，可以改變調(diào)制系數(shù)ma。

3 電路仿真分析

下面利用Multisim強大的電路仿真功能，對電路進(jìn)行仿真分析，來進(jìn)一步研究乘法器能否實現(xiàn)信號的幅度調(diào)制。

圖1 乘法器正常調(diào)幅電路Fig.1 Multiplier normal amplitudemodulation circuit

3.1 乘法器實現(xiàn)正常調(diào)幅電路仿真分析

在Multisim軟件中按圖1連接電路，設(shè)置各信號，電路的調(diào)幅系數(shù)等于V2的振幅與V3的比值，電路中此時設(shè)置的參數(shù)，調(diào)幅系數(shù)為1/2=0.5。雙擊打開電路中示波器，打開仿真開關(guān)，觀察輸出波形。觀察到的輸出波形如圖2（a）所示。由圖可以看出，高頻載波信號的振幅隨著調(diào)制信號的變化而變化，高頻載波信號振幅的包絡(luò)變化與低頻調(diào)制信號是一致的，實現(xiàn)了信號的幅度調(diào)制。

將V2設(shè)置為1 V，此時的調(diào)幅系數(shù)為1/1=1，觀察到的輸出波形如圖2（b）所示。這時處于臨界調(diào)制狀態(tài)。

將V2設(shè)置為0.5 V，此時的調(diào)幅系數(shù)為1/0.5=2，觀察到的輸出波形如圖2（c）所示。觀察圖2（c）所示波形，這時輸出信號振幅包絡(luò)的變化已不能反映調(diào)制信號的變化，這種狀態(tài)稱為過調(diào)制，在實際調(diào)制電路中，過調(diào)制是不允許的。

圖2 不同調(diào)制系數(shù)時調(diào)幅波形Fig.2 Amplitudemodulation waveform of differentmodulation coefficient

Multisim提供了豐富的電路分析方法[5-6]，下面對圖2（a）所示輸出調(diào)制信號的頻譜進(jìn)行分析。啟動分析菜單中的Fourier Analysis…命令，在彈出的對話框中進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，得到如圖3所示幅譜圖，上面的表格是幅譜圖列表表示方式，下面是圖形表示方式。從頻譜圖可以看出：調(diào)幅過程實際上是一種頻譜搬遷過程。經(jīng)過調(diào)幅后，調(diào)幅信號的頻譜被搬遷到載波附近，成為對稱排列在載頻兩側(cè)的上邊頻和下邊頻，兩者的振幅相等。調(diào)制后的信號包含有3個頻率成分，載波頻率成分（20K）、上邊頻（20K＋1K）、下邊頻（20K-1K）。出：v0=KXY=KV1V2[7-8]。 V1是一個頻率為 20 kHz，幅度為 1 V，初相為0°的高頻載波信號；V2是一個頻率為1 000 Hz，幅度為1 V，初相為0°的低頻調(diào)制信號。

圖3 調(diào)幅電路輸出信號頻譜Fig.3 Amplitudemodulation signal spectrum

圖4 乘法器平衡調(diào)幅電路Fig.4 Multiplier balance amplitudemodulation circuit

3.2 乘法器實現(xiàn)平衡調(diào)幅電路仿真分析

將正常調(diào)幅電路中的直流電源設(shè)置為0，就可以實現(xiàn)平衡調(diào)幅。圖4所示電路是乘法器實現(xiàn)平衡調(diào)幅電路，電路輸

打開示波器，打開仿真開關(guān)，觀察輸出信號波形，觀察到的平衡調(diào)幅信號如圖5所示，波形符合信號平衡調(diào)幅的特點，電路實現(xiàn)了信號的平衡調(diào)幅。

啟動分析菜單中的Fourier Analysis…命令，進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置后仿真得到如圖6所示頻譜圖。從頻譜圖可以看出：平衡調(diào)幅過程也實現(xiàn)了頻譜搬遷。經(jīng)過調(diào)幅后，調(diào)幅信號的頻譜被搬遷到載波附近，成為對稱排列在載頻兩側(cè)的上邊頻和下邊頻，兩者的振幅相等。但與正常調(diào)幅后的頻譜圖相比較，可以看到，平衡調(diào)幅后的信號頻譜中不再含有載波成分。調(diào)制后的信號包含有兩個頻率成分，上邊頻（20K＋1K）和下邊頻（20K-1K）。

圖5 平衡調(diào)幅輸出波形Fig.5 Balance amplitudemodulation waveform

圖6 平衡調(diào)幅信號頻譜Fig.6 Balance amplitudemodulation signal spectrum

4 結(jié) 論

從電路仿真的波形可以看到，電路的輸出信號波形實現(xiàn)了調(diào)幅的目的，將要傳送的低頻信號“附加”到了高頻載波上，使高頻載波信號的振幅隨著低頻調(diào)制信號的變化而變化。從頻譜角度上看，乘法器是一個線性頻率變換器件，可以實現(xiàn)線性的頻譜變換，將低頻信號“搬遷”到高頻信號上，乘法器正是利用這一特點很好地實現(xiàn)了信號的調(diào)幅。

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