基于Multisim的高頻電子線路同步檢波器的設(shè)計(jì)與仿真分析

程秀英, 侯衛(wèi)周

(河南大學(xué) 物理與電子學(xué)院, 河南 開封 475003)

基于Multisim的高頻電子線路同步檢波器的設(shè)計(jì)與仿真分析

程秀英, 侯衛(wèi)周

(河南大學(xué) 物理與電子學(xué)院, 河南 開封 475003)

利用NI Multisim10.1軟件對(duì)高頻電子線路同步檢波器進(jìn)行了仿真分析,測(cè)試了調(diào)幅信號(hào)的輸出波形和檢波后的波形變化規(guī)律；觀察并分析了電路中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的頻譜關(guān)系,得到的虛擬仿真結(jié)果與理論分析是相一致的。將該軟件合理地應(yīng)用到高頻電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,可將一些抽象的高頻電路的理論教學(xué)變得簡(jiǎn)單明了。把虛擬仿真技術(shù)引入到電類課程教學(xué)是教學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì),為實(shí)驗(yàn)室的開放教學(xué)提供一種行之有效的解決方案。

高頻電子線路； 同步檢波器； 仿真分析

調(diào)幅是正弦類高頻載波的幅度隨調(diào)制信號(hào)幅度變化的一種調(diào)制方式，屬于一種頻譜搬移過程，為傳統(tǒng)模擬中短波廣播技術(shù)所采用[1]。解調(diào)(又稱檢波)是從已調(diào)制的信號(hào)中取出調(diào)制信號(hào)的過程，是調(diào)制的逆過程。振幅解調(diào)又稱為振幅檢波，也屬于頻譜搬移過程[2]，它是把位于載頻fc位置的調(diào)制信號(hào)頻譜搬移到零頻位置的過程。解調(diào)有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)，一種是包絡(luò)檢波，另外一種是同步檢波。

雙邊帶信號(hào)和單邊帶信號(hào)適用于同步檢波電路，要求接收端的本地振蕩信號(hào)與發(fā)送端的高頻載波信號(hào)同頻同相[3]。當(dāng)然也可以在發(fā)送端將已經(jīng)調(diào)制的信號(hào)和載波信號(hào)同時(shí)傳送給接收端。振幅解調(diào)也屬于頻譜的搬移。同步檢波的方法大致有兩種形式：一是乘積型同步檢波，二是疊加型同步檢波。要想最終獲得調(diào)制信號(hào)(又稱基帶信號(hào))，最后還要進(jìn)行必要的濾波或必要的包絡(luò)檢波才能實(shí)現(xiàn)。

NIMultisim10.1是由美國(guó)國(guó)家儀器有限公司研發(fā)的高版本電子電路虛擬仿真軟件。它將各類電子電路的原理圖、功能測(cè)試和仿真結(jié)果匯集到一個(gè)電路窗口，界面直觀、元器件種類多、儀器儀表齊全、參數(shù)修改方便、分析方法多樣，能開發(fā)不同層次需求的電路設(shè)計(jì)型和綜合型的實(shí)驗(yàn)[4-6]。本文利用NIMultisim10.1軟件對(duì)高頻電子線路的同步檢波器進(jìn)行設(shè)計(jì)和虛擬仿真。

1 高頻電子線路同步檢波器的工作原理

無論對(duì)于雙邊帶信號(hào)還是單邊帶信號(hào)，疊加型同步檢波都是用雙邊帶信號(hào)或單邊帶信號(hào)與本振信號(hào)相疊加，利用三角函數(shù)實(shí)現(xiàn)頻譜搬移。不過疊加型同步檢波最后還需要再進(jìn)行包絡(luò)檢波才能真正獲得調(diào)制信號(hào)。由振幅的調(diào)制和檢波的理論可知：調(diào)制信號(hào)(即發(fā)送的基帶信號(hào))所在的雙邊帶調(diào)制信號(hào)的上、下邊頻功率之和僅有載波功率的一半，即它只占調(diào)幅信號(hào)功率的1/3。而實(shí)際的調(diào)制解調(diào)電路中，調(diào)幅指數(shù)ma的大小在0.1～1之間變化，其平均值僅有0.3，所以邊頻所占整個(gè)調(diào)幅波的功率要更小[7]。為了提升發(fā)射效率，一般采用雙邊帶調(diào)幅波。要實(shí)現(xiàn)雙邊帶信號(hào)的解調(diào)，檢出所需要的調(diào)制信號(hào)，就不能采用二極管峰值包絡(luò)檢波，而必須采用同步包絡(luò)檢波。

設(shè)載波信號(hào)頻率為ωs，調(diào)制(基帶)信號(hào)頻率為ω，輸入的雙邊帶調(diào)幅波vs(t)為

而本地振蕩器信號(hào)v1(t)為

由于雙邊帶調(diào)幅波中無載波分量，因此必須有頻率為ωs的本地振蕩信號(hào)產(chǎn)生，而φ表示它與原載波信號(hào)之間的相位差，這兩信號(hào)相乘的輸出表達(dá)式為

其中K為乘法器增益，ma為調(diào)幅指數(shù)(又稱調(diào)幅度)。

若濾除2倍頻的高頻分量，可得低頻(即基帶)分量vs(t)為

若φ=0時(shí)，低頻輸出信號(hào)的幅值最大。隨著相移的加大，輸出信號(hào)減弱，因此理想情況下要求本地振蕩器信號(hào)必須與原發(fā)送端的載波信號(hào)同頻同相，因此稱為同步檢波。

2 高頻電子線路同步檢波器的仿真分析要求

因?yàn)橐贸鐾綑z波后的調(diào)制信號(hào)(又稱為基帶信號(hào))，在通信原理中，它屬于頻譜搬移的過程，必須實(shí)現(xiàn)兩個(gè)時(shí)間域的三角函數(shù)相乘，才能得到頻率相加減。因此，用模擬乘法器實(shí)現(xiàn)函數(shù)信號(hào)的相乘是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。通過仿真比對(duì)已調(diào)幅信號(hào)和同步檢波后的頻譜關(guān)系，可以確定和驗(yàn)證同步檢波的合理性。

進(jìn)行同步檢波仿真需要注意以下幾點(diǎn)：

(1) 為實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻率的加減，用多個(gè)模擬乘法器建立一個(gè)同步檢波器電路；

(2) 為觀測(cè)波形變化規(guī)律，需對(duì)同步檢波器的輸入、輸出波形信號(hào)進(jìn)行仿真分析；

(3) 為掌握同步檢波電路的工作原理，需要分析輸入、輸出信號(hào)的幾個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)頻譜關(guān)系。

3 利用Multisim對(duì)同步檢波電路進(jìn)行測(cè)試

3.1 構(gòu)建高頻電子線路的同步檢波電路

從Multisim的元件工具條中調(diào)用2個(gè)頻率均為20 kHz、振幅均為1 V的信號(hào)源(一個(gè)是載波，另一個(gè)是本振信號(hào)源)和頻率為1 kHz、振幅為1 V(基帶信號(hào)源)的信號(hào)源；

模擬乘法器選2個(gè)增益均為1 V/V的普通乘法器A1和A2，其中A1輸出調(diào)幅波，A2從調(diào)幅波中解調(diào)還原出原始的調(diào)制信號(hào)。

調(diào)用兩個(gè)虛擬二蹤示波器XSC1和XSC2，時(shí)間軸欄設(shè)置為200 μs/Div，其中XSC1的A通道(觀察節(jié)點(diǎn)4的波形)的“Scale”欄設(shè)置為0.5 V/Div，B通道(觀察節(jié)點(diǎn)7的波形)設(shè)置為0.1 V/Div；其中XSC2的A通道(觀察調(diào)制前的載波信號(hào)波形)的“Scale”欄設(shè)置為0.5 V/Div，B通道(觀察調(diào)制前的基帶信號(hào)波形)設(shè)置為1 V/Div，主要觀察XSC1最初的載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)的波形。兩個(gè)示波器的時(shí)間軸、A通道和B通道的X和Y的位置偏移量均設(shè)為0。構(gòu)建的同步檢波電路如圖1所示。

圖1 同步檢波器電路

3.2 虛擬仿真測(cè)試及波形的觀察

(1) 打開仿真開關(guān)，用示波器觀察波形。對(duì)圖1中同步檢波電路中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)4、節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)7處的信號(hào)進(jìn)行傅里葉分析，并觀察這幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)的頻譜關(guān)系。

(2) 用示波器XSC2觀察到的波形如圖2所示，其中A通道的紅色波形為最初輸入到A1模擬乘法器X端載波信號(hào)，B通道的黑色波形為最初輸入到A1模擬乘法器Y端調(diào)制信號(hào)(即基帶信號(hào))。

圖2 輸入到模擬乘法器A1的載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)

(3) 用示波器XSC1觀察到的波形如圖3所示。其中示波器XSC1的A通道觀察到的是模擬乘法器A1輸出的雙邊帶已調(diào)幅信號(hào)，即藍(lán)色波形，從A2模擬乘法器的X端輸入，B通道觀察到的是模擬乘法器A2出來的波形，即經(jīng)過檢波后的輸出波形(黑色波形)。檢波后的信號(hào)接近于原來的頻率為1 kHz、振幅為1 V的調(diào)制信號(hào)。圖1中的本振信號(hào)(即A2模擬乘法器Y端的輸入信號(hào))從示波器XSC1的A端輸入，波形與圖2中的紅色載波波形一致不予顯示。

圖3 同步檢波器的輸入、輸出信號(hào)

(4) 啟動(dòng)分析選單中的Fourier Analysis...命令，進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置后進(jìn)行仿真，可得到其頻譜圖。圖4是節(jié)點(diǎn)4的傅里葉分析結(jié)果，圖5是節(jié)點(diǎn)5的傅里葉分析結(jié)果，圖6是節(jié)點(diǎn)7的傅里葉分析結(jié)果。

3.3 仿真測(cè)試結(jié)果的分析討論

觀察圖4所示的同步檢波器頻譜關(guān)系可知，節(jié)點(diǎn)4的信號(hào)頻譜抑制了載波的上、下邊頻，信號(hào)是雙邊帶調(diào)幅波，這與用示波器在時(shí)域觀察到的波形是一致的，同時(shí)與理論分析也是相符合的。

圖4 圖1電路中節(jié)點(diǎn)4處的信號(hào)頻譜

觀察圖5所示頻譜可知，節(jié)點(diǎn)5的信號(hào)頻譜將上、下邊頻信號(hào)搬移到了2倍載波頻率附近，同時(shí)還有一個(gè)頻率為1 kHz的低頻信號(hào)，這與理論分析結(jié)果是一致的。

圖5 圖1電路中節(jié)點(diǎn)5處的信號(hào)頻譜

觀察圖6所示頻譜可知，節(jié)點(diǎn)7的信號(hào)頻譜只有一個(gè)頻率為1 kHz的低頻信號(hào)，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)5的信號(hào)經(jīng)過R1、C1組成的低通濾波電路時(shí)，高頻分量基本被濾除了。而C2是一個(gè)大電容元件，起到隔直流通交流的作用，因此，在輸出端得到的只是低頻調(diào)制有用信號(hào)。將調(diào)制信號(hào)選取出來，這與用示波器在時(shí)域觀察到的波形是一致的，同時(shí)也與理論分析的結(jié)果相一致。

圖6 圖1電路中節(jié)點(diǎn)7處的信號(hào)頻譜

通過圖2—圖6的電路虛擬仿真測(cè)試結(jié)果可看出，利用軟件NI Multisim10.1對(duì)同步包絡(luò)檢波電路中的輸入波形和輸出波形進(jìn)行虛擬仿真，各節(jié)點(diǎn)處的信號(hào)頻譜圖是正確的。

4 結(jié)束語

通過對(duì)高頻電子線路同步檢波電路的虛擬仿真分析，說明利用雙蹤示波器觀測(cè)到的模擬乘法器A1和A2 的波形，A1的波形反映的是雙邊帶已調(diào)幅波，A2的波形是經(jīng)過由R1和C1組成的低通濾波器將高頻成分濾除掉，再經(jīng)過大電容C2將低頻基帶信號(hào)取出，從而實(shí)現(xiàn)同步檢波的目的。當(dāng)利用正弦信號(hào)作為測(cè)試信

號(hào)時(shí)，無論是普通的振幅調(diào)制還是振幅解調(diào)(包括同步檢波)，都是頻譜的搬移過程，對(duì)各節(jié)點(diǎn)頻譜圖的分析與示波器在時(shí)域觀察到的波形也是相符合一致的。通過虛擬仿真，學(xué)生能更好理解高頻電子線路同步檢波的工作原理和各節(jié)點(diǎn)的頻譜特性，進(jìn)一步掌握NI Multisim 10.1仿真軟件中電路的使用方法和分析方法。教學(xué)實(shí)踐證明，在同步檢波器的理論分析中輔以虛擬仿真[8-9]，能更好地實(shí)現(xiàn)理論和虛擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的同步結(jié)合。把虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于電類課程教學(xué)，是教學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)[10]，也為實(shí)驗(yàn)室的開放了提供一種行之有效的解決方案。

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Design and simulation analysis of synchronous detector in high frequency electronic circuit by Multisim

Cheng Xiuying, Hou Weizhou

(School of Physics and Electronics,Henan University,Kaifeng 475003,China)

This article simulates and analyses the synchronous detection in high frequency electronic circuit by NI Multisim10.1 software, tests the wave change law of the amplitude modulation signal and detection signal by building synchronous detection simulation circuit. This article also observes and analyses the distribution of the key node spectrum. The obtained results of software simulation and theoretical analysis are consistent. It is discovered that some abstract high-frequency electronic circuits teaching can become simple and clear,when applying the software reasonably in high frequency electronic circuit experimental teaching. At the same time the obtained virtual simulation technology is introduced to the electricity class teaching, which is the inevitable trend of teaching development. Finally, this article provides an effective solution for opening teaching of the laboratory.

high frequency electronic circuit; synchronous detector; simulation analysis

2014- 11- 03

國(guó)家青年科學(xué)基金項(xiàng)目(11103002)；河南省教育廳教育教學(xué)改革項(xiàng)目(2014-JSJYYB-001)

程秀英(1962—),女,河南開封,學(xué)士,實(shí)驗(yàn)師,主要研究方向?yàn)殡娮与娐穼?shí)訓(xùn)與實(shí)習(xí)

侯衛(wèi)周(1974-),男,山西永濟(jì),碩士,副教授,主要研究方向?yàn)殡娮与娐窇?yīng)用與仿真.

E-mail：hwz204@163.com

TP391.9; TN743

A

1002-4956(2015)7- 0116- 04