AM调制器的设计.docx
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AM调制器的设计
兰州商学院
本科生毕业论文（设计）
论文（设计）题目：
AM调制器的设计
学院、系：
信息工程学院
计算机与电子工程系
专业（方向）：
电子信息工程
年级、班：
2008级1班
学生姓名：
田鑫
指导教师：
彭会萍
2012_年5月25日
声明
本人郑重声明：
所呈交的毕业论文（设计）是本人在导师的指导下取得的成果。
对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
因本毕业论文（设计）引起的法律结果完全由本人承担。
本毕业论文（设计）成果归兰州商学院所有。
特此声明
毕业论文（设计）作者签名：
年月日
AM调制器的设计
摘要
采用集成模拟相乘器为核心的低电平调幅电路，芯片采用MC1596，只要调节电路中其中一个直流参数，就改变了电路的调幅系数，电路就能实现普通调幅波AM到过调幅波直至双边带调幅波的连续过渡，无论调幅系数大于1、小于1还是无穷大，通过乘积型同步检波电路，就可实现不失真的解调，打破了许多文献中调幅系数不能大于1的界定。
同时利用该直流参数可以测试该电路中模拟相乘器增益系数和调幅系数。
[关键词]直流参数模拟相乘器调幅系数MC1596
ABSTRACT
Theintegratedsimulationismultipliedasthecoreofthelowlevelamcircuit,controlcircuitaslongasoneofdcparameters,theywillbechanged.ThecircuittheAMcoefficient,circuitcanachievecommonAMwavetowaveattenuationAMuntilthecontinuouswaveattenuationbilateralwithtransition,nomattertheAMcoefficientin1,lessthan1orinfinite,throughtheproducttypesynchronousdetectioncircuit,canachievedonotbreakreallydemodulation,brokethemanyliteratureattenuationcoefficientisnotcanmorethanonedefinition.Atthesametimeusethedcparameterscantestthecircuitsimulationismultipliedtogaincoefficientandattenuationcoefficient.
[Keywords]dcparameters,Simulationismultiplied,Attenuationcoefficient,MC1596
目录
一、引言1
二、振幅调制原理与总体方案4
（一）振幅调制产生原理4
（二）模拟乘法器振幅调制原理5
（三）调幅电路方案分析6
1、标准调幅波（AM）产生原理6
2、普通调幅波标准波形及失真波形7
3、AM调制器原理图9
4、实验电路分析9
三、电路工作原理及设计说明10
（一）标准调幅波产生电路10
1、工作原理图10
2、电路的参数选择与连接10
（二）PCB的布线与电路板的制作11
四、AM调制器电路的仿真12
（一）标准调幅波（AM）电路仿真12
1、MC1596构成的调幅电路仿真12
2、普通调幅波电路仿真13
（二）傅立叶结果分析14
1、调制信号的傅里叶分析14
2、高频载波的傅里叶分析14
3、调幅波的傅里叶分析15
五、总结15
参考文献17
致 谢18
AM调制器的设计
一、引言
调幅电路又称幅度调制电路，是指能使高频载波信号的幅度随调制信号（通常是音频）的规律而变化的调制电路。
幅度调制电路有多种电路型式，现介绍一种简易的振幅调制电路，该电路的载波由高频信号发生器产生，经放大后和调制信号经乘法器后，输出抑制载波的双边带调幅波，输出的双边带调辐波与放大后的载波再经过相加器后，即可产生普通调幅波。
本课题其理论意义十分广泛且重要，涉及方面广，而且对电路基础、模拟电子线路、通信电子线路中的一些基础知识要求较高，对以往学过的知识是一次全面的复习，同时也将理论知识应用到实践中。
用待传输出的基带信号去改变高频载波信号的振幅，称为调幅。
在有关的非线性电子线路中，普通调幅波电路大多采用高电平调幅形式调幅电路，而抑制载波的双边带调幅电路采用低电平调幅的形式，两种形式的电路是分裂开来进行分析。
即在许多文献中，只对调幅系数＜1时的各项参数进行分析，而对于普通调幅波当调幅系数＞1时，认为调制波形产生严重失真。
这是由于采用了高电平调幅电路，在这类电路中，为了提高效率，往往采用工作在乙类或丙类状态的基极或集电极调幅电路，此时调制器只是在载波信号和调制信号均为正值时能完成乘法运算。
而采用四象限模拟相乘器低电平调幅电路，能够实现为任意值的调幅，结论证明，调幅系数为任意值的已调信号在发送端是可以实现，在接收端是可以解调的。
在通信系统中，从消息变换过来的信号是频率很低的电信号，其频谱特点是包括（或不包括）直流分量的低通频谱，如电话信号的频率范围在300到3000Hz，称为基带信号，这种基带信号在很多信道中不能直接传播。
为了使基带信号适宜在信道中传输，就需要采用调制解调技术。
调制通常可以分为模拟调制和数字调制两种方式。
在本系统中，基带信号和载波信号都为连续的正弦波，采用集成模拟乘法器MC1596实现AM模拟调制。
本文将通过集成模拟乘法器芯片MC1596的原理、作用和功能出发，阐述整个设计过程。
整个课程设计将为MC1596芯片的应用和功能多添一项展示。
MC1596G是摩托罗拉（Motorola）公司生产的一款单片集成模拟乘法器，该芯片内部非常简单，只集成了8个晶体管。
它是一款可应用于抑制载波调幅、普通调幅，同步解调，FM解调，相位解调等应用的模拟乘法器，其性能良好，外围电路简单，十分适合在普通调幅器中选用。
引脚图如图1-1所示：
图1-1MC1596芯片引脚图
其主要特性有：
极好的载波抑制度：
-65dBtyp@0.5MHz
-50dBtyp@10MHz
可调节的增益与信号处理平衡输入输出-85dB典型值的高共模抑制比。
MC1596为平衡调制器的核心器件，其内部结构原理图如图1-2所示。
图1-2MC1596内部结构原理图
MC1596中包含了由带双电流源的标准差动放大器驱动的四个高位放大器．输出集电极交叉耦合，故产生了两输入电压的全波平衡调制乘积现象。
其中载波输入（CarrierInput）输入至4个三极管组成的双差分放大器，信号输入（SignalInput）输入至2个三极管组成的单差分放大器用以激励载波。
最上的四个三极管构成两对差动放大器，中间两个三极管也构成一对差动放大器，用于激励上述两对差动放大器及相关的偏置电路，下面两个三极管构成恒流源电路。
引脚8与10接输入电压，引脚1与4接另一输入电压，输出电压从引脚6与12输出。
引脚2和3外接电阻对中间一对差分放大器产生电流负反馈，以扩展输入电压的线性动态范围。
采用双电源供电时，引脚14接负电源；若采用单电源供电，脚14接地。
二、振幅调制原理与总体方案
（一）振幅调制产生原理
所谓调制，就是在传送信号的一方将所要传送的信号附加在高频振荡上，再由天线发射出去。
这里高频振荡波就是携带信号的运载工具，也叫载波。
振幅调制，就是由调制信号去控制高频载波的振幅，直至随调制信号做线性变化。
在线性调制系列中，最先应用的一种幅度调制是全调幅或常规调幅，简称为调幅（AM）。
为了提高传输的效率，还有载波受到抑制的双边带调幅波（DSB）和单边带调幅波（SSB）。
在频域中，已调波频谱是基带调制信号频谱的线性位移；在时域中，已调波包络与调制信号波形呈线性关系。
标准振幅调制（AmplitudeModulation,AM）是一种相对便宜的，质量不高的调制形式，主要用于声频和视频的商业广播。
我们讨论单频信号的调制情况。
如果设单频调制信号，载波，那么调幅信号（已调波）可表示为：
（2-1）
式中，为已调波的瞬时振幅值（也称为调幅波的包络函数）。
由于调幅信号的瞬时振幅与调制信号成线性关系，即有：
（2-2）
式中，为比例常数，一般由调制电路的参数决定；为调制系数，反映了调幅波振幅的该变量，常用百分数表示。
把（2-2）式带入（2-1），可得单频信号调幅波的表达式为：
（2-3）
或
（2-4）
可见，要完成AM调制，其核心部分在于实现调制信号与载波相乘。
（二）模拟乘法器振幅调制原理
参考图1-1MC1596芯片引脚图和图2-5AM调制原理图，分析如下：
X通道两输入端8和10脚直流电位均为6V，可作为载波输入通道；Y通道两输入端1和4脚之间有外接调零电路；输出端6和12脚外可接调谐于载频的带通滤波器；2和3脚之间外接Y通道负反馈电阻。
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10Ω。
MC1596线性区好饱和区的临界点在15-20mV左右，仅当输入信号电压均小于26mV时，器件才有良好的相乘作用，否则输出电压中会出现较大的非线性误差。
显然，输入线性动态范围的上限值太小，不适应实际需要。
为此，可在发射极引出端2脚和3脚之间根据需要接入1kΩ反馈电阻，从而扩大调制信号的输入线性动态范围，该反馈电阻同时也影响调制器增益。
增大反馈电阻，会使器件增益下降，但能改善调制信号输入的动态范围。
MC1596可采用单电源，也可采用双电源供电，其直流偏置由外接元器件来实现。
参考图2-5，分析如下：
1脚和4脚所接对地电阻R5、R6决定于温度性能的设计要求。
若要在较大的温度变化范围内得到较好的载波抑制效果（如全温度范围-55至+125），R5、R6一般不超过51Ω；当工作环境温度变化范围较小时，可以使用稍大的电阻。
R1-R4及电位器为调零电路。
在实现双边带调制时，R1和R2接入，以使载漏减小；在实现普通调幅时，将R1及R2短路，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，并且可以利用电位器来调节调制系数的大小。
5脚电阻R9决定于偏置电流I5的设计。
I5的最大额定值为10mA，通常取1mA。
由图可看出，当取I5=1mA，双电源（+12V，-8V）供电时，R9可近似取6.8kΩ。
（三）调幅电路方案分析
1、标准调幅波（AM）产生原理
调制信号是只来来自信源的消息信号（基带信号），这些信号可以是模拟的，亦可以是数字的。
为首调制的高频振荡信号可称为载波，它可以是正弦波，亦可以是非正弦波（如周期性脉冲序列）。
载波由高频信号源直接产生即可，然后经过高频功率放大器进行放大，作为调幅波的载波，调制信号由低频信号源直接产生，二者经过乘法器后即可产生双边带的调幅波，工作原理如图2-1。
设载波信号的表达式为,调制信号的表达式为，则调幅信号的表达式为
（2-5）
式中，——调幅系数，=,——载波信号
——上边带信号
——下边带信号
图2-1标准调幅波产生原理框图
普通调幅波的频谱图如图2-2所示：
幅度
上边带
下边带
ω
0
图2-2普通调幅波的频谱图
2、普通调幅波标准波形及失真波形
普通调幅波示意图如图2-3所示：
图2-3标准调幅波示意图
由图2-3可见，调幅波中载波分量占有很大比重，因此信息传输效率较低，称这种调制为有载波调制。
显然，AM波正负半周对称时：
调幅度为：
＝0时，未调幅状态；
＝1时，满调幅状态（100％）；
正常值在0～1之间；
>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，普通调幅要求必须不大于1。
由波形可以估算出，其调幅度大约为50%。
图2-4所示为产生失真时的波形：
图2-4Ma>1时的过调制波形
3、AM调制器原理图
图2-5AM调制器原理图
4、实验电路分析
1、4引脚调制信号的输入端，外接有调零电路；8、10引脚作为载波信号的输入端；输出端6、12引脚外接调谐于载波的带通滤波器；2、3引脚外接负反馈电阻。
可通过调节50kΩ电位器使1脚电位比4脚高,调制信号与直流电压迭加后输入Y通道，调节电位器可改变的大小，即改变调制指数。
三、电路工作原理及设计说明
（一）标准调幅波产生电路
1、工作原理图
实验中所用的AM调制电路是由图1-2和图2-5电路图组合而成的电路图，如下图3-1所示：
图3-1标准调幅波电路图
2、电路的参数选择与连接
静态偏置电压的设置应保证各个晶体管工作在放大状态，即晶体管c-b间电压应大于或等于2V，小于或等于最大允许工作电压。
根据上述内部电路图及特性参数，应用时，静态偏置电压（输入为0时）应满足下列关系，即
，
，
一般情况下，晶体管的基极电流很小，对于三对差分放大器的基极电流可以忽略不记，因此器件的静态偏置电流主要由恒流源的值确定。
现MC1596G为双电源工作，其恒流源可由下式确定：
根据MC1596G的特性参数，器件的静态电流小于4mA，一般取左右。
图2-5中R9取值为6.8K，经计算。
在调制信号输入端输入幅度200mV,频率为1KHz的标准正弦波，在载波输入端输入幅度为20mV，频率为10MHz的标准正弦波，都无明显失真，调节电位器，加上（+12V,-8V）电压，并在输出端接到示波器上，打开电源，观察所示波形。
（二）PCB的布线与电路板的制作
PCB板讲究布线优美，元件放置紧凑，外观精致美观。
宽度为0.8mm的宽线绘制，不用担心干扰问题。
绘制PCB时，想要作品美观，则需事先买好元器件。
然后根据器件的实际规格绘制PCB封装，进而再绘制PCB板，这样才可以将器件放置得整齐紧凑，而不用担心封装问题。
四、AM调制器电路的仿真
（一）标准调幅波（AM）电路仿真
1、MC1596构成的调幅电路仿真
利用已经生成的MC1596子模块，参考MC1496数据手册或实验指导书选择电路元件，用MC1596构成的乘法器电路如图4-1示。
12端接12V电源，14端接-8V电源，载波信号通过耦合电容C8接至10端，8端外面有Rt2、R12、C1、C3、R1组成的偏置电路，用来滤除加到载波端的直流分量及低频干扰。
调制信号通过耦合电容C2加至1端，由R2～R5构成的偏置电路，用来调节加到4端直流分量的大小，输出信号从6端引出后经过后级缓冲器输出。
图4-1模拟乘法器调制电路
2、普通调幅波电路仿真
仿真波形如图4-2所示：
图4-2AM调幅波仿真图
当改变调制信号的幅度为120mV，其余参数不变，示波器得到的波形如图4-3所示，可看出调幅波的包络变化与调制信号不再相同，产生了失真，这就是过调制现象，所以我们要求普通调幅的调制系数不能大于1.
图4-3全载波过调制波型
（二）傅立叶结果分析
1、调制信号的傅里叶分析
AM调制信号的傅里叶分析如图4-4所示：
图4-4AM调制信号的傅里叶分析
2、高频载波的傅里叶分析
AM高频载波的傅里叶分析如图4-5所示：
图4-5AM高频载波的傅里叶分析
3、调幅波的傅里叶分析
AM调幅波傅里叶分析如图4-6所示：
图4-6AM调幅波傅里叶分析
五、总结
在这一周的时间里我在做“AM调制器的设计”。
在这一过程中，真切感觉到自己知识能力的匮乏，好多东西都只是知道一些皮毛，真正搞懂会应用的东西很少。
或许一个人的进步需要一个缓慢的过程，在过程中需要不断地借鉴，学习，汲取别人的东西。
同别人的成果中攫取知识和营养，然后把它变成自己的东西。
收获之一是不做系统或者东西，许多细小的环节是注意不到的。
而这诸多环节往往影响你整个系统的正常运转。
这可真应验了那句话“细节决定一切”。
通过对此作品整个过程的设计、绘制、制作、调试等方面来看,由MC1596模拟乘法器构成的AM调制器具有稳定性好、功率小、制作简单等优点。
由于本课程设计主要在于验证，所选用的模拟乘法器为较为廉价的MC1596G，电路性能基本符合要求。
所设计的调幅器实际输出幅度较小，且幅度变化较大，无法直接进行发射。
若要进行无线发射，则需要在后级接入AGC（自动增益控制），功率放大等电路。
在设计的过程中，出现了一下几种问题：
首先，焊接电路的时候出现了虚焊，漏焊等问题，导致了电路的不连通，从而显示不出波形；
其次，在连接电路的具体操作过程中没有做好充分的工作来提高电路的抗干扰能力，从而导致信号失真；
第三，在硬件检测中，忽略了如示波器检测，信号发生器检测等重要仪器的检测，想当然的以为仪器都是准确的。
总之，在这次课程设计的制作的过程中学到了很多东西，能力也有相应的提升。
参考文献
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西安电子科技大学出版社,2003
致 谢
本课程设计的顺利完成，首先得益于一路辅导我的课程设计指导老师彭会萍老师，是彭老师的指点才让我能迅速抓住本次课程设计的关键所在。
其次，则得益于大学几年来一路授予本人知识的所有老师，使我具有了完成论文所要求知识的积累，使我有能设计出方案并调制成功的能力，在此对所有老师表示感谢。
再次，则得益于周围热心帮助本人的同学们，正是有同学们的帮助，本人才能在完成课程设计过程中感到轻松，让本人感觉到制作课程设计是一件很快乐的事情。
在与他人的交流和讨论中我受益匪浅，同时也被同学们刻苦钻研的精神所深深感染。
同学乐于助人，耐心的解答我提出的问题，对我的课程设计论文提出了许多中肯的修改意见，并对一些技术上的细节给予了很大的帮助。
最后，再次感谢所有对此课程设计提供帮助的各位导师，同学们！
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