用计算机实现二极管包络检波的仿真实验

用计算机实现二极管包络检波的仿真实验 用计算机实现二极管包络检波的仿真实验 第3l卷第5期 Vo1.3lNo.5 丽水学院 JoURNALoFLISHUIUNr,RSITY 2009年10月 Oct.2009 用计算机实现二极管包络检波的仿真实验 黄培根 浙江丽水323000) (丽水学院计算机与信息工程学院, 摘要:利用最新电子仿真软件Multisiml0进行二极管包络检波虚拟实验,具有组建电路快捷,波 形生动直观,实验效果理想等优点.计算机虚拟仿真作为高频电子线路实验的辅助手段,是一种很好 的选择,可以加深学生对一些抽象枯燥理论的理解,从而达到提高高频电子线路课程教学质量的目的. 关键词:调制信号;包络检波;低通滤波器;对角线失真;负峰切割失真 doi:10.3969/j.issn.1008-6749.2009.05.026 中图分类号:G642.423文献标志码:A文章编号:1008—6749(2009)05—0097—04 OntheSimulationExperimentofDiodeEnvelopeDetection RealizedbyComputer HuangPeigen (CoHegeofComputerandInformationEngineering,LishuiUniversity,LishuiZhejiang323 000,China) Abstract:ThesimulationexperimentofdiodeenvelopedetectionisrealizedbyusingMuhisi m10.Thereaye manyadvantages,suchasrapidlytoorganizecircuits,toproducevividandvisualwaveform,a ndtoobtainideal experimentalresultsandSOon.Simulationbycomputerisagoodchoiceasasupplementary methodforthe highfrequencyelectronicsexperiment,whichcanhelpstudentstodeepentheunderstanding ofsomeabstract anduninterestingtheory,SOastoimprovetheteachingqualityofhighfrequencyelectronicsc ourse. Keywords:modulationsignal;envelopedetection;lowpassfilter;diagonaldistortion;negati vepeakscutting distortion 0引言 众所周知,高频电子线路实验由于频率高,对 实验板的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 和制作非常讲究,一般常采取诸如 某些元件就近接地,大面积敷铜板布地线,振荡器 加屏蔽合等措施,以尽可能减少高频干扰.但在实 际实验时,往往由于测量仪器和实验板之间的连 线过长连线交叉,平行等原因,仍然会存在窜入 高频干扰问题,严重时影响观察波形和测量数据 的准确性.本文通过计算机用电子仿真软件 Muhisiml0进行高频电路仿真实验,不存在高频干 扰现象,能达到理想的实验结果. 1实验原理分析 调幅波的解调是从调幅信号中取出调制信号 的过程,是调制的逆过程,通常称之为检波.常用 的解调方法有二极管包络检波和同步检波2种, 一 般的振幅调制信号,都可采用由相乘器和低通 滤波器组成的同步检波电路进行解调.但是,对于 普通调幅信号来说,它的载波分量未被抑制掉,可 以直接利用非线性器件实现相乘作用,得到所需 的解调电压,而不必另加同步信号,通常将这种振 幅检波器称为包络检波器.目前应用最广的是二 极管包络检波器.二极管包络检波适合于解调含 收稿日期:2008—12—25 作者简介:黄培根(1947一),男,浙江龙泉人,高级实验师. 98丽水学院2009焦 有较大载波分量的大信号的检波,它具有电路简 单,易于实现的优点. 1.1二极管包络检波工作原理 二极管包络检波器由二极管和低通滤波器相 串接而构成,当输入端作用着普通调幅信号电压 ()=Urn0(1+mazos/2t)coso~ct,且其值足够大时,二 极管伏安特性可用自原点转折,斜率为g的 D 折线逼近.若>>R,则通过二极管导通时() 儿 向C充电(充电时间常数为oc)和截止时c向尺 放电(放电时间常数为c)的不断重复,直到充, 放电动态平衡后,输出电压()便将稳定地在平 均值上,下按角频率作锯齿状波动. 通过上述分析,二极管包络检波器与整流电 路十分相似,但在要求上两者却有很大差别.作为 检波器,对它提出的主要要求是输出电压不失真 地反映输入信号的包络变化,而整流器却不存在 这种要求.如果二极管包络检波电路的输入调幅 电压过小或月取值不当均会产生失真. 从原理上来说,二极管包络检波电路中,二极 管实际上起着受载波电压控制的开关作用,不过, 由于c上电压反作用到二极管上(即ttZ~US"U.), 因而D仅在载波一个周期中接近正峰值的一段时 间内导通(开关闭合),而在大部分时间内截止(开 关断开).导通与截止时间的长短与c大小有 关.例如,增大将减慢C向R的放电速度,从 而减小c的泄放电荷量,因此,达到动态平衡后,D 导通期间内向C充电电荷量也就减小,结果D的 导通时间减小,相应地,UA增大,锯齿状波动减 小.增大C也有类似情况.在实际电路中,为了提 高检波性能,尺c的取值应足够大,满足R>O)cL =—t[即()]和Rv~>R.的条件.这时可二 以认为近似等于输入高频电压振幅,即检波电 压传输系数吼趋于1,而叠加在上的残余高频 电压(或称输出纹波电压)则趋于零.? 1.2二极管包络检波电路中的失真 当输人为调幅波时,为保证检波器的输出平 均电压不失真地反映输入调幅波的包络变化, 输入调幅波电压必须足够大,当解调调幅波时,如 果电路参数选择不当,二极管包络检波器将会产 生隋性失真和负峰切割失真. 1.2.1惰性失真 从充放电的观点来看,增大和c值,可以 提高检波电压传输系数和高频滤波能力.但当输 入为调幅波时,过分增大R和c值,由于二极管 截止期间c通过的放电速度过慢,跟不上输入 调幅波包络的下降速度,如图l(b)所示,输出平均 电压就会产生失真,通常将这种失真称为惰性失 真,也称对角线失真.图1(a)所示波形,由于电路 参数选择合适就没有产生隋性失真. 图1对角线失真 1-2.2负峰切割失真 当考虑到检波器和下级放大器连接时,一般 第5期黄培根:用计算机实现二极管包络检波的仿真实验 采用图2(a)所示的阻容耦合电路,以避免中的 直流分量影响下级放大器的静态工作点.图2 (a)中,c.为隔直电容,要求它对呈交流短路;R 为下级电路的输入电阻.如果低通滤波器满足 <,则由图2可知,检波器的交流负载()J儿 和直流负载(O)分别为:2)风;(0)=尺, 且()<(0).说明在这种检波电路中,输出的 直流负载不等于交流负载,并且交流负载电阻小 于直流负载电阻.当输入调幅波电压的‰较大 时,由于上述的交,直流负载不等,输出音频电压 在其负峰值附近将被削平,出现所谓的负峰切割 失真,如图2(c)所示. :sc牛中尺LR''中 (【) 0 UfiI_一,\m/\一 . n (c) 图2负峰切割失真 在实际电路中,可以采用各种措施来减小交, 直流负载电阻值的差别.例如,将吼分成和 尺,并通过隔直电容将R并接在R两端,如图3 所示. 图3实际的二极管检波电路 由图3可见,当R=+尺位维持一定时, 越大,交,直流负载电阻值的差别就越小,但是,输 出音频电压也就越小.为了折衷地解决这个矛盾, 实用电路中,常取=0.1,0.2. 位 综上所述,二极管包络检波电路虽然存在以 上一些失真,在实际应用中是可以采用一些改进 和补偿措施来完善的,它具有电路简单,易于实现 的优点,较适合于解调含有较大载波分量的大信 号的检波.团 2用计算机实现二极管包络检波仿真实验【?】 2.1在仿真软件Multisiml0电子平台上组建仿真 电路 从电子仿真软件MultisimlO基本界面元件工 具条的"基本元件库"中分别调出检波二极管 "1N4151","100nF"可变电容,电阻,电容,电位器 等元件;再从电子仿真软件MultisimlO基本界 面元件工具条的"信号源库"中分别调出lkHz, 10kHz交流信号源,5V直流信号源,乘法器等;最 后再从电子仿真软件Multisim10基本界面元件虚 拟仪器工具条中调出"示波器",将调出元件和仪 器经整理组建成仿真电路如图4所示. 图4二极管检波仿真电路 R3 5O% 50kn K0y=8 1O0丽水学院2009矩 2.2虚拟仿真实验 开启仿真开关,双击虚拟示波器图标,从放大 面板的屏幕上可以看到调幅波经二极管检波前后 波形如图5所示(注:两波形已被叠加在一起;屏 幕下方各栏参数参阅图中设置),同时也可以看出 输出电压‰(,)是随载波频率OJ作锯齿状波动的 调幅波的包络线,与图1(a)相似. 料0…,瀚南黼芬:纛绀 ?? 强t叠?,t..0|.1I|.t_?誊tl一 麟蒜强2.01t.嗡1七蜘q州.i曩疆强嚣 幂麓-每甏氅莨li蠢电?懒磊 图5二极管检波前后叠加波形 关闭仿真开关,将:设置成2V(注:改变调 制系数ma);调整可变电容器的百分比为90%左 右,重启仿真开关,打开虚拟示波器放大面板,可 以从屏幕上看到"对角线失真"波形如图6所示, 因为增大c值,二极管截止期间c通过盹的放电 速度过慢,跟不上输入调幅波包络的下降速度,造 成二极管检波后的输出电压//'o(t)产生惰性失真 (屏幕下方各栏参数参阅图中设置). r : ^ _=_=;_膏蕾~{?*一,_,一 }., …. 盎,?滁j八A,,_i,行j 一 /_ 'i,. : 《VV. ,; :: _ 誊毫毫.味蕾毫 氅之_毽篡_?一l|.Il二__I 图6"对角线失真"波形 关闭仿真开关,将设置成1V(注:进一步 增大调制系数m.);调整电位器的百分比为5%左 右;调整可变电容器的百分比为30%左右;重启仿 真开关,打开虚拟示波器放大面板,可以从屏幕上 看到"负峰切割失真"波形如图7所示(注:两波形 被分开显示;屏幕下方各栏参数参阅图中设置),由 于交,直流负载电阻阻值相差较大,输出电压uo(t) 在其负峰值附近将被削平,所以出现"负峰切割失 真"波形. }' _-I也}舶一铡{Il^盥ki静,.一i'1一 l一』,,一,一—,,一—…——j,一;JJ一一0,,一i』, . It 鳓冁每篝唾南I椎,,.^郴《逡馘藤 |赣亳谗,蘸豁,_矗1l茂蠢舔 图7"负峰切割失真"波形 3结束语 通过以上在仿真软件MultisimlO电子平台上 所做的虚拟仿真实验,我们可以清楚地看到二极 管对调幅波的包络进行检波,由于元件参数选择 不当引起的"对角线失真"和"负峰切割失真".利 用电子仿真软件MuhisimlO可以对高频电路课程 中许多实验进行虚拟仿真,且具有组建仿真电路 快捷,方便,波形图像直观,效果理想等优点.可以 避免在实验室中利用仪器做高频电路实验,由于 频率高存在于扰现象,效果不理想的缺陷.电子仿 真软件MuhisimlO是一款非常理想的应用软件, 尤其是适合用它来进行高频电路的仿真实验,作 为一种新的辅助实验手段,值得大力推广应用. 参考文献: [1]谢嘉奎.电子线路:非线性部分[M].北京:高等教育出版 社.2001:220. [2]胡宴如.高频电子线路[M].北京:高等教育出版社,2001: 292-295. [3]熊伟,侯传教.Muhisim7电路设计及仿真应用[M].北 京:清华大学出版社,2005:326—327. [4]聂典.Multisim9计算机仿真在电子电路设计中的应用 [M].北京:电子工业出版社,2007:322—368.