集成乘法器幅度調(diào)制實(shí)驗(yàn)
一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br />
1. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解集成乘法器幅度調(diào)制的工作原理,驗(yàn)證普通調(diào)幅波(AM)和抑制載波雙邊帶調(diào)幅波()的相關(guān)理論。
2. 掌握用集成模擬乘法器MC1496實(shí)現(xiàn)AM和DSB-SC的方法,并研究調(diào)制信號(hào)、載波信號(hào)與已調(diào)波之間的關(guān)系。
3. 掌握在示波器上測(cè)量與調(diào)整調(diào)幅波特性的方法。
二、實(shí)驗(yàn)使用儀器
1.集成乘法調(diào)幅實(shí)驗(yàn)板
2.20MH雙蹤示波器
3. 萬(wàn)用表
4.低頻信號(hào)源(可選)
三、實(shí)驗(yàn)基本原理與電路
1.調(diào)幅信號(hào)的分析
(一) 普通調(diào)幅波(AM)(表達(dá)式、波形、頻譜、功率)
(1).普通調(diào)幅波(AM)的表達(dá)式、波形
設(shè)調(diào)制信號(hào)為單一頻率的余弦波: ,載波信號(hào)為 :
普通調(diào)幅波(AM)的表達(dá)式為=
式中,稱(chēng)為調(diào)幅系數(shù)或調(diào)幅度。
由于調(diào)幅系數(shù)與調(diào)制電壓的振幅成正比,即越大,越大,調(diào)幅波幅度變化越大,
一般小于或等于1。如果>1,調(diào)幅波產(chǎn)生失真,這種情況稱(chēng)為過(guò)調(diào)幅。
圖1-1 調(diào)幅波的波形
(2). 普通調(diào)幅波(AM)的頻譜
普通調(diào)幅波(AM)的表達(dá)式展開(kāi)得:
(5-2)
它由三個(gè)高頻分量組成。將這三個(gè)頻率分量用圖畫(huà)出,便可得到圖1-2所示的頻譜圖,在這個(gè)圖上調(diào)幅波的每一個(gè)正弦分量用一個(gè)線段表示,線段的長(zhǎng)度代表其幅度,線段在橫軸上的位置代表其頻率。
圖1-2 普通調(diào)幅波的頻譜圖
調(diào)幅的過(guò)程就是在頻譜上將低頻調(diào)制信號(hào)搬移到高頻載波分量?jī)蓚?cè)的過(guò)程。在單頻調(diào)制時(shí),其調(diào)幅波的頻帶寬度為調(diào)制信號(hào)頻譜的兩倍,即
(3).普通調(diào)幅波(AM)的功率
載波分量功率:
上邊頻分量功率:
下邊頻分量功率:
因此,調(diào)幅波在調(diào)制信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)給出的平均功率為:
可見(jiàn),邊頻功率隨的增大而增加,當(dāng)時(shí),邊頻功率為最大,即。
這時(shí)上、下邊頻功率之和只有載波功率的一半,這也就是說(shuō),用這種調(diào)制方式,發(fā)送端發(fā)送的功率被不攜帶信息的載波占去了很大的比例,顯然,這是很不經(jīng)濟(jì)的。但由于這種調(diào)制設(shè)備簡(jiǎn)單,特別是解調(diào)更簡(jiǎn)單,便于接收,所以它仍在某些領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
(二) 抑制載波雙邊帶調(diào)幅()
(1).抑制載波雙邊帶調(diào)幅()的表達(dá)式、波形
由于載波不攜帶信息,因此,為了節(jié)省發(fā)射功率,可以只發(fā)射含有信息的上、下兩個(gè)邊帶,而不發(fā)射載波,這種調(diào)制方式稱(chēng)為抑制載波的雙邊帶調(diào)幅,簡(jiǎn)稱(chēng)雙邊帶調(diào)幅,用表示?蓪⒄{(diào)制信號(hào)和載波信號(hào)直接加到乘法器或平衡調(diào)幅器電路得到。雙邊帶調(diào)幅信號(hào)寫(xiě)成:
為由調(diào)幅電路決定的系數(shù);是雙邊帶高頻信號(hào)的振幅,它與調(diào)制信號(hào)成正比。雙邊帶調(diào)幅的調(diào)制信號(hào)、調(diào)幅波形如圖1-3所示。雙邊帶調(diào)幅波的包絡(luò)已不再反映調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律。圖1-4為頻譜圖。
由以上討論可以看出調(diào)制信號(hào)有如下的特點(diǎn):
圖1-3 雙邊帶調(diào)幅的調(diào)制信號(hào)、調(diào)幅波 圖1-4 頻譜圖
(a)信號(hào)的幅值仍隨調(diào)制信號(hào)而變化,但與普通調(diào)幅波不同,的包絡(luò)不再反映調(diào)制信號(hào)的形狀,仍保持調(diào)幅波頻譜搬移的特征。
(b)在調(diào)制信號(hào)的正負(fù)半周,載波的相位反相,即高頻振蕩的相位在瞬間有的突變。
(3)調(diào)制,信號(hào)仍集中在載頻附近,所占頻帶為
由于調(diào)制抑制了載波,輸出功率是有用信號(hào),它比普通調(diào)幅經(jīng)濟(jì)。但在頻帶利用率上沒(méi)有什么改進(jìn)。
(三) 抑制載波單邊帶調(diào)幅()
實(shí)現(xiàn)抑制載波的單邊調(diào)幅的方法很多,其中最簡(jiǎn)單的方法是在雙邊帶調(diào)制后接一個(gè)邊帶濾波器,它可以取出一個(gè)邊帶,抑制掉另一邊帶。當(dāng)邊帶濾波器的通帶位于載頻以上時(shí),提取上邊帶,否則就提取下邊帶。用這種方法實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)幅的數(shù)學(xué)模型如圖1-5所示。
圖1-5 實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)幅信號(hào)的數(shù)學(xué)模型
通過(guò)邊帶濾波器后,就可得到上邊帶或下邊帶即:
下邊帶信號(hào)
上邊帶信號(hào)
從上式看出,信號(hào)在傳輸信號(hào)時(shí),不但功率利用率高,而且它所占用的頻帶比AM、DSB減小了一半,即,頻帶利用充分,因此已成為短波通信中的一種重要調(diào)制方式。
2. 集成模擬乘法器MC1496工作原理
實(shí)現(xiàn)調(diào)幅 的方法很多,目前 集成模擬乘法器得到廣泛的應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)采用 MC1496集成模擬乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn)普通調(diào)幅波(AM)和抑制載波雙邊帶調(diào)幅()。
圖1-6 MC1496的內(nèi)部電路及引腳圖
MC1496是雙平衡四象限模擬乘法器。其內(nèi)部電路圖和引腳圖如圖1-6 所示。其中V1、V2與V3、V4組成雙差分放大器,V5、V6組成的單差分放大器用以激勵(lì)V1~V4。V7、V8及
其偏置電路組成差分放大器V5、V6的恒流源。引腳8與10接輸入電壓ux,1與4接另一輸入電壓uy,輸出電壓u0從引腳6與12輸出。引腳2與3外接電阻RE,對(duì)差分放大器V5、V6產(chǎn)生串聯(lián)電流負(fù)反饋,以擴(kuò)展輸入電壓Uy的線性動(dòng)態(tài)范圍。引腳14為負(fù)電源端(雙電源供電時(shí))或接地端(單電源供電時(shí)),引腳5外接電阻R5。用來(lái)調(diào)節(jié)偏置電流I5及鏡像電流I0的值。
MC1496可以采用單電源供電,也可以采用雙電源供電,器件的靜態(tài)工作點(diǎn)由外接元件確定,靜態(tài)偏置電壓的設(shè)置應(yīng)保證各個(gè)晶體管工作在放大狀態(tài),即晶體管的集一基極間的電壓應(yīng)大于或等于2V,小于或等于最大允許工作電壓。一般情況下,晶體管的基極電流很小, ,三對(duì)差分放大器的基極電流I8、I10、I1和I4可以忽略不計(jì),因此器件的靜態(tài)偏置電流主要由恒流源的值確定。當(dāng)器件為單電源工作時(shí),引腳14接地,5腳通過(guò)一電阻R5接正電源(+UCC的典型值為+12V),由于I0是I5的鏡像電流,所以改變電阻R5可以調(diào)節(jié)I0的大小,即
當(dāng)器件為雙電源工作時(shí),引腳14接負(fù)電源-UEE(一般接-8V),5腳通過(guò)一電阻R5接地,因此,改變R5也可以調(diào)節(jié)I0的大小,即
根據(jù)MC1496的性能參數(shù),器件的靜態(tài)電流小于4mA,一般取I0=I5=1mA左右。
3.實(shí)驗(yàn)電路
說(shuō)明:為增加模塊功能,本模塊已改進(jìn)為“乘法器混頻、調(diào)幅”模塊,除保留原集成乘法器調(diào)幅功能外,另加入集成乘法器混頻功能。當(dāng)進(jìn)行集成乘法器調(diào)幅實(shí)驗(yàn)時(shí),把J1、J3、J5上的跳線塊置于1-2位置,將J2、J8、J9上的跳線塊置于2-3位置,(J4、J6、J7不插跳塊);IN2、IN3分別輸入1KHz正弦波基帶調(diào)制信號(hào)與10.7MHz高頻正弦載波,IN1空閑。
當(dāng)進(jìn)行集成乘法器混頻實(shí)驗(yàn)時(shí),把J2、J3、J5、J8、J9上的跳線塊置于1-2位置,將J1上的跳線塊改插于2-3位置,(J4、J6、J7不插跳塊);IN1、IN3分別輸入10.245 MHz與10.7MHz高頻正弦波,IN2空閑。
集成乘法器幅度調(diào)制實(shí)驗(yàn)電路如圖1-7。
圖1-7 MC1496構(gòu)成集成乘法器幅度調(diào)制實(shí)驗(yàn)電路
四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
1.模擬乘法器的調(diào)節(jié)。
2.普通調(diào)幅波(AM)的產(chǎn)生,調(diào)幅系數(shù)ma測(cè)量與調(diào)整。
3.抑制載波的雙邊帶調(diào)幅波(DSB/SC-AM)的產(chǎn)生與觀測(cè)。
五、實(shí)驗(yàn)步驟
1.模擬乘法器的調(diào)節(jié)
⑴ 在實(shí)驗(yàn)箱主板上插上集成乘法器幅度調(diào)制電路模塊。接通實(shí)驗(yàn)箱上電源開(kāi)關(guān)電源指標(biāo)燈點(diǎn)亮。
⑵ 信號(hào)源參數(shù)調(diào)節(jié)如下(示波器監(jiān)測(cè)):
調(diào)制信號(hào)源: 頻率范圍:1kHz, 波形選擇:正弦波,輸出峰-峰值:300mV
載波信號(hào)源:工作頻率:2-10.7MHz(任選,建議采用6.5MHz或10.7MHz)用頻率計(jì)測(cè)量,輸出幅度(峰-峰值)300mV,用示波器觀測(cè)。
⑶ 調(diào)整步驟:
在IN3端加入載波信號(hào),(IN2調(diào)制信號(hào)暫不加),TPI3點(diǎn)監(jiān)測(cè)幅度。調(diào)節(jié)W2使OUT端輸出電壓幅度最小。在IN2端加入調(diào)制信號(hào),(載波信號(hào)暫不加),TPI2點(diǎn)監(jiān)測(cè)幅度。調(diào)節(jié)W1使輸出電壓幅度最小。反復(fù)進(jìn)行上述調(diào)整,使OUT端輸出電壓幅度達(dá)到最小。
2.普通調(diào)幅波(AM)的產(chǎn)生,調(diào)幅系數(shù)測(cè)量與調(diào)整。
在IN3端加入載波信號(hào),在IN2端加入調(diào)制信號(hào),調(diào)節(jié)W2,在OUT端觀測(cè)普通調(diào)幅波(AM)。調(diào)節(jié)示波器時(shí)基旋鈕使熒光屏顯示幾個(gè)周期的調(diào)幅波波形,如圖1-8所示。
用雙蹤示波器的通道1接TPI2點(diǎn),通道2接TPO11點(diǎn),觀察調(diào)制信號(hào)波形與輸出的普通調(diào)幅波(AM)信號(hào)的包絡(luò),注意分析對(duì)比它們之間的相互關(guān)系。
分別產(chǎn)生調(diào)幅系數(shù)ma=(A-B)/(A+B) 為0.3、0.5 和1的普通調(diào)幅波(AM),記錄于表1-1中:
表1-1 調(diào)制信號(hào)頻率: KHz,載波信號(hào)頻率: MHz
調(diào)幅系數(shù)ma | A | B |
0.3 | ||
0.5 | ||
1 |
3.抑制載波的雙邊帶調(diào)幅波(DSB/SC-AM)的產(chǎn)生與觀測(cè)
⑴抑制載波的雙邊帶調(diào)幅波波形觀察
在IN3端加入載波信號(hào),在IN2端加入調(diào)制信號(hào),調(diào)節(jié)W2(去掉直流),在OUT端觀測(cè)抑制載波的雙邊帶調(diào)幅波波形。調(diào)節(jié)示波器時(shí)基旋鈕使熒光屏顯示幾個(gè)周期的調(diào)幅波波形 。
用雙蹤示波器的通道1接TPI2點(diǎn),通道2接TPO11點(diǎn),觀察輸入調(diào)制信號(hào)波形與輸出的雙邊帶調(diào)幅波(DSB/SC-AM)信號(hào)的包絡(luò),注意它們之間的相互關(guān)系,并與前述普通調(diào)幅波(AM)信號(hào)的包絡(luò)進(jìn)行對(duì)比,分析二者有何區(qū)別。
⑵抑制載波的雙邊帶調(diào)幅波(DSB/SC-AM)信號(hào)反相點(diǎn)觀察
為了清楚地觀察抑制載波的雙邊帶調(diào)幅波信號(hào)過(guò)零點(diǎn)的反相,必須降低載波的頻率,本實(shí)驗(yàn)可將載波信號(hào)降低為100KHZ,幅度仍為100mv,接入IN3,調(diào)制信號(hào)仍為1KHZ(幅度100mv),接入IN2端。
增大示波器X軸掃描速率,仔細(xì)觀察調(diào)制信號(hào)過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻信號(hào),過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻的波形應(yīng)該反相。
六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求
1.整理按實(shí)驗(yàn)步驟所得的數(shù)據(jù),繪制記錄的波形
2.畫(huà)出DSB-SC波形及m=100%時(shí)的AM波形,比較兩者的區(qū)別
3.總結(jié)由本實(shí)驗(yàn)所獲得的體會(huì)。