張立立, 楊 華, 孟祥博, 鮑玉斌

(1. 東北大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院， 國家級計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心, 遼寧 沈陽 110819；2. 東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 國家級電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心, 遼寧 沈陽 110819)

基于Multisim的振幅調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

張立立1, 楊 華2, 孟祥博1, 鮑玉斌1

(1. 東北大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院， 國家級計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心, 遼寧 沈陽 110819；2. 東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 國家級電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心, 遼寧 沈陽 110819)

為便于學(xué)生對于射頻知識的理解,提高學(xué)生的實(shí)踐能力,基于Multisim設(shè)計(jì)了振幅調(diào)制解調(diào)仿真實(shí)驗(yàn)。以MC1496芯片為核心器件的調(diào)制解調(diào)仿真實(shí)驗(yàn)為例,從理論公式的推導(dǎo)到仿真電路參數(shù)的調(diào)試驗(yàn)收進(jìn)行了科學(xué)合理的安排,使大多數(shù)學(xué)生能夠?qū)⒄n堂理論知識應(yīng)用到實(shí)際中,并通過最后的電路調(diào)試,培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)錯誤及修正錯誤的能力,積累系統(tǒng)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)。

調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)； 乘法器； MC1496； Multisim

根據(jù)以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn),學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中常常不能將理論與實(shí)踐很好地結(jié)合[1]。部分原因是實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容多、任務(wù)重,學(xué)生沒有足夠的時間將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與理論知識有機(jī)結(jié)合,不能把握實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)、難點(diǎn),對于異?，F(xiàn)象難以解釋[2]。鑒于此,利用Multisim[3]仿真軟件,讓學(xué)生將課堂上學(xué)到的理論知識以實(shí)際的電路、具體的參數(shù)展現(xiàn),并通過循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容將知識細(xì)化,使得學(xué)生能夠逐漸掌握比較抽象的理論知識,并為學(xué)生創(chuàng)新思維提供平臺[4],引領(lǐng)學(xué)生將知識用于生產(chǎn)生活實(shí)際。本文以振幅調(diào)制解調(diào)[5]為例,介紹了從理論分析、電路繪制及調(diào)試驗(yàn)收等方面的學(xué)習(xí)過程,讓學(xué)生深入理解了調(diào)制原理,實(shí)驗(yàn)效果良好。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容與要求

基于Multisim的振幅調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)將引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象所反映的調(diào)制解調(diào)原理。通過對調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析,鞏固理論知識。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容與任務(wù)

總體任務(wù):利用Multisim仿真軟件,緊密結(jié)合教材中的理論知識,基于MC1496芯片[6]實(shí)現(xiàn)振幅的調(diào)制以及二極管包絡(luò)檢波系統(tǒng)電路。

基本內(nèi)容:

(1) 理論分析,繪制電路圖；

(2) 封裝芯片MC1496,實(shí)現(xiàn)乘法功能；

(3) 在Multisim軟件中搭建電路圖,調(diào)試電路,實(shí)現(xiàn)普通調(diào)幅、抑制載波雙邊帶調(diào)幅功能；

(4) 在Multisim軟件中搭建二極管包絡(luò)檢波電路,調(diào)試電路,實(shí)現(xiàn)解調(diào)功能。

擴(kuò)展內(nèi)容:

(1) 將普通調(diào)幅電路與二極管包絡(luò)檢波電路結(jié)合,完成整體從調(diào)制到解調(diào)的過程；

(2) 對于不能通過二極管包絡(luò)檢波電路來進(jìn)行解調(diào)的抑制載波雙邊帶調(diào)幅信號,通過MC1496實(shí)現(xiàn)同步檢波；

(3) 作為模擬調(diào)制與解調(diào)的核心,嘗試使用MC1496實(shí)現(xiàn)鑒相和鑒頻功能。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程及要求

(1) 了解基本模電知識,學(xué)會使用Multisim軟件進(jìn)行仿真調(diào)試；

(2) 掌握振幅調(diào)制原理,根據(jù)所學(xué)知識確定載波頻率,調(diào)制信號幅度等參數(shù)；

(3) 掌握二極管包絡(luò)檢波原理,學(xué)習(xí)濾波器原理,計(jì)算出相應(yīng)參數(shù)；

(4) 調(diào)試不同的參數(shù),分析不同參數(shù)造成的失真狀況和失真原因；

(5) 撰寫總結(jié)報(bào)告,通過仿真軟件嘗試不同的調(diào)制解調(diào)方案。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及方案

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求能夠?qū)d頻信號進(jìn)行幅度調(diào)制,再解調(diào)出調(diào)制信號。振幅調(diào)制電路采用MC1496芯片作為整個調(diào)制電路的核心器件,需要設(shè)計(jì)3個模塊:載波抑制模塊、直流偏置模塊、乘法器模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體分為調(diào)制和解調(diào)兩部分,系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以MC1496為核心,也可以采用其他乘法器。本實(shí)驗(yàn)采用的仿真軟件是Multisim,但Multisim中沒有MC1496芯片,學(xué)生應(yīng)該自己學(xué)會封裝[7],也可以選擇用子電路來代替。實(shí)驗(yàn)電路如圖2所示。利用Multisim仿真軟件能夠搭建電路原理圖,并對電路進(jìn)行仿真,可以較為直觀地進(jìn)行分析與調(diào)試。

圖2 振幅調(diào)制電路

(1) MC1496芯片:MC1496芯片是吉爾伯特乘法器,能夠提供近似的相乘功能,對于不同大小的輸入信號,能夠產(chǎn)生不同的頻譜分量,實(shí)現(xiàn)頻譜搬移,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)許多基于相乘原理的模擬調(diào)制與解調(diào)功能,如鑒相、鑒頻等。MC1496芯片可以選擇單電源供電或者雙電源供電。單電源供電時14引腳接地；其線性范圍較小,可以由2、3引腳外接電阻RE來擴(kuò)大；由5腳外接電阻來控制直流源大??；1、4引腳接調(diào)制信號VΩ,兩引腳間的靜態(tài)電壓差為VQ,8、10引腳接載波信號VC；6、12引腳引出輸出,輸出為

可以通過調(diào)節(jié)1、4兩引腳間的靜態(tài)電壓差來調(diào)節(jié)調(diào)制度,也可以實(shí)現(xiàn)抑制載波雙邊帶調(diào)幅。這樣就可以實(shí)現(xiàn)頻譜搬移,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制。MC1496芯片原理電路如圖3所示。

圖3 MC1496內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)

(2) 載波抑制模塊:載波抑制模塊選用1個滑動變阻器與2個等值電阻串聯(lián),再將滑片與負(fù)電源相接。另2個電阻與1、4引腳相接，通過調(diào)節(jié)滑片來調(diào)節(jié)1、4兩腳間靜態(tài)電壓,進(jìn)而調(diào)節(jié)調(diào)制度,或者抑制載波。

(3) 直流偏置:MC1496靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置應(yīng)該保證三極管工作在放大狀態(tài),否則無法完成乘法功能。晶體管的集電極-基極電壓應(yīng)大于或等于2 V，且小于等于最大工作電壓。靜態(tài)電流的設(shè)置由5腳電阻控制,應(yīng)設(shè)置合適的靜態(tài)電流。

(4) 二極管包絡(luò)檢波:包絡(luò)檢波電路由非線性器件和低通濾波器構(gòu)成,大多應(yīng)用為前級中頻放大器的負(fù)載,多用于大信號檢波。其檢波原理為利用二極管單向?qū)ㄌ匦?導(dǎo)通時電阻較小,時間常數(shù)較小,充電較快；截止時電阻較大,時間常數(shù)較大,放電較慢,故輸出將保持在調(diào)制信號包絡(luò)線上,完成解調(diào)。低通濾波器的參數(shù)應(yīng)保證對高頻載波短路,讓低頻調(diào)制信號通過,同時滿足不失真條件。其電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 解調(diào)電路

3 電路調(diào)試與驗(yàn)收

電路調(diào)試可以檢查學(xué)生對知識的理解與實(shí)踐能力。通過學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的程度和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能夠反映學(xué)生對知識的理解程度；通過學(xué)生對于異常結(jié)果的分析,能夠了解學(xué)生對于實(shí)際電路的調(diào)試能力。在整個實(shí)驗(yàn)過程中,要求學(xué)生查詢產(chǎn)品手冊、能夠設(shè)置合適的工作狀態(tài)；要求學(xué)生撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告,提高文字表達(dá)能力,為以后的學(xué)習(xí)和工作奠定良好的基礎(chǔ)。

(1) 仿真結(jié)果驗(yàn)收。仿真電路輸出波形的驗(yàn)收包括:振幅調(diào)制波形的驗(yàn)收；二極管包絡(luò)檢波輸出波形的驗(yàn)收；負(fù)峰切割失真及惰性失真波形及原因分析。如有擴(kuò)展,則應(yīng)考察調(diào)制解調(diào)完整調(diào)試、鑒頻鑒相功能實(shí)現(xiàn)等。輸出波形如圖5所示。

圖5 普通調(diào)幅波形

圖5為調(diào)制度30%、100%和大于100%時調(diào)幅波和載波波形,改變調(diào)制信號幅值和MC1496芯片1、4引腳靜態(tài)電壓差之比，即可得到不同調(diào)制度的波形。

當(dāng)MC1496芯片1、4引腳靜態(tài)電壓之差為0時,輸出頻譜中不含載頻分量,此時實(shí)現(xiàn)抑制載波雙邊帶調(diào)幅,如圖6所示。

圖6 抑制載波雙邊帶調(diào)幅波形

(2) 實(shí)驗(yàn)質(zhì)量。根據(jù)學(xué)生的仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)芊駥?shí)現(xiàn)抑制載波雙邊帶調(diào)幅、能否產(chǎn)生各種失真波形并準(zhǔn)確分析等,評價參數(shù)選擇的合理性。

圖7 解調(diào)及失真波形

(3) 自主創(chuàng)新。實(shí)驗(yàn)?zāi)芊窕贛C1496實(shí)現(xiàn)抑制載波雙邊帶調(diào)幅波的解調(diào)；能否實(shí)現(xiàn)鑒頻鑒相功能。

(4) 調(diào)試記錄。要求學(xué)生記錄電路設(shè)計(jì)的詳細(xì)內(nèi)容,記錄異常分析及解決方法。

(5) 實(shí)驗(yàn)報(bào)告。以論文的形式撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告,掌握科學(xué)論文的撰寫格式及撰寫方法。

4 結(jié)語

經(jīng)過多年的教學(xué)實(shí)踐,基于Multisim的振幅調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)效果良好,很好地彌補(bǔ)了課堂教學(xué)形式單一的不足,消除了硬件異常的影響,使學(xué)生能夠?qū)Ｗ⒂趯碚撝R的理解和對電路的調(diào)試,更為學(xué)生提供了舉一反三、創(chuàng)新實(shí)踐的平臺。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的特色和創(chuàng)新是:

(1) 具有實(shí)驗(yàn)的獨(dú)立性:在排除硬件干擾、儀器調(diào)試等多方面的無關(guān)因素后,由仿真軟件提供的電路環(huán)境能夠較完美地模擬真實(shí)電路,能夠自由調(diào)試、任意更改參數(shù),并且簡單易行,更能培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和發(fā)散思維,做到舉一反三。

(2) 具有知識的綜合性:在仿真軟件中,能夠讓學(xué)生從調(diào)制到解調(diào)完整地進(jìn)行模擬,從頻譜遷移到濾波輸出的每一環(huán)節(jié)都需要學(xué)生獨(dú)立自主設(shè)計(jì),更能讓學(xué)生在此基礎(chǔ)上探索MC1496的其他功能(如鑒頻、鑒相等),讓學(xué)生對于模擬調(diào)制與解調(diào)有一個完整的概念,深入理解射頻課程的內(nèi)涵。

(3) 具有思維的啟發(fā)性:模擬乘法器在模擬調(diào)制與解調(diào)的各個領(lǐng)域里都有重要的應(yīng)用,此實(shí)驗(yàn)?zāi)軌騿l(fā)學(xué)生對調(diào)頻調(diào)相、鑒頻鑒相的探索和在通信領(lǐng)域的應(yīng)用。

References)

[1] 許敖敖.處理好理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)關(guān)系,提高學(xué)生素質(zhì),培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2001,18(6):1-3.

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Design and simulation of amplitude modulation and demodulation system based on Multisim

Zhang Lili1, Yang Hua2, Meng Xiangbo1, Bao Yubin1

(1. National Computer Experimental Teaching Demonstration Center, College of Computer Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China; 2. National Electrical and Electronic Experimental Teaching Demonstration Center, College of Information Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

In order to facilitate students’ understanding of radio frequency knowledge and improve their practical ability, a simulation experiment on the amplitude modulation and demodulation is designed on the basis of Multisim. By taking the modulation and demodulation simulation experiment which has the MC1496 chip as the core component as an example, a scientific and reasonable arrangement from the deduction of the theoretical formula to the debugging and acceptance of the simulation circuit parameters is carried out, which enables the most students to apply the classroom theoretical knowledge to practice. Through the final circuit debugging, students’ ability is trained to find errors and correct errors, and their experience in the system debugging is accumulated.

modulation and demodulation experiment; multiplier； MC1496; Multisim;

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.030

2017-06-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61671141,61501038)資助

張立立(1984—),女,遼寧沈陽,碩士,實(shí)驗(yàn)師,主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)、實(shí)驗(yàn)技術(shù)管理.

E-mail：zhanglili@cse.edu.edu.cn

TP393

A

1002-4956(2017)12-0125-03