集成乘法器幅度调制实验

集成乘法器幅度调制实验

 
一、      实验目的
1． 通过实验了解集成乘法器幅度调制的工作原理，验证普通调幅波（AM）和抑制载波双边带调幅波（）的相关理论。
2． 掌握用集成模拟乘法器MC1496实现AM和DSB-SC的方法，并研究调制信号、载波信号与已调波之间的关系。
3． 掌握在示波器上测量与调整调幅波特性的方法。
二、实验使用仪器
1．集成乘法调幅实验板
2．20MH双踪示波器
3. 万用表
4.低频信号源（可选）
三、实验基本原理与电路
1.调幅信号的分析
(一) 普通调幅波（AM）（表达式、波形、频谱、功率）
 (1)．普通调幅波（AM）的表达式、波形
设调制信号为单一频率的余弦波： ,载波信号为 ：                            
   普通调幅波（AM）的表达式为=            
式中，称为调幅系数或调幅度。
  由于调幅系数与调制电压的振幅成正比，即越大，越大，调幅波幅度变化越大，
一般小于或等于1。如果>1，调幅波产生失真，这种情况称为过调幅。

图1-1 调幅波的波形
 （2）. 普通调幅波（AM）的频谱                                      
   普通调幅波（AM）的表达式展开得：
 （5-2）
   它由三个高频分量组成。将这三个频率分量用图画出，便可得到图1-2所示的频谱图，在这个图上调幅波的每一个正弦分量用一个线段表示，线段的长度代表其幅度，线段在横轴上的位置代表其频率。

 
 
 
 

图1-2  普通调幅波的频谱图
 
调幅的过程就是在频谱上将低频调制信号搬移到高频载波分量两侧的过程。在单频调制时，其调幅波的频带宽度为调制信号频谱的两倍，即
 
（3）．普通调幅波（AM）的功率
       载波分量功率：
                                                       
    上边频分量功率：
          
    下边频分量功率：
          
    因此，调幅波在调制信号的一个周期内给出的平均功率为：
                                        
可见，边频功率随的增大而增加，当时，边频功率为最大，即。
这时上、下边频功率之和只有载波功率的一半，这也就是说，用这种调制方式，发送端发送的功率被不携带信息的载波占去了很大的比例，显然，这是很不经济的。但由于这种调制设备简单，特别是解调更简单，便于接收，所以它仍在某些领域广泛应用。
(二) 抑制载波双边带调幅（）
(1)．抑制载波双边带调幅（）的表达式、波形
    由于载波不携带信息，因此，为了节省发射功率，可以只发射含有信息的上、下两个边带，而不发射载波，这种调制方式称为抑制载波的双边带调幅，简称双边带调幅，用表示。可将调制信号和载波信号直接加到乘法器或平衡调幅器电路得到。双边带调幅信号写成：
             
为由调幅电路决定的系数；是双边带高频信号的振幅，它与调制信号成正比。双边带调幅的调制信号、调幅波形如图1-3所示。双边带调幅波的包络已不再反映调制信号的变化规律。图1-4为频谱图。
由以上讨论可以看出调制信号有如下的特点：
  
 
图1-3 双边带调幅的调制信号、调幅波           图1-4 频谱图
（a）信号的幅值仍随调制信号而变化，但与普通调幅波不同，的包络不再反映调制信号的形状，仍保持调幅波频谱搬移的特征。
（b）在调制信号的正负半周，载波的相位反相，即高频振荡的相位在瞬间有的突变。
（3）调制，信号仍集中在载频附近，所占频带为
                 
由于调制抑制了载波，输出功率是有用信号，它比普通调幅经济。但在频带利用率上没有什么改进。
(三) 抑制载波单边带调幅（）
实现抑制载波的单边调幅的方法很多，其中最简单的方法是在双边带调制后接一个边带滤波器，它可以取出一个边带，抑制掉另一边带。当边带滤波器的通带位于载频以上时，提取上边带，否则就提取下边带。用这种方法实现单边带调幅的数学模型如图1-5所示。

图1-5  实现单边带调幅信号的数学模型
 
  通过边带滤波器后，就可得到上边带或下边带即：
下边带信号                      
上边带信号                           
从上式看出，信号在传输信号时，不但功率利用率高，而且它所占用的频带比AM、DSB减小了一半，即，频带利用充分，因此已成为短波通信中的一种重要调制方式。
2. 集成模拟乘法器MC1496工作原理

实现调幅 的方法很多，目前 集成模拟乘法器得到广泛的应用。本实验采用 MC1496集成模拟乘法器来实现普通调幅波（AM）和抑制载波双边带调幅（）。
 
图1-6 MC1496的内部电路及引脚图
 
MC1496是双平衡四象限模拟乘法器。其内部电路图和引脚图如图1-6 所示。其中V₁、V₂与V₃、V₄组成双差分放大器，V₅、V₆组成的单差分放大器用以激励V₁～V₄。V₇、V₈及
其偏置电路组成差分放大器V₅、V₆的恒流源。引脚8与10接输入电压u_x，1与4接另一输入电压u_y，输出电压u₀从引脚6与12输出。引脚2与3外接电阻R_E，对差分放大器V₅、V₆产生串联电流负反馈，以扩展输入电压U_y的线性动态范围。引脚14为负电源端（双电源供电时）或接地端（单电源供电时），引脚5外接电阻R₅。用来调节偏置电流I₅及镜像电流I₀的值。
MC1496可以采用单电源供电，也可以采用双电源供电，器件的静态工作点由外接元件确定，静态偏置电压的设置应保证各个晶体管工作在放大状态，即晶体管的集一基极间的电压应大于或等于2V，小于或等于最大允许工作电压。一般情况下，晶体管的基极电流很小， ，三对差分放大器的基极电流I₈、I₁₀、I₁和I₄可以忽略不计，因此器件的静态偏置电流主要由恒流源的值确定。当器件为单电源工作时，引脚14接地，5脚通过一电阻R₅接正电源（+U_CC的典型值为+12V），由于I₀是I₅的镜像电流，所以改变电阻R₅可以调节I₀的大小，即

当器件为双电源工作时，引脚14接负电源-U_EE(一般接-8V)，5脚通过一电阻R₅接地，因此，改变R₅也可以调节I₀的大小，即

根据MC1496的性能参数，器件的静态电流小于4mA，一般取I₀＝I₅＝1mA左右。
3.实验电路
说明：为增加模块功能，本模块已改进为“乘法器混频、调幅”模块，除保留原集成乘法器调幅功能外，另加入集成乘法器混频功能。当进行集成乘法器调幅实验时，把J1、J3、J5上的跳线块置于1-2位置，将J2、J8、J9上的跳线块置于2-3位置，（J4、J6、J7不插跳块）；IN2、IN3分别输入1KHz正弦波基带调制信号与10.7MHz高频正弦载波，IN1空闲。
当进行集成乘法器混频实验时，把J2、J3、J5、J8、J9上的跳线块置于1-2位置，将J1上的跳线块改插于2-3位置，（J4、J6、J7不插跳块）；IN1、IN3分别输入10.245 MHz与10.7MHz高频正弦波，IN2空闲。
 
集成乘法器幅度调制实验电路如图1-7。

图1-7  MC1496构成集成乘法器幅度调制实验电路
 
四、实验内容
  1．模拟乘法器的调节。
2．普通调幅波（AM）的产生，调幅系数ma测量与调整。
3．抑制载波的双边带调幅波（DSB/SC-AM）的产生与观测。
五、实验步骤
1．模拟乘法器的调节
⑴ 在实验箱主板上插上集成乘法器幅度调制电路模块。接通实验箱上电源开关电源指标灯点亮。
⑵ 信号源参数调节如下（示波器监测）：
调制信号源： 频率范围：1kHz， 波形选择：正弦波，输出峰-峰值：300mV
载波信号源：工作频率：2-10.7MHz（任选，建议采用6.5MHz或10.7MHz）用频率计测量，输出幅度（峰-峰值）300mV，用示波器观测。
⑶ 调整步骤：
        在IN3端加入载波信号，（IN2调制信号暂不加），TPI3点监测幅度。调节W2使OUT端输出电压幅度最小。在IN2端加入调制信号，（载波信号暂不加），TPI2点监测幅度。调节W1使输出电压幅度最小。反复进行上述调整，使OUT端输出电压幅度达到最小。
2．普通调幅波（AM）的产生，调幅系数测量与调整。
   在IN3端加入载波信号，在IN2端加入调制信号，调节W2，在OUT端观测普通调幅波（AM）。调节示波器时基旋钮使荧光屏显示几个周期的调幅波波形，如图1-8所示。
 

    用双踪示波器的通道1接TPI2点，通道2接TPO11点，观察调制信号波形与输出的普通调幅波（AM）信号的包络，注意分析对比它们之间的相互关系。
 分别产生调幅系数ma=(A-B)/(A+B) 为0.3、0.5 和1的普通调幅波（AM），记录于表1-1中：
 
表1-1          调制信号频率：    KHz，载波信号频率：    MHz