基于乘法器調幅電路設計與仿真

朱彩蓮

（東莞職業技術學院 電子工程系，廣東 東莞 523808）

隨著仿真技術在電子設計中的不斷應用，傳統的基于硬件的電子設計方法正在朝著先仿真設計調試，然后再硬件調試方向發展。在傳統高頻電子技術中，信號的調制采用純理論的方法進行分析，然后通過電路實現，不是很直觀。本文利用Multisim強大的電子電路仿真工具，設計了基于乘法器實現信號的正常調幅和平衡調幅電路，并對電路進行仿真分析。

1 調幅電路理論知識

根據高頻電子技術理論，調制就是將所傳遞的信號“附加”到高頻載波上。根據調制時被控制的高頻參數的不同，可以分為調幅、調頻和調相電路。調幅就是控制高頻載波信號的振幅隨著低頻調制信號的變化而變化；調頻或調相就是控制高頻載波信號的頻率或相位隨著低頻調制信號的變化而變化[1-2]。

正常調幅波的表達式為：

cosω0t（為簡單起見，設初相為 0°）。

利用三角函數變換，可得到：

其中ma=VΩ/V0為調幅系數。式中第一項為載波分量，第二項和第三項分別為上邊頻和下邊頻。

平衡調幅波為抑制了載波頻率成分的調幅波，它的表達為：

利用三角函數變換，可得到：

上式表明平衡調幅波只有上邊頻和下邊頻。

2 基于乘法器調幅電路設計

由調幅電路理論知識，設計利用乘法器來實現信號的幅度調制。圖1所示電路為乘法器實現正常調幅電路，電路輸出：v0=KXY=KV1（V2+V3）[3-4]。 V1是一個頻率為 20 kHz，幅度為1 V，初相為0°的高頻載波信號；V2是一個頻率為1 000 Hz，幅度為1 V，初相為0°的低頻調制信號；V3為2 V的直流電源，改變V3的大小，可以改變調制系數ma。

3 電路仿真分析

下面利用Multisim強大的電路仿真功能，對電路進行仿真分析，來進一步研究乘法器能否實現信號的幅度調制。

圖1 乘法器正常調幅電路Fig.1 Multiplier normal amplitudemodulation circuit

3.1 乘法器實現正常調幅電路仿真分析

在Multisim軟件中按圖1連接電路，設置各信號，電路的調幅系數等于V2的振幅與V3的比值，電路中此時設置的參數，調幅系數為1/2=0.5。雙擊打開電路中示波器，打開仿真開關，觀察輸出波形。觀察到的輸出波形如圖2（a）所示。由圖可以看出，高頻載波信號的振幅隨著調制信號的變化而變化，高頻載波信號振幅的包絡變化與低頻調制信號是一致的，實現了信號的幅度調制。

將V2設置為1 V，此時的調幅系數為1/1=1，觀察到的輸出波形如圖2（b）所示。這時處于臨界調制狀態。

將V2設置為0.5 V，此時的調幅系數為1/0.5=2，觀察到的輸出波形如圖2（c）所示。觀察圖2（c）所示波形，這時輸出信號振幅包絡的變化已不能反映調制信號的變化，這種狀態稱為過調制，在實際調制電路中，過調制是不允許的。

圖2 不同調制系數時調幅波形Fig.2 Amplitudemodulation waveform of differentmodulation coefficient

Multisim提供了豐富的電路分析方法[5-6]，下面對圖2（a）所示輸出調制信號的頻譜進行分析。啟動分析菜單中的Fourier Analysis…命令，在彈出的對話框中進行相應設置，得到如圖3所示幅譜圖，上面的表格是幅譜圖列表表示方式，下面是圖形表示方式。從頻譜圖可以看出：調幅過程實際上是一種頻譜搬遷過程。經過調幅后，調幅信號的頻譜被搬遷到載波附近，成為對稱排列在載頻兩側的上邊頻和下邊頻，兩者的振幅相等。調制后的信號包含有3個頻率成分，載波頻率成分（20K）、上邊頻（20K＋1K）、下邊頻（20K-1K）。出：v0=KXY=KV1V2[7-8]。 V1是一個頻率為 20 kHz，幅度為 1 V，初相為0°的高頻載波信號；V2是一個頻率為1 000 Hz，幅度為1 V，初相為0°的低頻調制信號。

圖3 調幅電路輸出信號頻譜Fig.3 Amplitudemodulation signal spectrum

圖4 乘法器平衡調幅電路Fig.4 Multiplier balance amplitudemodulation circuit

3.2 乘法器實現平衡調幅電路仿真分析

將正常調幅電路中的直流電源設置為0，就可以實現平衡調幅。圖4所示電路是乘法器實現平衡調幅電路，電路輸

打開示波器，打開仿真開關，觀察輸出信號波形，觀察到的平衡調幅信號如圖5所示，波形符合信號平衡調幅的特點，電路實現了信號的平衡調幅。

啟動分析菜單中的Fourier Analysis…命令，進行相應設置后仿真得到如圖6所示頻譜圖。從頻譜圖可以看出：平衡調幅過程也實現了頻譜搬遷。經過調幅后，調幅信號的頻譜被搬遷到載波附近，成為對稱排列在載頻兩側的上邊頻和下邊頻，兩者的振幅相等。但與正常調幅后的頻譜圖相比較，可以看到，平衡調幅后的信號頻譜中不再含有載波成分。調制后的信號包含有兩個頻率成分，上邊頻（20K＋1K）和下邊頻（20K-1K）。

圖5 平衡調幅輸出波形Fig.5 Balance amplitudemodulation waveform

圖6 平衡調幅信號頻譜Fig.6 Balance amplitudemodulation signal spectrum

4 結 論

從電路仿真的波形可以看到，電路的輸出信號波形實現了調幅的目的，將要傳送的低頻信號“附加”到了高頻載波上，使高頻載波信號的振幅隨著低頻調制信號的變化而變化。從頻譜角度上看，乘法器是一個線性頻率變換器件，可以實現線性的頻譜變換，將低頻信號“搬遷”到高頻信號上，乘法器正是利用這一特點很好地實現了信號的調幅。

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