基于Multisim的高頻電子線路同步檢波器的設計與仿真分析

程秀英, 侯衛周

(河南大學 物理與電子學院, 河南 開封 475003)

基于Multisim的高頻電子線路同步檢波器的設計與仿真分析

程秀英, 侯衛周

(河南大學 物理與電子學院, 河南 開封 475003)

利用NI Multisim10.1軟件對高頻電子線路同步檢波器進行了仿真分析,測試了調幅信號的輸出波形和檢波后的波形變化規律；觀察并分析了電路中關鍵節點的頻譜關系,得到的虛擬仿真結果與理論分析是相一致的。將該軟件合理地應用到高頻電子線路實驗教學中,可將一些抽象的高頻電路的理論教學變得簡單明了。把虛擬仿真技術引入到電類課程教學是教學發展的必然趨勢,為實驗室的開放教學提供一種行之有效的解決方案。

高頻電子線路； 同步檢波器； 仿真分析

調幅是正弦類高頻載波的幅度隨調制信號幅度變化的一種調制方式，屬于一種頻譜搬移過程，為傳統模擬中短波廣播技術所采用[1]。解調(又稱檢波)是從已調制的信號中取出調制信號的過程，是調制的逆過程。振幅解調又稱為振幅檢波，也屬于頻譜搬移過程[2]，它是把位于載頻fc位置的調制信號頻譜搬移到零頻位置的過程。解調有兩種方法可以實現，一種是包絡檢波，另外一種是同步檢波。

雙邊帶信號和單邊帶信號適用于同步檢波電路，要求接收端的本地振蕩信號與發送端的高頻載波信號同頻同相[3]。當然也可以在發送端將已經調制的信號和載波信號同時傳送給接收端。振幅解調也屬于頻譜的搬移。同步檢波的方法大致有兩種形式：一是乘積型同步檢波，二是疊加型同步檢波。要想最終獲得調制信號(又稱基帶信號)，最后還要進行必要的濾波或必要的包絡檢波才能實現。

NIMultisim10.1是由美國國家儀器有限公司研發的高版本電子電路虛擬仿真軟件。它將各類電子電路的原理圖、功能測試和仿真結果匯集到一個電路窗口，界面直觀、元器件種類多、儀器儀表齊全、參數修改方便、分析方法多樣，能開發不同層次需求的電路設計型和綜合型的實驗[4-6]。本文利用NIMultisim10.1軟件對高頻電子線路的同步檢波器進行設計和虛擬仿真。

1 高頻電子線路同步檢波器的工作原理

無論對于雙邊帶信號還是單邊帶信號，疊加型同步檢波都是用雙邊帶信號或單邊帶信號與本振信號相疊加，利用三角函數實現頻譜搬移。不過疊加型同步檢波最后還需要再進行包絡檢波才能真正獲得調制信號。由振幅的調制和檢波的理論可知：調制信號(即發送的基帶信號)所在的雙邊帶調制信號的上、下邊頻功率之和僅有載波功率的一半，即它只占調幅信號功率的1/3。而實際的調制解調電路中，調幅指數ma的大小在0.1～1之間變化，其平均值僅有0.3，所以邊頻所占整個調幅波的功率要更小[7]。為了提升發射效率，一般采用雙邊帶調幅波。要實現雙邊帶信號的解調，檢出所需要的調制信號，就不能采用二極管峰值包絡檢波，而必須采用同步包絡檢波。

設載波信號頻率為ωs，調制(基帶)信號頻率為ω，輸入的雙邊帶調幅波vs(t)為

而本地振蕩器信號v1(t)為

由于雙邊帶調幅波中無載波分量，因此必須有頻率為ωs的本地振蕩信號產生，而φ表示它與原載波信號之間的相位差，這兩信號相乘的輸出表達式為

其中K為乘法器增益，ma為調幅指數(又稱調幅度)。

若濾除2倍頻的高頻分量，可得低頻(即基帶)分量vs(t)為

若φ=0時，低頻輸出信號的幅值最大。隨著相移的加大，輸出信號減弱，因此理想情況下要求本地振蕩器信號必須與原發送端的載波信號同頻同相，因此稱為同步檢波。

2 高頻電子線路同步檢波器的仿真分析要求

因為要得出同步檢波后的調制信號(又稱為基帶信號)，在通信原理中，它屬于頻譜搬移的過程，必須實現兩個時間域的三角函數相乘，才能得到頻率相加減。因此，用模擬乘法器實現函數信號的相乘是一個不錯的選擇。通過仿真比對已調幅信號和同步檢波后的頻譜關系，可以確定和驗證同步檢波的合理性。

進行同步檢波仿真需要注意以下幾點：

(1) 為實現信號頻率的加減，用多個模擬乘法器建立一個同步檢波器電路；

(2) 為觀測波形變化規律，需對同步檢波器的輸入、輸出波形信號進行仿真分析；

(3) 為掌握同步檢波電路的工作原理，需要分析輸入、輸出信號的幾個關鍵節點頻譜關系。

3 利用Multisim對同步檢波電路進行測試

3.1 構建高頻電子線路的同步檢波電路

從Multisim的元件工具條中調用2個頻率均為20 kHz、振幅均為1 V的信號源(一個是載波，另一個是本振信號源)和頻率為1 kHz、振幅為1 V(基帶信號源)的信號源；

模擬乘法器選2個增益均為1 V/V的普通乘法器A1和A2，其中A1輸出調幅波，A2從調幅波中解調還原出原始的調制信號。

調用兩個虛擬二蹤示波器XSC1和XSC2，時間軸欄設置為200 μs/Div，其中XSC1的A通道(觀察節點4的波形)的“Scale”欄設置為0.5 V/Div，B通道(觀察節點7的波形)設置為0.1 V/Div；其中XSC2的A通道(觀察調制前的載波信號波形)的“Scale”欄設置為0.5 V/Div，B通道(觀察調制前的基帶信號波形)設置為1 V/Div，主要觀察XSC1最初的載波信號和調制信號的波形。兩個示波器的時間軸、A通道和B通道的X和Y的位置偏移量均設為0。構建的同步檢波電路如圖1所示。

圖1 同步檢波器電路

3.2 虛擬仿真測試及波形的觀察

(1) 打開仿真開關，用示波器觀察波形。對圖1中同步檢波電路中的關鍵節點4、節點5和節點7處的信號進行傅里葉分析，并觀察這幾個節點的信號的頻譜關系。

(2) 用示波器XSC2觀察到的波形如圖2所示，其中A通道的紅色波形為最初輸入到A1模擬乘法器X端載波信號，B通道的黑色波形為最初輸入到A1模擬乘法器Y端調制信號(即基帶信號)。

圖2 輸入到模擬乘法器A1的載波信號和調制信號

(3) 用示波器XSC1觀察到的波形如圖3所示。其中示波器XSC1的A通道觀察到的是模擬乘法器A1輸出的雙邊帶已調幅信號，即藍色波形，從A2模擬乘法器的X端輸入，B通道觀察到的是模擬乘法器A2出來的波形，即經過檢波后的輸出波形(黑色波形)。檢波后的信號接近于原來的頻率為1 kHz、振幅為1 V的調制信號。圖1中的本振信號(即A2模擬乘法器Y端的輸入信號)從示波器XSC1的A端輸入，波形與圖2中的紅色載波波形一致不予顯示。

圖3 同步檢波器的輸入、輸出信號

(4) 啟動分析選單中的Fourier Analysis...命令，進行相應設置后進行仿真，可得到其頻譜圖。圖4是節點4的傅里葉分析結果，圖5是節點5的傅里葉分析結果，圖6是節點7的傅里葉分析結果。

3.3 仿真測試結果的分析討論

觀察圖4所示的同步檢波器頻譜關系可知，節點4的信號頻譜抑制了載波的上、下邊頻，信號是雙邊帶調幅波，這與用示波器在時域觀察到的波形是一致的，同時與理論分析也是相符合的。

圖4 圖1電路中節點4處的信號頻譜

觀察圖5所示頻譜可知，節點5的信號頻譜將上、下邊頻信號搬移到了2倍載波頻率附近，同時還有一個頻率為1 kHz的低頻信號，這與理論分析結果是一致的。

圖5 圖1電路中節點5處的信號頻譜

觀察圖6所示頻譜可知，節點7的信號頻譜只有一個頻率為1 kHz的低頻信號，因為節點5的信號經過R1、C1組成的低通濾波電路時，高頻分量基本被濾除了。而C2是一個大電容元件，起到隔直流通交流的作用，因此，在輸出端得到的只是低頻調制有用信號。將調制信號選取出來，這與用示波器在時域觀察到的波形是一致的，同時也與理論分析的結果相一致。

圖6 圖1電路中節點7處的信號頻譜

通過圖2—圖6的電路虛擬仿真測試結果可看出，利用軟件NI Multisim10.1對同步包絡檢波電路中的輸入波形和輸出波形進行虛擬仿真，各節點處的信號頻譜圖是正確的。

4 結束語

通過對高頻電子線路同步檢波電路的虛擬仿真分析，說明利用雙蹤示波器觀測到的模擬乘法器A1和A2 的波形，A1的波形反映的是雙邊帶已調幅波，A2的波形是經過由R1和C1組成的低通濾波器將高頻成分濾除掉，再經過大電容C2將低頻基帶信號取出，從而實現同步檢波的目的。當利用正弦信號作為測試信

號時，無論是普通的振幅調制還是振幅解調(包括同步檢波)，都是頻譜的搬移過程，對各節點頻譜圖的分析與示波器在時域觀察到的波形也是相符合一致的。通過虛擬仿真，學生能更好理解高頻電子線路同步檢波的工作原理和各節點的頻譜特性，進一步掌握NI Multisim 10.1仿真軟件中電路的使用方法和分析方法。教學實踐證明，在同步檢波器的理論分析中輔以虛擬仿真[8-9]，能更好地實現理論和虛擬實驗驗證的同步結合。把虛擬仿真技術應用于電類課程教學，是教學發展的必然趨勢[10]，也為實驗室的開放了提供一種行之有效的解決方案。

References)

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[2] 李智群.通信電子線路[M].北京:清華大學出版社,2011.

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[4] 侯衛周,蔣俊華.通信接收機變頻電路的虛擬仿真分析[J].實驗技術與管理，2014，31(3):84-86,90.

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[6] 唐贛,吳翔，蘇建峰.Multisim 10&Ultiboard原理圖仿真與PCB設計[M].北京:電子工業出版社,2008.

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[9] 侯衛周,向兵.基于Multisim頻率自動跟蹤鎖相環電路的仿真分析[J].實驗室研究與探索，2014，33(6):86-89.

[10] 程思寧,耿強，姜文波，等.虛擬仿真技術在電類實驗教學中的應用與實踐[J].實驗技術與管理，2013，30(7)：94-97.

Design and simulation analysis of synchronous detector in high frequency electronic circuit by Multisim

Cheng Xiuying, Hou Weizhou

(School of Physics and Electronics,Henan University,Kaifeng 475003,China)

This article simulates and analyses the synchronous detection in high frequency electronic circuit by NI Multisim10.1 software, tests the wave change law of the amplitude modulation signal and detection signal by building synchronous detection simulation circuit. This article also observes and analyses the distribution of the key node spectrum. The obtained results of software simulation and theoretical analysis are consistent. It is discovered that some abstract high-frequency electronic circuits teaching can become simple and clear,when applying the software reasonably in high frequency electronic circuit experimental teaching. At the same time the obtained virtual simulation technology is introduced to the electricity class teaching, which is the inevitable trend of teaching development. Finally, this article provides an effective solution for opening teaching of the laboratory.

high frequency electronic circuit; synchronous detector; simulation analysis

2014- 11- 03

國家青年科學基金項目(11103002)；河南省教育廳教育教學改革項目(2014-JSJYYB-001)

程秀英(1962—),女,河南開封,學士,實驗師,主要研究方向為電子電路實訓與實習

侯衛周(1974-),男,山西永濟,碩士,副教授,主要研究方向為電子電路應用與仿真.

E-mail：hwz204@163.com

TP391.9; TN743

A

1002-4956(2015)7- 0116- 04