基于Multisim的振幅調制解調系統的設計與仿真

張立立, 楊 華, 孟祥博, 鮑玉斌

(1. 東北大學 計算機科學與工程學院， 國家級計算機實驗教學示范中心, 遼寧 沈陽 110819；2. 東北大學 信息科學與工程學院， 國家級電工電子實驗教學示范中心, 遼寧 沈陽 110819)

基于Multisim的振幅調制解調系統的設計與仿真

張立立1, 楊 華2, 孟祥博1, 鮑玉斌1

(1. 東北大學 計算機科學與工程學院， 國家級計算機實驗教學示范中心, 遼寧 沈陽 110819；2. 東北大學 信息科學與工程學院， 國家級電工電子實驗教學示范中心, 遼寧 沈陽 110819)

為便于學生對于射頻知識的理解,提高學生的實踐能力,基于Multisim設計了振幅調制解調仿真實驗。以MC1496芯片為核心器件的調制解調仿真實驗為例,從理論公式的推導到仿真電路參數的調試驗收進行了科學合理的安排,使大多數學生能夠將課堂理論知識應用到實際中,并通過最后的電路調試,培養學生發現錯誤及修正錯誤的能力,積累系統調試經驗。

調制解調實驗； 乘法器； MC1496； Multisim

根據以往的實驗教學經驗,學生在實驗教學中常常不能將理論與實踐很好地結合[1]。部分原因是實驗課程內容多、任務重,學生沒有足夠的時間將實驗現象與理論知識有機結合,不能把握實驗的重點、難點,對于異常現象難以解釋[2]。鑒于此,利用Multisim[3]仿真軟件,讓學生將課堂上學到的理論知識以實際的電路、具體的參數展現,并通過循序漸進的實驗內容將知識細化,使得學生能夠逐漸掌握比較抽象的理論知識,并為學生創新思維提供平臺[4],引領學生將知識用于生產生活實際。本文以振幅調制解調[5]為例,介紹了從理論分析、電路繪制及調試驗收等方面的學習過程,讓學生深入理解了調制原理,實驗效果良好。

1 系統設計的內容與要求

基于Multisim的振幅調制解調系統實驗將引導學生思考實驗現象所反映的調制解調原理。通過對調制解調實驗現象的分析,鞏固理論知識。

1.1 系統設計內容與任務

總體任務:利用Multisim仿真軟件,緊密結合教材中的理論知識,基于MC1496芯片[6]實現振幅的調制以及二極管包絡檢波系統電路。

基本內容:

(1) 理論分析,繪制電路圖；

(2) 封裝芯片MC1496,實現乘法功能；

(3) 在Multisim軟件中搭建電路圖,調試電路,實現普通調幅、抑制載波雙邊帶調幅功能；

(4) 在Multisim軟件中搭建二極管包絡檢波電路,調試電路,實現解調功能。

擴展內容:

(1) 將普通調幅電路與二極管包絡檢波電路結合,完成整體從調制到解調的過程；

(2) 對于不能通過二極管包絡檢波電路來進行解調的抑制載波雙邊帶調幅信號,通過MC1496實現同步檢波；

(3) 作為模擬調制與解調的核心,嘗試使用MC1496實現鑒相和鑒頻功能。

1.2 實驗過程及要求

(1) 了解基本模電知識,學會使用Multisim軟件進行仿真調試；

(2) 掌握振幅調制原理,根據所學知識確定載波頻率,調制信號幅度等參數；

(3) 掌握二極管包絡檢波原理,學習濾波器原理,計算出相應參數；

(4) 調試不同的參數,分析不同參數造成的失真狀況和失真原因；

(5) 撰寫總結報告,通過仿真軟件嘗試不同的調制解調方案。

2 系統設計原理及方案

2.1 系統總體設計思想

系統總體設計要求能夠對載頻信號進行幅度調制,再解調出調制信號。振幅調制電路采用MC1496芯片作為整個調制電路的核心器件,需要設計3個模塊:載波抑制模塊、直流偏置模塊、乘法器模塊。系統結構總體分為調制和解調兩部分,系統總體結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構

2.2 實驗設計方案

實驗設計以MC1496為核心,也可以采用其他乘法器。本實驗采用的仿真軟件是Multisim,但Multisim中沒有MC1496芯片,學生應該自己學會封裝[7],也可以選擇用子電路來代替。實驗電路如圖2所示。利用Multisim仿真軟件能夠搭建電路原理圖,并對電路進行仿真,可以較為直觀地進行分析與調試。

圖2 振幅調制電路

(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,能夠產生不同的頻譜分量,實現頻譜搬移,進而實現許多基于相乘原理的模擬調制與解調功能,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來擴大；由5腳外接電阻來控制直流源大小；1、4引腳接調制信號VΩ,兩引腳間的靜態電壓差為VQ,8、10引腳接載波信號VC；6、12引腳引出輸出,輸出為

可以通過調節1、4兩引腳間的靜態電壓差來調節調制度,也可以實現抑制載波雙邊帶調幅。這樣就可以實現頻譜搬移,進而實現振幅調制。MC1496芯片原理電路如圖3所示。

圖3 MC1496內部電路結構

(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,再將滑片與負電源相接。另2個電阻與1、4引腳相接，通過調節滑片來調節1、4兩腳間靜態電壓,進而調節調制度,或者抑制載波。

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

(4) 二極管包絡檢波:包絡檢波電路由非線性器件和低通濾波器構成,大多應用為前級中頻放大器的負載,多用于大信號檢波。其檢波原理為利用二極管單向導通特性,導通時電阻較小,時間常數較小,充電較快；截止時電阻較大,時間常數較大,放電較慢,故輸出將保持在調制信號包絡線上,完成解調。低通濾波器的參數應保證對高頻載波短路,讓低頻調制信號通過,同時滿足不失真條件。其電路結構如圖4所示。

圖4 解調電路

3 電路調試與驗收

電路調試可以檢查學生對知識的理解與實踐能力。通過學生完成實驗的程度和實驗結果，能夠反映學生對知識的理解程度；通過學生對于異常結果的分析,能夠了解學生對于實際電路的調試能力。在整個實驗過程中,要求學生查詢產品手冊、能夠設置合適的工作狀態；要求學生撰寫實驗報告,提高文字表達能力,為以后的學習和工作奠定良好的基礎。

(1) 仿真結果驗收。仿真電路輸出波形的驗收包括:振幅調制波形的驗收；二極管包絡檢波輸出波形的驗收；負峰切割失真及惰性失真波形及原因分析。如有擴展,則應考察調制解調完整調試、鑒頻鑒相功能實現等。輸出波形如圖5所示。

圖5 普通調幅波形

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

當MC1496芯片1、4引腳靜態電壓之差為0時,輸出頻譜中不含載頻分量,此時實現抑制載波雙邊帶調幅,如圖6所示。

圖6 抑制載波雙邊帶調幅波形

(2) 實驗質量。根據學生的仿真實驗能否實現抑制載波雙邊帶調幅、能否產生各種失真波形并準確分析等,評價參數選擇的合理性。

圖7 解調及失真波形

(3) 自主創新。實驗能否基于MC1496實現抑制載波雙邊帶調幅波的解調；能否實現鑒頻鑒相功能。

(4) 調試記錄。要求學生記錄電路設計的詳細內容,記錄異常分析及解決方法。

(5) 實驗報告。以論文的形式撰寫實驗報告,掌握科學論文的撰寫格式及撰寫方法。

4 結語

經過多年的教學實踐,基于Multisim的振幅調制解調系統仿真實驗效果良好,很好地彌補了課堂教學形式單一的不足,消除了硬件異常的影響,使學生能夠專注于對理論知識的理解和對電路的調試,更為學生提供了舉一反三、創新實踐的平臺。該實驗項目的特色和創新是:

(1) 具有實驗的獨立性:在排除硬件干擾、儀器調試等多方面的無關因素后,由仿真軟件提供的電路環境能夠較完美地模擬真實電路,能夠自由調試、任意更改參數,并且簡單易行,更能培養學生的學習興趣和發散思維,做到舉一反三。

(2) 具有知識的綜合性:在仿真軟件中,能夠讓學生從調制到解調完整地進行模擬,從頻譜遷移到濾波輸出的每一環節都需要學生獨立自主設計,更能讓學生在此基礎上探索MC1496的其他功能(如鑒頻、鑒相等),讓學生對于模擬調制與解調有一個完整的概念,深入理解射頻課程的內涵。

(3) 具有思維的啟發性:模擬乘法器在模擬調制與解調的各個領域里都有重要的應用,此實驗能夠啟發學生對調頻調相、鑒頻鑒相的探索和在通信領域的應用。

References)

[1] 許敖敖.處理好理論教學與實驗教學關系,提高學生素質,培養學生創新能力[J].實驗技術與管理,2001,18(6):1-3.

[2] 傅秀芬.以建設世界一流大學為契機,進一步加強實驗基地建設[J].實驗技術與管理,2000,17(1):9-11.

[3] Cao Wei, Liang Jie, Li Hui. Simulation and Experimental Design of the Locking Amplifier Based on Multisim[C]//2015 Fifth International Conference on Instrumentation and Measurement, Computer,Communication and Control(IMCCC),2015:230-233.

[4] Ding Meirong, Chai Shaoming.Design and realization of SOA based management system for open experiment lab[C]//2012 2nd International Conference on Consumer Electronics, Communications and Networks(CECNet),2012:3182-3185.

[5] 高穎,馮浩,張順,等.基于Simulink的模擬與數字通信系統建模與仿真[J].現代電子技術,2013,36(7):64-67.

[6] 王旭.模擬乘法器MC1496的應用研究[J].電子測試,2015(8):46-50.

[7] 王荔芳,余磊,周曉華.放大電路的Multisim 10仿真分析[J].現代電子技術,2011,34(18):172-174.

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

國家自然科學基金項目(61671141,61501038)資助

張立立(1984—),女,遼寧沈陽,碩士,實驗師,主要研究方向為無線傳感器網絡、實驗技術管理.

E-mail：zhanglili@cse.edu.edu.cn

TP393

A

1002-4956(2017)12-0125-03