集成乘法器幅度調(diào)制實驗

 
一、      實驗目的
1． 通過實驗了解集成乘法器幅度調(diào)制的工作原理，驗證普通調(diào)幅波（AM）和抑制載波雙邊帶調(diào)幅波（）的相關(guān)理論。
2． 掌握用集成模擬乘法器MC1496實現(xiàn)AM和DSB-SC的方法，并研究調(diào)制信號、載波信號與已調(diào)波之間的關(guān)系。
3． 掌握在示波器上測量與調(diào)整調(diào)幅波特性的方法。
二、實驗使用儀器
1．集成乘法調(diào)幅實驗板
2．20MH雙蹤示波器
3. 萬用表
4.低頻信號源（可選）
三、實驗基本原理與電路
1.調(diào)幅信號的分析
(一) 普通調(diào)幅波（AM）（表達式、波形、頻譜、功率）
 (1)．普通調(diào)幅波（AM）的表達式、波形
設(shè)調(diào)制信號為單一頻率的余弦波： ,載波信號為 ：                            
   普通調(diào)幅波（AM）的表達式為=            
式中，稱為調(diào)幅系數(shù)或調(diào)幅度。
  由于調(diào)幅系數(shù)與調(diào)制電壓的振幅成正比，即越大，越大，調(diào)幅波幅度變化越大，
一般小于或等于1。如果>1，調(diào)幅波產(chǎn)生失真，這種情況稱為過調(diào)幅。

圖1-1 調(diào)幅波的波形
 （2）. 普通調(diào)幅波（AM）的頻譜                                      
   普通調(diào)幅波（AM）的表達式展開得：
 （5-2）
   它由三個高頻分量組成。將這三個頻率分量用圖畫出，便可得到圖1-2所示的頻譜圖，在這個圖上調(diào)幅波的每一個正弦分量用一個線段表示，線段的長度代表其幅度，線段在橫軸上的位置代表其頻率。

 
 
 
 

圖1-2  普通調(diào)幅波的頻譜圖
 
調(diào)幅的過程就是在頻譜上將低頻調(diào)制信號搬移到高頻載波分量兩側(cè)的過程。在單頻調(diào)制時，其調(diào)幅波的頻帶寬度為調(diào)制信號頻譜的兩倍，即
 
（3）．普通調(diào)幅波（AM）的功率
       載波分量功率：
                                                       
    上邊頻分量功率：
          
    下邊頻分量功率：
          
    因此，調(diào)幅波在調(diào)制信號的一個周期內(nèi)給出的平均功率為：
                                        
可見，邊頻功率隨的增大而增加，當時，邊頻功率為最大，即。
這時上、下邊頻功率之和只有載波功率的一半，這也就是說，用這種調(diào)制方式，發(fā)送端發(fā)送的功率被不攜帶信息的載波占去了很大的比例，顯然，這是很不經(jīng)濟的。但由于這種調(diào)制設(shè)備簡單，特別是解調(diào)更簡單，便于接收，所以它仍在某些領(lǐng)域廣泛應用。
(二) 抑制載波雙邊帶調(diào)幅（）
(1)．抑制載波雙邊帶調(diào)幅（）的表達式、波形
    由于載波不攜帶信息，因此，為了節(jié)省發(fā)射功率，可以只發(fā)射含有信息的上、下兩個邊帶，而不發(fā)射載波，這種調(diào)制方式稱為抑制載波的雙邊帶調(diào)幅，簡稱雙邊帶調(diào)幅，用表示。可將調(diào)制信號和載波信號直接加到乘法器或平衡調(diào)幅器電路得到。雙邊帶調(diào)幅信號寫成：
             
為由調(diào)幅電路決定的系數(shù)；是雙邊帶高頻信號的振幅，它與調(diào)制信號成正比。雙邊帶調(diào)幅的調(diào)制信號、調(diào)幅波形如圖1-3所示。雙邊帶調(diào)幅波的包絡(luò)已不再反映調(diào)制信號的變化規(guī)律。圖1-4為頻譜圖。
由以上討論可以看出調(diào)制信號有如下的特點：
  
 
圖1-3 雙邊帶調(diào)幅的調(diào)制信號、調(diào)幅波           圖1-4 頻譜圖
（a）信號的幅值仍隨調(diào)制信號而變化，但與普通調(diào)幅波不同，的包絡(luò)不再反映調(diào)制信號的形狀，仍保持調(diào)幅波頻譜搬移的特征。
（b）在調(diào)制信號的正負半周，載波的相位反相，即高頻振蕩的相位在瞬間有的突變。
（3）調(diào)制，信號仍集中在載頻附近，所占頻帶為
                 
由于調(diào)制抑制了載波，輸出功率是有用信號，它比普通調(diào)幅經(jīng)濟。但在頻帶利用率上沒有什么改進。
(三) 抑制載波單邊帶調(diào)幅（）
實現(xiàn)抑制載波的單邊調(diào)幅的方法很多，其中最簡單的方法是在雙邊帶調(diào)制后接一個邊帶濾波器，它可以取出一個邊帶，抑制掉另一邊帶。當邊帶濾波器的通帶位于載頻以上時，提取上邊帶，否則就提取下邊帶。用這種方法實現(xiàn)單邊帶調(diào)幅的數(shù)學模型如圖1-5所示。

圖1-5  實現(xiàn)單邊帶調(diào)幅信號的數(shù)學模型
 
  通過邊帶濾波器后，就可得到上邊帶或下邊帶即：
下邊帶信號                      
上邊帶信號                           
從上式看出，信號在傳輸信號時，不但功率利用率高，而且它所占用的頻帶比AM、DSB減小了一半，即，頻帶利用充分，因此已成為短波通信中的一種重要調(diào)制方式。
2. 集成模擬乘法器MC1496工作原理

實現(xiàn)調(diào)幅 的方法很多，目前 集成模擬乘法器得到廣泛的應用。本實驗采用 MC1496集成模擬乘法器來實現(xiàn)普通調(diào)幅波（AM）和抑制載波雙邊帶調(diào)幅（）。
 
圖1-6 MC1496的內(nèi)部電路及引腳圖
 
MC1496是雙平衡四象限模擬乘法器。其內(nèi)部電路圖和引腳圖如圖1-6 所示。其中V₁、V₂與V₃、V₄組成雙差分放大器，V₅、V₆組成的單差分放大器用以激勵V₁～V₄。V₇、V₈及
其偏置電路組成差分放大器V₅、V₆的恒流源。引腳8與10接輸入電壓u_x，1與4接另一輸入電壓u_y，輸出電壓u₀從引腳6與12輸出。引腳2與3外接電阻R_E，對差分放大器V₅、V₆產(chǎn)生串聯(lián)電流負反饋，以擴展輸入電壓U_y的線性動態(tài)范圍。引腳14為負電源端（雙電源供電時）或接地端（單電源供電時），引腳5外接電阻R₅。用來調(diào)節(jié)偏置電流I₅及鏡像電流I₀的值。
MC1496可以采用單電源供電，也可以采用雙電源供電，器件的靜態(tài)工作點由外接元件確定，靜態(tài)偏置電壓的設(shè)置應保證各個晶體管工作在放大狀態(tài)，即晶體管的集一基極間的電壓應大于或等于2V，小于或等于最大允許工作電壓。一般情況下，晶體管的基極電流很小， ，三對差分放大器的基極電流I₈、I₁₀、I₁和I₄可以忽略不計，因此器件的靜態(tài)偏置電流主要由恒流源的值確定。當器件為單電源工作時，引腳14接地，5腳通過一電阻R₅接正電源（+U_CC的典型值為+12V），由于I₀是I₅的鏡像電流，所以改變電阻R₅可以調(diào)節(jié)I₀的大小，即

當器件為雙電源工作時，引腳14接負電源-U_EE(一般接-8V)，5腳通過一電阻R₅接地，因此，改變R₅也可以調(diào)節(jié)I₀的大小，即

根據(jù)MC1496的性能參數(shù)，器件的靜態(tài)電流小于4mA，一般取I₀＝I₅＝1mA左右。
3.實驗電路
說明：為增加模塊功能，本模塊已改進為“乘法器混頻、調(diào)幅”模塊，除保留原集成乘法器調(diào)幅功能外，另加入集成乘法器混頻功能。當進行集成乘法器調(diào)幅實驗時，把J1、J3、J5上的跳線塊置于1-2位置，將J2、J8、J9上的跳線塊置于2-3位置，（J4、J6、J7不插跳塊）；IN2、IN3分別輸入1KHz正弦波基帶調(diào)制信號與10.7MHz高頻正弦載波，IN1空閑。
當進行集成乘法器混頻實驗時，把J2、J3、J5、J8、J9上的跳線塊置于1-2位置，將J1上的跳線塊改插于2-3位置，（J4、J6、J7不插跳塊）；IN1、IN3分別輸入10.245 MHz與10.7MHz高頻正弦波，IN2空閑。
 
集成乘法器幅度調(diào)制實驗電路如圖1-7。

圖1-7  MC1496構(gòu)成集成乘法器幅度調(diào)制實驗電路
 
四、實驗內(nèi)容
  1．模擬乘法器的調(diào)節(jié)。
2．普通調(diào)幅波（AM）的產(chǎn)生，調(diào)幅系數(shù)ma測量與調(diào)整。
3．抑制載波的雙邊帶調(diào)幅波（DSB/SC-AM）的產(chǎn)生與觀測。
五、實驗步驟
1．模擬乘法器的調(diào)節(jié)
⑴ 在實驗箱主板上插上集成乘法器幅度調(diào)制電路模塊。接通實驗箱上電源開關(guān)電源指標燈點亮。
⑵ 信號源參數(shù)調(diào)節(jié)如下（示波器監(jiān)測）：
調(diào)制信號源： 頻率范圍：1kHz， 波形選擇：正弦波，輸出峰-峰值：300mV
載波信號源：工作頻率：2-10.7MHz（任選，建議采用6.5MHz或10.7MHz）用頻率計測量，輸出幅度（峰-峰值）300mV，用示波器觀測。
⑶ 調(diào)整步驟：
        在IN3端加入載波信號，（IN2調(diào)制信號暫不加），TPI3點監(jiān)測幅度。調(diào)節(jié)W2使OUT端輸出電壓幅度最小。在IN2端加入調(diào)制信號，（載波信號暫不加），TPI2點監(jiān)測幅度。調(diào)節(jié)W1使輸出電壓幅度最小。反復進行上述調(diào)整，使OUT端輸出電壓幅度達到最小。
2．普通調(diào)幅波（AM）的產(chǎn)生，調(diào)幅系數(shù)測量與調(diào)整。
   在IN3端加入載波信號，在IN2端加入調(diào)制信號，調(diào)節(jié)W2，在OUT端觀測普通調(diào)幅波（AM）。調(diào)節(jié)示波器時基旋鈕使熒光屏顯示幾個周期的調(diào)幅波波形，如圖1-8所示。
 

    用雙蹤示波器的通道1接TPI2點，通道2接TPO11點，觀察調(diào)制信號波形與輸出的普通調(diào)幅波（AM）信號的包絡(luò)，注意分析對比它們之間的相互關(guān)系。
 分別產(chǎn)生調(diào)幅系數(shù)ma=(A-B)/(A+B) 為0.3、0.5 和1的普通調(diào)幅波（AM），記錄于表1-1中：
 
表1-1          調(diào)制信號頻率：    KHz，載波信號頻率：    MHz