學(xué)子專區(qū)-ADALM2000實驗：包絡(luò)檢波器

目標(biāo)

本實驗活動使用ADALM2000和Scopy介紹包絡(luò)檢測和幅度調(diào)制。信號的包絡(luò)相當(dāng)于其輪廓，包絡(luò)檢波器連接該信號中的所有峰值。包絡(luò)檢測在信號處理和通信領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，幅度調(diào)制(AM)檢測便是其中一個應(yīng)用。

AM是電子通信領(lǐng)域使用的一種調(diào)制技術(shù)，常用于通過無線電載波傳輸信息。在AM中，載波的幅度（信號強度）與被傳輸?shù)牟ㄐ纬杀壤兓＠纾摬ㄐ慰赡軐?yīng)于揚聲器重現(xiàn)的聲音或電視像素的光強度。

典型的幅度調(diào)制信號如公式1所示。

其中：

■    ：消息信號

■    ：載波信號

■   k=調(diào)制指數(shù)（通常在0至1之間變化）

■   ω_m=消息頻率

■   A=載波幅度

■   ω_c=載波頻率

包絡(luò)檢波器是一種電子電路，它以高頻信號為輸入并提供輸出，即原始信號的包絡(luò)(ω_c ? ω_m)。

包絡(luò)檢波器主要由兩個元素組成：

■   二極管/整流器：用于增強接收信號的一個半周而抑制另一個半周

■   低通濾波器：去除檢測/解調(diào)后信號中剩余的高頻元素時需要。

濾波器通常由一個非常簡單的RC網(wǎng)絡(luò)組成，但在某些情況下，依靠整流器之后的電路有限頻率響應(yīng)即可提供濾波器。

材料

■   ADALM2000主動學(xué)習(xí)模塊

■   無焊試驗板和跳線套件

■   兩個1kΩ電阻

■   兩個1μF電容

■   兩個1N914二極管

包絡(luò)檢波器

背景知識

請看圖1所示的電路。

圖1 基本包絡(luò)檢波器電路

電路中的電容在上升沿儲存電荷，并當(dāng)信號下降時，通過電阻緩慢釋放電荷。串聯(lián)的二極管對輸入信號進(jìn)行整流，僅當(dāng)正輸入端的電位高于負(fù)輸入端時才允許電流流動。

圖2 包絡(luò)檢波器試驗板電路

硬件設(shè)置

為包絡(luò)檢波器電路構(gòu)建圖2中的試驗板電路。

程序步驟

使用第一波形發(fā)生器作為提供AM信號的信號源，其參數(shù)如下所示：

■   k=0.5

■   ω_c=10 kHz

■   ω_m=100 Hz

■   A=3

要生成AM信號，請使用Scopy信號發(fā)生器中的數(shù)學(xué)函數(shù)。將記錄長度設(shè)置為20 ms，將采樣率設(shè)置為75 MSPS，并應(yīng)用以下函數(shù)：(1 + 0.5 × cos (2 × pi × 100 × t)) × 3 × cos (2 × pi × 100 × 100 × t)。生成的波形如圖3所示。

圖3 生成的AM信號

配置示波器，以使輸出信號顯示在通道1上。

斷開電容與電路的連接，并觀察輸出信號。產(chǎn)生的波形如圖4所示。

圖4 生成的AM信號的正半部分

如果不連接電容，電路的工作方式與正半波整流器類似，即保留大于0 V的信號部分。

現(xiàn)在，將電容重新連接到電路。產(chǎn)生的波形如圖5所示。

圖5 正半波包絡(luò)

得到的信號是先前得到的正半波的包絡(luò)。實際上，它是具有10 kHz變化的100 Hz消息信號（由載波信號引入）。

頻域頻譜

這些信號也可使用頻譜分析儀工具在頻域中查看。首先，同時觀察10 kHz載波和100 Hz消息信號（因為二者都位于該電路的輸出端）。啟用通道1，并將掃描范圍設(shè)置為10 Hz至15 kHz。運行單次掃描。從標(biāo)記選項卡和標(biāo)記表中啟用標(biāo)記1和2。使用上一個峰值、下一個峰值移動每個標(biāo)記，以便在載波和消息信號上設(shè)置這些標(biāo)記。產(chǎn)生的波形如圖6所示。

圖6 消息和載波信號

將掃描范圍設(shè)置為9 kHz至11 kHz。在圖7中，主峰值位于10 kHz載波頻率處，并且載波兩側(cè)有±100 Hz的調(diào)制邊帶（9900 Hz和10100 Hz）。

圖7 解調(diào)后的載波信號頻譜

將掃描范圍設(shè)置為20 Hz至180 Hz。在圖8中，主峰值位于100 Hz消息頻率處。

圖8 解調(diào)后的消息信號頻譜

由于使用基本包絡(luò)檢波器電路對輸出信號進(jìn)行了頻率分析，因此消息和載波信號均顯示出來。在施加的輸入信號中，載波幅度大于消息幅度，而相比之下，頻譜分析儀繪圖通知中的消息信號(100 Hz)被放大，幅度相較于載波信號更為明顯（參見標(biāo)記表）。

擴展包絡(luò)檢波器

背景知識

請看圖9所示的電路。

圖9 正負(fù)包絡(luò)檢波器電路

在圖1的電路中添加一個類似的電路。唯一的區(qū)別是二極管反轉(zhuǎn)，允許負(fù)電壓通過RC電路。

硬件設(shè)置

為擴展包絡(luò)檢波器電路構(gòu)建圖10中的試驗板電路。

圖10 擴展包絡(luò)檢波器試驗板電路

程序步驟

使用第一波形發(fā)生器作為提供AM信號的信號源，其參數(shù)如下所示：

■   k=0.5

■   ω_c=10 kHz

■   ω_m=100 Hz

■   A=3

要生成AM信號，請使用Scopy信號發(fā)生器中的數(shù)學(xué)函數(shù)。將記錄長度設(shè)置為50 ms，并應(yīng)用以下函數(shù)：(1 + 0.5 × cos (2 × pi × 100 × t)) × 3 × cos (2 × pi × 100 × 100 × t)。生成的波形如圖11所示（顯示了5個周期）。

圖11 生成的AM信號

配置示波器，以使輸出信號顯示在通道1上。

斷開電容C1和C2與電路的連接，并觀察輸出信號。產(chǎn)生的波形如圖12所示。

圖12 生成的AM信號的正半部分和負(fù)半部分

如果不連接電容，電路就像一個正半波整流器和負(fù)半波整流器，并將正半波與負(fù)半波分開。

現(xiàn)在，將電容重新連接到電路。產(chǎn)生的波形如圖13所示。

圖13 正半波包絡(luò)和負(fù)半波包絡(luò)

得到的信號是先前得到的正半波和負(fù)半波的包絡(luò)。

問題

1.如果電容/電阻值發(fā)生變化會如何？這種情況有什么缺點？

2.對于圖1中的電路，如果在D1和R1之間添加一個與二極管串聯(lián)的電阻，輸出會受到什么影響？請解釋有何差異。

額外活動：偏置包絡(luò)檢波器

如果幅度（即擺幅）小于二極管的正向?qū)妷海瑒t圖1中基于二極管的簡單包絡(luò)檢波器無法正常導(dǎo)電，或者根本無法導(dǎo)電。當(dāng)二極管未完全導(dǎo)通時，對于高調(diào)制指數(shù)（接近100%），調(diào)制信號的負(fù)半部分將嚴(yán)重失真。解決此限制的一個方法是為二極管引入小直流偏置。該小偏置電流移動到電路的靜態(tài)工作點，正好位于二極管的導(dǎo)通點。

材料

■   ADALM1000主動學(xué)習(xí)模塊

■   無焊試驗板和跳線套件

■   一個1.5 kΩ電阻（棕色、綠色、紅色）

■   一個10 kΩ電阻（棕色、黑色、橙色）

■   一個20 kΩ電阻（紅色、黑色、橙色）

■   兩個1.0 μF電容（C1和C2）

■   一個2N3904 NPN晶體管

■   一個1N914二極管

背景知識

考慮圖14所示的電路。

圖14 偏置包絡(luò)檢波器電路

幅度調(diào)制信號交流耦合到NPN晶體管Q1的基極，該晶體管配置為發(fā)射極跟隨器。分壓器R1和R2與二極管D1設(shè)置交流耦合輸入的直流偏置點（直流恢復(fù)）。如果沒有任何調(diào)制輸入，Q1發(fā)射極處的直流靜態(tài)工作點將等于R1和R2連接點的電壓減去D1的二極管壓降和Q1的VBE。Q1的基極電流流入二極管D1，使其正向偏置。在調(diào)制輸入的正半周期內(nèi)，D1關(guān)閉，輸入信號峰值為濾波電容C2充電。在輸入信號的負(fù)半周期內(nèi)，晶體管Q1關(guān)閉，D1的導(dǎo)電能力更強，提供輸入電流。

硬件設(shè)置

為偏置包絡(luò)檢波器電路構(gòu)建圖15中的試驗板電路。

圖15 偏置包絡(luò)檢波器試驗板電路

程序步驟

將電路連接至5 V電源。

為了測試該電路，首先使用簡單二極管包絡(luò)檢波器示例中使用的相同調(diào)制信號。將新設(shè)計與簡單二極管包絡(luò)檢波器進(jìn)行比較。使用與前面相同的步驟，生成具有較小幅度/較高調(diào)制指數(shù)的AM信號，并比較這兩種檢波器設(shè)計的輸出。

圖16顯示了偏置包絡(luò)檢波器的輸入和輸出波形示例。

圖16 偏置包絡(luò)檢波器波形

問題

1.包絡(luò)檢波器電路的基本組成部分有哪些？請描述它們的作用。

2.包絡(luò)檢波器的時間常數(shù)(RC)對其性能有何影響？

您可以在學(xué)子專區(qū)論壇上找到問題答案。

作者簡介

Antoniu Miclaus是ADI公司的軟件工程師，負(fù)責(zé)為Linux和無操作系統(tǒng)驅(qū)動程序開發(fā)嵌入式軟件，同時從事ADI教學(xué)項目、QA自動化和流程管理工作。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他擁有貝碧思鮑耶大學(xué)軟件工程碩士學(xué)位，并擁有克盧日-納波卡科技大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。

Doug Mercer于1977年畢業(yè)于倫斯勒理工學(xué)院(RPI)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。自1977年加入ADI公司以來，他直接或間接貢獻(xiàn)了30多款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，并擁有13項專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉(zhuǎn)型，并繼續(xù)以名譽研究員身份擔(dān)任ADI顧問，為“主動學(xué)習(xí)計劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。