基于Multisim的高频电子线路同步检波器的设计与仿真分析

程秀英, 侯卫周

(河南大学 物理与电子学院, 河南 开封 475003)

基于Multisim的高频电子线路同步检波器的设计与仿真分析

程秀英, 侯卫周

(河南大学 物理与电子学院, 河南 开封 475003)

利用NI Multisim10.1软件对高频电子线路同步检波器进行了仿真分析,测试了调幅信号的输出波形和检波后的波形变化规律；观察并分析了电路中关键节点的频谱关系,得到的虚拟仿真结果与理论分析是相一致的。将该软件合理地应用到高频电子线路实验教学中,可将一些抽象的高频电路的理论教学变得简单明了。把虚拟仿真技术引入到电类课程教学是教学发展的必然趋势,为实验室的开放教学提供一种行之有效的解决方案。

高频电子线路； 同步检波器； 仿真分析

调幅是正弦类高频载波的幅度随调制信号幅度变化的一种调制方式，属于一种频谱搬移过程，为传统模拟中短波广播技术所采用[1]。解调(又称检波)是从已调制的信号中取出调制信号的过程，是调制的逆过程。振幅解调又称为振幅检波，也属于频谱搬移过程[2]，它是把位于载频fc位置的调制信号频谱搬移到零频位置的过程。解调有两种方法可以实现，一种是包络检波，另外一种是同步检波。

双边带信号和单边带信号适用于同步检波电路，要求接收端的本地振荡信号与发送端的高频载波信号同频同相[3]。当然也可以在发送端将已经调制的信号和载波信号同时传送给接收端。振幅解调也属于频谱的搬移。同步检波的方法大致有两种形式：一是乘积型同步检波，二是叠加型同步检波。要想最终获得调制信号(又称基带信号)，最后还要进行必要的滤波或必要的包络检波才能实现。

NIMultisim10.1是由美国国家仪器有限公司研发的高版本电子电路虚拟仿真软件。它将各类电子电路的原理图、功能测试和仿真结果汇集到一个电路窗口，界面直观、元器件种类多、仪器仪表齐全、参数修改方便、分析方法多样，能开发不同层次需求的电路设计型和综合型的实验[4-6]。本文利用NIMultisim10.1软件对高频电子线路的同步检波器进行设计和虚拟仿真。

1 高频电子线路同步检波器的工作原理

无论对于双边带信号还是单边带信号，叠加型同步检波都是用双边带信号或单边带信号与本振信号相叠加，利用三角函数实现频谱搬移。不过叠加型同步检波最后还需要再进行包络检波才能真正获得调制信号。由振幅的调制和检波的理论可知：调制信号(即发送的基带信号)所在的双边带调制信号的上、下边频功率之和仅有载波功率的一半，即它只占调幅信号功率的1/3。而实际的调制解调电路中，调幅指数ma的大小在0.1～1之间变化，其平均值仅有0.3，所以边频所占整个调幅波的功率要更小[7]。为了提升发射效率，一般采用双边带调幅波。要实现双边带信号的解调，检出所需要的调制信号，就不能采用二极管峰值包络检波，而必须采用同步包络检波。

设载波信号频率为ωs，调制(基带)信号频率为ω，输入的双边带调幅波vs(t)为

而本地振荡器信号v1(t)为

由于双边带调幅波中无载波分量，因此必须有频率为ωs的本地振荡信号产生，而φ表示它与原载波信号之间的相位差，这两信号相乘的输出表达式为

其中K为乘法器增益，ma为调幅指数(又称调幅度)。

若滤除2倍频的高频分量，可得低频(即基带)分量vs(t)为

若φ=0时，低频输出信号的幅值最大。随着相移的加大，输出信号减弱，因此理想情况下要求本地振荡器信号必须与原发送端的载波信号同频同相，因此称为同步检波。

2 高频电子线路同步检波器的仿真分析要求

因为要得出同步检波后的调制信号(又称为基带信号)，在通信原理中，它属于频谱搬移的过程，必须实现两个时间域的三角函数相乘，才能得到频率相加减。因此，用模拟乘法器实现函数信号的相乘是一个不错的选择。通过仿真比对已调幅信号和同步检波后的频谱关系，可以确定和验证同步检波的合理性。

进行同步检波仿真需要注意以下几点：

(1) 为实现信号频率的加减，用多个模拟乘法器建立一个同步检波器电路；

(2) 为观测波形变化规律，需对同步检波器的输入、输出波形信号进行仿真分析；

(3) 为掌握同步检波电路的工作原理，需要分析输入、输出信号的几个关键节点频谱关系。

3 利用Multisim对同步检波电路进行测试

3.1 构建高频电子线路的同步检波电路

从Multisim的元件工具条中调用2个频率均为20 kHz、振幅均为1 V的信号源(一个是载波，另一个是本振信号源)和频率为1 kHz、振幅为1 V(基带信号源)的信号源；

模拟乘法器选2个增益均为1 V/V的普通乘法器A1和A2，其中A1输出调幅波，A2从调幅波中解调还原出原始的调制信号。

调用两个虚拟二踪示波器XSC1和XSC2，时间轴栏设置为200 μs/Div，其中XSC1的A通道(观察节点4的波形)的“Scale”栏设置为0.5 V/Div，B通道(观察节点7的波形)设置为0.1 V/Div；其中XSC2的A通道(观察调制前的载波信号波形)的“Scale”栏设置为0.5 V/Div，B通道(观察调制前的基带信号波形)设置为1 V/Div，主要观察XSC1最初的载波信号和调制信号的波形。两个示波器的时间轴、A通道和B通道的X和Y的位置偏移量均设为0。构建的同步检波电路如图1所示。

图1 同步检波器电路

3.2 虚拟仿真测试及波形的观察

(1) 打开仿真开关，用示波器观察波形。对图1中同步检波电路中的关键节点4、节点5和节点7处的信号进行傅里叶分析，并观察这几个节点的信号的频谱关系。

(2) 用示波器XSC2观察到的波形如图2所示，其中A通道的红色波形为最初输入到A1模拟乘法器X端载波信号，B通道的黑色波形为最初输入到A1模拟乘法器Y端调制信号(即基带信号)。

图2 输入到模拟乘法器A1的载波信号和调制信号

(3) 用示波器XSC1观察到的波形如图3所示。其中示波器XSC1的A通道观察到的是模拟乘法器A1输出的双边带已调幅信号，即蓝色波形，从A2模拟乘法器的X端输入，B通道观察到的是模拟乘法器A2出来的波形，即经过检波后的输出波形(黑色波形)。检波后的信号接近于原来的频率为1 kHz、振幅为1 V的调制信号。图1中的本振信号(即A2模拟乘法器Y端的输入信号)从示波器XSC1的A端输入，波形与图2中的红色载波波形一致不予显示。

图3 同步检波器的输入、输出信号

(4) 启动分析选单中的Fourier Analysis...命令，进行相应设置后进行仿真，可得到其频谱图。图4是节点4的傅里叶分析结果，图5是节点5的傅里叶分析结果，图6是节点7的傅里叶分析结果。

3.3 仿真测试结果的分析讨论

观察图4所示的同步检波器频谱关系可知，节点4的信号频谱抑制了载波的上、下边频，信号是双边带调幅波，这与用示波器在时域观察到的波形是一致的，同时与理论分析也是相符合的。

图4 图1电路中节点4处的信号频谱

观察图5所示频谱可知，节点5的信号频谱将上、下边频信号搬移到了2倍载波频率附近，同时还有一个频率为1 kHz的低频信号，这与理论分析结果是一致的。

图5 图1电路中节点5处的信号频谱

观察图6所示频谱可知，节点7的信号频谱只有一个频率为1 kHz的低频信号，因为节点5的信号经过R1、C1组成的低通滤波电路时，高频分量基本被滤除了。而C2是一个大电容元件，起到隔直流通交流的作用，因此，在输出端得到的只是低频调制有用信号。将调制信号选取出来，这与用示波器在时域观察到的波形是一致的，同时也与理论分析的结果相一致。

图6 图1电路中节点7处的信号频谱

通过图2—图6的电路虚拟仿真测试结果可看出，利用软件NI Multisim10.1对同步包络检波电路中的输入波形和输出波形进行虚拟仿真，各节点处的信号频谱图是正确的。

4 结束语

通过对高频电子线路同步检波电路的虚拟仿真分析，说明利用双踪示波器观测到的模拟乘法器A1和A2 的波形，A1的波形反映的是双边带已调幅波，A2的波形是经过由R1和C1组成的低通滤波器将高频成分滤除掉，再经过大电容C2将低频基带信号取出，从而实现同步检波的目的。当利用正弦信号作为测试信

号时，无论是普通的振幅调制还是振幅解调(包括同步检波)，都是频谱的搬移过程，对各节点频谱图的分析与示波器在时域观察到的波形也是相符合一致的。通过虚拟仿真，学生能更好理解高频电子线路同步检波的工作原理和各节点的频谱特性，进一步掌握NI Multisim 10.1仿真软件中电路的使用方法和分析方法。教学实践证明，在同步检波器的理论分析中辅以虚拟仿真[8-9]，能更好地实现理论和虚拟实验验证的同步结合。把虚拟仿真技术应用于电类课程教学，是教学发展的必然趋势[10]，也为实验室的开放了提供一种行之有效的解决方案。

References)

[1] 万志强.同步检波和包络检波下的AM系统抗噪声性能分析[J].现代电子技术，2009(15):55-57.

[2] 李智群.通信电子线路[M].北京:清华大学出版社,2011.

[3] 曾兴雯,刘乃安，陈健.高频电路原理与分析[M].4版.西安:西安电子科技大学出版社,2006.

[4] 侯卫周,蒋俊华.通信接收机变频电路的虚拟仿真分析[J].实验技术与管理，2014，31(3):84-86,90.

[5] 黄培根,任清褒.Multisim 10计算机模拟虚拟仿真实验室[M].北京:电子工业出版社,2008.

[6] 唐贛,吴翔，苏建峰.Multisim 10&Ultiboard原理图仿真与PCB设计[M].北京:电子工业出版社,2008.

[7] 高如云,陆曼茹，张企民，等.通信电子线路[M].3版.西安:西安电子科技大学出版社,2008.

[8] 颜芳,黄扬帆,刘晓.Multisim10在高频电子线路教学中的应用[J].实验科学与技术，2010，8(4):66-69.

[9] 侯卫周,向兵.基于Multisim频率自动跟踪锁相环电路的仿真分析[J].实验室研究与探索，2014，33(6):86-89.

[10] 程思宁,耿强，姜文波，等.虚拟仿真技术在电类实验教学中的应用与实践[J].实验技术与管理，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

国家青年科学基金项目(11103002)；河南省教育厅教育教学改革项目(2014-JSJYYB-001)

程秀英(1962—),女,河南开封,学士,实验师,主要研究方向为电子电路实训与实习

侯卫周(1974-),男,山西永济,硕士,副教授,主要研究方向为电子电路应用与仿真.

E-mail：hwz204@163.com

TP391.9; TN743

A

1002-4956(2015)7- 0116- 04