集成乘法器幅度調制實驗

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

圖1-1 調幅波的波形
 （2）. 普通調幅波（AM）的頻譜                                      
   普通調幅波（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  普通調幅波的頻譜圖
 
調幅的過程就是在頻譜上將低頻調制信號搬移到高頻載波分量兩側的過程。在單頻調制時，其調幅波的頻帶寬度為調制信號頻譜的兩倍，即
 
（3）．普通調幅波（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，調幅波在調制信號的一個周期內給出的平均功率為：
                                        
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，用這種調制方式，發送端發送的功率被不攜帶信息的載波占去了很大的比例，顯然，這是很不經濟的。但由于這種調制設備簡單，特別是解調更簡單，便于接收，所以它仍在某些領域廣泛應用。
(二) 抑制載波雙邊帶調幅（）
(1)．抑制載波雙邊帶調幅（）的表達式、波形
    由于載波不攜帶信息，因此，為了節省發射功率，可以只發射含有信息的上、下兩個邊帶，而不發射載波，這種調制方式稱為抑制載波的雙邊帶調幅，簡稱雙邊帶調幅，用表示。可將調制信號和載波信號直接加到乘法器或平衡調幅器電路得到。雙邊帶調幅信號寫成：
             
為由調幅電路決定的系數；是雙邊帶高頻信號的振幅，它與調制信號成正比。雙邊帶調幅的調制信號、調幅波形如圖1-3所示。雙邊帶調幅波的包絡已不再反映調制信號的變化規律。圖1-4為頻譜圖。
由以上討論可以看出調制信號有如下的特點：
  
 
圖1-3 雙邊帶調幅的調制信號、調幅波           圖1-4 頻譜圖
（a）信號的幅值仍隨調制信號而變化，但與普通調幅波不同，的包絡不再反映調制信號的形狀，仍保持調幅波頻譜搬移的特征。
（b）在調制信號的正負半周，載波的相位反相，即高頻振蕩的相位在瞬間有的突變。
（3）調制，信號仍集中在載頻附近，所占頻帶為
                 
由于調制抑制了載波，輸出功率是有用信號，它比普通調幅經濟。但在頻帶利用率上沒有什么改進。
(三) 抑制載波單邊帶調幅（）
實現抑制載波的單邊調幅的方法很多，其中最簡單的方法是在雙邊帶調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。用這種方法實現單邊帶調幅的數學模型如圖1-5所示。

圖1-5  實現單邊帶調幅信號的數學模型
 
  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制方式。
2. 集成模擬乘法器MC1496工作原理

實現調幅 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普通調幅波（AM）和抑制載波雙邊帶調幅（）。
 
圖1-6 MC1496的內部電路及引腳圖
 
MC1496是雙平衡四象限模擬乘法器。其內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產生串聯電流負反饋，以擴展輸入電壓U_y的線性動態范圍。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。用來調節偏置電流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，器件的靜態工作點由外接元件確定，靜態偏置電壓的設置應保證各個晶體管工作在放大狀態，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可以調節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也可以調節I₀的大小，即

根據MC1496的性能參數，器件的靜態電流小于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、調幅”模塊，除保留原集成乘法器調幅功能外，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。
 
集成乘法器幅度調制實驗電路如圖1-7。

圖1-7  MC1496構成集成乘法器幅度調制實驗電路
 
四、實驗內容
  1．模擬乘法器的調節。
2．普通調幅波（AM）的產生，調幅系數ma測量與調整。
3．抑制載波的雙邊帶調幅波（DSB/SC-AM）的產生與觀測。
五、實驗步驟
1．模擬乘法器的調節
⑴ 在實驗箱主板上插上集成乘法器幅度調制電路模塊。接通實驗箱上電源開關電源指標燈點亮。
⑵ 信號源參數調節如下（示波器監測）：
調制信號源： 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 調整步驟：
        在IN3端加入載波信號，（IN2調制信號暫不加），TPI3點監測幅度。調節W2使OUT端輸出電壓幅度最小。在IN2端加入調制信號，（載波信號暫不加），TPI2點監測幅度。調節W1使輸出電壓幅度最小。反復進行上述調整，使OUT端輸出電壓幅度達到最小。
2．普通調幅波（AM）的產生，調幅系數測量與調整。
   在IN3端加入載波信號，在IN2端加入調制信號，調節W2，在OUT端觀測普通調幅波（AM）。調節示波器時基旋鈕使熒光屏顯示幾個周期的調幅波波形，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，觀察調制信號波形與輸出的普通調幅波（AM）信號的包絡，注意分析對比它們之間的相互關系。
 分別產生調幅系數ma=(A-B)/(A+B) 為0.3、0.5 和1的普通調幅波（AM），記錄于表1-1中：
 
表1-1          調制信號頻率：    KHz，載波信號頻率：    MHz