基于Multisim的振幅调制解调系统的设计与仿真

张立立, 杨 华, 孟祥博, 鲍玉斌

(1. 东北大学 计算机科学与工程学院， 国家级计算机实验教学示范中心, 辽宁 沈阳 110819；2. 东北大学 信息科学与工程学院， 国家级电工电子实验教学示范中心, 辽宁 沈阳 110819)

基于Multisim的振幅调制解调系统的设计与仿真

张立立1, 杨 华2, 孟祥博1, 鲍玉斌1

(1. 东北大学 计算机科学与工程学院， 国家级计算机实验教学示范中心, 辽宁 沈阳 110819；2. 东北大学 信息科学与工程学院， 国家级电工电子实验教学示范中心, 辽宁 沈阳 110819)

为便于学生对于射频知识的理解,提高学生的实践能力,基于Multisim设计了振幅调制解调仿真实验。以MC1496芯片为核心器件的调制解调仿真实验为例,从理论公式的推导到仿真电路参数的调试验收进行了科学合理的安排,使大多数学生能够将课堂理论知识应用到实际中,并通过最后的电路调试,培养学生发现错误及修正错误的能力,积累系统调试经验。

调制解调实验； 乘法器； MC1496； Multisim

根据以往的实验教学经验,学生在实验教学中常常不能将理论与实践很好地结合[1]。部分原因是实验课程内容多、任务重,学生没有足够的时间将实验现象与理论知识有机结合,不能把握实验的重点、难点,对于异常现象难以解释[2]。鉴于此,利用Multisim[3]仿真软件,让学生将课堂上学到的理论知识以实际的电路、具体的参数展现,并通过循序渐进的实验内容将知识细化,使得学生能够逐渐掌握比较抽象的理论知识,并为学生创新思维提供平台[4],引领学生将知识用于生产生活实际。本文以振幅调制解调[5]为例,介绍了从理论分析、电路绘制及调试验收等方面的学习过程,让学生深入理解了调制原理,实验效果良好。

1 系统设计的内容与要求

基于Multisim的振幅调制解调系统实验将引导学生思考实验现象所反映的调制解调原理。通过对调制解调实验现象的分析,巩固理论知识。

1.1 系统设计内容与任务

总体任务:利用Multisim仿真软件,紧密结合教材中的理论知识,基于MC1496芯片[6]实现振幅的调制以及二极管包络检波系统电路。

基本内容:

(1) 理论分析,绘制电路图；

(2) 封装芯片MC1496,实现乘法功能；

(3) 在Multisim软件中搭建电路图,调试电路,实现普通调幅、抑制载波双边带调幅功能；

(4) 在Multisim软件中搭建二极管包络检波电路,调试电路,实现解调功能。

扩展内容:

(1) 将普通调幅电路与二极管包络检波电路结合,完成整体从调制到解调的过程；

(2) 对于不能通过二极管包络检波电路来进行解调的抑制载波双边带调幅信号,通过MC1496实现同步检波；

(3) 作为模拟调制与解调的核心,尝试使用MC1496实现鉴相和鉴频功能。

1.2 实验过程及要求

(1) 了解基本模电知识,学会使用Multisim软件进行仿真调试；

(2) 掌握振幅调制原理,根据所学知识确定载波频率,调制信号幅度等参数；

(3) 掌握二极管包络检波原理,学习滤波器原理,计算出相应参数；

(4) 调试不同的参数,分析不同参数造成的失真状况和失真原因；

(5) 撰写总结报告,通过仿真软件尝试不同的调制解调方案。

2 系统设计原理及方案

2.1 系统总体设计思想

系统总体设计要求能够对载频信号进行幅度调制,再解调出调制信号。振幅调制电路采用MC1496芯片作为整个调制电路的核心器件,需要设计3个模块:载波抑制模块、直流偏置模块、乘法器模块。系统结构总体分为调制和解调两部分,系统总体结构图如图1所示。

图1 系统结构

2.2 实验设计方案

实验设计以MC1496为核心,也可以采用其他乘法器。本实验采用的仿真软件是Multisim,但Multisim中没有MC1496芯片,学生应该自己学会封装[7],也可以选择用子电路来代替。实验电路如图2所示。利用Multisim仿真软件能够搭建电路原理图,并对电路进行仿真,可以较为直观地进行分析与调试。

图2 振幅调制电路

(1) MC1496芯片:MC1496芯片是吉尔伯特乘法器,能够提供近似的相乘功能,对于不同大小的输入信号,能够产生不同的频谱分量,实现频谱搬移,进而实现许多基于相乘原理的模拟调制与解调功能,如鉴相、鉴频等。MC1496芯片可以选择单电源供电或者双电源供电。单电源供电时14引脚接地；其线性范围较小,可以由2、3引脚外接电阻RE来扩大；由5脚外接电阻来控制直流源大小；1、4引脚接调制信号VΩ,两引脚间的静态电压差为VQ,8、10引脚接载波信号VC；6、12引脚引出输出,输出为

可以通过调节1、4两引脚间的静态电压差来调节调制度,也可以实现抑制载波双边带调幅。这样就可以实现频谱搬移,进而实现振幅调制。MC1496芯片原理电路如图3所示。

图3 MC1496内部电路结构

(2) 载波抑制模块:载波抑制模块选用1个滑动变阻器与2个等值电阻串联,再将滑片与负电源相接。另2个电阻与1、4引脚相接，通过调节滑片来调节1、4两脚间静态电压,进而调节调制度,或者抑制载波。

(3) 直流偏置:MC1496静态工作点的设置应该保证三极管工作在放大状态,否则无法完成乘法功能。晶体管的集电极-基极电压应大于或等于2 V，且小于等于最大工作电压。静态电流的设置由5脚电阻控制,应设置合适的静态电流。

(4) 二极管包络检波:包络检波电路由非线性器件和低通滤波器构成,大多应用为前级中频放大器的负载,多用于大信号检波。其检波原理为利用二极管单向导通特性,导通时电阻较小,时间常数较小,充电较快；截止时电阻较大,时间常数较大,放电较慢,故输出将保持在调制信号包络线上,完成解调。低通滤波器的参数应保证对高频载波短路,让低频调制信号通过,同时满足不失真条件。其电路结构如图4所示。

图4 解调电路

3 电路调试与验收

电路调试可以检查学生对知识的理解与实践能力。通过学生完成实验的程度和实验结果，能够反映学生对知识的理解程度；通过学生对于异常结果的分析,能够了解学生对于实际电路的调试能力。在整个实验过程中,要求学生查询产品手册、能够设置合适的工作状态；要求学生撰写实验报告,提高文字表达能力,为以后的学习和工作奠定良好的基础。

(1) 仿真结果验收。仿真电路输出波形的验收包括:振幅调制波形的验收；二极管包络检波输出波形的验收；负峰切割失真及惰性失真波形及原因分析。如有扩展,则应考察调制解调完整调试、鉴频鉴相功能实现等。输出波形如图5所示。

图5 普通调幅波形

图5为调制度30%、100%和大于100%时调幅波和载波波形,改变调制信号幅值和MC1496芯片1、4引脚静态电压差之比，即可得到不同调制度的波形。

当MC1496芯片1、4引脚静态电压之差为0时,输出频谱中不含载频分量,此时实现抑制载波双边带调幅,如图6所示。

图6 抑制载波双边带调幅波形

(2) 实验质量。根据学生的仿真实验能否实现抑制载波双边带调幅、能否产生各种失真波形并准确分析等,评价参数选择的合理性。

图7 解调及失真波形

(3) 自主创新。实验能否基于MC1496实现抑制载波双边带调幅波的解调；能否实现鉴频鉴相功能。

(4) 调试记录。要求学生记录电路设计的详细内容,记录异常分析及解决方法。

(5) 实验报告。以论文的形式撰写实验报告,掌握科学论文的撰写格式及撰写方法。

4 结语

经过多年的教学实践,基于Multisim的振幅调制解调系统仿真实验效果良好,很好地弥补了课堂教学形式单一的不足,消除了硬件异常的影响,使学生能够专注于对理论知识的理解和对电路的调试,更为学生提供了举一反三、创新实践的平台。该实验项目的特色和创新是:

(1) 具有实验的独立性:在排除硬件干扰、仪器调试等多方面的无关因素后,由仿真软件提供的电路环境能够较完美地模拟真实电路,能够自由调试、任意更改参数,并且简单易行,更能培养学生的学习兴趣和发散思维,做到举一反三。

(2) 具有知识的综合性:在仿真软件中,能够让学生从调制到解调完整地进行模拟,从频谱迁移到滤波输出的每一环节都需要学生独立自主设计,更能让学生在此基础上探索MC1496的其他功能(如鉴频、鉴相等),让学生对于模拟调制与解调有一个完整的概念,深入理解射频课程的内涵。

(3) 具有思维的启发性:模拟乘法器在模拟调制与解调的各个领域里都有重要的应用,此实验能够启发学生对调频调相、鉴频鉴相的探索和在通信领域的应用。

References)

[1] 许敖敖.处理好理论教学与实验教学关系,提高学生素质,培养学生创新能力[J].实验技术与管理,2001,18(6):1-3.

[2] 傅秀芬.以建设世界一流大学为契机,进一步加强实验基地建设[J].实验技术与管理,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] 高颖,冯浩,张顺,等.基于Simulink的模拟与数字通信系统建模与仿真[J].现代电子技术,2013,36(7):64-67.

[6] 王旭.模拟乘法器MC1496的应用研究[J].电子测试,2015(8):46-50.

[7] 王荔芳,余磊,周晓华.放大电路的Multisim 10仿真分析[J].现代电子技术,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

国家自然科学基金项目(61671141,61501038)资助

张立立(1984—),女,辽宁沈阳,硕士,实验师,主要研究方向为无线传感器网络、实验技术管理.

E-mail：zhanglili@cse.edu.edu.cn

TP393

A

1002-4956(2017)12-0125-03