学子专区-ADALM2000实验：包络检波器

目标

本实验活动使用ADALM2000和Scopy介绍包络检测和幅度调制。信号的包络相当于其轮廓，包络检波器连接该信号中的所有峰值。包络检测在信号处理和通信领域应用广泛，幅度调制(AM)检测便是其中一个应用。

AM是电子通信领域使用的一种调制技术，常用于通过无线电载波传输信息。在AM中，载波的幅度（信号强度）与被传输的波形成比例变化。例如，该波形可能对应于扬声器重现的声音或电视像素的光强度。

典型的幅度调制信号如公式1所示。

其中：

■    ：消息信号

■    ：载波信号

■   k=调制指数（通常在0至1之间变化）

■   ω_m=消息频率

■   A=载波幅度

■   ω_c=载波频率

包络检波器是一种电子电路，它以高频信号为输入并提供输出，即原始信号的包络(ω_c » ω_m)。

包络检波器主要由两个元素组成：

■   二极管/整流器：用于增强接收信号的一个半周而抑制另一个半周

■   低通滤波器：去除检测/解调后信号中剩余的高频元素时需要。

滤波器通常由一个非常简单的RC网络组成，但在某些情况下，依靠整流器之后的电路有限频率响应即可提供滤波器。

材料

■   ADALM2000主动学习模块

■   无焊试验板和跳线套件

■   两个1kΩ电阻

■   两个1μF电容

■   两个1N914二极管

包络检波器

背景知识

请看图1所示的电路。

图1 基本包络检波器电路

电路中的电容在上升沿储存电荷，并当信号下降时，通过电阻缓慢释放电荷。串联的二极管对输入信号进行整流，仅当正输入端的电位高于负输入端时才允许电流流动。

图2 包络检波器试验板电路

硬件设置

为包络检波器电路构建图2中的试验板电路。

程序步骤

使用第一波形发生器作为提供AM信号的信号源，其参数如下所示：

■   k=0.5

■   ω_c=10 kHz

■   ω_m=100 Hz

■   A=3

要生成AM信号，请使用Scopy信号发生器中的数学函数。将记录长度设置为20 ms，将采样率设置为75 MSPS，并应用以下函数：(1 + 0.5 × cos (2 × pi × 100 × t)) × 3 × cos (2 × pi × 100 × 100 × t)。生成的波形如图3所示。

图3 生成的AM信号

配置示波器，以使输出信号显示在通道1上。

断开电容与电路的连接，并观察输出信号。产生的波形如图4所示。

图4 生成的AM信号的正半部分

如果不连接电容，电路的工作方式与正半波整流器类似，即保留大于0 V的信号部分。

现在，将电容重新连接到电路。产生的波形如图5所示。

图5 正半波包络

得到的信号是先前得到的正半波的包络。实际上，它是具有10 kHz变化的100 Hz消息信号（由载波信号引入）。

频域频谱

这些信号也可使用频谱分析仪工具在频域中查看。首先，同时观察10 kHz载波和100 Hz消息信号（因为二者都位于该电路的输出端）。启用通道1，并将扫描范围设置为10 Hz至15 kHz。运行单次扫描。从标记选项卡和标记表中启用标记1和2。使用上一个峰值、下一个峰值移动每个标记，以便在载波和消息信号上设置这些标记。产生的波形如图6所示。

图6 消息和载波信号

将扫描范围设置为9 kHz至11 kHz。在图7中，主峰值位于10 kHz载波频率处，并且载波两侧有±100 Hz的调制边带（9900 Hz和10100 Hz）。

图7 解调后的载波信号频谱

将扫描范围设置为20 Hz至180 Hz。在图8中，主峰值位于100 Hz消息频率处。

图8 解调后的消息信号频谱

由于使用基本包络检波器电路对输出信号进行了频率分析，因此消息和载波信号均显示出来。在施加的输入信号中，载波幅度大于消息幅度，而相比之下，频谱分析仪绘图通知中的消息信号(100 Hz)被放大，幅度相较于载波信号更为明显（参见标记表）。

扩展包络检波器

背景知识

请看图9所示的电路。

图9 正负包络检波器电路

在图1的电路中添加一个类似的电路。唯一的区别是二极管反转，允许负电压通过RC电路。

硬件设置

为扩展包络检波器电路构建图10中的试验板电路。

图10 扩展包络检波器试验板电路

程序步骤

使用第一波形发生器作为提供AM信号的信号源，其参数如下所示：

■   k=0.5

■   ω_c=10 kHz

■   ω_m=100 Hz

■   A=3

要生成AM信号，请使用Scopy信号发生器中的数学函数。将记录长度设置为50 ms，并应用以下函数：(1 + 0.5 × cos (2 × pi × 100 × t)) × 3 × cos (2 × pi × 100 × 100 × t)。生成的波形如图11所示（显示了5个周期）。

图11 生成的AM信号

配置示波器，以使输出信号显示在通道1上。

断开电容C1和C2与电路的连接，并观察输出信号。产生的波形如图12所示。

图12 生成的AM信号的正半部分和负半部分

如果不连接电容，电路就像一个正半波整流器和负半波整流器，并将正半波与负半波分开。

现在，将电容重新连接到电路。产生的波形如图13所示。

图13 正半波包络和负半波包络

得到的信号是先前得到的正半波和负半波的包络。

问题

1.如果电容/电阻值发生变化会如何？这种情况有什么缺点？

2.对于图1中的电路，如果在D1和R1之间添加一个与二极管串联的电阻，输出会受到什么影响？请解释有何差异。

额外活动：偏置包络检波器

如果幅度（即摆幅）小于二极管的正向导通电压，则图1中基于二极管的简单包络检波器无法正常导电，或者根本无法导电。当二极管未完全导通时，对于高调制指数（接近100%），调制信号的负半部分将严重失真。解决此限制的一个方法是为二极管引入小直流偏置。该小偏置电流移动到电路的静态工作点，正好位于二极管的导通点。

材料

■   ADALM1000主动学习模块

■   无焊试验板和跳线套件

■   一个1.5 kΩ电阻（棕色、绿色、红色）

■   一个10 kΩ电阻（棕色、黑色、橙色）

■   一个20 kΩ电阻（红色、黑色、橙色）

■   两个1.0 μF电容（C1和C2）

■   一个2N3904 NPN晶体管

■   一个1N914二极管

背景知识

考虑图14所示的电路。

图14 偏置包络检波器电路

幅度调制信号交流耦合到NPN晶体管Q1的基极，该晶体管配置为发射极跟随器。分压器R1和R2与二极管D1设置交流耦合输入的直流偏置点（直流恢复）。如果没有任何调制输入，Q1发射极处的直流静态工作点将等于R1和R2连接点的电压减去D1的二极管压降和Q1的VBE。Q1的基极电流流入二极管D1，使其正向偏置。在调制输入的正半周期内，D1关闭，输入信号峰值为滤波电容C2充电。在输入信号的负半周期内，晶体管Q1关闭，D1的导电能力更强，提供输入电流。

硬件设置

为偏置包络检波器电路构建图15中的试验板电路。

图15 偏置包络检波器试验板电路

程序步骤

将电路连接至5 V电源。

为了测试该电路，首先使用简单二极管包络检波器示例中使用的相同调制信号。将新设计与简单二极管包络检波器进行比较。使用与前面相同的步骤，生成具有较小幅度/较高调制指数的AM信号，并比较这两种检波器设计的输出。

图16显示了偏置包络检波器的输入和输出波形示例。

图16 偏置包络检波器波形

问题

1.包络检波器电路的基本组成部分有哪些？请描述它们的作用。

2.包络检波器的时间常数(RC)对其性能有何影响？

您可以在学子专区论坛上找到问题答案。

作者简介

Antoniu Miclaus是ADI公司的软件工程师，负责为Linux和无操作系统驱动程序开发嵌入式软件，同时从事ADI教学项目、QA自动化和流程管理工作。他于2017年2月在罗马尼亚克卢日-纳波卡加盟ADI公司。他拥有贝碧思鲍耶大学软件工程硕士学位，并拥有克卢日-纳波卡科技大学电子与电信工程学士学位。

Doug Mercer于1977年毕业于伦斯勒理工学院(RPI)，获电子工程学士学位。自1977年加入ADI公司以来，他直接或间接贡献了30多款数据转换器产品，并拥有13项专利。他于1995年被任命为ADI研究员。2009年，他从全职工作转型，并继续以名誉研究员身份担任ADI顾问，为“主动学习计划”撰稿。2016年，他被任命为RPI ECSE系的驻校工程师。