AM信号包络检波器的设计原理与实现方法
AM信号包络检波器的设计原理与实现方法
AM信号包络检波器是通信系统中重要的解调器件，其设计原理和实现方法一直是电子工程和通信工程领域的研究重点。本文详细介绍了AM信号包络检波器的设计过程，包括调制原理、包络检波原理、电路设计和仿真结果分析等内容，并配有详细的电路图和波形图，具有较高的专业性和实用性。
1.设计目的及要求
主要技术指标：
- 输入AM信号：载波频率200KHz正弦波
- 调制信号：1KHz正弦波，幅度为2V，调制度为40%
- 输出信号：无明显失真，幅度大于6v
2.调制原理
基带信号具有低频分量，不适宜在无线信道传输，因此我们需要在发送端借助高频正弦波信号（载波信号），对需要传输的信号进行处理，转换成适宜传输的高频信号进行传输，这个处理的过程称为调制，得到的信号称为已调信号。
幅度调制又称为调幅，调幅的原理如下：
图 1 AM调制器模型
用调制信号加上一个直流分量再与高频正弦波相乘，使得高频载波的幅度随着原信号变化，也就是把原信号处理成：
进而输出信号的时域和傅里叶变换为
由此可见，对于幅度调制信号，在波形上，它的幅度随着基地信号规律变化，在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱结构在频域内的简单偏移。
图 2 幅度调制信号的时域和频域图
AM信号的频谱由载频分量、上边带、下边带三部分组成。上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。因此，AM信号是带有载波分量的双边带信号，它的带宽是基带信号带宽fh的两倍。
3.包络检波原理
3.1原理
从高频已调信号中取出调制信号的过程，称为解调（或检波）。解调是调制的逆过程，调幅波的解调叫做振幅检波，简称检波。
二极管包络检波电路仅用于对普通调幅波进行解调，其电路如图所示。在二极管包络检波电路中，D为检波元件，C和R构成低通滤波器，当输入的已调波信号较大时，二极管D是断续工作的。当输入信号正半周时，二极管导通，对电容C充电；信号负半周和输入电压较小时，二极管截止，电容C对R放电。在R两端得到的电压包含的频率成分很多，经过电容C滤除高频部分，在输出端就可得到还原的低频信号。
为了较好的完成解调，要求二极管在导通时的正向电阻r正<<R，截止时的反向电阻r反→∞。由RC组成的低通滤波器对输入高频信号中的载频呈现的阻抗Z(ωs)=0，以保证对高频具有较好的滤波能力；而对低频调制信号呈现的阻抗Z(Ω)=R，以保证具有较高的滤波效率。
图 3 二极管包络检波电路
图 4 调幅波的波形及频谱
图 5 包络检波后的调制信号波形与频谱
3.2原理电路
包络检波电路的组成：输入回路、二极管VD、RC低通滤波器，如图所示：
图 6 包络检波电路
在图中，VD起整流作用，C起高频滤波作用，R作为检波器的低频负载在其两端输出已恢复的调制信号。
RC低通滤波电路有两个作用：
(1)对低频调制信号uΩ来说，电容C的容抗相当大，电容C相当于开路，电阻R就作为检波器的负载，其两端产生输出低频解调电压;
(2)对高频载波信号uΩ来说，电容C的容抗特别小，电容C相当于短路，起到对高频电流的旁路作用，即滤除高频信号。
3.3工作原理分析
当输入信号ui(t) 为调幅波时，那么载波正半周时二极管导通，输入高频电压通过二极管对电容C充电，充电时间常数为rdC 。因为rdC 较小，充电很快，电容上电压建立的很快,输出电压ui(t)很快增长。
作用在二极管VD两端上的电压为ui(t) 与uo(t) 之差，即
所以二极管的导通与否取决于uD ：
当uDt=ui-ui＞0 ，二极管导通；
当uDt=ui-ui<0 ，二极管截止。
ui(t) 达到峰值开始下降以后，随着ui(t) 的下降，当uit=uO(t) ，即uDt=ui-ui=0 时，二极管VD截止。C把导通期间储存的电荷通过R放电。因放电时常数RC较大，放电较缓慢。
图 7 二极管对电容C充电原理
图 8 电容C放电原理
检波器的有用输出电压：
检波器的实际输出电压为：
当电路元件选择正确时，高频纹波电压∆uc很小，可以忽略。
输出电压为：uo(t)=uΩ(t)+UDC时，包含了直流及低频调制分量。
其输出电压波形如图9：
图 9 包络检波原理图
图 10 包络检波器输出电压
3.4峰值包络检波器的输出电路
图 11 检波电路
检波电路如图所示。电容Cd的隔直作用，直流分量UDC被隔离，输出信号为解调恢复后的原调制信号uΩ，一般常作为接收机的检波电路。
3.5检波器的惰性失真
一般为了提高检波效率和滤波效果(C越大，高频波纹越小)，总希望选取较大的R，C值，但如果取值过大，使R，C的放电时间常数所对应的放电速度小于输入信号(AM)包络下降速度时，会造成输出波形不随输入信号包络而变化，从而产生失真，这种失真是由于电容放电惰性引起的，故称为惰性失真。
图 12 包络检波惰性失真波形
原因：由于负载电阻R与负载电容C的时间常数RC太大所引起的。这时电容C上的电荷不能很快地随调幅波包络变化，从而产生失真（电容C两端电压通过R放电的速度太慢）。
输入AM信号包络的变化率>RC放电的速率。
改进措施：为避免产生惰性失真,必须在任何一个高频周期内，使电容C通过R放电的速度大于或等于输入信号(AM)包络下降速度。
避免产生惰性失真的条件：在任何时刻，电容C上电压的变化率应大于或 等于包络信号的变化率：
即得出不失真条件：
3.6检波器的底部切割失真
原因：一般为了取出低频调制信号，检波器与后级低频放大器的连接如图所示：
图 13 包络检波应用型电路
图 14 底部切割失真波形图
如图13所示RL 越小，UR 分压值越大，底部切割失真越容易产生；另外，ma 值越大，调幅波包络的振幅maUim越大，调幅波包络的负峰值Uim（1-ma）越小，底部切割失真也越易产生。
改进的措施：要防止这种失真，必须要求调幅波包络的负峰值Uim（1-ma）大于直流电压UR，即
避免底部切割失真的条件为：
4.电路设计原理
根据包络检波原理设计出包络检波电路，电路图如图所示：
图 15 包络检波设计电路
通过理想的乘法器和加法器由调制信号去控制高频载波的幅度，使之随调制信号做线性变化。二极管包络检波电路中，二极管D1为检波元件，C和R构成低通滤波器。当输入的已调信号较大时，二极管D是断续工作的，当输入信号正半周时，二极管导通，对电容C充电；信号负半周和输入电压较小时，二极管截止，电容C对R放电。在R两端得到的电压包含的频率成分很多，经过电容C滤除高频部分，在输出端就可以得到还原的低频信号。
5.仿真结果及分析
（1）无失真包络检波
闭合开关A、C，此时二极管包络检波后的波形，输出为正弦波，输出波形无明显失真，幅度为7.5V左右。
（2）惰性失真
闭合开关B、C，此时二极管包络检波后的波形呈锯齿状变化，输出波形明显失真，且为惰性失真。
（3）底峰切割失真
闭合开关A、D，且将滑动变阻器调到100%，此时二极管包络检波后的波形输出的正弦波底部被切割了一部分，输出波形明显失真，为底峰切割失真。
如果将滑动变阻器调到40%，输出仍发生失真，为底峰切割失真。相比于滑动变阻器调到100%是的波形，电阻减小，失真越明显。
参考文献
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