信号硬件入门--振幅调制信号发生器（正弦波发生器方案、AM调制方案）--First理论部分

信号硬件入门--振幅调制信号发生器（正弦波发生器方案、AM调制案）

 

        小杜本人是做软件的。但是最近出于某些特别需要，我就做了一个 能产生两个不同频率正弦波并能对它们进行AM调制的小玩意，今天公布在这里，希望能给需要的小伙伴一点帮助。（微笑）

声明：以下文本编排内容即实际设计制作顺序，希望能对没有作品制作经验的同学有所帮助（如果觉得前面理论介绍枯燥可跳过           不看），本博文分成多个部分持续更新。

博客涉及知识点：正弦波发生器的设计、AM调制器的设计、LC滤波器的设计;

博客涉及术语：NE555信号发生器、文氏桥正弦波发生器、MC1596乘法器、AD835乘法器、multisim仿真、

                            DXP原理图PCB;

学习步骤传送门：

 

                  First               振幅调制信号发生器理论部分

                        https://blog.csdn.net/weixin_41094315/article/details/82946061

                 

                  Second          振幅调制信号发生器原理仿真 

                        https://blog.csdn.net/weixin_41094315/article/details/82946748

 

                  Third             DXP实际做板及调试 

                        https://blog.csdn.net/weixin_41094315/article/details/82947319

 

                              First 振幅调制信号发生器理论部分

 

第一步：基本理论掌握及资料查找

一、正弦波发生器

1.1  方案一：NE555正弦波电路

       NE555正弦信号发生器是由NE555方波信号发生电路和LC信号分解电路组成。通过调节NE555 6脚和7脚之间的电阻值可以调节产生的方波频率，输出的方波经过LC滤波可以得到与方波同频率的基波（正弦波），从而达到产生目标频率正弦波的目的。

如图1-1所示，电阻R1、R2和电容C1构成定时电路。定时电容C1上的电压UC作为高触发端TH（6脚）和低触发端TL（2脚）的外触发电压。放电端D（7脚）接在R1和R2之间。电压控制端K（5脚）不外接控制电压而接入高频干扰旁路电容C2（0.01uF）。直接复位端R（4脚）接高电平，使NE555处于非复位状态。多谐振荡器的放电时间常数分别为：

 

                                                       tPH≈0.693×（R1+R2）×C1                                                                                           （1.1）

                                                            tPL≈0.693×R2×C1                                                                                                     （1.2）

 

     振荡周期T和振荡频率f分别为：

                                                   T=tPH+tPL≈0.693×（R1+2R2）×C1                                                                                 （1.3）

                                                     f=1/T≈1/[0.693×（R1+2R2）×C1]                                                                                    （1.4）

 

                                                                  图 1-1  NE555多谐振荡器发生器

       对于正弦波使用LC电路分解成同频率正弦信号（基波）的原因主要是由于周期信号f(t)可由三角函数的线性组合来表示。若f(t)的周期为T，角频率为则  f(t)  可分解为：

                                                                                           （1.5）

直流分量：              

                                                                                                                                                          （1.6）

余弦分量：

                                                                                                                      （1.7）

正弦分量：

                                                                                                                       （1.8）

当f（t）为一周期性方波（幅度为Vm）时，其傅立叶级数展开为式（1.9）：

                                                                                                      （1.9）

综上，经过推导后，我们可以推导出公式（1.10）：

                                                                                                                                                                     （1.10）

 

       并用其计算出滤出基波的LC电路的电容电感具体值。以本设计验证电路产生500HZ方波为例（如图1-2），由此公式我们可以计算出当电感L=460.49uH，电容C=220uF时可以滤出其基波，即500HZ的正弦信号。

                                  

                                                          图 1-2  NE555-500HZ正弦信号发生器 multisim 仿真图

 

1.2  方案二：文氏桥正弦波电路

 

       文氏电桥又称文氏电桥振荡电路, 是利用RC串并联实现的振荡电路，也是本设计所使用的正弦波产生电路。文氏桥振荡电路由两部分组成：即放大电路和选频网络。由集成运放组成的电压串联负反馈放大电路，取其输入电阻高、输出电阻低的特点。

                                         

                                                                   图 1-3  文氏桥电路示意图

       文氏桥电路的震荡部分主要由Z1、Z2组成，同时兼作正反馈网络，称为RC串并联网络。由图1-3可知，Z1、Z2和Rf、R3正好构成一个电桥的四个臂，电桥的对角线顶点接到放大电路的两个输入端。由于Z1、Z2和R3、Rf正好形成一个四臂电桥，电桥的对角线顶点接到放大电路的两个输入端，因此这种振荡电路常称为RC桥式振荡电路，又称为文氏桥震荡电路。

                                                           

                                                               图 1-4  文氏桥简单理论电路图

       以本设计要使用此电路产生500HZ正弦信号为例。如图1-4，R1、R2、C1、C2组成的RC串并网络将输出正反馈至同相输入端，R3、R4则将输出负反馈至运放的反相输入端，电路的行为取决于正负反馈那一边占优势（为便于分析，通常都假设R1=R2=R且C1=C2=C，当然这并不是必须的）。此时它的放大倍数为：

                                                                                                                                                           （1.11）

       可以把它看做 一个同相放大器。当放大倍数小于3时（即R4/R3=2），负反馈支路占优势，电路不起振；当放大倍数大于3时，正反馈支路占优势，电路开始起振并不是稳定的，振荡会不断增大，最终将导致运放饱和，输出的波形是削波失真的正弦波。只有当放大倍数恰好为3时，正负反馈处于平衡，振荡电路会持续稳定的工作，此时输出波形的频率公式为：

                                                                                                                                           （1.12）

        由此公式（1.12）可知当  f0 = 500HZ 时，如果选择电容值C = 22nF 时，R = 14.5KΩ 满足条件，此时可设计R4 = 3KΩ，R3 = 1KΩ满足 R4/R3=3 的起振条件，到此文氏桥500HZ正弦波产生电路已经设计完成了。

1.3  正弦波发生器方案优劣对比

       结合1.1.1和1.1.2的理论论证，我们可以对NE555产生正弦波方案和文氏桥电路产生正弦波这两个方案进行优劣对比。

       对于方案一来说，它的工作原理是利用NE555产生方波之后，通过LC拆分电路的方式来拆分出方波基波（正弦信号）的。如果想要输出目标频率的正弦波，就必须通过不断地调节NE555的周边电路参数，使其产生的方波达到目标频率（步骤一）。再经过不标准的电感和电容组成的方波拆分电路，最后才能滤出方波基波（步骤二）。但是不标准的电感需要自己缠绕制作，造成了时间花费过长、电感值精度难以保证等缺点。这就造成了，如果第一个方案想要实现功能就必须要经过上述两个复杂的调节步骤，使得正弦波输出频率调节起来相当麻烦。以上这些方案一的缺点也在一定程度上限制了它产生正弦波的可调频率范围的大小。除此之外，由于NE555芯片5V供电的原因使其输出功率较小，可能会影响下一级信号处理电路的性能实现。

       对比方案一，方案二的文氏桥电路优点体现在：文氏桥电路是可以直接输出正弦波的，这就意味着方案二只需要根据目标频率设计好文氏桥信号产生电路即可，而不需要像方案一那样还需要增加一个后级信号拆分电路。

        由此不难得出，相对于方案二的一步到位就能稳定出波，方案一则需要调节两个步骤才能达到同样的效果，所以可见方案二是比方案一更可靠。其次，由于方案二的RC谐振中的R的数值可以由大调节范围的精密滑动变阻器控制且高精密滑阻很容易找到，所以相对于方案一要用到的非标准电感来说，方案二具有输出正弦信号频率可调节范围更广且更好搭建的特点。最后，由于方案二的运算放大电路可以看做一个同相放大器，可以使输出正弦信号的峰峰值达到8V~20V，相比于方案一的输出峰峰值为0V~5V，可以为下级信号电路提供更大的性能发挥空间。

       综上对比，本设计选用了调节更为简单，性能更加稳定的方案二即文氏桥产生正弦波的方式来作为本振幅调制信号发生器的信号发生器部分。

 

二、AM信号调制器（乘法器）

2.1  方案一：MC1596乘法器

       常规双边带调制（AM）就是指用调制信号去控制载波的振幅，使载波的幅度按调制信号的变化规律而变化。常规双边带调制信号的时域表达式为：

                                                                                                                                      （1.13）

        根据时域表达式可以画出其调制电路的设计框图，如图1-5所示。

                                                           

                                                                                图 1-5  AM调制概念图

       m(t) 为基带信号，A0 为叠加的直流分量。COS Wc 为载波信号，图中的相乘器一般都是采用集成模拟乘法器来实现，集成模拟乘法器的常见产品有BG314、F1595、F1596、MC1595、MC1496、MC1495、LM1595、LM1596等。 其中MC1596比较常见，性能稳定，且价格较低。所以本设计选用MC1596制成的调幅器输出的调幅信号。

2.2  方案二：AD835乘法器

        采用模拟乘法器 AD835 作为信号的调制单元。 AD835 是一款电压输出型四象限模拟乘法器， 250MHz，很适合宽带调制和解调应用。由于片内电路的优化和带隙电压基准的使用， AD835 的输出噪声典型值仅为 50 nV /根号HZ，保证了实验信号尽可能小的失真。另外， AD835 需要的外围电路非常少，配置相当方便。                    
                                         

                                                                 图2-1 AD835信号调制器模拟电路

        如图 2-1， X、 Y、 Z 为信号输入端， 为信号输出端， W 和 Z 之间的电阻网络起微调电路增益的作用。输出和输入之间的关系为：

                                                                                                                             （1.14）

         本实验中 Z 1端接地，即乘法器输出仅由 X、 Y 决定，调节电位器可实现增益微调。

2.3  乘法器（AM调制器）方案对比

         对于AM信号调制器，两个方案各有优劣。总体可以总结为：AD835比MC1596外围电路更少，需要调的滑动电阻参数也更少，并且输出调制信号频道更宽，波形更好；但是MC1596比AD835售价低廉许多，且能基本上满足日常使用需求。

 

        至此，振幅调制信号发生器的理论分析与计算已经结束了。