集成模擬乘法器的調(diào)幅電路系統(tǒng)研究

魏博謇

(榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系， 陜西 榆林 719000)

0 引言

自改革開放以來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)與科技迅速發(fā)展，漸漸地以網(wǎng)絡(luò)取代書信的方式進(jìn)行溝通與交流，給人們帶來了極大的方便，不需要快馬加鞭，一通電話即可解決問題。近年來，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中，傳送信息的信號(hào)出現(xiàn)了問題，傳送信息過程中只有輸送高頻信號(hào)才可以輸送成功，而電路通常發(fā)出的信號(hào)為低頻信號(hào)，為了解決該問題，研究中加入振幅調(diào)制電路可有效緩解，故通過該系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)過程來設(shè)計(jì)電路。

1 調(diào)幅電路理論知識(shí)

1.1 調(diào)幅電路的基本概念

調(diào)幅電路也就是人們通常講的中波，它的范圍通常在530-1 600 kHz之間上下浮動(dòng)，浮動(dòng)的范圍不超過這個(gè)區(qū)間。調(diào)幅實(shí)際上是一種電信號(hào)，將聲音的高低變化變化為幅度，通常它傳輸?shù)木嚯x可以達(dá)到很遠(yuǎn)，但是極易受天氣因素的影響而造成傳輸距離出現(xiàn)改變，目前調(diào)幅電路應(yīng)用于簡(jiǎn)單的通信設(shè)備當(dāng)中[1]。

2 集成模擬乘法器的調(diào)幅電路基本原理

2.1 模擬乘法器的原理

模擬乘法器的原理指的是對(duì)兩個(gè)模擬信號(hào)(電壓或電流)實(shí)現(xiàn)相乘功能的有緣非線性器件。它實(shí)際上是指兩個(gè)本來毫無關(guān)系的信號(hào)通過模擬乘法器進(jìn)行相乘運(yùn)算，也就是輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相乘的積成正比。模擬乘法器有兩個(gè)輸入端口，分別是X輸入端口以及Y輸入端口。模擬乘法器特有的兩個(gè)輸入信號(hào)的極性各有各的不同，模擬乘法器坐標(biāo)平面利用的是X軸與Y軸，將平面直角坐標(biāo)系分為四個(gè)象限，其中，當(dāng)信號(hào)僅靠某個(gè)極性電壓才可以進(jìn)行工作時(shí)，那么該模擬乘法器成為單象限乘法器；若信號(hào)中的一個(gè)可以使用兩種電壓，兩種電壓分別為正電壓以及負(fù)電壓，而信號(hào)當(dāng)中的另一個(gè)僅可以工作于一種電壓，那么該模擬乘法器稱為二象限乘法器；兩個(gè)信號(hào)均可以適應(yīng)四種極性組合時(shí)，該模擬乘法器成為四象限乘法器[2]。

通過電路原理表達(dá)式對(duì)模擬乘法器進(jìn)行了一系列測(cè)試。模擬乘法器及測(cè)試電路,如圖1所示。

圖1 模擬乘法器及測(cè)試電路圖

2.2 乘法器調(diào)幅電路的模擬與實(shí)現(xiàn)

通過圖1的一系列測(cè)試之后，將電路的正負(fù)電壓設(shè)置為12 V，向其中輸入正弦信號(hào)，輸入X軸的電壓頻率為500 kHz、幅值為3 V；Y軸電壓頻率為20 kHz，幅值為0.1 V。經(jīng)過PSPICE電路模擬電路得出的模擬結(jié)果,如圖2所示。

圖2 PSPICE模擬結(jié)果

3 集成模擬乘法器的調(diào)幅電路架構(gòu)分析

3.1 調(diào)幅電路的構(gòu)成及說明

該調(diào)幅電路采用的是基于集成模擬乘法器的方式構(gòu)建電路，其中集成模擬乘法器的型號(hào)為MC1496，構(gòu)建過程中集成模擬乘法器MC1496采用的電路為雙邊帶振幅調(diào)制電路(DSB-AM)，該電路的供電方式采用的是雙電源供電方式，極大程度的減少因供電不足而引發(fā)的一系列問題，也可以在電路中設(shè)置芯片的基極直流電流，以此來保證集成模擬乘法器在運(yùn)行過程中可以工作于線性動(dòng)態(tài)范圍，該過程會(huì)出現(xiàn)反饋電阻，該電阻在電路中起到提供偏置電壓的作用，線性范圍會(huì)隨著反饋電阻的增大而增大，但隨之而來的是集成模擬乘法器的增益減小。為了保證晶體管的放大狀態(tài)，乘法器的各管腳應(yīng)保持在U1=U4,U8=U10,U6=U12的電流狀態(tài)，MC1496構(gòu)成的雙邊帶振幅調(diào)制電路,如圖3所示。

圖3 MC1496構(gòu)成的雙邊帶振幅調(diào)制電路圖

根據(jù)圖3中的電阻元件以及電容元件的數(shù)值，得出了靜態(tài)下偏置電壓的準(zhǔn)確數(shù)值。其中偏置電壓的數(shù)值,如圖4所示。

圖4 靜態(tài)偏置電壓的數(shù)值

根據(jù)結(jié)果所示，該電路無論是溫度的改善情況還是載波信號(hào)的抑制過程都具有較好的性能。

3.2 創(chuàng)建PSPICE子電路模型

為了集成模擬乘法器可以供系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員更好地使用，特別創(chuàng)建了PSPICE子電路模型，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要使用集成模擬乘法器時(shí)，像使用普通器件一樣直接從PSPICE的模型數(shù)據(jù)中調(diào)用創(chuàng)建成功的子電路模型即可，該子電路具有生成電連接網(wǎng)表文件以及子電路模型描述文件的功能，還可以將其本身添加到PSPICE的數(shù)據(jù)中，并且在其中建立屬于自己特有的器件符號(hào)，SUBCKT是該電路的關(guān)鍵詞，子電路的名稱叫做Mu1tiplier。Mu1tiplier器件符號(hào)[3],如圖5所示。

圖5 Mu1tiplier器件符號(hào)

該子電路模型還可以對(duì)模型庫進(jìn)行配置文件，方便系統(tǒng)隨時(shí)調(diào)用子電路模型。庫文件配置窗口,如圖6所示。

圖6 庫文件配置窗口

3.3 子電路實(shí)際應(yīng)用“立方器”電路設(shè)計(jì)

“立方器”電路設(shè)計(jì)實(shí)際上是將兩個(gè)集成模擬乘法器串聯(lián)在一起，即可形成簡(jiǎn)單的立方器，該乘法器的子電路模型在Capture中調(diào)用的立方器電路。調(diào)用子電路的立方器電路,如圖7所示。

圖7 調(diào)用子電路的立方器電路

該電路設(shè)計(jì)采用的圖1的原始電路圖，電路中設(shè)計(jì)的重復(fù)單元采用子電路，有利于降低設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的失誤問題，也可以減少設(shè)計(jì)的時(shí)間，該電路的設(shè)計(jì)對(duì)集成模擬乘法器的調(diào)幅電路系統(tǒng)研究過程有重要意義。

4 集成模擬乘法器的調(diào)幅電路硬件設(shè)計(jì)

4.1 模擬乘法器/模擬除法器

該設(shè)計(jì)比較常用，實(shí)現(xiàn)了模擬乘法器以及模擬除法器一體化形式，該電路將A1、A2、A3設(shè)計(jì)為對(duì)數(shù)放大器、將T1、T3上的be結(jié)串聯(lián)在一起，即可形成加法運(yùn)算裝置，當(dāng)A1、A3輸出之后將對(duì)反對(duì)數(shù)放大器A4起驅(qū)動(dòng)作用，從而產(chǎn)生Vx與Vy之積，將得出的乘積稱為V0。在保證對(duì)數(shù)放大器穩(wěn)定反饋的同時(shí)，保護(hù)二極管中的對(duì)數(shù)晶體管不受損傷。模擬乘法器/除法器電路[4],如圖8所示。

圖8 模擬乘法器/除法器電路圖

4.2 四象限模擬乘法器電路

該電路設(shè)計(jì)的目的是為了解決因晶體管具有的單向?qū)щ娦运斐傻姆糯笃髦荒茌斎胝?fù)電壓的問題，仿照三極管放大交流信號(hào)的方式給放大器加入偏置電壓，這樣的方法使晶體管即使輸入的電壓信號(hào)為負(fù)電壓，也可以保證晶體管正向?qū)?，從而完成電路運(yùn)算模式。該電路中的R5、R6、R7等符號(hào)皆表示電阻信號(hào)，其作用是調(diào)整零位以及當(dāng)幅度顯示已滿，及時(shí)將其結(jié)果輸出，此步驟對(duì)于系統(tǒng)能否制作出高密度的精準(zhǔn)模擬乘法器至關(guān)重要。四象限模擬乘法器電路[5],如圖9所示。

圖9 四象限模擬乘法器電路圖

5 集成模擬乘法器的調(diào)幅電路實(shí)際運(yùn)用

5.1 模擬乘法器的調(diào)幅電路仿真分析

集成模擬乘法器正常調(diào)幅電路使用過程中可以看出高頻率載波信號(hào)的振幅是隨著調(diào)制信號(hào)變化過程中不斷上下浮動(dòng)而變化的，變化的規(guī)律周期近乎相同，將高頻率的載波信號(hào)振幅變化規(guī)律設(shè)置成與低頻信號(hào)相同，可以加強(qiáng)信號(hào)的頻率幅度，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的幅度調(diào)制，而調(diào)幅變化的過程中，波形也隨之變化，通過仿真開關(guān)即可看出調(diào)制狀態(tài)。集成模擬乘法器正常調(diào)幅電路,如圖10所示。

圖10 集成模擬乘法器正常調(diào)幅電路

集成模擬乘法器平衡調(diào)幅電路仿真分析過程中可以看出，正常調(diào)幅電路的直流電壓為0時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)平衡調(diào)幅電路，該電路的波形不同于正常調(diào)幅電路，有著自己獨(dú)特的特點(diǎn)，當(dāng)該電路進(jìn)行調(diào)幅過程后，載頻兩側(cè)的上下邊頻振幅相等，平衡后的信號(hào)中不含有載波信號(hào)。

5.2 模擬乘法器的調(diào)幅電路實(shí)時(shí)監(jiān)控

通過上述分析得知，想要設(shè)計(jì)出好的集成模擬乘法器的調(diào)幅電路系統(tǒng)，還需要從如下4個(gè)方面對(duì)電路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

5.2.1 對(duì)數(shù)晶體管的電流限制

集成模擬乘法器的調(diào)幅電路系統(tǒng)應(yīng)具有極高的準(zhǔn)確性，才可以被大眾所接受，想要實(shí)現(xiàn)電路系統(tǒng)的精準(zhǔn)度，需要將電壓與電流形成對(duì)數(shù)關(guān)系，限制晶體管的電極電流的數(shù)值，將電流限制在1 nA～1 mA這個(gè)范圍內(nèi)，即可保證乘法器的精準(zhǔn)度。雙極性晶體管有兩個(gè)PN結(jié)，它具有反向偏置電壓，當(dāng)電壓過大時(shí)可造成反向擊穿的危險(xiǎn)現(xiàn)象，影響其對(duì)數(shù)性能，此時(shí)，應(yīng)采取加入二極管的有效措施，避免發(fā)生更大的損害，從而影響系統(tǒng)的研究方向。

5.2.2 對(duì)數(shù)晶體管、電阻等元器件的匹配性要求

模擬乘法器進(jìn)行運(yùn)算過程中，需要對(duì)數(shù)晶體管的性能參數(shù)匹配程度高達(dá)100%，才可以進(jìn)行高精度運(yùn)算，因此計(jì)算過程中應(yīng)加入集成電路，選取專用的對(duì)數(shù)晶體管陳列，只有陳列的高配置晶體管才可以滿足該設(shè)計(jì)的理想化要求。相比之下電路中的電阻元件的精度也十分重要，電阻的選用既要精度高，同時(shí)溫度穩(wěn)定性也要好，該電阻的精度應(yīng)控制在0.1%，否則將會(huì)出現(xiàn)極大的誤差。

5.2.3 對(duì)數(shù)放大器的反饋穩(wěn)定性

通常對(duì)數(shù)放大器的穩(wěn)定性較差，其原因是因?yàn)樗南到y(tǒng)中反饋網(wǎng)絡(luò)屬于非線性結(jié)構(gòu)，電壓的增益效果極低，因此，需要對(duì)對(duì)數(shù)放大器進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。為了使對(duì)數(shù)放大器的反饋穩(wěn)定性加強(qiáng)，特將電路中加入電容以及電阻元素作為穩(wěn)定性補(bǔ)償，效果顯著。

5.2.4 零位調(diào)整網(wǎng)絡(luò)

零位調(diào)整是模擬乘法器中的關(guān)鍵步驟，倘若電路中的四個(gè)對(duì)數(shù)晶體管不完全匹配，會(huì)造成電阻的阻值發(fā)生離散性擴(kuò)散，運(yùn)算結(jié)果出現(xiàn)誤差。模擬乘法器輸入信號(hào)的幅度值與輸出信號(hào)成正比關(guān)系，輸入信號(hào)幅值越小，輸出信號(hào)幅值也越小，因此系統(tǒng)需要及時(shí)對(duì)電路進(jìn)行零位調(diào)整。

5.3 模擬乘法器的應(yīng)用

隨著電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用日益廣泛，造成電網(wǎng)中的電壓以及電流出現(xiàn)較大變化，因此深入系統(tǒng)了解調(diào)幅電路具有重要意義。集成模擬乘法器的應(yīng)用越來越廣泛，更是成為了電子式電能表中不可或缺的組成部分。隨著集成模擬乘法器技能的逐步完善，使它的應(yīng)用范圍一度超過了模擬計(jì)算機(jī)的范圍，集成模擬乘法器系統(tǒng)中的運(yùn)算模式目前被使用于信號(hào)的處理、測(cè)量數(shù)據(jù)的設(shè)備以及通信工程和自動(dòng)控制領(lǐng)域等科技發(fā)展領(lǐng)域之中，在其中充當(dāng)著核心角色，為未來發(fā)展提供有利數(shù)據(jù)。

6 總結(jié)

集成模擬乘法器的調(diào)幅系統(tǒng)應(yīng)用范圍廣、領(lǐng)域多，幾乎所有的科技系統(tǒng)均可以應(yīng)用該電路系統(tǒng)，使用該電路可以建立你所需要的子電路模型，將其與其他模型庫建立聯(lián)系有利于新產(chǎn)品的推廣，很大程度上減少了人力物力的重復(fù)勞動(dòng)，更加減少了設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的誤差問題。從高頻率的載波信號(hào)變化過程也可以看出，該集成模擬乘法器是一個(gè)線性變換的器件，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的調(diào)幅過程，具有電路簡(jiǎn)單易操作以及可靠性高等特點(diǎn)，具有一定的研究意義。