目標

本次實驗旨在幫助了解二極管環(huán)形調制器的工作原理，探討它的典型應用，并掌握生成雙邊帶抑制載波(DSBSC)信號的基本方法。

材料

ADALM2000主動學習模塊

無焊試驗板

四個100 Ω電阻

兩個1 kΩ電阻

四個1N914二極管

兩個三線并繞變壓器（如有）

背景知識

在電子通信中，平衡調制器是用于生成DSBSC信號的電路。它能夠抑制射頻載波，使輸出端僅保留和頻與差頻。輸出波形缺少載波，但仍包含傳統(tǒng)AM信號的所有信息，這樣可以節(jié)省信號傳輸過程中的功耗。

最常見的平衡調制器之一是二極管環(huán)形調制器，也稱為格型調制器。它由四個最初呈環(huán)形排列的二極管（因此得名）及輸入和輸出變壓器組成。調制器有兩個輸入：一個單頻載波和一個調制信號，后者可以是單頻或復雜波形。載波施加于輸入和輸出變壓器的中心抽頭，調制信號施加于輸入變壓器的初級。然而，輸出在輸出變壓器的次級端被測量。圖1顯示了兩種不同電路方向的二極管環(huán)形調制器。

圖1.二極管環(huán)形調制器

二極管環(huán)形調制器是電子通信中使用最廣泛的電路之一。除了生成DSBSC信號外，它還用于頻率和相位調制系統(tǒng)及數字調制系統(tǒng)，例如PSK和QAM。

環(huán)形調制器中二極管的方向不得與二極管橋式整流器的方向混淆。它們可能呈現(xiàn)類似的環(huán)形，但環(huán)形調制器的所有二極管都朝順時針或逆時針方向，而橋式整流器的二極管則朝左或右。

工作原理

二極管環(huán)形調制器中使用的二極管可以是硅二極管、硅肖特基勢壘二極管或砷化鎵二極管。這些二極管用作開關，控制輸入信號是否以180°相位反轉的方式通過。載波信號以高速率控制二極管的通斷。務必明白，為使調制器正常工作，載波的幅度必須顯著大于調制信號的幅度，通常需要高出約六到七倍。

圖2.正半周操作

在正半周期間，D1和D2正偏導通，而D3和D4反偏開路。載波電流在輸入變壓器的次級中心抽頭處均勻分配，并沿相反方向通過繞組的上半部分和下半部分。上部和下部的電流各自產生一個大小相等但方向相反的磁場。因此，所產生的磁場相互抵消，載波被抑制。結果，調制信號從輸入變壓器通過D1和D2傳送到輸出變壓器，相位不反轉。圖2顯示了調制器的正半周操作。

圖3.負半周操作

圖3展示了二極管環(huán)形調制器的負半周操作。二極管D1和D2反偏關斷，而D3和D4正偏導通。同樣的現(xiàn)象再次出現(xiàn)在載波電流上。它在輸出變壓器的初級均勻分配，兩個電流產生大小相等但方向相反的磁場。這兩個電流在輸入變壓器的次級合并，磁場相互抵消，載波被抑制。調制信號通過輸入變壓器并發(fā)生180°相位反轉，然后到達輸出變壓器。

圖4以時序圖的形式顯示了二極管環(huán)形調制器的波形。

圖4.二極管環(huán)形調制器波形：(a)調制信號，(b)載波信號，(c)輸出變壓器初級處的DSBSC信號，(d)濾波后的DSBSC波形。

在二極管環(huán)形調制器的輸出波形中，載波信號被抑制，輸出由輸入頻率的和頻與差頻組成。這些RF脈沖以載波信號的頻率為周期，復現(xiàn)調制信號的形狀和幅度。理想情況下，載波信號會被完全抑制。但實際上，這種情況不會真正發(fā)生。輸出信號總是會伴隨一個小的載波分量，這被稱為載波泄漏。這種現(xiàn)象由幾個原因引起：其一，變壓器的中心抽頭位置不夠精確；其二，二極管未完全匹配。

硬件設置

圖5.二極管環(huán)形調制器試驗板電路

在無焊試驗板上構建圖5所示的電路。使用1N914快速開關二極管搭建二極管環(huán)路。將W1設置為1 kHz正弦調制信號，其峰峰值幅度為1 V，將W2設置為10 kHz正弦載波，其峰峰值幅度為3 V。輸入和輸出變壓器需要1:2的匝數比。您可以嘗試其他變壓器匝數比，并將輸出結果加以比較。本實驗需要一個采用HP3、HP4、HP5或HP6繞組布局的Hexa-Path Magnetics變壓器。如果沒有，您可以使用LTspice®仿真繼續(xù)實驗。

程序步驟

觀察電路的輸出波形。它應該類似于圖6所示的仿真波形。

圖6.DSBSC波形

問題

改變輸入和輸出變壓器的匝數比。觀察并比較輸出波形。

將電路中W1和W2的位置互換。將其與原始輸出波形進行比較。輸出波形發(fā)生了什么變化？

簡化二極管環(huán)形調制器

圖7.簡化的無變壓器二極管環(huán)形調制器

如圖7所示，我們可以從傳統(tǒng)二極管環(huán)形調制器中去掉變壓器，從而簡化設計。通過使用ADALM2000和兩個低阻值輸入電阻R1和R2（從而無需輸入變壓器），將載波和調制信號的和頻與差頻送入二極管環(huán)的兩個相對結點。輸出可以在高阻值輸出電阻R3和R4兩端測量。這些電阻取代輸出變壓器。

圖8.簡化的無變壓器二極管環(huán)形調制器的試驗板連接

硬件設置

這種無變壓器版本的二極管環(huán)形調制器很容易通過ADALM2000的信號發(fā)生器驅動：在一個結點提供載波與調制信號的和頻，在另一個結點提供差頻。設置試驗板，將第一個波形發(fā)生器W1的輸出連接到R1的另一端，第二個波形發(fā)生器W2的輸出連接到R2的另一端。示波器輸入1+連接到D1、D3和R4的結點。示波器輸入1-連接到鏈接D2、D4和R3的節(jié)點。最后，將R3和R4之間的節(jié)點連接到地。連接參見圖8。

程序步驟

本實驗將使用波形公式為fc = 3sin(10kt)的載波和公式為fm = 0.5sin(1kt)的調制信號。最初，這兩個波形相乘，輸出信號是兩者的乘積。其中包含上邊帶頻率fusf和下邊帶頻率flsf。具體的定義為：

fusf = fc + fm flsf = fc – fm，其中：

fc = 載波信號

fm = 調制信號

對于這種簡化方法，我們直接將邊帶饋送到輸入端。注意載波和調制信號：對于上邊帶，有f(t) = 3sin(10kt) + 0.5sin(1kt)；對于下邊帶，有f(t) = 3sin(10kt)–0.5sin(1kt)。

在信號發(fā)生器中：對于W1 (Ch1)，設置公式f(t) = (3 × sin(10×t)) + (0.5 × sin(t))，頻率為1 kHz；對于W2，設置f(t) = (3 × sin(10×t))–(0.5 × sin(t))，頻率同樣為1 kHz。在示波器中，水平軸設置為200 μs/div，垂直軸設置為500 mV/div。運行信號發(fā)生器和示波器，觀察波形。結果應該與圖9中的波形相似。

圖9.簡化的無變壓器二極管環(huán)形調制器

問題

1. 如果改變圖7的電阻值會如何？將R1和R2更換為1 kΩ電阻。輸出波形的幅度會發(fā)生什么變化？將R1和R2恢復到之前的值。將R3和R4更換為1 kΩ電阻，再次觀察輸出波形。