学子专区—ADALM2000活动：二极管环形调制器

目标

本次实验旨在帮助了解二极管环形调制器的工作原理，探讨它的典型应用，并掌握生成双边带抑制载波(DSBSC)信号的基本方法。

材料

ADALM2000主动学习模块

无焊试验板

四个100 Ω电阻

两个1 kΩ电阻

四个1N914二极管

两个三线并绕变压器（如有）

背景知识

在电子通信中，平衡调制器是用于生成DSBSC信号的电路。它能够抑制射频载波，使输出端仅保留和频与差频。输出波形缺少载波，但仍包含传统AM信号的所有信息，这样可以节省信号传输过程中的功耗。

最常见的平衡调制器之一是二极管环形调制器，也称为格型调制器。它由四个最初呈环形排列的二极管（因此得名）及输入和输出变压器组成。调制器有两个输入：一个单频载波和一个调制信号，后者可以是单频或复杂波形。载波施加于输入和输出变压器的中心抽头，调制信号施加于输入变压器的初级。然而，输出在输出变压器的次级端被测量。图1显示了两种不同电路方向的二极管环形调制器。

图1.二极管环形调制器

二极管环形调制器是电子通信中使用最广泛的电路之一。除了生成DSBSC信号外，它还用于频率和相位调制系统及数字调制系统，例如PSK和QAM。

环形调制器中二极管的方向不得与二极管桥式整流器的方向混淆。它们可能呈现类似的环形，但环形调制器的所有二极管都朝顺时针或逆时针方向，而桥式整流器的二极管则朝左或右。

工作原理

二极管环形调制器中使用的二极管可以是硅二极管、硅肖特基势垒二极管或砷化镓二极管。这些二极管用作开关，控制输入信号是否以180°相位反转的方式通过。载波信号以高速率控制二极管的通断。务必明白，为使调制器正常工作，载波的幅度必须显著大于调制信号的幅度，通常需要高出约六到七倍。

图2.正半周操作

在正半周期间，D1和D2正偏导通，而D3和D4反偏开路。载波电流在输入变压器的次级中心抽头处均匀分配，并沿相反方向通过绕组的上半部分和下半部分。上部和下部的电流各自产生一个大小相等但方向相反的磁场。因此，所产生的磁场相互抵消，载波被抑制。结果，调制信号从输入变压器通过D1和D2传送到输出变压器，相位不反转。图2显示了调制器的正半周操作。

图3.负半周操作

图3展示了二极管环形调制器的负半周操作。二极管D1和D2反偏关断，而D3和D4正偏导通。同样的现象再次出现在载波电流上。它在输出变压器的初级均匀分配，两个电流产生大小相等但方向相反的磁场。这两个电流在输入变压器的次级合并，磁场相互抵消，载波被抑制。调制信号通过输入变压器并发生180°相位反转，然后到达输出变压器。

图4以时序图的形式显示了二极管环形调制器的波形。

图4.二极管环形调制器波形：(a)调制信号，(b)载波信号，(c)输出变压器初级处的DSBSC信号，(d)滤波后的DSBSC波形。

在二极管环形调制器的输出波形中，载波信号被抑制，输出由输入频率的和频与差频组成。这些RF脉冲以载波信号的频率为周期，复现调制信号的形状和幅度。理想情况下，载波信号会被完全抑制。但实际上，这种情况不会真正发生。输出信号总是会伴随一个小的载波分量，这被称为载波泄漏。这种现象由几个原因引起：其一，变压器的中心抽头位置不够精确；其二，二极管未完全匹配。

硬件设置

图5.二极管环形调制器试验板电路

在无焊试验板上构建图5所示的电路。使用1N914快速开关二极管搭建二极管环路。将W1设置为1 kHz正弦调制信号，其峰峰值幅度为1 V，将W2设置为10 kHz正弦载波，其峰峰值幅度为3 V。输入和输出变压器需要1:2的匝数比。您可以尝试其他变压器匝数比，并将输出结果加以比较。本实验需要一个采用HP3、HP4、HP5或HP6绕组布局的Hexa-Path Magnetics变压器。如果没有，您可以使用LTspice®仿真继续实验。

程序步骤

观察电路的输出波形。它应该类似于图6所示的仿真波形。

图6.DSBSC波形

问题

改变输入和输出变压器的匝数比。观察并比较输出波形。

将电路中W1和W2的位置互换。将其与原始输出波形进行比较。输出波形发生了什么变化？

简化二极管环形调制器

图7.简化的无变压器二极管环形调制器

如图7所示，我们可以从传统二极管环形调制器中去掉变压器，从而简化设计。通过使用ADALM2000和两个低阻值输入电阻R1和R2（从而无需输入变压器），将载波和调制信号的和频与差频送入二极管环的两个相对结点。输出可以在高阻值输出电阻R3和R4两端测量。这些电阻取代输出变压器。

图8.简化的无变压器二极管环形调制器的试验板连接

硬件设置

这种无变压器版本的二极管环形调制器很容易通过ADALM2000的信号发生器驱动：在一个结点提供载波与调制信号的和频，在另一个结点提供差频。设置试验板，将第一个波形发生器W1的输出连接到R1的另一端，第二个波形发生器W2的输出连接到R2的另一端。示波器输入1+连接到D1、D3和R4的结点。示波器输入1-连接到链接D2、D4和R3的节点。最后，将R3和R4之间的节点连接到地。连接参见图8。

程序步骤

本实验将使用波形公式为fc = 3sin(10kt)的载波和公式为fm = 0.5sin(1kt)的调制信号。最初，这两个波形相乘，输出信号是两者的乘积。其中包含上边带频率fusf和下边带频率flsf。具体的定义为：

fusf = fc + fm flsf = fc – fm，其中：

fc = 载波信号

fm = 调制信号

对于这种简化方法，我们直接将边带馈送到输入端。注意载波和调制信号：对于上边带，有f(t) = 3sin(10kt) + 0.5sin(1kt)；对于下边带，有f(t) = 3sin(10kt)–0.5sin(1kt)。

在信号发生器中：对于W1 (Ch1)，设置公式f(t) = (3 × sin(10×t)) + (0.5 × sin(t))，频率为1 kHz；对于W2，设置f(t) = (3 × sin(10×t))–(0.5 × sin(t))，频率同样为1 kHz。在示波器中，水平轴设置为200 µs/div，垂直轴设置为500 mV/div。运行信号发生器和示波器，观察波形。结果应该与图9中的波形相似。

图9.简化的无变压器二极管环形调制器

问题

1. 如果改变图7的电阻值会如何？将R1和R2更换为1 kΩ电阻。输出波形的幅度会发生什么变化？将R1和R2恢复到之前的值。将R3和R4更换为1 kΩ电阻，再次观察输出波形。