作者：Antoniu Miclaus，系統應用工程師; Doug Mercer，顧問研究員
目標
本實驗活動使用ADALM2000和Scopy介紹包絡檢測和幅度調制。信號的包絡相當于其輪廓，包絡檢波器連接該信號中的所有峰值。包絡檢測在信號處理和通信領域應用廣泛，幅度調制(AM)檢測便是其中一個應用。
AM是電子通信領域使用的一種調制技術，常用于通過無線電載波傳輸信息。在AM中，載波的幅度（信號強度）與被傳輸的波形成比例變化。例如，該波形可能對應于揚聲器重現的聲音或電視像素的光強度。
典型的幅度調制信號如公式1所示。
其中：
? 
：消息信號
? 
：載波信號
? k = 調制指數（通常在0至1之間變化）
? ωm = 消息頻率
? A = 載波幅度
? ωc = 載波頻率
包絡檢波器是一種電子電路，它以高頻信號為輸入并提供輸出，即原始信號的包絡(ωc » ωm)。
包絡檢波器主要由兩個元素組成：
? 二極管/整流器：用于增強接收信號的一個半周而抑制另一個半周
? 低通濾波器：去除檢測/解調后信號中剩余的高頻元素時需要。
濾波器通常由一個非常簡單的RC網絡組成，但在某些情況下，依靠整流器之后的電路有限頻率響應即可提供濾波器。
材料
? ADALM2000主動學習模塊
? 無焊試驗板和跳線套件
? 兩個1 kΩ電阻
? 兩個1 μF電容
? 兩個1N914二極管
包絡檢波器
背景知識
請看圖1所示的電路。
圖1.基本包絡檢波器電路。
電路中的電容在上升沿儲存電荷，并當信號下降時，通過電阻緩慢釋放電荷。串聯的二極管對輸入信號進行整流，僅當正輸入端的電位高于負輸入端時才允許電流流動。
圖2.包絡檢波器試驗板電路。
硬件設置
為包絡檢波器電路構建圖2中的試驗板電路。
程序步驟
使用第一波形發生器作為提供AM信號的信號源，其參數如下所示：
? k = 0.5
? ωc = 10 kHz
? ωm = 100 Hz
? A = 3
要生成AM信號，請使用Scopy信號發生器中的數學函數。將記錄長度設置為20 ms，將采樣率設置為75 MSPS，并應用以下函數：(1 + 0.5 × cos (2 × pi × 100 × t)) × 3 × cos (2 × pi × 100 × 100 × t)。生成的波形如圖3所示。
圖3.生成的AM信號。
配置示波器，以使輸出信號顯示在通道1上。
斷開電容與電路的連接，并觀察輸出信號。產生的波形如圖4所示。
圖4.生成的AM信號的正半部分。
如果不連接電容，電路的工作方式與正半波整流器類似，即保留大于0 V的信號部分。
現在，將電容重新連接到電路。產生的波形如圖5所示。
圖5.正半波包絡。
得到的信號是先前得到的正半波的包絡。實際上，它是具有10 kHz變化的100 Hz消息信號（由載波信號引入）。
頻域頻譜
這些信號也可使用頻譜分析儀工具在頻域中查看。首先，同時觀察10 kHz載波和100 Hz消息信號（因為二者都位于該電路的輸出端）。啟用通道1，并將掃描范圍設置為10 Hz至15 kHz。運行單次掃描。從標記選項卡和標記表中啟用標記1和2。使用上一個峰值、下一個峰值移動每個標記，以便在載波和消息信號上設置這些標記。產生的波形如圖6所示。
圖6.消息和載波信號。
將掃描范圍設置為9 kHz至11 kHz。在圖7中，主峰值位于10 kHz載波頻率處，并且載波兩側有±100 Hz的調制邊帶（9900 Hz和10100 Hz）。
圖7.解調后的載波信號頻譜。
將掃描范圍設置為20 Hz至180 Hz。在圖8中，主峰值位于100 Hz消息頻率處。
圖8.解調后的消息信號頻譜。
由于使用基本包絡檢波器電路對輸出信號進行了頻率分析，因此消息和載波信號均顯示出來。在施加的輸入信號中，載波幅度大于消息幅度，而相比之下，頻譜分析儀繪圖通知中的消息信號(100 Hz)被放大，幅度相較于載波信號更為明顯（參見標記表）。
擴展包絡檢波器
背景知識
請看圖9所示的電路。
圖9.正負包絡檢波器電路。
在圖1的電路中添加一個類似的電路。唯一的區別是二極管反轉，允許負電壓通過RC電路。
硬件設置
為擴展包絡檢波器電路構建圖10中的試驗板電路。
圖10.擴展包絡檢波器試驗板電路。
程序步驟
使用第一波形發生器作為提供AM信號的信號源，其參數如下所示：
? k = 0.5
? ωc = 10 kHz
? ωm = 100 Hz
? A = 3
要生成AM信號，請使用Scopy信號發生器中的數學函數。將記錄長度設置為50 ms，并應用以下函數：(1 + 0.5 × cos (2 × pi × 100 × t)) × 3 × cos (2 × pi × 100 × 100 × t)。生成的波形如圖11所示（顯示了5個周期）。
圖11.生成的AM信號。
配置示波器，以使輸出信號顯示在通道1上。
斷開電容C1和C2與電路的連接，并觀察輸出信號。產生的波形如圖12所示。
圖12.生成的AM信號的正半部分和負半部分。
如果不連接電容，電路就像一個正半波整流器和負半波整流器，并將正半波與負半波分開。
現在，將電容重新連接到電路。產生的波形如圖13所示。
圖13.正半波包絡和負半波包絡。
得到的信號是先前得到的正半波和負半波的包絡。
問題
1. 如果電容/電阻值發生變化會如何？這種情況有什么缺點？
2. 對于圖1中的電路，如果在D1和R1之間添加一個與二極管串聯的電阻，輸出會受到什么影響？請解釋有何差異。
額外活動：偏置包絡檢波器
如果幅度（即擺幅）小于二極管的正向導通電壓，則圖1中基于二極管的簡單包絡檢波器無法正常導電，或者根本無法導電。當二極管未完全導通時，對于高調制指數（接近100%），調制信號的負半部分將嚴重失真。解決此限制的一個方法是為二極管引入小直流偏置。該小偏置電流移動到電路的靜態工作點，正好位于二極管的導通點。
材料
? ADALM1000主動學習模塊
? 無焊試驗板和跳線套件
? 一個1.5 kΩ電阻（棕色、綠色、紅色）
? 一個10 kΩ電阻（棕色、黑色、橙色）
? 一個20 kΩ電阻（紅色、黑色、橙色）
? 兩個1.0 μF電容（C1和C2）
? 一個2N3904 NPN晶體管
? 一個1N914二極管
背景知識
考慮圖14所示的電路。
圖14.偏置包絡檢波器電路。
幅度調制信號交流耦合到NPN晶體管Q1的基極，該晶體管配置為發射極跟隨器。分壓器R1和R2與二極管D1設置交流耦合輸入的直流偏置點（直流恢復）。如果沒有任何調制輸入，Q1發射極處的直流靜態工作點將等于R1和R2連接點的電壓減去D1的二極管壓降和Q1的VBE。Q1的基極電流流入二極管D1，使其正向偏置。在調制輸入的正半周期內，D1關閉，輸入信號峰值為濾波電容C2充電。在輸入信號的負半周期內，晶體管Q1關閉，D1的導電能力更強，提供輸入電流。
硬件設置
為偏置包絡檢波器電路構建圖15中的試驗板電路。
圖15.偏置包絡檢波器試驗板電路。
程序步驟
將電路連接至5 V電源。
為了測試該電路，首先使用簡單二極管包絡檢波器示例中使用的相同調制信號。將新設計與簡單二極管包絡檢波器進行比較。使用與前面相同的步驟，生成具有較小幅度/較高調制指數的AM信號，并比較這兩種檢波器設計的輸出。
圖16顯示了偏置包絡檢波器的輸入和輸出波形示例。
圖16.偏置包絡檢波器波形。
問題
1. 包絡檢波器電路的基本組成部分有哪些？請描述它們的作用。
2. 包絡檢波器的時間常數(RC)對其性能有何影響？
您可以在學子專區論壇上找到問題答案。
關于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2024財年收入超過90億美元，全球員工約2.4萬人。ADI助力創新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。
作者簡介
Antoniu Miclaus是ADI公司的軟件工程師，負責為Linux和無操作系統驅動程序開發嵌入式軟件，同時從事ADI教學項目、QA自動化和流程管理工作。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他擁有貝碧思鮑耶大學軟件工程碩士學位，并擁有克盧日-納波卡科技大學電子與電信工程學士學位。
Doug Mercer于1977年畢業于倫斯勒理工學院(RPI)，獲電子工程學士學位。自1977年加入ADI公司以來，他直接或間接貢獻了30多款數據轉換器產品，并擁有13項專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉型，并繼續以名譽研究員身份擔任ADI顧問，為“主動學習計劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。
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