學子專區—ADALM2000活動：二極體環形調變器

作者：ADI 系統應用工程師 Antoniu Miclaus


目標

本次實驗目的為説明二極體環形調變器的工作原理，探討其典型應用，並掌握生成雙邊頻抑制載波(DSBSC)訊號的基本原理。

材料

  1. ADALM2000主動學習模組
  2. 無焊試驗板
  3. 四個100 Ω電阻
  4. 兩個1 kΩ電阻
  5. 四個1N914二極體
  6. 兩個三線並繞變壓器（如有）

背景知識

在電子通訊中，平衡調變器是用於生成DSBSC訊號的電路。其能夠抑制射頻載波，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AM訊號的所有資訊，如此可以節省訊號傳輸過程中的功耗。

最常見的平衡調變器之一是二極體環形調變器，也稱為格型調變器。其由四個最初呈環形排列的二極體（因此命名）及輸入和輸出變壓器組成。調變器有兩個輸入：一個單頻載波和一個調變訊號，後者可以是單頻或複雜波形。載波施加於輸入和輸出變壓器的中心抽頭，調變訊號施加於輸入變壓器的一次側。然而，輸出在輸出變壓器的二次側被測量。圖1顯示了兩種不同電路方向的二極體環形調變器。

Figure 1. Diode ring modulator.
圖1.二極體環形調變器

二極體環形調變器是電子通訊中使用最廣泛的電路之一。除了生成DSBSC訊號外，其還用於頻率和相位調變系統及數位調變系統，例如PSK和QAM。

環形調變器中二極體的方向不得與二極體橋式整流器的方向混淆。它們可能呈現類似的環形，但環形調變器的所有二極體都朝順時針或逆時針方向，而橋式整流器的二極體則朝左或右。

工作原理

二極體環形調變器中使用的二極體可以是矽二極體、矽蕭特基障壁二極體或砷化鎵二極體。這些二極體用於開關，控制輸入訊號是否以180°相位反轉的方式通過。載波訊號以高速率控制二極體的通斷。請注意，為使調變器正常工作，載波的幅度必須顯著大於調變訊號的幅度，而這通常需要高出約六到七倍。

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，並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。結果是，調變訊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顯示了調變器的正半周操作。

Figure 2. Positive half-cycle operation.
圖2.正半周操作

圖3展示了二極體環形調變器的負半周操作。二極體D1和D2反偏關斷，而D3和D4正偏導通。同樣的現象再次出現在載波電流上。其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併，磁場相互抵消，載波被抑制。調變訊號透過輸入變壓器並發生180°相位反轉，然後到達輸出變壓器。

Figure 3. Negative half-cycle operation.
圖3.負半周操作

圖4以時序圖的形式顯示了二極體環形調變器的波形。

Figure 4. Diode ring modulator waveforms: (a) modulating signal, (b) carrier signal, (c) DSBSC signal at the primary of the output transformer, and (d) DSBSC waveform after filtering.
圖4.二極體環形調變器波形：(a)調變訊號，(b)載波訊號，(c)輸出變壓器初級處的DSBSC訊號， (d)濾波後的DSBSC波形。

在二極體環形調變器的輸出波形中，載波訊號被抑制，輸出由輸入頻率的和頻與差頻組成。這些RF脈衝以載波訊號的頻率為週期，複現調變訊號的形狀和幅度。理想情況下，載波訊號會被完全抑制。但實際上，這種情況不會真正發生。輸出訊號總是會伴隨一個小的載波分量，這被稱為 載波洩漏。這種現象由幾個原因引起：其一，變壓器的中心抽頭位置不夠精準；其二，二極體未完全匹配。

硬體設定

在無焊試驗板上建構圖5所示的電路。使用1N914快速開關二極體搭建二極體迴路。將W1設定為1 kHz正弦調變訊號，其峰對峰值幅度為1 V，將W2設定為10 kHz正弦載波，其峰對峰值幅度為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，並將輸出結果加以比較。本實驗需要一個採用HP3、HP4、HP5或HP6繞組佈局的Hexa-Path Magnetics變壓器。如果無法取得，您可以使用LTspice® 模擬繼續實驗。

Figure 5. Diode ring modulator breadboard circuit.
圖5.二極體環形調變器試驗板電路

程式步驟

觀察電路的輸出波形。其應該類似於圖6所示的模擬波形。

Figure 6. DSBSC waveform.
圖6.DSBSC波形

問題

  1. 改變輸入和輸出變壓器的匝數比。觀察並比較輸出波形。
  2. 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。輸出波形發生了什麼變化？

簡化二極體環形調變器

如圖7所示，我們可以從傳統二極體環形調變器中去掉變壓器，進而簡化設計。透過使用ADALM2000和兩個低阻值輸入電阻R1和R2（進而無需輸入變壓器），將載波和調變訊號的和頻與差頻輸入二極體環的兩個相對接點。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。

Figure 7. Simplified transformerless diode ring modulator.
圖7.簡化的無變壓器二極體環形調變器

硬體設定

這種無變壓器版本的二極體環形調變器很容易透過ADALM2000的訊號產生器驅動：在一個接點提供載波與調變訊號的和頻，在另一個接點提供差頻。設置試驗板，將第一個波形發生器W1的輸出連接到R1的另一端，第二個波形發生器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的接點。示波器輸入1-連接到連結D2、D4和R3的節點。最後，將R3和R4之間的節點連接到地。連接參見圖8。

Figure 8. Simplified transformerless diode ring modulator breadboard connection.
圖8.簡化的無變壓器二極體環形調變器的試驗板連接

程式步驟

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) 的調變訊號。最初，這兩個波形相乘，輸出訊號是兩者的乘積。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 =載波訊號

• fm =調變訊號

對於此種簡化方法，我們直接將邊頻輸入到輸入端。注意載波和調變訊號：對於上邊頻，我們得到 f(t) = 3sin(10kt) + 0.5sin(1kt)；對於下邊頻，則是 f(t) = 3sin(10kt) – 0.5sin(1kt)。

在訊號產生器中：對於W1 (Ch1)，設定公式 f(t) = (3 × sin(10×t)) + (0.5 × sin(t)) ，頻率為1 kHz；對於W2，設定 f(t) = (3 × sin(10×t)) – (0.5 × sin(t))，頻率同樣為1 kHz。在示波器中，水準軸設定為200 µs/div，垂直軸設定為500 mV/div。運行訊號產生器和示波器，觀察波形。結果應該與圖9中的波形相似。

Figure 9. Simplified transformerless diode ring modulator.
圖9.簡化的無變壓器二極體環形調變器

問題

如果改變圖7的電阻值會如何？請將R1和R2更換為1 kΩ電阻。另外，輸出波形的幅度會發生什麼變化？請將R1和R2恢復到之前的值。最後，將R3和R4更換為1 kΩ電阻，並再次觀察輸出波形。

答案請參考學子專區部落格。