任务4.3　 调幅信号的解调(检波)

任务4.3　调幅信号的解调(检波) 4.3.1 检波器概述 4.3.2 同步检波器 4.3.3大信号包络检波器

本讲导航 教学内容 4.3.1 检波器概述 4.3.2 同步检波器 教学目的 1．理解检波器的概念（从频谱、波形）、分类、组成、主要技术指标。 2．掌握同步检波器的实现模型及工作原理。

教学重点 1.检波的概念、类型、组成、主要技术指标 2.同步检波器的实现模型及工作原理 教学难点 无

§ 4.3.1 检波器概述 一、检波器的作用和组成 1、检波器的概念：从高频调幅波中检出原调制信号的过程，称为检波。完成这个功能的电路称为检波器。 下面我们分别从频谱和波形来理解检波的实质。

检波前和检波后信号的频谱，如下： 图7-24检波器的频谱变换（普通调幅） Uim/V fc f U0m/V （a）输入信号频谱 fc-fn Uim/V fc f U0m/V （a）输入信号频谱 fc-fn fc+F1 fc-F1 fc+Fn F1 F2 Fn （b）输出信号频谱 图7-24检波器的频谱变换（普通调幅） 6

小结： 从图可以看出，检波是调幅的逆过程,则其频谱变换也与调幅相反，即把调幅波的频谱由高频不失真地搬到低频，其频谱向左搬移了fC。可见，检波器也是频谱搬移电路。

检波前和检波后信号的波形，如下： (1)当输入为高频等幅波时 uI(t) Uim t 7-25(a) 输入信号波形 u0(t) U0 t uI(t) 7-25(a) 输入信号波形 7-25(b)输出信号波形 U0 u0(t)

(2)当输入为单频正弦信号调制的普通调幅波时 t 7-26(a) 输入信号波形 7-26(b)输出信号波形 uI(t) Uim maUim uo(t) UΩm

小结： 从以上两种波形可以看出，对于普通调幅波，由于其包络反映了调制信号变化的规律，因此对普通调幅波进行检波，检波器的输出电压uO(t)波形与输入调幅波uI(t)的包络相同。

2、检波器的分类和组成 同步检波器（相干检波器） 非同步检波器（非相干检波器） 分类:

检波器是频谱搬移电路，所以检波器的组成中非线性器件是其核心元件，同时用低通滤波器滤除无用频率分量，取出原调制信号的频率分量。 1)同步检波器的组成框图 图7-27(a)同步检波器的组成框图 低通滤波器(LPF) 同步信号发生器 非线性器件 uI(t) ur(t) u0(t) 检波器是频谱搬移电路，所以检波器的组成中非线性器件是其核心元件，同时用低通滤波器滤除无用频率分量，取出原调制信号的频率分量。 同步信号发生器用来产生同步电压ur(t)=Urmcosωct。 它适合于各种调幅波的检波（AM、DSB、SSB) 。

2)非同步检波器的组成框图 图7-27(b)非同步检波器的组成框图 低通滤波器(LPF) 非线性器件 uI(t) u0(t) 非同步检波器检波时不需要同步信号，由非线性器件和低通滤波器构成，它只适合于普通调幅波（AM）的检波。这种检波器的输出信号(原调制信号)与调幅波的包络变化规律一致，故称为包络检波器。

电压传输系数用来说明检波器对高频信号的解调能力，又称为检波效率，用Kd表示。 二、检波器的主要性能指标 1)电压传输系数Kd 电压传输系数用来说明检波器对高频信号的解调能力，又称为检波效率，用Kd表示。 若检波器输入为高频等幅波，其振幅Uim为,而输出直流电压为Uo,则检波器的电压传输系数： Uim t uI(t) 7-25(a) 输入信号波形 7-25(b)输出信号波形 U0 u0(t)

若检波器输入为高频调幅波,其包络振幅为maUim，而输出低频电压振幅为UΩm ，如图7-26所示,则检波器的电压传输系数： 式(7-22) 显然,检波器的电压传输系数越大 ,则在同样输入信号的情况下,输出信号就越大,即检波效率高。一般二极管检波器Kd总小于1，Kd越接近于1越好。

2)输入电阻Ri 检波器的输入电阻Ri是指从检波器输入端看进去的等效电阻,用来说明检波器对前级电路的影响程度。定义Ri为输入高频等幅波的电压振幅Uim与输入高频脉冲电流中基波振幅Iim之比： 式(7-23) 此外,检波器还有衡量其失真的指标,如非线性失真系数THD,某些检波器还存在特殊的失真,这将在后文讨论。

§ 4.3.2 同步检波器 一、同步检波电路 同步检波电路实现方法 模拟乘法器实现 二极管包络检波器实现

1、用模拟乘法器实现的同步检波 图7-28（b）原理电路 图7-28（a）电路模型 u0 KM 低通滤波器 uz ur uI X Y LPF KMXY uI X Y LPF

1）当输入uI(t)为普通调幅波时，即 : 同步电压信号为： 则乘法器的输出电压为：

则uZ(t)中含有0、F、2fc、2fc±F共5个频率分量，经过低通滤波器LPF后滤去2fc、2fc±F高频分量，再经隔直电容后，就得到： 令 ： 则uo(t)为原调制信号。 由式(7-22)得该检波器的电压传输系数 :

2）当输入uI(t)为双边带调幅波时，即 : 则 ： 则uZ(t)中含有F、2fc±F共3个频率分量，经过低通滤波器LPF后滤去2fc±F两个高频分量，就得到： 与普通调幅波的输出及电压传输系数完全相同。

3）当输入uI(t)为单边带调幅波时，即 : （上边带） 则 则uZ(t)中含有F、2fc+F共2个频率分量，经过低通滤波器LPF后滤去2fc+F高频分量，就得到：

令 ： 则uo(t)为原调制信号 。 由式(7-22)得该检波器的电压传输系数 :

其实际电路图如下： 图7-29 MC1596接成的同步检波器 MC1596 7 2 3 8 9 6 1 4 10 5 100 51 0.1u 1.3K 1K 800 3K 0.005u RL>10K 1u 12V ur uI 10K 图7-29 MC1596接成的同步检波器 其实际电路图如下：

图中，电源采用12V单电源供电，调幅信号uI(t)通过0 图中，电源采用12V单电源供电，调幅信号uI(t)通过0.1uF耦合电容加到1端，其有效值在几mV~100mV范围内都能不失真解调，同步信号ur(t)通过0.1uF耦合电容加到8端，电平大小只要求能使双差分对管工作于开关状态（50~500mV之间）。输出端9经过RC的一个π型低通滤波器和一个1uF的耦合电容取出调制信号。

二、叠加型同步检波器 uI(t) + _ ur(t) 图7-30（b）叠加型同步检波电路 VD RL u0(t) C 图7-30（a）叠加型同步检波电路模型 包络检波器 uI(t) ur(t) uo(t) 叠加型同步检波器的工作原理是将双边带调制信号uI(t)与同步信号ur(t)叠加，得到一个普通调幅波，然后再经过包络检波器，解调出调制信号。

小结： 同步检波器可用于各种调幅波的检波，且同步电压振幅越大，则检波器的电压传输系数也越大。

三、参考信号的频率和相位偏差对检波的影响 同步检波器工作时，要求本地参考电压ur(t)与载波同频同相，即保持严格的同步。若ur(t)与载波不能保持严格同步，即存在频偏△ω、△Ф，则将对检波器有何影响呢？

1、设uI(t)为双边带调制信号 1）ur(t)与载波同频不同相 即 : 则 : 令 :

则检波器输出电压没有失真，但 使输出低频电压的振幅减小。如 即参考电压与载波同频同相，则输出低频电压的振幅最大； 如 : 则 : 希望△Ф越小越好。

2）与载波不同频同相 即 : 则 : 此时uo(t)的振幅将是按cos △ωt变化的低频电压，即产生了失真。

3）与载波不同频不同相 即 : 则 : 此时uo(t)的振幅将是按cos( △ωt+ △Ф)变化的低频电压，即产生了失真。

2、同步信号的产生方法 1）若输入信号器为普通调幅波，可将调幅波限幅去除包络线变化，得到的是角频率为ωc的方波，用窄带滤波器取出ωc成分的同步信号。 2）若输入信号器为双边带调幅波，将双边带调制信号uI(t)取平方uI(t) 2，从中取出角频为2ωc的分量，经二分频将它变为角频率为ωc的同步信号。 3）若输入信号器为发射导频的单边带调幅波，可采用高选择性的窄带滤波器，从入信号中取出该导频信号，导频信放大后就可作为同步信号。如果发射机不发射导频信号，则接收机就要采用晶体振荡器产生指定频率同步信号。

t uΩ UΩm 波形： (a)调制信号波形 t uc Ucm (b)载波信号波形 Ucm (c)调幅波波形 t

小结： 为了保证同步检波器不失真地解调出幅度尽可能大的信号，参考电压应与输入载波同频同相，即实现二者的同步。在实际工作时，二者的频率必须相同，而允许有很小的相位差。但如果是电视图像信号时也会有明显的相位失真，这一点要注意。

本讲小结 检波器的主要性能指标 2. 同步检波电路： 用模拟乘法器实现的同步检波 二极管包络检波器构成叠加型同步检波器 1.检波器概述： 检波器的作用和组成 检波器的主要性能指标 2. 同步检波电路： 用模拟乘法器实现的同步检波 二极管包络检波器构成叠加型同步检波器 3. 参考信号的频率和相位偏差对检波的影响

本讲作业 在同步检波器中，为什么参考电压与输入载波同频同相？二者不同频将对检波有什么影响？二者不同相又将对检波产生什么影响？

本讲导航 教学内容 4.3.3 大信号峰值包络检波器 教学目的 理解大信号峰值包络检波器的工作原理和失真

教学重点 大信号峰值包络检波器的工作原理和失真 教学难点 大信号峰值包络检波器的性能分析（工作原理及失真）

§ 4.3.3大信号峰值包络检波器 大信号包络检波器只适于普通调幅波的检波。目前应用最广的是二极管包络检波器 （集成电路中多采用三极管射极包络检波器）。 Tr + _ u1(t) V iD Cc RL u0(t) AM Ri2 U0 CL uΩ(t) uD(t) 图7-31二极管包络检波器

电路由二极管V和RL、CL组成的低通滤波器串接而成的，RL为检波负载电阻， CL为检波负载电容。变压器Tr将前级的普通调幅波送到检波器的输入端，虚线所示的 Cc为隔直电容，Ri2为后级输入电阻。 该电路输入的是大信号，即输入高频电压uI(t)的振幅在500mV以上，这时二极管就工作在受uD(t)控制的开关状态。

1、工作原理的分析 由图可以看出，二极管两端的电压 : 由于uI(t)是大信号，所以uo(t)也很大，其反作用不能忽略。当: 二极管导通； 当 : 二极管截止。 RL和CL并联，所以检波器的输出电压uo(t)就是电容CL两端的电压。

1)当输入为高频等幅波 7-32(a) 输入、输出信号波形 7-32(b)理想输出信号波形 t uI(t) uO(t) Uim 4 3 1 t Uim uO(AV) uO(t) 1 2 3 4

分析如下：设 时 CL上没有电荷，即 : 二极管导通，有电流iD，CL被充电，充电时间常数为: 且在 这时 由于rd很小，所以电容充电非常快，其uo(t)电压上升很快，如图7-32 (a)红线所示，该曲线非常陡峭。

当曲线上升到“1”点时，两曲线相交这一点，就表明 则 : 二极管处在临界状态。当过“1”点后，uI(t)有下降趋势，则 : 二极管截止，CL放电，放电时间常数为 : 其值比较大，所以电容放电非常慢，其uo(t)电压下降很慢，如图7-32 (a)红线第二段所示，该曲线比较平缓。

当曲线下降到“2”点时，两曲线相交这点，就表明 : 则 : 二极管处在临界状态。当过“2”点后，uI(t)有上升趋势，则 : 二极管又导通，有电流iD，CL被充电。

如此反复，由于充电快，放电慢，在很短时间内就达到充放电的动态平衡。此后，uo(t)便在平均值uo(AV)上下按频率fc作锯齿状的小波动。 若RLCL>>Tc，则CL放掉的电荷量很少，因此uo(t)的锯齿波动很小，一般可以忽略，则uo(t)的波形就近似是uI(t)的包络，如图7-32 (b)所示。 即检波效率约为1。

2)当输入为单频普通调幅波 7-33 (b)理想输出信号波形 7-33(a) 输入、输出信号波形 uO(t) uI(t) t Uim

设: 检波器的工作过程与高频等幅波输入时很相似，只是随着uI(t)幅度的增大或减小，uo(t)也作相应的变化。因此uo(t)将是与调幅包络相似的有小锯齿波动的电压。 则 :

uo(t)分解为一个直流分量：Uo=Uim； 一个按调幅波包络变化的低频分量： uΩ(t)= maUimcosΩt 。 经过隔直电容Cc的作用，在Ri2上就得到低频原调制信号uΩ(t) 。由于这种检波器输出电压uo(t)与输入高频调幅波uI(t)的包络基本相同，故又称为峰值包络检波。

2、主要性能分析 1）电压传输系数Kd 当输入为高频等幅波时 : 当输入为单频普通调幅波时 :

2）输入电阻Ri 条件：检波器输入为高频等幅波 则检波器输入功率为： 输出功率为： （直流功率） 输入功率一部分转换为输出功率，一部分消耗在二极管的正向电阻上，此消耗功率很小，可忽略。

则 : 而由于 可得: 故得 :

3、检波器的失真 分类 非线性失真 截止失真 频率失真 惰性失真 负峰切割失真

1）非线性失真 原因：是由于二极管伏安特性的非线性引起的。 克服措施：适当增大RL，可使非线性失真很小。 2）截止失真 原因：是由于二极管存在导通电压Uon,当输入调幅波的振幅小于Uon时，二极管截止引起的。 克服措施：使Uim(1-ma)>Uon，则可避免截止失真。或二极管尽量采用锗管。

3）频率失真 原因：是由于检波负载电容CL和隔直电容Cc取值不合理引起的。 其中CL的作用是旁路高频分量，若值太大，则其容抗值很小，将使有用的低频分量受到损失，引起频率失真。Cc的作用是隔直流通低频分量，若值太小，则其容抗值很大，将使有用的低频分量受到损失，引起频率失真。 克服措施：使CL<<1/RLΩmax和 Cc>>1/Ri2Ωmi n ，则可避免频率失真。

4）惰性失真 检波负载RL、CL越大，CL在二极管截止期间放电速度就越慢，则电压传输系数和高频滤波能力就越高。但RLCL取值过大，将会出现二极管截止期间电容CL对RL放电速度太慢，这样检波器的输出电压就不能跟随包络线变化，于是产生了惰性失真。 原因：是由于RLCL取值过大引起的。

uI(t) uO(t) t Uim t1 t2 图7-34惰性失真波形 在t1时刻，CL上电压的下降速度低于调幅波包络的下降速度，使下一个高频正半周的最高电压仍低于此时CL的两端电压uo(t)，二极管截止，则uo(t)不再按调幅波包络变化，而是按CL对RL的放电规律变化，直到t2时刻，uI(t)的振幅才开始大于uo(t)，检波器才恢复正常工作。这样，在t1~t2期间产生了惰性失真。又称为对角切削失真。

克服措施：为了避免产生惰性失真，二极管必须在每个高频周期内导通一次，则要求电容CL的放电速度大于或等于调幅波包络下降的速度。即： ma和Ω越大，包络下降速度就越快，则避免产生惰性失真所要求的RLCL值也就必须越小。在多频调制时，上式中ma和Ω应取最大值。

5）负峰切割失真 检波器的输出端经隔直电容Cc接到下一级的输入电阻Ri2，要求Cc的容量大，才能传送低频信号。则Cc两端存在直流电压Uo≈Uim，基本不变，其极性为左正右负，可以把它看成一直流电源。这个直流电源给RL分的电压为： Tr + _ u1(t) V iD Cc RL u0(t) AM Ri2 U0 CL uΩ(t) uD(t)

此电压极性为上正下负，相当于给二极管加了一个额外的反向偏压。 当RL>>Ri2时，URL就很大，这就可能使输入调幅波包络在负半周最小值附近的某些时刻小于URL，则二极管在这段时间就会截止，电容CL只放电不充电，但由于CL容量很大，其两端电压放电很慢，因此输出电压uo(t)=URL ，不随包络变化，从而产生失真。

在t1~t2期间产生了失真，由于这种失真出现在输出低频信号的负半周，其底部被切割，故称为负峰切割失真。 uI(t) uo(t) t Uim URL 波形： t1 t2 图7-35负峰切割失真波形 在t1~t2期间产生了失真，由于这种失真出现在输出低频信号的负半周，其底部被切割，故称为负峰切割失真。

为了避免产生负峰切割失真，必须使输入调幅波包络的最小值 Uim(1-ma)>URL ，即: 令检波器的直流负载为RL，低频交流负载为RΩ， 即 : 负峰切割失真的原因：检波器的交、直流负载电阻不等和调幅系数较大引起的。 克服措施：使Ri2越大，RΩ≈RL 。

_ u1(t) 图7-36 避免峰切割失真改进电路 V Cc RL1 uΩ(t) Ri2 + CL C1 RL2 其实际的电路如下：

图中把RL分为RL1和RL2， 则检波器的直流负载电阻RL=RL1+RL2 ； 交流负载电阻RΩ=RL1+RL2//Ri2。 当RL一定时，RL1越大，检波器的交、直流负载电阻的差别就越小，越不易出现负峰切割失真。 为了避免低频电压值过小，一般取 RL1/RL2=0.1~0.2。CL是用来进一步滤除高频分量的。

本讲小结 大信号包络检波器： 工作原理的分析 主要性能指标的分析 检波器的失真

本讲作业 2.分析惰性失真和负峰切割失真的原因及克服的措施。 1.为什么检波电路要用非线性器件？如果在图7-31电路中将二极管的极性反接，能否起到检波作用？若能，则输出电压波形与原电路有什么不同？ 2.分析惰性失真和负峰切割失真的原因及克服的措施。

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