课程设计（论文）-小功率调幅发射系统的设计.doc

1.小功率调幅发射系统的设计内容及要求1.1设计内容在本次通信原理课程设计中我采用multisim 软件对小功率调幅发射机电路进行设计与绘制，并进行模拟仿真。从理论上对电路进行分析，选择适合的元器件，设计出满足技术指标的小功率调幅发射系统。1.2设计要求 （1）中心频率f=6mhz（2）频率稳定度（3）输出调幅波功率大于或等于200mw（4）调制系数大于或等于50%（5）包络不失真2.小功率调幅发射系统的简介2.1调幅发射系统的认识发射机的主要任务是完成有用的低频信号对高频载波的调制，将其变为在某一中心频率上具有一定带宽、适合通过天线发射的电磁波。调幅发射机实现调幅简便，调制所占的频带窄，并且与之对应的调幅接收设备简单，所以调幅发射机广泛地应用于广播发射。所谓调幅，就是指，使振幅随调制信号的变化而变化，严格的讲，就是指载波振幅与调制信号的大小成线性关系，而它的频率和相位不变。振幅调制分为4种方式：am（普通调幅）、dsb（抑制载波双边带调幅）、ssb（单边带调幅）、vsb（残留边带调幅）。本设计调幅发射机指的是am调幅发射机。通常，发射机包括三个部分：高频部分，低频部分和电源部分。高频部分一般包括主振荡器、缓冲放大、倍频器、中间放大、功放推动级与末级功放。主振荡器的作用是产生频率稳定的载波。缓冲级主要是削弱后级对主振器的影响。低频部分包括话筒、低频电压放大级、低频功率放大级。调制是将要传送的信息装载到某一高频振荡信号上去的过程。2.2 调幅发射系统的总体设计 本次设计的总体设计框图如下图2.1所示：主振级振幅调制缓冲级低频放大图2.1系统图框谈谈 图图图输出网络激励级天线图中，各组成部分的的作用如下：振荡级：产生频率为6mhz的载波信号。缓冲级：将振荡级与调制级隔离，减小调制级对振荡级的影响。音频放大级：将话筒信号电压放大到调制级所需的调制电压。调幅级：将话音信号调制到载波上，产生已调波。输出网络级：将前级放大的调幅信号送到天线，天线以高频载波电流的电磁波的形式发射到空间。3.主要电路方案的比较与论证3.1 主振级模块的比较与论证方案一：rc正弦波振荡器。其中rc振荡电路是用电阻与电容器组成的，因此并无调谐电路。所以不能够抑制高谐波的产生，不适于当做高频的振荡电路。方案二：石英晶体振荡器。石英晶体振荡器具有很高的稳定度，可高达10-410-11量级。频率稳定度要求高的情况下，可以采用晶体振荡器。方案三：三点式lc正弦波振荡器。三点式振荡电路有电容三点式和电感三点式之分。电容三点式振荡器的输出波形比电感三点式振荡器的输出波形好。在电感三点式振荡器中，晶体管的极间电容与回路电感相并联，在频率高时可能改变电抗的性质；在电容三点式振荡器中，极间电容与电容并联，频率变化不改变电抗的性质。因此振荡器的电路型式一般采用电容三点式。在频率稳定度要求不高的情况下，可以采用普通三点式电路、克拉泼电路、西勒电路。lc回路由于受到标准性和品质因数的限制，其频率稳定度只能达到10-4量级。因此，作为高频的振荡电路通常使用的是lc振荡电路或晶体振荡电路。与lc回路相比，技术指标要求频率稳定度不低于10-3，因此lc振荡器与晶体振荡器均符合要求。又由于本次课程设计是进行仿真实验的，晶振难以在multisim软件中控制，而在该软件中通过调整原件的参数也可以失频率稳定度达到10-5以下。、所以最终选择的高频信号产生电路为lc正弦波振荡电路。在lc正弦波振荡电路中，我们一般用的是三点式振荡电路。高频振荡器即为本机振荡器，根据载波频率的高低和频率稳定度来确定电路形式。一般采用三点式振荡器。电容三点式振荡器的输出波形比电感三点式振荡器的输出波形好。这是因为电容三点式振荡器中，反馈是由电容产生的，高次谐波在电容上产生的反馈压降较小，输出中高频谐波小；而在电感三点式振荡器中，反馈是由电感产生的，高次谐波在电感上产生的反馈压降较大。另外，电容三点式振荡器最高工作频率一般比电感三点式振荡器的高。这是因为在电感三点式振荡器中，晶体管的极间电容与回路电感相并联，在频率高时可能改变电抗的性质；在电容三点式振荡器中，极间电容与电容并联，频率变化不改变电抗的性质。因此本次实验的振荡器的电路型式采用电容三点式电路。3.2 振幅调制模块的比较与论证 振幅调制电路按输出功率的高低，可分为高电平调幅电路和低电平调幅电路。低电平调幅电路是将调制和功放分开，调制在低电平级实现，然后经线性功率放大器的放大，达到一定的功率后再发送出去。而高电平调幅是将调制和功放合二为一，调制后的信号不需要放大就可以直接发送出去。下面有三种方案：方案一：二极管平衡电路。在电路中为减少无用组合频率分量，应使二极管工作在大信号状态，即控制电压的信号（载波信号的电压）的幅值至少应大于0.5v以上。方案二： mc1496模拟相乘器的核心电路是差分对模拟相乘器，实现调幅和同步检波。mc1496线性区和饱和区的临界点在1520mv左右，仅当输入信号电压均小于26mv时，器件才有理想的相乘作用，否则电压中会出现较大的非线性误差。在2、3引脚之间接入1k反馈电阻，可扩大调制信号的输入线性动态范围，满足设计需要。方案三：集电极调幅电路该电路主要是用来产生普通调幅波，这种调制方式通常在丙类谐振功率放大器中进行，它可以直接产生满足发射功率要求的已调波。在本次课程设计的过程中，为了减小电路的复杂性，故选方案三。4.单元电路的设计与仿真4.1 主振级 由前面的方案分析与论证可以知道，本次实验采用电容三点式电路。常用的电容三点式振荡器包括毕兹振荡器、克拉泼振荡器、西勒振荡器。本级用来产生6mhz左右的高频振荡载波信号，由于整个发射机的频率稳定度由主振级决定，因此要求主振级有较高的频率稳定度，同时也要有一定的振荡功率（或电压），其输出波形失真较小。为此，这里我采用克拉泼振荡电路，可以满足要求。如下面的图4.1所示。图4.1 主振级电路图分析该电路，为电容三点式振荡器，所以其谐振频率可以表示为： 其中，l=3.3uh,c3=330pf,c4=1nf,c6=1nf ，通过带入公式，可以解得其振荡频率为，f=6.1mhz。 经过仿真，可以得出信号源产生的波形的仿真图及频率，如下图4.2.1，图4.2.2所示图4.2.1 信号源产生的高频信号图图4.2.2 信号源的频率经过仿真，可以观察到，克拉泼电路输出波形较好，失真较小，这是因为集电极和基极电流可以通过对谐波为低阻抗的电容支路回到发射极，所以高次谐波的反馈减弱，输出的谐波分量减小，波形更加接近正弦波。其次，该电路的不稳定电容(分布电容、器件的结电容等)都是与该电路并联的，所以适当加大回路的电容量，就可以减弱不稳定因素对振荡频率的影响，从而提高了频率稳定性。具体分析该电路，c3,c4,c6和l1构成了振荡回路，为基极耦合电容。在设计电路，可以使c4c3,c6c3，并且可以使为可变电容，使和c6分隔开，使反馈系数仅取决于和c6的比值，而振荡频率基本上由和l1决定。这样，就减弱了晶体管与振荡回路之间的耦合，使折合到回路的有源器件参数减小，从而提高了频率稳定性。但是不能太小，否则将造成起振困难。4.2缓冲级电路考虑到主振荡回路的频率稳定性和波形因素，减弱后级对主振器的影响，所以需要在它后面加入缓冲级。所谓缓冲级就是一级几乎不需要推动功率的放大器。通常采用射极跟随器电路。根据要求设计出其电路如下图3-2-1所示。图4.3 缓冲级电路图本电路选用共集电极放大回路，电压增益小于1而接近于1，输出电压和输入电压同相；输入电阻高，而输出电阻低。这个特性可以用来作为电路的中间级，以隔离前后级之间的相互影响。所以通过仿真，得出输出的波形图如下图4.4所示。图4.4 缓冲就输出波形图4.3低频放大电路 本部分电路是将低频并带有有效信息的信号进行放大，以便进行幅度调制。放大器采用的是集成运放ua741。ua741是高增益的集成运算放大器。可用于此处放大低频语音信号。其管脚图如下图图4.5所示。图4.5 ua741的引脚图低频信号经过放大器的放大，其电路图及得出的输出波形如下图4.6和图4.7所示：图4.6 低频放大电路图4.7 低频放大的输入与输出信号4.4 调幅电路由于本课程设计采用集电极调幅电路，属于高电平调幅，所以必须采用高频功率放大器，使振荡器的输出电压满足要求。高频功率放大器，工作的相对带宽较窄，负载网络采用的是谐振回路，谐振频率和载波的中心频率f=6mhz相同。高电平功率放大器的原理是利用输入到基极的信号，来控制集电极的直流电源所供给的直流功率，使之转换为交流信号功率输出。高频功率放大器的重要指标是功率和效率。如果要得到较高的功率和效率，关键在于减少集电极耗散。使集电极电流在最小的时候通过，那么，集电极耗散功率自然就会降低。为了获得高的集电极效率，放大器的集电极电路应该是脉冲状。高频功率放大器，同时提高功率和效率时，存在矛盾，为了兼顾功率和效率，最佳导通角为左右。对于其负载特性的不同，可以分为临界状态，欠压和过压状态。临界状态的优点是输出功率最大，效率也较高，可以说是最佳的工作状态。这种工作状态主要用于发射机末级。过压状态的优点是，当阻抗变化时，输出电压比较平稳；在弱压时，振幅调制就是用基带信号来改变高频载波的性质，再由天线发射出去，从而实现信息的传输。调制是一个频谱变换过程，必须用非线性元件来实现。采用调制的目的主要在于提高天线的辐射效率，缩短天线尺寸；同时，每个电台工作于不同的载波频率，减小了干扰。本实验中的调幅电路如下图4.8所示：图4.8 振幅调制电路图5.整体电路设计5.1 整体电路图将以上各级单元电路一次连接就构成了小功率调幅发射机整体电路原理图，如下图5.1所示：图5.1 调幅系统整体原理图5.2 总电路的仿真通过搭建电路，具体电路图如本课程设计的图5.2所示。在multism中进行仿真，最终可得到实验结果如下，这里如波形图5.3所示：图5.2 调幅系统图图5.3 输出调幅波形图通过以上仿真，分析如下：一、最终得到了调幅波。但是波形存在失真，波形中存在高频分量的干扰，部分波形畸变。二、得到的调幅波的电压较低，需要进一步改善电路。总而言之，最终的结果基本上满足了课题要求6 设计结果调制级理论计算：=19.2v =20khz =6mhz=9.6v =28.8v=( - )/2=9.6v=/=9.6/19.2=50%系统调幅电路测得am信号：1500v 500v=()/(+)=50%调幅功率计算调幅波负载阻值：r=2=2610mhz10uh377载波功率：=/(2r)= v/(2377) =488.9mw上下边频功率：p1=p2=pc=30.5mw调制的平均总功率：=p1+p2+pc=549.9mw 200mw满足设计要求频率稳定度=/=(6.107mhz-6.1mhz)/6.1mhz=心得与体会通过这次的高频课程设计，我收获了颇多：首先，通过弄懂书本上的原理，以及一些课外书籍和网上知识的学习，和同学一起分析讨论设计出了比较合理和能够实现的电路，这样一来，把所学的理论知识运用到了实践中，不仅巩固了理论知识的学习，更加提高了分析解决问题的能力。这次的课设是每个人独立完成一种电路的设计与制作，是一次很好的锻炼自己独立能力的机会，尽管在课设的过程中碰到过很多难题，我都是先独立思考解决，实在解决不了的就请教身边的同学，有时候会被一语点破发现问题其实不是问题。大家一起探讨，总是能发现问题的所在并且找的很好的解决方法。其次，在以往模拟电子电子技术和数字电子技术课设的基础上，再次使用仿真软件，做起仿真电路来比以前更加熟练，也学会了在仿真过程中发现问题并找到原因更好地改进电路。知识在于积累，课设让我感觉到以往所学知识的力量是无穷的。最后，在正确的仿真电路下，合格地完成了课设，更重要的是在这个过程中学到了很多东西，培养了自己独立思考和解决问题的能力，培养了动手能力和思考解决问题的能力。致 谢在这次的高频电子线路设计的过程中，我花了近两周的时间完成。因为这次课程设计是在高频电子线路上完之后进行的，所以有了一定的基础知识，才敢开始动手做这次课程设计。在这次课程设计中，自己感到虽然课本上的理论知识掌握的可以，但是一到实际仿真应用上的时候，自己不能够很好的应用自己所学的知识去解决一系列的问题。但是在老师其他同学的帮助下，以及自己不断的翻阅有关资料，才能够顺利的解决这次的课程设计，最终效果虽然不是那么好，但是毕竟总体效果达到了。我要感谢我的老师和同学们，感谢他们的帮助和指导。虽然完成了课程设计，也取得较好的效果，但也发现了自己的不少问题，不仅仅是知识的掌握方面，还有自己思维方法、独立解决问题能力方面。由于自己对知识掌握的不是很全面，在计算元件的参数、设计电路图时，遇到了很大的困难；在思维方式方面，由于对自己的心里原因，并没有在很短的时间里对设计有个整体的框架，进而很快进入状态。当然，在发现自身一系列问题的同时，通过这次课程设计，我巩固了自己的课本知识，提高了自己独立发现问题、分析问题、解决问题的能力，提高了自己的综合