通信电子线路课程设计--调频发射系统整机电路设计.doc

兰州理工大学课程设计报告摘 要随着人类的文明不断进步，科学技术不断的发展，人们之间的交流越来越多，相互交换的信息也日益剧增，要传送的信息类型也是越来越多样化。科技的进步也使得通信的技术得到了发展，特别是无线电波的使用，使我们的通信更加实时、高效。科技的快速发展，将使人们的通信更方便快捷。随着科技的发展和人民生活水平的提高，无线电发射机在生活中得到广泛应用，最普遍的有电台、对讲机等。人们通过无线电发射机可以把需要传播出的信息发射出去，接收者可以通过特制的接收机接受信息，最普通的模式是：广播电台通过无线电发射机发射出广播，收听者通过收音机即可接收到电台广播。调频发射机目前处于快速发展之中，在很多领域都有了很广泛的应用。它可以用于演讲、教学、玩具、防盗监控等诸多领域。关键字：高频电子线路，Multisim仿真，调频发射。目 录一、前言1二、设计指标22.1题目22.2设计任务及主要技术指标和要求22.3内容和要求22.4主要技术指标2三、系统总述33.1 调频基本概念33.2 工作原理33.3整体原理框图5四、单元电路设计与仿真64.1压控振荡器调频电路64.2变容二极管直接调频电路84.3上混频电路104.4三极管倍频电路114.5丙类谐振功率放大电路12五、整机电路设计13六、高频实验平台整机联调14七、设计总结16八、参考文献17II一、前言频率的调制和解调是通信电子线路中非常重要且比较关键的一部分，调频电路在通信电子线路中运用非常广泛且作用很大,如何学好此部分对我们来说非常重要。本课程设计的内容是学习基于Multisim的调频电路设计与仿真。用Multisim仿真软件进行调频电路调频和解调，得到仿真结果。从仿真结果中更好地理解频率的调制和解调。由于一般的低频信号无法进行远距离传输，所以得经过调频搬到高频信号上传输，这个过程就是我们常说的调频。用待传输的低频信号去控制高频载波参数电路称为调制电路，解调是调制的逆过程，从高频已调信号中还原出原调制信号称为解调电路。本文设计了基于Multisim的变容二极管的直接（间接）调频电路，压控振荡器调频电路，锁相环调频电路，上混频电路，三极管倍频和锁相环倍频等倍频电路，丙类谐振功率放大器。二、设计指标2.1题目 调频发射系统整机电路设计2.2设计任务及主要技术指标和要求2.2.1单元电路的的设计及仿真 (1)设计变容二极管直接(间接)调频电路 (2)设计压控振荡器调频电路 (3)设计锁相环调频电路 (4)设计上混频电路 (5)设计三级管倍频和锁相环倍频等倍频电路 (6)设计丙类谐振功率放大器2.2.2调频发射系统整机电路设计2.2.3高频实验平台整机联调2.3内容和要求要求完成各单元电路设计及仿真，利用Multisim开发软件完成整机电路设计； 通过实际电路方案的比较分析，参数计算，元件选取，仿真测试等环节，初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法； 了解与课程有关的电子电路以及元器件工程技术规范，能按课程设计任务书的技术要求，编写设计说明，能正确反映设计和实验成果，能正确绘制电路图；掌握常用仪表的正确使用方法，学会简单电路的实验调试和整机指标测试方法。2.4主要技术指标 （1）中心频率=12MHz（2）频率稳定度0.1MHz （3）最大频偏10kHz （4）输出功率30mW （5）电源电压Vcc=12V三、系统总述3.1 调频基本概念调制信号（低频信号）去控制载波信号的幅度而实现的调制称为调幅；同样，若用调制信号去控制载波的频率或相位而实现的调制分别称为调频或调相。由于调频或调相两种调制都改变了载波的瞬时相位，通称角度调制。在模拟调制中，调频具有较为优越的性能，因此，调频技术广泛应用于立体声广播、电视伴音、无线麦克风、微波传输及卫星通信。同样，完整的调频通信系统也由发射机与接收机两部分组成，与调幅通信系统比较，除了调制与解调的原理方法不同外，其他部分如超外差变频接收技术、中频放大电路等基本相同。使载波频率按照调制信号改变的调制方式叫调频。已调波频率变化的大小由调制信号的大小决定，变化的周期由调制信号的频率决定。已调波的振幅保持不变。调频波的波形，就像是个被压缩得不均匀的弹簧，调频波用英文字母FM表示。3.1.1 调频波（FM）载波，调制信号；通过FM调制，使得频率变化量与调制信号1的大小成正比。即已调信号的瞬时角频率已调信号的瞬时相位为3.1.2 FM性能指标因为频率调制不是频谱线性搬移过程，它的电路就不能采用乘法器和线性滤波器来构成，而必须根据调频波的特点，提出具体实现的方法。对于调频电路的性能指标，一般有以下几方面的要求：（1）线性的调制特性。即已调波的瞬时频率变化与调制信号成线性关系。（2）具有较高的调制灵敏度。即单位调制电压所产生的振荡频率偏移要大。（3）最大频率偏移与调制信号频率无关。（4）未调制的载波频率（即已调波的中心频率）应具有一定的频率稳定度。（5）无寄生调幅或寄生调幅尽可能小。3.2 工作原理3.2.1直接调频原理直接调频的基本原理是利用调制信号直接控制振荡器的振荡频率，使其反映调制信号变化规律。要用调制信号去控制载波振荡器的振荡频率，就是用调制信号去控制决定载波振荡器振荡频率的元件或电路的参数，从而使载波振荡器的瞬时频率按调制信号变化规律线性地改变，就能够实现直接调频。（1）改变振荡回路的元件参数实现调频在LC振荡器中，决定振荡频率的主要元件是LC振荡回路的电感L和电容C。在RC振荡器中，决定振荡频率的主要元件是电阻和电容。因而，根据调频的特点，用调制信号去控制电感、电容或电阻的数值就能实现调频。调频电路中常用的可控电容元件有变容二极管和电抗管电路。常用的可控电感元件是具有铁氧体磁芯的电感线圈或电抗管电路，而可控电阻元件有二极管和场效应管。（2）控制振荡器的工作状态实现调频在微波发射机中，常用速调管振荡器作为载波振荡器，其振荡频率受控于加在管子发射极上的发射极电压。因此，只需将调制信号加至发射极即可实现调频。若载波是由多谐振荡器产生的方波，则可用调制信号控制积分电容的充放电电流，从而控制其振荡频率。3.2.2间接调频原理调频波的数学表示式，在调制信号为u(t)时，为uFM(t)=Ucm cosct+kf 可见调频波的相位偏移为kf ，与调制信号u(t)的积分成正比。若将调制信号先通过积分器得，然后再通过调相器进行即可得到调制信号为u(t)的调相波，即u(t)=Ucm cosct+kP 因此，调频可以通过调相间接实现。通常将这样的调频方式称为间接调频。这样的调频方式采用频率稳定度很高的振荡器(例如石英晶体振荡器)作为载波振荡器，然后在它的后级进行调相，得到的调频波的中心频率稳定度很高。3.3整体原理框图本振混频器倍频器功率放大器调频电路功率放大器倍频器四、单元电路设计与仿真4.1压控振荡器调频电路压控振荡器由两只晶体三极管及变容二极管等电路组成，及周围电路组成频率可变的电容反馈三点式振荡器（又称考必兹振荡器）。回路电容为晶体管极间电容，串联后构成回路电感。变容二极管的作用是，当外加控制电压经电阻加到它上面，变容管的等效电容随外加电压变化而改变，电路中振荡回路的自然谐振频率随之改变。从而当外加控制电压变化时，能改变压控振荡器的振荡频率。该压控振荡器的频率约为2.2-2.5GHz，由于振荡频率高，晶体管的极间电容、引线电感等参数对振荡频率及工作状态都有很大影响。图4-1-1 压控振荡器原理图压控振荡器工作原理及应用指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路,常以符号(VCO)。其特性用输出角频率0与输入控制电压uc之间的关系曲线来表示。图中,Uc为零时的角频率0,0称为自由振荡角频率；曲线在0,0处的斜率K0称为控制灵敏度。使振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器。人们通常把压控振荡器称为调频器，用以产生调频信号。在自动频率控制环路和锁相环环路中，输入控制电压是误差信号电压，压控振荡器是环路中的一个受控部件。图4-1-2压控振荡器的控制特性图4-1-3压控振荡器电路图4-1-4压控振荡器波形4.2变容二极管直接调频电路直接调频的基本原理是利用调制信号直接控制振荡器的振荡频率，使其反映调制信号变化规律。要用调制信号去控制载波振荡器的振荡频率，就是用调制信号去控制决定载波振荡器振荡频率的元件或电路的参数，从而使载波振荡器的瞬时频率按调制信号变化规律线性地改变，就能够实现直接调频。变容二极管是一种电压控制的可变电抗元件，它的PN节呈现的势垒电容值会随着反偏电压的变化而变化。变容二极管直接调频正是利用这一特性实现调频。其原理电路如下所示：图4-2-1变容二极管直接调频原理电路图4-2-2变容二极管直接调频电路图4-2-3变容二极管直接调频波形图4-2-4变容二极管直接调频频谱4.3上混频电路上混频电路是将中频信号和本地振荡信号相混合得到射频信号的输出，本设计用三级管做混频电路将中频信号转换为射频信号。图4-3-1上混频电路图4-3-2上混频电路波形4.4三极管倍频电路已知丙类放大器集电极电流ic是调谐于n次谐波上（n为正整数），那么输出回路对基波和其他谐波的阻抗很小，近对n次谐波的阻抗达到最大值，且呈电阻性。于是输出谐振回路仅有ic的n次谐波分量产生的高频电压，而其他频率分量产生的电压均可忽略。因而，在谐振阻抗Rp上可得到频率为输入信号频率n 倍的输出信号功率。图4-4-1三极管倍频电路图4-4-2三极管倍频电路波形4.5丙类谐振功率放大电路丙类谐振功率放大器用来对载波信号或高频已调波信号进行功率放大，其负载是LC振荡回路，用以提高选择性，改善输出波形。图4-5-1丙类谐振功率放大电路图4-5-2丙类谐振功率放大电路波形五、整机电路设计图5-1调频发射系统整机电路六、高频实验平台整机联调图6-1调频信号相位鉴频图6-2脉冲计数式鉴频图6-3锁相环调频图6-4锁相环倍频七、设计总结在这次课程设计中我承担的具体任务是压控振荡器调频电路设计仿真，以及外围电路的调试仿真。在分配了具体设计任务后，先从通信电子线路书中查找相关内容，从网上查找相关电路仿真。然后使用软件Multisim开发软件设计电路，经过不断的修改调试最终仿真出波形。最后和同组同学一起完成了整机电路的设计。在此次课程设计中，我充分体会到了熟练运用相关软件的重要性，不像之前的电子技术课程设计，并没有多少工作在计算机里实现的，就仅仅画出了电路图之后用元器件在面包板上搭电路就行了。本次课设都高度依赖计算机，从仿真到绘制原理图，再到参数调节，可以说每一步都很艰难，每一步都是我们一步一个脚印结结实实踩下去的。通过课程设计，我们增强了对通信电子技术的理解，学会查寻资料比较方案，学会通信电路的设计计算；进一步提高分析解决实际问题的能力，创造一个动脑动手独立开