基于二极管混频器的调幅接收系统整机电路设计课程设计报告.doc

*实践教学*兰州理工大学计算机与通信学院2014年秋季学期通信电子系统课程设计报告题 目：基于二极管混频器的调幅接收系统整机电路设计班 级： 通信工程12级（1）班 姓名： 设计质量（30分）： 学号： 122501xx 说明书质量（10分）： 同组成员： 指导教师： 摘要随着广播技术的发展，无论是发射机还是接收机都在不断更新换代。尤其以接收机的发展更为明显，目前的无线电接收机不单能收音，且还有可以接收影像的电视机、数字信息的电报机等。其中，超外差调幅接收机由天线回路、高频小信号放大电路，变频电路、中频放大电路、检波器、低频放大电路等六部分组成，经过电路本身的作用，就变成另外一个预先确定好的频率（在我国为465KHz），然后再进行放大和检波。这个固定的频率，是由差频的作用产生的。一般都采用超外差式，它具有灵敏度高、工作稳定、选择性好及失真度小等优点。因此，超外差调幅接收机的应用更加普遍。 在本次设计中，其目的是得到一个调频接收机。在超外差式调频接收机的设计过程中，应将其分为高频放大、混频、本振、中放、检波、低频放大六个部分。整个电路的设计必须注意几个方面。本次课程设计的目的主要是掌握系统各功能模块的基本工作原理，培养基本掌握电路设计的基本思路和方法，掌握接收系统调试等。课程设计的要求是分析调频接收系统各功能模块的工作原理，提出系统的设计方案，对所设计电路进行调试。在此基础上可进行创新设计，如改善电路性能；对系统进行仿真分析。关键字: 调幅接收机、检波电路、混频器、低频功率放大目录摘要1一、前言31.1设计目的3二、整机系统总述42.1设计总体思路42.2设计基本原理42.3总体电路框图5三、技术指标63.1增益（放大系数）63.2通频带63.3选择性63.4工作稳定性63.5频率范围63.6灵敏度63.7直流电源6四、单元电路设计与仿真74.1高频谐振放大器74.2本振电路74.3混频器电路94.4中频放大电路104.5检波电路114.6低频功率放大电路13五、整机电路设计15六、设计总结17七、参考文献18一、前言信息传递是人类社会生活的重要内容，没有通信，人类社是不可想象的，从古到今的烽火到亟待的旗语，都是人们寻找快速远距离的通信手段。 近年来，电子工业发展非常迅速，当然这些进步都成了人类生活不可缺少的东西，1937年莫尔斯有线电报开创了利用电传递信息的时代。1867年贝尔发明的电话已成为我们日常生活中通信的重要工具。1918年，调幅无线广播调幅接收机问世。1936年，商业电视广播开播，伴随着人类的文明、社会的进步和科学技术的发展，电信技术也是以一日千里的速度飞速发展，然而无线通信在现在的生活中更是重要，我们常用的手机，无线电话还有各种电器的遥控器等，大到航天工具，小到小孩的玩具都离不开发射和接收设备。调频和调幅是目前应用最广的两种发送和接收方式，随着社会的发展调幅方式越来越成为现代设备的必要工作方式之一。 研究关于调幅接收机的设计，以前全部的调谐系统都是人工操作，即采用机械调谐可变电容器或调整线圈中的磁心来获得所需的谐振频率。这种机械调谐的方法要求机器复杂的机械装置，而且在整个设备中占据相当大的空间。为解决此类问题，目前采用的调幅接收机都具有灵敏度高、工作稳定、选择性好及失真度小等优点。 本次课程设计的目的是提供一种可以便捷调幅，并巩固已学的理论知识，能够使我们建立无线电接收机的整机概念。使我们加强对通信电子线路的理解，掌握文献资料检索、设计方案论证比较，以及了解接收机整机各单元电路之间的关系及相互影响，从而能正确设计、计算各个单元电路的参数设计、元器件选择、电路的装机与调试。进一步提高分析解决实际问题的能力，提高解决通信电子线路问题的实际本领，真正实现由课本知识向实际能力转化，通过典型电路的设计与仿真，加深对基本原理的了解，增强我们的实践能力，并初步掌握小型调幅波接收机的调整及测试方法。1.1设计目的通过课程设计，使学生加强对通信电子线路的理解，掌握文献资料检索设计方案论证比较，以及设计参数计算等能力环节。进一步提高分析解决实际问题的能力，提高解决通信电子电路问题的实际本领，真正实现由课本知识向实际能力的转化；通过典型电路的设计与仿真，加深对基本原理的了解，增强学生的实践能力。在模块实验的基础上掌握调幅发射机、调幅接收机整机组成原理，建立通信系统的概念；掌握收发系统的联调方法，培养解决实际问题的能力。二、整机系统总述2.1设计总体思路 本课程设计采用软件Multisim12进行仿真。无线电波是一种能量传播的形式。无线电广播，就是由发射机产生强大的经过调制的高频电流，通过发射天线，在天线周围产生电磁波向外传播。无线电波从频率上可划分为长、中、短波。本设计采用535kHz的中心频率，电压的幅值为50uV(选取的最小灵敏度值)，即谐振输入的为535kHz的调幅波，然后此调幅波经过高频调谐放大，本地振荡电路产生一个1MHz的正弦波，再将535kHz和1MHz的正弦波进行二极管双平衡混频成为465kHz在的中频信号，并有谐振回路对465kHz的信号进行选择，再对465kHz信号进行中频放大、检波、滤波、音频放大后去驱动喇叭。本次总体设计有六大功能模块组成，分别是:谐振放大电路、本振电路产生模块、混频电路模块、中频放大电路、检波电路、音频放大电路(低频功率放大电路模块)。2.2设计基本原理 本设计采用分立元件搭建的电路，该方法采用最基本的电子元件如电容、电阻、EIIlL，体管、电感等搭建超外差收音机电路。超外差式收音机:是指输入信号和本机振荡信号产生一个固定中频信号的过程。如果把收音机收到的广播电台的高频信号，都变换为一个固定的中频载波频率465KHz(仅是载波频率发生改变，而其信号包络仍然和原高频信号包络一样)，然后再对此固定的中频进行放大，检波，再加上低放级，就成了超外差式收音机。和直接放大式相比较，超外差式收音机具有灵敏度高而工作稳定，选择性好而失真度小等优点，在实际生活中有着广泛的应用。它将所要收听的电台在调谐电路里调好以后，经过电路本身的作用，就变成另外一个预先确定好的频率(在我国为465KHz)，然后再进行放大和检波。这个固定的频率，是由差频的作用产生的。在收音机内制造一个振荡电波(通常称为本机振荡)，使它和外来高频调幅信号同时送到一个晶体管内混频。由于晶体管的非线性作用导致混频的结果就会产生一个新的频率，这就是外差作用。采用了这种电路的收音机叫外差式收音机，混频和振荡的工作，合称变频。外差作用产生出来的差频，习惯上我们采用易于控制的一种频率，它比高频较低，但比音频高，这就是常说的中间频率，简称中频。任何电台的频率，由于都变成了中频，放大起来就能得到相同的放大量。调谐回路的输出，进入混频级的是高频调制信号，即载波与其携带的音频信号。经过混频，输出载波的波形变得很稀疏其频率降低了，但音频信号的形状没有变。这个过程就是变频。变频仅仅是载波频率变低了，并且无论输入信号频率如何变化最终都变为465KHz，而音频信号(包络线的形状)没变。混频器输出的携音频包络的中频信号检波器的中频信号振幅足够大。二极管将中频信号振幅的包络检波出来，这个包络就是我们需要的音频信号。音频信号最后交给低放级放大到需要的电平强度，然后推动扬声器发出足够的音量。若要求超外差式收音机得到更高的灵敏度，在调谐回路与混频之间还可以加入高频放大级然后再去混频。由中频放大电路进行一级、两级甚至三级中频放大，从而使得到达二极管检波器的中频信号振幅足够大。二极管将中频信号振幅的包络检波出来，这个包络就是我们需要的音频信号。音频信号最后交给低放级放大到需要的电平强度，然后推动扬声器发出足够的音量。若要求超外差式收音机得到更高的灵敏度，在调谐回路与混频之间还可以加入高频放大级然后再去混频。2.2.1谐振放大电路模块是将接收到的微弱信号(载波频率为fs=535k1605k)经过谐振放大器将有用信号进行放大，并抑制干扰信号; 2.2.2混频模块是实现将放大的信号和本振电路模块产生的信号一起输入经过混频电路进行变频，并能选出中频信号465k的(f i=f o-f s ); 2.2.3中频放大模块是将465k的调幅信号进行功率的放大; 2.2.4检波电路模块即对AM信号进行解调，将信号变成低频音频调制信号; 2.2.5低频功率放大电路模块该模块进行功率放大以实现对喇叭的驱动，即可在扬声器中听到声音。2.3总体电路框图总体电路设计的框图调幅接收机的总体设计的框图如下图1所示。均值包络检波模块的设计，外围电路有:三点式振荡电路、中频谐振放大电路、二极管单、双平衡混频器电路模块的设计。RF放大器混频器IF放大器解调器低频放大器本振器AM信号输入输出图1 调幅接收机总体设计框图三、技术指标3.1增益（放大系数）电压增益： 3.2通频带放大器的总通频带随着放大级数的增加而变窄，并且通频带越宽，放大器的增益就越小，两者是相矛盾的！ 3.3选择性从各种不同频率信号的总和（有用的和有害的）中选出有用信号，抑制干扰信号的能力称为放大器的选择性。选择性常采用矩形系数和抑制比来表示。 3.4工作稳定性指放大器的工作状态(直流偏置)、晶体管参数、电路元件参数等发生可能的变化时，放大器的主要特性的稳定。 3.5频率范围接收机可以接受的无线电波的频率范围称为接收机的工作频率范围或波段覆盖。接收机的工作频率必须与发射机的工作频率相对应。高频大于等于10MHz、中频等于2MHz、低频小于等于10KHz。3.6灵敏度 接收机接受微弱信号的能力称为灵敏度，通常用输入信号的电压的大小表示，接收机的输入信号电压越小，灵敏度越高。调幅广播收音机的灵敏度一般为50uV。 3.7直流电源 提供静态工作点。电源电压选的高，对于提高灵敏度和输出功率有利。四、单元电路设计与仿真4.1高频谐振放大器4.1.1高频谐振放大器的工作原理 高频谐振放大器用于对载波和已调波进行放大，是各种无线发射机的主要组成部分。高频谐振放大器的工作频率很高，但相对频频带很窄。高频谐振放大器一般都采用选频网络作为负载回路，如LC谐振回路。其主要指标要求是:有足够的增益，满足通频带和选择性要求，工作稳定等。要求它除具有放大功能外还应具有低噪声性能的特性。其电路图如图2所示。其仿真波形如图3所示。图2 高频谐振放大电路图3 高频谐振放大器仿真波形4.2本振电路本振电路由电容三点式振荡电路构成，本地振荡器功能：为混频器产生fl，是可调的，并能跟踪fc，以实现变频功能。其电容三点式振荡器电路图如图4所示。图4 电容三点式振荡器4.2.1电容三点式LC振荡器从交流等效电路可知:由LC振荡回路引出三个端子，分别接振荡管的三个电极，而构成反馈式自激振荡器，因而称为三点式振荡器。如果反馈电压取自分压电容，则称为电容反馈LC振荡器或电容三点式振荡器。在几种基本高频振荡回路中，电容反馈LC振荡器具有较好的振荡波形和稳定度，电路形式简单，适于在较高的频段工作，尤其是以晶体管极间分布电容构成反馈支路时其振荡频率可高达几百MHz-GHz。图5 电容三点式振荡器仿真波形图6 电容三点式振荡器仿真频率4.3混频器电路 4.3.1混频器的基本工作原理混频器的电路模型如图7所示。带通滤波器图7 混频器电路模型4.3.2二极管双平衡混频器 本设计的混频器模块采用二极管双平衡混频器实现相关功能。其电路图如图8所示。二极管D1, D2在本振信号的正半轴导通，二极管D3, D4在UL的负半轴导通。而且二极管上线工作频率高，可达100GHz。其优点是:动态范围大，组合频率干扰小;噪声小，不存在本地辐射。其缺点是:无变频增益。图8 二极管双平衡混频电路图9 二极管双平衡混频器仿真波形图10 二极管双平衡混频器仿真频率4.4中频放大电路 4.4.1中频放大器的分类及工作过程 中频放大器按照负载回路的构成可分为单调谐中频放大器和双调谐中频放大器，按照三极管的接法可分为共发射极、共基极和共集电极等中频放大器。中频放大器和高频放大器的工作过程相同，它们都是小信号放大器，工作在甲类状态，它们都采用谐振回路作负载。 4.4.2中频放大电路的组成及原理 输入电台信号与本振信号差出的中频信号fI恒为某一固定值8MHz，它可以在中频“通道”中畅通无阻，并被逐级放大，即将这个频率固定的中频信号用固定调谐的中频放大器进行放大。而不需要的邻近电台信号和一些干扰信号与本振信号所产生的差频不是预定的中频，便被“拒之门外”，因此，接收机的选择性也大为提高。其工作电路图如图12所示，仿真波形如图13所示。图12 中频谐振放大电路图13 中频调谐放大器仿真波形4.5检波电路4.5.1均值包络检波原理均值包络检波先对输入信号作半波整流，再由低通滤波器取得其均值分量，即可得到调制信号。其原理如图14所示。半波整流低通滤波器图14 均值包络检波原理 设，经半波整流后，输出电流为中的频谱成分包含：其中低频部分为经低通滤波器后，设低通滤波器的截止频率，增益为R。输出电压为与输入的AM信号包络成正比，即取出了AM信号的包络，从而得到了调制信号。由于与输入信号的均值有关，故称为均值包络检波。4.4.2晶体三极管检波电路图15所示为晶体管均值检波电路。若三极管的转移特性用折线表示，并且静态工作点设置为截止电压，当输入为AM信号时，集电极电流为半周导通的余弦脉冲，设三极管的跨导为。当时，经低通滤波器，输出电压为其检波效率为 由于乘积型同步检波器和叠加型同步检波器电路复杂，不易于实现，最终没有得到符合频率指标的这两种检波器，因此，为了使整机电路达到最佳效果，整机电路采用三极管均值包络检波器实现检波。电路图如图15所示。图15 晶体三极管检波电路晶体三极管检波电路的检波波形如图16所示：图16 晶体三极管均值包络检波检波波形4.6低频功率放大电路 在调幅接收系统中，低频功率放大电路的特性直接决定了负载的工作状态。它是为负载提供功率的放大电路。其电路17所示。图17 低频功率放大电路 低频功率放大器是对解调出来的单音频信号进行功率放大，以驱动负载工作。其仿真波形如图18所示。如图18所示，上面的波形为低频功率放大后的信号波形，明显比下面的波形幅值大。因为其工作在丙类状态，工作效率高。图18 低频功率放大仿真波形 从图18中可以看到通道A的刻度值与通道B相等，且通道B的波形振幅明显比通道A的波形大好几倍。五、整机电路设计 调幅接收机的整机系统由6个部分组成，如图18所示，分别是高频谐振放大器、振荡器、混频器、中频谐振放大器、检波器和低频功率放大器。基于二级管混频器的调幅接收整机系统接收的高频载波信号为10MHz，调制指数m=0.3，中频为2MHz，低频信号为10KHz；系统设计采用的高频谐振放大器为高频谐振单调谐放大器，由于接收机接收到的AM信号微弱，因此不能直接送入混频器，只能通过高频谐振单调谐放大器放大AM信号波的幅值后才能送入混频器，10MHz高频经过高频谐振单调谐放大器后仍为10MHz，混频器采用二极管双平衡混频器，混频器需要两个输入信号，另一个就是图18中所示的电容三点式振荡器，混频器混频为下混频，10MHz的高频信号经过二极管双平衡混频器后变为2MHz的中频信号，所以必须使电容三点式振荡器的振荡频率为12MHz，混频完成以后输出信号也是微弱的，如果直接将信号送入检波器，则检波器无法检出低频信号，因此必须在两者中间加上中频谐振单调谐放大器放大混频得到的中频信号，中频放大和高频放大一样也是放大信号幅值而对频率没有改变，在得到满足检波器要求的中频AM信号后，就可以进行检波了，中频信号经过检波后得到10KHz的低频信号，信号也是微弱的，功率太小，不能直接加到输出设备上面，需要通过低频功率放大器放大后才能送入输出设备。从图18可以看出AM信号通过各个电路级级处理，最终得到所需的低频信号，这跟工厂的流水线加工产品的过程相似，这就是调幅接收机的工作原理。图18 调幅接收机整机电路图六、设计总结 紧张而又繁忙的通信电子系统课程设计终于接近尾声，通过这两周的课程设计学习，我感到前所未有过的满足与充实。这次课程设计，我突然发觉团队的力量是如此伟大。这次课设我主要负责的核心电路是二极管混频器，外围电路有电容三点式振荡器，中、高频单调谐谐振放大电路和低频功率放大器。在这次课设当中，我和团队中的同学讨论很多，也上网查找了不少资料，还在老师的指导下，对课设有了个整体概念。通过Multisim 12.0软件对电路设计和仿真，通过对参数的不断调整，终于得到最后相对满意的结果来作为课设的截图与设计。两周的课程设计虽然短暂，但我收