《现代通信电子线路综合设计》课程设计.doc

课程设计任务书学生姓名： 叶伟超 专业班级： 通信1005 指导教师： 周云耀 工作单位： 信息工程学院 题 目： 通信电子线路设计 起始条件：通信电子线路知识、9018要求完成的主要任务: 1. 设计一个高频谐振小信号放大器2. LC三点式反馈振荡器与晶体振荡器设计3. 高频谐振功率放大器电路设计时间安排：序号阶段内容所需时间1方案设计1天2硬件仿真1天3实物制作与调试2天4答辩1天合 计5天指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日武汉理工大学现代通信电子线路综合设计目录1设计任务与要求11.1高频小信号调谐放大器的电路设计11.2 LC三点反馈式振荡器设计11.3 高频谐振功率放大器电路设计与制作22高频小信号调谐放大器的电路设计32.1高频小信号调谐放大器简介32.2设计过程32.3单谐调小信号放大器仿真62.3仿真结果分析93LC三点式反馈振荡器与晶体振荡器设计与制作103.1三点式反馈振荡器与晶体振荡器简介103.2电容三点式振荡器工作原理分析103.3电路结构143.4静态工作电流的测定143.5确定主振回路元器件153.5振荡器的仿真163.6 仿真结果分析174高频谐振功率放大器电路设计与制作184.1 高频谐振功率放大器简介184.2高频谐振功放电路的工作原理184.3高频谐振功放的工作状态确定及参数设置194.4电路仿真测试214.5 仿真结果分析225收获、体会和建议23参考文献：25摘要通信电子线路是一门专业基础课程，又称为“高频电子线路”，它涵盖了通信和电子线路的主要基础内容，在电气信息类专业中占有极其重要的地位，是通信工程、电子信息工程、生物医学工程3个专业学生的必修课，同时也是一门理论与实际联系非常紧密、工程实践性很强的课程。本课程是以通信系统为主要研究对象，研究构成发送、接收设备的各单元电路、典型线路。对通信方式的调制（调幅、调频）、解调（检波、鉴频）、混频、振荡的原理作了详细的理论分析；在此基础上对各种典型的实现电路作了详细的工作原理分析；提出了各种电路的性能要求。它以理解概念、实现功能为主。在讲述器件和电路特点的同时，重点介绍了各种电路的机理，强调了概念的应用、功能的实现；同时理论与实践相结合，电路紧密围绕通信系统，使学生在学习理论的同时建立起整机的概念。 本论文主要针对高频小信号调谐放大器的电路设计与仿真、LC三点式反馈振荡器与晶体振荡器设计与制作和高频谐振功率放大器电路设计与制作，对我们理论知识的应用提高到一个新的层次，提高我们的动手能力，设计能力。关键词:通信电子线路；小信号放大器；振荡器；功率放大器AbstractCommunication electronic circuits is a professional foundation courses, also known as high-frequency electronic circuits, it covers the basic content of the main lines of communication and electronic occupies an extremely important position in the electrical specialty in Communication Engineeringelectronic information engineering, biomedical engineering students required course, is also a theory with actual contact is very close, very practical engineering courses. This course is a communication system as the main research object, constituting the transmitter, each unit circuit of the receiving apparatus, the typical line. Modulation (AM, FM), the communication method, a demodulation (detection, frequency discriminator), a mixer, made a detailed theoretical analysis of the principle of oscillation; made a detailed work principle of various typical circuit implementation based on this analysis; proposed performance requirements for the various circuits. It is mainly to understand the concepts, functionality. While about the device and circuit characteristics highlight the various circuit mechanism, emphasizing the application of the concept, the realization of the function; same time the theory and practice of combining the circuit closely around the communication system, so that students in learning theory at the same time to establish the concept of the machine.This thesis is focused on the design and simulation of high-frequency small-signal tuned amplifier circuit LC three-point feedback oscillator and crystal oscillator design and production, and high-frequency resonant power amplifier circuit design and production of our theoretical knowledge of applications increased to a new level, to improve our ability, design ability.Keywords: electronic communication line; small-signal amplifier; oscillator; power amplifier26武汉理工大学现代通信电子线路综合设计1设计任务与要求1.1高频小信号调谐放大器的电路设计1.1.1主要技术指标谐振频率：6.5MHz,谐振电压放大倍数：，通频带：，矩形系数：。要求：放大器电路工作稳定，采用自耦变压器谐振输出回路。1.1.2给定条件回路电感L=4H,，晶体管用9018，=50。查手册可知，9018在、时，,，。 负载电阻。电源供电。1.1.3要求 给出设计原理、设计过程、电路原理图、各元件件型号或参数、实际测试结果。1.2 LC三点反馈式振荡器设计1.2.1主要技术指标振荡频率 频率稳定度 输出幅度 采用西勒振荡电路，为了尽可能地减小负载对振荡电路的影响，采用了射随器作为隔离级。1.2.2给定条件电源供电为12V，振荡管BG1为9018（其主要参数,取=100，fT1100MHz）。隔离级射随器晶体管BG2也为9018。1.2.3要求 给出设计原理、设计过程、电路原理图、各元件件型号或参数、实际测试结果。1.3 高频谐振功率放大器电路设计与制作1.3.1主要技术指标 电路的主要技术指标：输出功率Po125mW（设计时按200mW计算），工作中心频率fo=465KHz，65%。1.3.2给定条件电源供电为12V，负载电阻,RL=51，晶体管用3DA1，其主要参数：Pcm=1W,Icm=750mA,VCES=1.5V,fT=70MHz,hfe10，功率增益Ap13dB（20倍）。1.3.3要求给出设计原理、设计过程、电路原理图、各元件件型号或参数、实际测试结果。2高频小信号调谐放大器的电路设计2.1高频小信号调谐放大器简介高频小信号放大器一般用于放大微弱的高频信号,此类放大器应具备如下基本特性:只允许所需的信号通过,即应具有较高的选择性。放大器的增益要足够大。放大器工作状态应稳定且产生的噪声要小。放大器应具有一定的通频带宽度。图2-1 单调谐放大器电路 典型的单调谐谐振放大器原理如图2-1，图中，RB1,RB2,RE用以保证晶体管工作于放大区域，从而放大器工作于甲类，CE是RE的旁路电容，C1,C2是输入输出耦合电容，L,C是谐振电路，R是集电极（交流）电阻，他决定了回路的Q值，带宽。为了减轻负载对回路的的影响，输出采用了部分接入的方式。2.2设计过程2.2.1选定电路形式根据设计技术指标要求，考虑高频放大器应具有的基本特性,可采用共射晶体管单调谐回路谐振放大器，设计参考电路见图1-1所示。 图2-2 单调谐高频小信号放大器电原理图图中放大管选用9018，该电路静态工作点Q主要由和、Rb2、Re与Vcc确定。利用和、的分压固定基极偏置电位，如满足条件：当温度变化，抑制了变化，从而获得稳定的工作点。由此可知，只有当时，才能获得恒定，故硅管应用时， 。只有当负反馈越强时，电路稳定性越好，故要求，一般硅管取：。2.2.2设置静态工作点由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流一般在0.82mA之间选取为宜，设计电路中取 ，设。因为： 而 所以：因为： (硅管的发射结电压为0.7V) 所以： 因为： 所以：因为： 而 取则： 取标称电阻8.2K因为： 则：，考虑调整静态电流的方便，用22K电位器与15K电阻串联。2.2.3谐振回来参数设计（1）回路中的总电容C因为： 则:（2）回路电容C因有 所以取C为标称值30pf,与5-20Pf微调电容并联。（3）求电感线圈N2与N1的匝数： 根据理论推导，当线圈的尺寸及所选用的磁心确定后，则其相应的参数就可以认为是一个确定值，可以把它看成是一个常数。此时线圈的电感量仅和线圈匝数的平方成正比，即： 式中：K-系数，它与线圈的尺寸及磁性材料有关；N-线圈的匝数一般K值的大小是由试验确定的。当要绕制的线圈电感量为某一值时，可先在骨架上(也可以直接在磁心上)缠绕10匝，然后用电感测量仪测出其电感量，再用下面的公式求出系数K值： 式中： -为实验所绕匝数，由此根据和K值便可求出线圈应绕的圈数，即：实验中，L采用带螺纹磁芯、金属屏蔽罩的10S型高频电感绕制。在原线圈骨架上用0.08mm漆包线缠绕10匝后得到的电感为2uH。由此可确定要得到4 uH的电感，所需匝数为匝 最后再按照接入系数要求的比例，来绕变压器的初级抽头与次级线圈的匝数。因有，而匝。则： 匝2.2.4确定耦合电容与高频滤波电容耦合电容C1、C2的值，可在1000 pf0.01uf之间选择 ，一般用瓷片电容。旁路电容Ce 、C3、C4的取值一般为0.01-1F，滤波电感的取值一般为220-330uH。2.3单谐调小信号放大器仿真根据所给的电路原理图，然后要求计算后，用multisim做出符合要求的仿真电路图。其电路图如图2-3所示。图2-3 高频小信号谐振放大器仿真电路图谐振频率如图2-4所示。图2-4谐振频率测量结果图放大倍数测量如图2-5所示。图2-5放大倍数测量图其同频带分析可以通过图2-6得到。（a）（b）图2-5电路波特图2.3仿真结果分析通过上面的各种仿真，可以得出，选频网络符合要求，放大倍数大于100倍也就是大于20db，其同频带也大约在500khz左右。所以所设计的电路符号设计的要求。3 LC三点式反馈振荡器与晶体振荡器设计与制作3.1三点式反馈振荡器与晶体振荡器简介在电子线路中，除了要有对各种电信号进行放大的电子线路外，还需要有能在没有激励信号的情况下产生周期信号的电子电路，这种在无需外加激励信号的情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、一定频率和一定幅度的交变能量的电子电路称为振荡器。振荡器的种类很多，根据工作原理可以分为反馈型振荡器和负阻型振荡器。根据选频网络采用的器件可分为LC振荡器、晶体振荡器、变压器耦合振荡器等。振荡器的功能是产生标准的信号源，广泛应用于各类电子设备中。为此,振荡器是电子技术领域中最基本的电子线路,也是从事电子技术工作人员必须要熟练掌握的基本电路。3.2电容三点式振荡器工作原理分析图3-1 三点式振荡器的基本电路反馈式正弦波振荡器有RC、LC和晶体振荡器三种形式，电路主要由放大网络、选频回路和反馈网络三个部分构成。本实验中，我们研究的主要是LC三点式振荡器。所谓三点式振荡器，是晶体管的三个电极（B、E、C），分别与三个电抗性元件相连接，形成三个接点，故称为三点式振荡器，其基本电路如图3-1所示：根据相位平衡条件，图3-1 (a)中构成振荡电路的三个电抗元件，X1、X2必须为同性质的电抗，X3必须为异性质的电抗，若X1和X2均为容抗，X3为感抗，则为电容三点式振荡电路（如图3-1 (b)）；若X2和X1均为感抗，X3为容抗，则为电感三点式振荡器（如图3-1 (c)）。由此可见，为射同余异。共基电容三点式振荡器的基本电路如图3-2所示图3-2共基电容三点式振荡器由图可见：与发射极连接的两个电抗元件为同性质的容抗元件C1和C2；与基极和集电极连接的为异性质的电抗元件L，根据前面所述的判别准则，该电路满足相位条件。 其工作过程是：振荡器接通电源后，由于电路中的电流从无到有变化，将产生脉动信号，因任一脉冲信号包含有许多不同频率的谐波，因振荡器电路中有一个LC谐振回路，具有选频作用，当LC谐振回路的固有频率与某一谐波频率相等时，电路产生谐振。虽然脉动的信号很微小，通过电路放大及正反馈使振荡幅度不断增大。当增大到一定程度时，导致晶体管进入非线性区域，产生自给偏压，使放大器的放大倍数减小，最后达到平衡，即AF=1，振荡幅度就不再增大了。于是使振荡器只有在某一频率时才能满足振荡条件， 于是得到单一频率的振荡信号输出。该振荡器的振荡频率为：反馈系数F为： 若要它产生正弦波，必须满足F= 1/2-1/8，太小不容易起振，太大也不容易起振。一个实际的振荡电路，在F确定之后，其振幅的增加主要是靠提高振荡管的静态电流值。但是如静态电流取得太大，振荡管工作范围容易进入饱和区，输出阻抗降低使振荡波形失真，严重时，甚至使振荡器停振。所以在实用中，静态电流值一般ICO=0.5mA-4mA。共基电容三点式振荡器的优点是：1）振荡波形好。2）电路的频率稳定度较高。工作频率可以做得较高，可达到几十MHz到几百MHz的甚高频波段范围。 电路的缺点：振荡回路工作频率的改变，若用调C1或C2实现时，反馈系数也将改变。使振荡器的频率稳定度不高。为克服共基电容三点式振荡器的缺点，可对其进行改进，改进电路有两种：1） 串联型改进电容三端式振荡器(克拉泼电路)电路组成如图3-3示：图2-3克拉泼振荡电路电路特点是在共基电容三点式振荡器的基础上，用一电容C3，串联于电感L支路。 功用主要是以增加回路总电容和减小管子与回路间的耦合来提高振荡回路的标准性。使振荡频率的稳定度得以提高。 因为C3远远小于C1或C2，所以电容串联后的等效电容约为C3。电路的振荡频率为：与共基电容三点式振荡器电路相比，在电感L支路上串联一个电容。但它有以下特点：1、振荡频率改变可不影响反馈系数。2、振荡幅度比较稳定；但C3不能太小，否则导致停振，所以克拉泼振荡器频率覆盖率较小，仅达1.2-1.4； 为此，克拉泼振荡器适合与作固定频率的振荡器 。2） 并联型改进电容三端式振荡器(西勒电路)图3-4西勒振荡电路电路特点是在克拉泼振荡器的基础上，用一电容C4，并联于电感L两端。功用是保持了晶体管与振荡回路弱藕合，振荡频率的稳定度高，调整范围大。电路的振荡频率为：特点：1.振荡幅度比较稳定； 2.振荡频率可以比较高，如可达千兆赫；频率覆盖率比较大，可达1.6-1.8；所以在一些短波、超短波通信机，电视接收机中用的比较多。 频率稳定度是振荡器的一项十分重要技术指标，它表示在一定的时间范围内或一定的温度、湿度、电压、电源等变化范围内振荡频率的相对变化程度，振荡频率的相对变化量越小，则表明振荡器的频率稳定度越高。改善振荡频率稳定度，从根本上来说就是力求减小振荡频率受温度、负载、电源等外界因素影响的程度，振荡回路是决定振荡频率的主要部件。因此改善振荡频率稳定度的最重要措施是提高振荡回路在外界因素变化时保持频率不变的能力，这就是所谓的提高振荡回路的标准性。提高振荡回路标准性除了采用稳定性好和高Q的回路电容和电感外，还可以采用与正温度系数电感作相反变化的具有负温度系数的电容，以实现温度补偿作用。石英晶体具有十分稳定的物理和化学特性，在谐振频率附近，晶体的等效参量Lq很大，Cq很小，Rq也不大，因此晶体Q值可达到百万数量级，所以晶体振荡器的频率稳定度比LC振荡器高很多。3.3电路结构根据设计要求和条件可采用如图3-5所示的电路结构。图3-5 LC与晶体振荡器电原理图3.4静态工作电流的测定合理地选择振荡器的静态工作点，对振荡器的起振，工作的稳定性，波形质量的好坏有着密切的关系。般小功率振荡器的静态工作点应选在远离饱和区而靠近截止区的地方。根据上述原则，一般小功率振荡器集电极电流ICQ大约在0.8-4mA之间选取，故选：ICQ=2mA 、 VCEQ=6V、=100 则有为提高电路的稳定性Re值适当增大，取Re=1K则Rc2K 因：UEQ=ICQRE 则有： UEQ =2mA1K=2V 因：IBQ=ICQ/ 则有： IBQ =2mA/100=0.02mA 一般取流过Rb2的电流为5-10IBQ , 若取10IBQ 因： 则： 取标称电阻12K。因： ： 为调整振荡管静态集电极电流的方便，Rb1由27K电阻与27K电位器串联构成。3.5确定主振回路元器件回路中的各种电抗元件都可归结为总电容C和总电感L两部分。确定这些元件参量的方法，是根据经验先选定一种，而后按振荡器工作频率再计算出另一种电抗元件量。从原理来讲，先选定哪种元件都一样，但从提高回路标准性的观点出发，以保证回路电容Cp远大于总的不稳定电容Cd原则，先选定Cp为宜。若从频率稳定性角度出发，回路电容应取大一些，这有利于减小并联在回路上的晶体管的极间电容等变化的影响。但C不能过大，C过大，L就小，Q值就会降低，使振荡幅度减小，为了解决频稳与幅度的矛盾，通常采用部分接入。反馈系数F=C1/C2，不能过大或过小，适宜1/81/2。因振荡器的工作频率为： 当LC振荡时，f0=6MHz L10H 本电路中，则回路的谐振频率fo主要由C3、C4决定，即有 取C3 =120pf，C4=51pf（用33Pf与5-20Pf的可调电容并联），因要遵循C1，C2C3,C4，C1/C2=1/81/2的条件，故取C1=200pf，则C2=510pf。对于晶体振荡，只需和晶体并联一可调电容进行微调即可。为了尽可能地减小负载对振荡电路的影响，振荡信号应尽可能从电路的低阻抗端输出。例如发射极接地的振荡电路，输出宜取自基极；如为基级接地，则应从发射极输出。3.5振荡器的仿真按照设计要求，结合计算元件参数，最后确定电路如图3-6所示。用multisim画出电路图进行仿真。图3-6振荡器仿真电路图振荡频率如图3-7所示。图3-7 振荡频率测量图输出波形测量如图3-8所示。图3-8 输出波形测量图3.6 仿真结果分析根据所给的条件，和测量的仿真结果来看，我所设计的电路是符条件的，仿真平率在6M左右，而且波动很少，输出波形远远大于0.3Vp-p。所以以上设计满足设计要求。4高频谐振功率放大器电路设计与制作4.1 高频谐振功率放大器简介 谐振功率放大器是一种用谐振系统作为匹配网络的功率放大器，一般丙类工作，主要应用在无线电发射机中，用来对载波信号或高频已调波信号进行功率放大。 顾名思义,高频功率放大器用于放大器高频信号并获得足够大的输出功率,常又称为射频功率放大器(Radio Frequency Power Amplifier)。它广泛用于发射机、高频加热装置和微波功率源等电子设备中。4.2高频谐振功放电路的工作原理放大器工作时，设输入信号电压：则加到晶体管基极,发射级的有效电压为: 由晶体管的转移特性曲线可知，如图2-2所示：图4-1 谐振功率放大器晶体管的转移特性曲线 当时，管子截止，。当时，管子导通，式中：为折线的斜率： 所以有： ，尖顶余弦脉冲的数学表达式为：若对 傅里叶级数分解，即： 由此可知，任何一个余弦脉冲，都是由许多不同频率的谐波分量所构成，利用功放负载LC回路的选频功能，适当选择LC的参数使之谐振与基波频率, 尽管在集电极电流脉冲中含有丰富的高次谐波分量，但由于并联谐振回路的选频滤波作用，故功率放大器的输出仍为不失真的正弦波。此时，谐振回路两端的电压可近似认为只有基波电压，即：式中，Ucm为uc的振幅；Ro为LC回路的谐振电阻,为集电极基波电流振幅。在集电极电路中，LC谐振回路得到的高频功率为:集电极电源EC供给的直流输入功率为： ICO为集电极电流脉冲ic的直流分量。集电极效率C为输出高频功率Po与直流输入功率PE之比，即：4.3高频谐振功放的工作状态确定及参数设置 谐振功率放大器的工作状态有三种，即欠压、临界和过压。当谐振功放的静态工作点、输入信号、负载发生变化，谐振功率放大器的工作状态将发生变化。 对高频功率放大器的基本要求是,尽可能输出大功率、高效率，为兼顾两者，通常选丙类且要求在临界工作状态，其电流流通角在600900范围。现设=700。查表得：集电极电流余弦脉冲直流ICO分解系数，集电极电流余弦脉冲基波ICM1分解系数，。设功放的输出功率为0.5W。功率放大器集电极的等效电阻为：集电极基波电流振幅为：集电极电流脉冲的最大振幅为： 集电极电流脉冲的直流分量为：电源提供的直流功率为：集电极的耗散功率为：集电极的效率为： (满足设计要求)已知： 即则：输入功率：基极余弦脉冲电流的最大值（设3DA1的=10） 基极基波电流的振幅为：得基极输入的电压振幅为：1）基极偏置电路计算因 则有 ：因 则有 ：取高频旁路电容2）计算谐振回路与耦合线圈的参数 输出采用L型匹配网路， 则匹配网路的电感L为，电容C为。3） 电源去耦滤波元件选择高频电路的电源去耦滤波网络通常采用型LC低通滤波器，滤波电感0可按经验取50100H，滤波电感一般取0.01F。4.4电路仿真测试根据设计的要求，和原理计算，元件的选取最后确定总电路图如下图所示，用multisim画出电路图，然后进行仿真。图4-2高频谐振功率放大器仿真电路图仿真结果电压电流测量图如图4-3所示。图4-3 仿真结果电压电流测量图输入输出波形如图4-4所示。图4-4输入输出波形图4.5 仿真结果分析根据测量结果和设计的要求对照，结果表明我所设计的高频谐振功率放大器满足要求，输出功率大于125mW，但是有时候不太稳定，可能是仿真软件所致的。5收获、体会和建议 课程设计结束了，当我快要完成老师下达给我们的任务的时候，我仿佛经过了一次翻山越岭，登上了高山之巅，顿感心旷神怡，眼前豁然开朗。回顾整个课程设计的历程，发现自己解决问题的能力确实提高了不少，在这个课程设计中，我学到了很多有关高频电子线路理论和实际操作等方面的知识，而且发现了很多在高频电子线路基础课上的学习问题，通过实践我懂得了理论和实践结合的重要性。在设计过程中，只有将理论和实际结合起来，从理论中得出结论，才能真正的提高自己的实际动手能力和独立思考能力。 由于第二次做课程设计，在设计的过程中遇到问题，可以说还是很多