通信电子线路课程设计说明书-小功率调幅发射系统.doc

通信电子线路课程设计说明书 小功率调幅发射系统 系 、 部： 电气与信息工程系 学生姓名： 指导教师： 职称 讲师 专 业： 电子信息工程 班 级： 电子班 完成时间： 2011年12月12日 摘 要高频电子线路课程设计是继通信电子线路理论学习和实验教学之后又一重要的实践性教学环节。它的任务是在学生掌握和具备电子技术基础知识与单元电路的设计能力之后，让学生综合运用高频电子线路知识，进行实际高频系统的设计、安装和调测，利用multisim等相关软件进行电路设计，提高综合应用知识的能力、分析解决问题的能力和电子技术实践技能，让学生了解高频电子通信技术在工业生产领域的应用现状和发展趋势，为今后从事电子技术领域的工程设计打好基础。调幅发射机设计是运用比较早的一种无线电发送设备。现在，基本上不用调幅发射机设计了，调幅发射机设计是有高频和低频两部分组成的。高频部分由高频振荡器、高频放大器和调制器组成。高频振荡器是用来产生频率稳定的高频载波信号。高频放大器是将高频振荡载波信号放大到足够大得强度。高频功率放大器及调制器是将低频放大器输出的信号调制到载波上，同时完成末级功放。关键词：通信电子线路； multisim；振荡器；调幅ABSTRACTHigh frequency electronic circuit course design is the communication electronic circuits theoretical study and experimental teaching is an important link of practice teaching. It is the task of the students master and have basic knowledge of electronic technology and unit circuit design ability, let students in the integrated use of high frequency electronic circuit knowledge, Practical RF system design, installation and debugging, the use of Multisim and other related software for circuit design, improve the comprehensive ability of the applied knowledge, ability to analyze and solve problems and electronic technology practice skill, lets the student understand the high-frequency electronic communications technology in the industrial production and application present situation and the trend of development, for the future of electronic technology in the field of engineering design to lay a good foundation.Am transmitter design is the use of the earlier one of radio transmission equipment. Now, basically not am transmitter design, AM transmitter design is the high frequency and low frequency in two parts. High frequency part by the high frequency oscillator, high-frequency amplifier and modulator. High frequency oscillator is used to generate the frequency stability of the high frequency carrier signal. High frequency amplifier is a high frequency oscillation carrier signal amplified by a sufficient intensity. High frequency power amplifier and modulator is a low frequency amplifier output signal modulated onto the carrier, while completing the final power amplifier.Key words: communication electronic circuit；multisim；oscillator；amplitude modulation目 录1 小功率调幅发射机整体概述.11.1小功率调幅发射机设计的作用和目的.11.2小功率调幅发射机的主要技术指标.12 小功率调幅发射系统设计原理.33 小功率调幅发射机各模块电路的具体设计.53.1主振级-高频振荡器.53.2缓冲级-射级跟随器.83.3音频放大级.113.4 AM调制电路.134 发射机的整体电路以及调试.174.1小功率调幅系统总电路.174.2整体电路调试并仿真.174.3整机调试故障分析.195 设计心得与体会.206 参考文献.217 致谢. . .221小功率调幅发射机整体概述1.1小功率调幅发射机设计的作用和目的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。通过本课题的设计、调试和仿真，加深对高频电子线路理论知识的进一步理解，进一步巩固理论知识，能够建立起无线发射机的整机概念，学会分析电路、设计电路的步骤和方法，了解发射机各单元之间的关系以及相互影响，从而能正确设计、计算调幅发射机的各单元电路：主振级、被调级、推动级、功率放大级、输出匹配网络等。进一步掌握所学单元电路以及在此基础上，培养自己分析、应用其他电路单元的能力。同时经过课程设计，要学会查资料、充分利用互联网等一切可利用的学习资源，增强同学们分析问题解决问题的能力，为将来的毕业设计做铺垫，也为将来走向就业岗位打下一定的基础。1.2小功率调幅发射机的主要技术指标1.2.1在设计调幅发射机时，主要遵循如下性能指标：工作频率范围：调幅制一般适用于中、短波广播通信，其工作频率范围为300kHz30MHz。发射功率：一般是指发射机送到天线上的功率。只有当天线的长度与发射频率的波长可比拟时，天线才能有效地把载波发射出去。波长与频率f的关系为=c/f。调幅系数：调幅系数ma是调制信号控制载波电压振幅变化的系数，ma的取值范围为01，通常以百分数的形式表示，即0%100%。频率稳定度：发射机的每个波道都有一个标称的射频中心工作频率，用f0表示。工作频率的稳定度取决于发信本振源的频率稳定度。设实际工作频率与标称工作频率的最大偏差值为f，则频率稳定度的定义为K=f0/f。式中为K为频率稳定度。非线性失真（包络失真）：调制器的调制特性不能跟调制电压线性变化而引起已调波的包络失真为调幅发射机的非线性失真，一般要求小于10%。线性失真：保持调制电压振幅不变，改变调制频率引起的调幅度特性变化称为线性失真。噪声电平：噪声电平是指没有调制信号时，由噪声产生的调制度与信号最大时间的调幅度比，广播发射机的噪声电平要求小于0.1%，一般通信机的噪声电平要求小于1%。总效率：发射机发射的总功率PA与其消耗的总功率PC之比称为发射机的总效率，即=PA/PC。1.2.2本次课程设计要求的技术指标如下：中心频率:f=6 MHz；调幅波功率:P0max 200mW；调制系数:Ma50%,包络不失真；频率稳定度: ；2 小功率调幅发射系统设计原理调幅发射机的系统原理框图如下图图2.1所示，其工作原理是：高频振荡器产生一个固定频率的高频载波信号，它的输出经过缓冲级之后送至调制器；音频放大器放大来自话筒的语音信号，该放大器为低频功率放大器，其输出也送至调制器；调制器将经过放大的语音信号调制，输出是已调幅的高频信号；该已调信号输出经带通或低通滤波器滤波，最后由功放级将载频信号的功率放大到所需发射功率，然后通过天线向外发射电磁波。调幅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。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。主振器的作用是产生频率稳定的载波。为了提高频率稳定性,此次主振级采用西勒振荡器电路，并在它后面加上缓冲级，以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、低频功率放大级与末级低频功率放大级。低频信号通过逐渐放大，在末级功放处获得所需的功率电平，以便对高频末级功率放大器进行调制。因此，末级低频功率放大级也叫调制器。调幅发射机通常由主振级、缓冲级、倍频级、中间放大级、振幅调制、音频放大和输出网络（功率放大级）组成。根据设计要求，载波频率f=6MHz ，主振级采用西勒振荡电路，输出的载波的频率可以直接满足要求，不需要倍频器。缓冲级使用射极跟随器电路，音频放大级使用运算放大器电路，调制电路使用单二极管开关调幅电路。系统原理图如图2.1所示：图2.1 小功率调幅发射机的系统设计框图图中，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：将晶体振荡级与调制级隔离，减小调制级对晶体振荡级的影响。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。功率放大级：对前级送来的信号进行功率放大，通过天线将已调高频载波电流以电磁波的形式发射到空间。3 小功率调幅发射机各模块电路的具体设计3.1主振级-高频振荡器3.1.1高频振荡器的原理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，可以采用克拉泼电路，西勒电路。频率稳定度要求高的情况下，可以采用晶体振荡器，也可以采用单片集成振荡电路。 主振级是调幅发射机的核心部件，主要用来产生一个频率稳定、幅度较大、波形失真小的高频正弦波信号作为载波信号。频率稳定度是振荡器的一项十分重要的技术指标，表示一定时间范围内或一定的温度、湿度、电源电压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，则表明振荡频率稳定度越高。3.1.2西勒振荡器设计本级用来产生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，这里我采用改进型的西勒振荡电路，可以满足要求。为了解决频率稳定度和振荡幅度的矛盾，常采用部分接入方式。由前述可知，为了保证振荡器有一定的稳定振幅及容易起振，当静态工作点确定后，晶体管内部参数Yf的值就一定，对于小功率晶体管可以近似认为，反馈系数大小应在0.150.5范围内选择。如图3.1西勒振荡器电路所示，一般小功率振荡器的集电极电流Icq大约在0.8到4mA之间选取，在本实验电路中，选择Icq=15mA,Vcq=0.5V,=40，则有： RE+RC=Vcc-VceoIcq=3k 3.1为提高电路稳定性Re值适当增大，取Re=1K，Rc=2K，则有： VEQ=ICQ*RE=1.5mA*1k=1.5V 3.2 IBQ=ICQ/=2mA/40=0.05mA 3.3取Rb2的电流为10 IBQ，则有： Rb2=Veq+0.7Ibq=4.4K 3.4可取Rb1=5k，这样额定电流为2mA,接入系数C2和C3不能过大或者过小，否则不容易起振，一般为1/8到1/2。振荡器的总电容与振荡频率为： C=+C6C5+C6 3.5 F0=12L（C5+C6） 3.6在LC振荡中，F0=6MHZ，L=10uH，C5+C6=70pF,取C5为30Pf,C6为100pF的可调电容，并且C2、C4远远大于C5、C6，C2/C4在1/8到1/2之间，所以C2=120pF，C4=560Pf。在如图3.1的西勒振荡电路中，R1、R2、R3、R5提供偏置电压使三极管工作在放大区，C1起到滤波作用。由于C6和L并联，所以C6变化不会影响回路的接入系数，如果使C5固定，可以通过改变C6来改变振荡频率，因此，西勒振荡器可用作波段振荡器，适用于较宽波段工作。图3.1 西勒振荡器3.1.3西勒振荡器仿真数据通过软件Multisim软件，西勒振荡电路仿真结果如下：图3.2 载波频率图3.3 西勒振荡器的输出波形3.2 缓冲级-射级跟随器3.2.1射级跟随器基本原理信号从发射极输出的放大器。其特点为输入阻抗高，输出阻抗低，电压放大系数略低于1，负载能力强。射极跟随器也可认为是一种电流放大器。常作阻抗变换和级间隔离用。三极管按共集方式连接，就是基极与集电极共地，基极输入信号，发射极输出，亦称为共集电极放大器。动态电压放大倍数小于1并接近1，且输出电压与输入电压同相但是输出电阻低，具有电流放大作用，所以有功率放大作用。它从基极输入信号，从射极输出信号。它具有高输入阻抗、低输出阻抗、输入信号与输出信号相位相同的特点。其电路原理图如图3.4所示：图3.4 射极跟随器电路3.2.2射级跟随器设计为了减少调制级对主振级振荡电路振荡频率的影响，采用缓冲级，设计如图3.5。主振级与缓冲级联调时会出现缓冲级输出电压明显减小或波形失真的情况，可通过增大缓冲级的射极电阻R5来提高缓冲输入级输入阻抗，也可通过减小C7，即减小晶振级与缓冲级的耦合来实现，同时负载R6也会对缓冲的输出波形也有很大影响。无论是在低频电路还是高频电路的整机设计中，缓冲隔离级常采用射极跟随器电路。调节射极电阻RE2，可以改变射极跟随器输入阻抗。如果忽略晶体管基极体电阻rbb的影响，则射极输出器的输入电阻Ri以及输出电阻R0为 Ri=RB总/RL总 3.7 RL总=(RE1+RE2)/RL 3.8 R总=RB1/RB2 3.9 R0=（RE1+RE2）/r0 3.10式中，r0很小，所以可将射极输出器的输出电路等效为一个恒压源。电压放大倍数Av为： Av=（gm +RL总）/（1+gm*RL总）3.11式中，gm为晶体管的跨导，一般情况下gm*RL总 1。所以，图3.5所示射极输出器具有输入阻抗高、输出阻抗低、电压放大倍数近似等于1的特点。晶体管的静态工作点应位于交流负载线的中点，一般取VCEQ=0.5VCC，ICQ=310mA. 对于图3.5所示电路，取VCEQ=6V，ICQ=4mA,若晶体管的电流放大倍数=40，则 RE1+RE2=VEQ/ICQ 3.12取RE=1k,RE2=1k,有： RB2=VBQ/10IBQ=（VCC-VCEQ+VBE)/10ICQ 3.13 RB1=(VCC-VBQ)RB2/VBQ 3.14可以估算出，即射随器的负载电阻RL，并可计算出射随器的输入电阻Ri，即 ： Ri=RB/RL 3.15输入电压Vi为 Vi= 3.16为减小射随器对前级振荡器的影响，耦合电容C7不能太大，一般为数十微法。图3.5 缓冲级电路3.2.2射级跟随器仿真数据通过软件Multisim软件，缓冲级电路仿真结果如下：图3.6 缓冲级的输出波形3.3 音频放大级3.3.1运算放大电路的原理运算放大器（简称“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。可以对电信号进行运算，一般具有高增益、高输入阻抗和低输出阻抗的放大器。运放可以对电信号进行运算，一般具有高增益、高输入阻抗和低输出阻抗的放大器。运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化。语音放大器主要是对语音信号进行放大和限频，经过放大的音频信号送到调制器对高频载波进行调制。3.3.2运算放大电路的设计本课程设计中，音频信号用如图3.7所示的电压源代替，采用3354BM运算放大器进行功率放大。本运算放大器电路为同相放大电路中，电容C8和C11为去耦电容，用来消除自激，使放大器稳定工作；电阻R9可控制输入电压，R12为负载，供测电压使用；根据同相放大电路电路中的虚短和虚断有：Vp和Vn大约相等，ip=in=0，所以可以知道： Vi=VpVn=Vf=*Vn 3.17从而得到电压增益为： Av=1+ 3.18由于本运放电路所需增益为20倍，故当R11为1k时，R13为20k。图3.7音频放大电路3.3.3音频放大级仿真数据通过软件Multisim软件，音频放大级电路仿真结果如下：图3.8 音频放大输出波形3.4 AM调制电路3.4.1振幅调制原理振幅调制器的任务是将所需传送的信息加载到高频振荡中，以调幅波的调制形式传送出去。通常采用低电平调制和高电平调制两种方式。采用模拟乘法器实现调制的方法是属于低电平调制，输出功率小，必须使用高频功率放大器才能达到发射功率的要求。采用集电极调幅电路实现调制的方式属于高电平调制。如果集电极调幅电路的输出功率能够满足发射功率的要求，就可以在调制级将信号直接发射出去。低电平调幅电路输出功率小，适用于低功率系统。它的电路形式有多种，如斩波调幅器、平衡调幅器、模拟乘法器调幅等，比较常用的是采用模拟乘法器形式制成的集成调幅电路，即集成模拟乘法器MC1496调幅。这种集成电路的出现，使产生高质量调幅信号的过程变得极为简单，而且成本很低。高电平调幅电路输出功率大，一般在系统末级直接产生满足发射要求的调幅波。它的电路形式主要有集电极调幅和基极调幅两种。集电极调幅电路的优点是效率高，晶体管获得充分的应用；缺点是需要大功率的调制信号源。基极调幅电路的优缺点正好与之相反，它的平均集电极效率不高，但所需的调制功率很小，有利于调幅发射系统整机的小型化。调幅是使高频载波信号的振幅随调制信号的瞬时变化而变化。也就是说，通过用调制信号来改变高频信号的幅度大小，使得调制信号的信息包含入高频信号之中，通过天线把高频信号发射出去。调幅器可分为高电平调幅和低电平调幅：大功率广播和通信多采用高电平调平，这种调幅机输出功率大、效率高；载波电话机和各种电子仪器多采用低电平调幅，它们对输出功率和效率要求不高，可以选用调幅特性较好的电路中。3.4.2单二极管开关调幅电路设计常见的调幅方法主要有乘法器调幅、开关型调幅电路、晶体管调幅电路，其中晶体管调幅又分为基极调幅、集电极调幅。本课程设计采用二极管平衡电路进行调幅，二极管平衡电路也是最简单的调制电路。音频信号和载波信号分别通过变压器T1、T3输入到调制电路，然后经二极管进行调制，最后经LC谐振回路选频输出调制结果，电路如图3.9所示。在单二极管开关调幅电路电路中，因为电压U1很小，可以忽略，加在二极管两端的电压UD为 UDU+UC 3.19二极管可等效为一个受控开关，控制电压就是UC问，即二极管的通断主要由UC控制。当Uc0时，ID=0；当Uc0时，有： ID=gD*UD 3.20并且有调制系数为： ma= 3.21载波频率为： Pc=0.5*U2cm/R 3.22调制最大功率为： Pmax=0.5*（1+ ma）2* U2cm/R 3.23图3.9 单二极管开关调幅电路3.4.3调幅电路仿真数据通过软件Multisim软件，音频放大级电路仿真结果如下：图3.10 音频放大信号图3.11 高频载波信号图3.12 调制信号4 发射机的整体电路以及调试4.1小功率调幅系统总电路 图4.1 调幅发射机的整体电路4.2整体电路调试并仿真从主振级出发，一步一步进行调试，知道每一部基本符合要求的情况下再进行下一步级联，由于在将功率放大级整机联调时，由于阻抗不匹配，波形影响偏大，无法出现理想结果，最终没有添加功率放大级，故调试的最终结果如下所示：图4.2 调试与仿真结果由整体电路图4.1可得： 4.1 4.2 UAM=Ucm(1+macost)coswct 4.3根据测试结果可知Um=8mv, Ucm=12mv，所以 ma=UmUcm0.5 4.4由此可知调制度ma满足要求； f=f-fc 4.5 由仿真数据可知频率稳定度： P=ffc10-5 4.6可见稳定度还是达到要求的；P=U22R 4.7由此可知功率P0200mW,故输出功率未能达到要求，需要加功率放大级才可满足课程设计任务要求指标。4.3 整机调试故障分析晶振级与缓冲级联调时缓冲级输出电压明显减小或波形失真的情况。产生的主要原因是缓冲级的输入阻抗不够大，使晶振级负载加重。这可通过增大缓冲级的射极电阻R5来提高缓冲输入级输入阻抗，也可通过减小C7，即减小晶振级与缓冲级的耦合来实现。本机振荡级、缓冲级、话语放大级以及调制级联调时，往往会出现过调幅度过小的现象。产生的原因可能是经射级跟随器输出的本振电压v0偏小或者是话音放大级输出的调制电压v过大。调整话音放大级增益，以满足调幅度ma=50%的技术指标要求。在各项指标达到的情况下，由于功率放大级与其他级阻抗不匹配，在联调产生影响偏大，故未将其加入整体电路，未能达到功率所需的要求P0200mW。245 设计心得与体会通过对高频知识的掌握，初次利用Multisim软件设计了一个小功率调幅发射机。我根据先局部后整体的设计方案，先将小信号调幅发射机的各部分电路设计出来，并且单独进行仿真和调试，然后再进行调试并且仿真。在设计各个环节中都遇到了很多问题：首先，参数的选定很难，课堂上基本上是分析电路的原理功能和计算电路的性能指标，很少亲自选定器件的参数，从资料或网上得到的数据很多都有问题；必须经过修正和调试才能确定出器件的参数，只有正确的参数，才能够设计出我们所想要的输出结果，参数的正确性可以说决定着设计成功的50%；其次，有些时候理论上符合要求的电路，仿真后却得不到相应的结果，尤其是整机联接的时候出现了更多问题，也花费了很多时间（其