无线调幅发射机课程设计.doc

河南理工大学高频电子线路课程设计 高频电路课程设计无线调幅发射机学 号： 姓 名： 专业班级： 指导老师： 2010年6月3日摘 要高频电子线路系统地介绍了通信系统，特别是无线通信系统中的最基本电路及他们的功能，给出了定性及定量分析这些电路性能的方法。这些电路包括了发射机及接收机中的选频放大电路、混频电路、功放电路、振荡电路、调制及解调电路、锁相环电路、自动增益控制电路及频率合成电路。本课程的基本知识教学目标与能力目标是：通过理论和实践教学，使学生了解晶体管工作于高频时的工作原理，特性参数及微变等效电路，掌握高频单元电路的线路组成、基本工作原理、分析方法、技术要求及一些典型集成电路的实际应用，并且具备一定的理论水平和足够的实践技能，以及使用先进仿真软件的能力，为进一步学习、掌握电子、通讯技术的专业知识和职业技能打下基础。高频电子线路是一门理论性、工程性和实践性都很强的课程。学生通过本课程的学习，不但应该掌握必要的基础理论知识，而且还应在分析问题、解决问题和实际动手能力等方面得到锻炼和提高。对于这些能力的培养，理论教学与实践教学环节必须密切联系、互相配合，才会取得比较好的效果。在本课程教学中应从以下几个方面来加强这些能力的培养：1 在分析问题的方法上，由常用基本电路入手，讲清基本原理，然后适当综合，再应用到实用电路的分析中去。2 注意与实践课的配合，在理论课中讲清基本原理、典型电路和基本应用电路，在实践课中学习有关电路的测试、调整的原理和方法以及器件的参数选择等。3 增加必要的例题和实用电路的分析。例题着重于问题的分析过程和解题方法的介绍，对电路实例的分析则力求由浅入深。 无限调幅发射机由电路原理仿真和主振荡电路的设计与仿真，缓冲放大电路的设计仿真，集电极调幅电路的设计与仿真。 目录摘要1第一章 选题意义3第二章 总体方案42.1 无线调幅发射机工作原理42.2 无线调幅发射机方框图和系统仿真4第三章 各部分设计与原理分析83.1 主振荡电路的设计与仿真83.2 缓冲放大电路的设计与仿真103.3 集电极调幅电路的设计与仿真123.4 总电路图14第四章 参数选择15第五章 实验结果16第六章 结论17第七章 心得体会18第八章 参考资料19致谢19第一章 选题意义本课程设计是关于一个无线电调幅发射机电路的设计，通过本课程设计，可以巩固已学的高频电子线路理论知识，建立无线电发射机的整机概念，了解发射机整机各单元电路之间的关系及相互影响，能够设计出符合设计目标的电路。通过课程设计，可以培养设计电路的能力，培养自主学习的能力，培养应用EDA软件仿真的能力，培养严谨的学习态度，同时将激发自己学习通信的兴趣，将全面提升自己的能力。无线电调幅发射机电路包括四个电路子模块：高频载波发生电路，音频信号放大电路，高频功率放大电路，集电极调幅电路。本课程设计的具体指标要求如下表1.1和表1.2所示：表 1.1 高频载波发生电路设计指标电路名称频率频率稳定度电源电压高频载波发生电路13.6M9V表 1.2 集电极调幅电路设计指标电路名称调制系数输出功率电源电压集电极调幅电路80%0.25W12V音频放大器可以采用合适的低频放大器。各部分电路的电源电压要求可由电源电路变换得到。第二章 总体方案2.1 无线调幅发射机工作原理该无线电调幅发射机的主要任务是完成音频信号(20Hz-20KHz)对高频载波的调制,将其变为在某一中心频率(13.6MHz)上具有一定带宽、适合通过天线发射的电磁波。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。主振器的作用是产生频率稳定的载波。为了提高频率稳定性，主振级可以采用改进型的电容三端振荡器克拉泼电路，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。电源部分需要采用稳压电源，以减少对系统稳定性的影响。2.2 无线调幅发射机方框图和系统仿真无线调幅发射机的方框图如图2.1所示所示：主振缓冲高频功放受调放大低频电压放大调制器话筒天线低频功率放大图2.1 无线调幅发射机的方框图 本课程设计中采用systemview软件来进行无线调幅发射机的系统级仿真。首先根据系统的要求，建立系统模型；然后根据各项技术指标，设置各个模块的参数，运行仿真。可以从时域和频域两个角度来分析在调幅前后，高频载波和低频信号的时域波形和频域频谱的变化。在本课程设计中，采用的是集电极调幅以实现普通振幅调制的系统级的仿真，可以解决设计的整体思路，从而为下一级的电路仿真，做好理论上的准备。我们可设载波可表示为式中：为载波幅度，为载波角频率， 为载波初始相位（令=0）。低频信号可以表示为，则幅度调制信号可以表示为设调制信号的频谱为,则应用傅里叶变换可以得到 从上式可以看出，在波形上，幅度已调信号，它的幅度随着基带信号的规律而呈正比变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移。以下是用systemview软件得到的仿真模块图和仿真结果图。具体如下列各图所示。图2.2 无线调幅发射机仿真模块图图2.3 低频信号时域波形图和频谱图（f=2kHz）图2.4 高频载波时域波形图和频谱图（f=13.6MHz）图2.5 已调信号时域波形图和频谱图通过仿真可以得出，从上面的分析可以得到，已调信号是以中心频率为,带宽为的信号。通过调制，把基带信号搬移到了较高的频段上，提高了辐射效率，减小了天线尺寸，提高了信道利用率拓展了信号带宽，提高了信号的抗干扰能力、抗衰落能力，改善了通信的性能。通过系统级仿真，得出了设计的可行性，下面将设计各个功能模块电路，并用multism 给出电路的仿真结果。第三章 各部分电路设计与原理分析上面已经说明，本课程将重点设计无线调幅发射机的高频部分。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。根据系统要求，选择设计主振荡电路、缓冲放大电路，高频功率放大器和集电极调幅电路来完成任务。下面将具体设计各个模块电路并给出仿真结果。3.1 主振荡电路的设计与仿真在无线电技术中，采用振荡器来产生高频电流。振荡器可以看做将直流电能转变为交流电能的换能器。振荡器是无线电调幅发射机的基本单元。本课程设计的主振荡器是产生正弦波。根据指标要求，设计出电容反馈式三端振荡器的改进电路-克拉泼电路。下面给出电路设计图，并给出分析。图3.1 克拉泼振荡电路分析该电路，为电容三段式振荡器，所以其谐振频率可以表示为 其中， ，通过带入公式，可以解得其振荡频率为， 。下面给出图中虚拟示波器的波形图，虚拟频率计的频率值。图3.2 克拉泼振荡电路波形图图3.3 克拉泼振荡电路频率值经过仿真，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，和构成了振荡回路，为基极耦合电容。在设计电路，可以使，并且可以为可变电容，使和分隔开，使反馈系数仅取决于和的比值，而振荡频率基本上由和决定。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。3.2 缓冲放大电路的设计与仿真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3.4所示。图3.4 缓冲放大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。为降低输出电阻，可以选择电流放大倍数较大的仿真结果如图3.5和图3.6所示。图3.5 缓冲放大电路波形图图3.6 缓冲放大电路波形图3.3 集电极调幅电路的设计与仿真由于高频振荡电路的输出信号通常比较小，因此在隔离级之后需要加入高频放大电路，它的任务是将载波信号放大后送给调制级。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。图3.7 集电极调幅电路波形图 图3.8 集电极调幅电路波形图3.4 总电路图图3.9 总电路图第四章 参数选择由于本电路工作于高频状态，所以应该选用较高特征频率的高频管承担。一般可选用高频管的特征频率为电路最高工作频率的5-10倍；电流放大倍数在50-100之间。 为了提高传输效率，输出变压器采用自耦合式的变压器，效率可以达到90%(一般绕线法为80%)。输出变压器之比为3：10；以获得较大的推动功率。变压器铁心舌宽5mm,叠厚6mm.输出变压器的次级线圈和输出变压器，应采用双线并绕方式绕制。为了得到恒定的电压，需要对电路中的高频分量进行滤波。高频部分的耦合电容和旁路电容在0.01-0.047uF之间选择。其他电阻和电容的选择，根据分电路中的参数选择合适的器件。第五章 实验结果和分析 通过搭建电路，具体电路图如本课程设计的附录1所示。在multism中进行仿真，最终可得到实验结果如下，这里通过波形图所示：图5.1 系统输出波形图 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。 第六章 结论通过电路设计和仿真，该无线电调幅发射机完成了主要任务：用音频信号(20Hz-20KHz)对高频载波的调制,将其变为在某一中心频率(13.6MHz)上具有一定带宽、适合通过天线发射的调幅波。经过设计和仿真，可以得到如下结论：高频振荡电路采用克拉泼电路是合适的，产生的高频正弦波波形良好，稳定度高；缓冲级电路产生了隔离高频振荡电路和后级电路的作用；集电极调幅电路完成了调幅的任务。最终设计得到的调幅波，波形失真度小，基本上符合要求。第七章 心得体会整个设计通过了软件和理论上的验证。我想这对于自己以后的学习和工作都会有很大的帮助。在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维。一切问题必须要靠自己一点一滴的解决，而在解决的过程当中你会发现自己在飞速的提升。高频电路课程设计是一个具有挑战性的功课，光选题我就花费了很多时间，接下来查资料，计算，设计，分析，和同学讨论，在电脑上用软件仿真，这几天，紧张而又充实。这次课程设计是对我所学知识的全面检验。我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论面，如何去面对实际的设计是一个值得我们思考的问题，又如何把我们学的书本内容运用到实际中呢？我想做本次课程设计就给我们提供了良好的实践平台。在本次课程设计中我感触很深的就是要查阅很多指导