基于multisim的调频电路的设计与仿真课程设计.doc

基于multisim的调频电路的设计与仿真课程设计 实践教学兰 州 理 工 大 学计算机与通信学院2011年秋季学期高频电子线路课程设计 题 目基于Multisim的调频电子线路设计与仿真 专业班级 09级通信工程 1 班 姓 名 学 号 092501 指导教师 贾 科 军 成 绩 摘要调制和解调电路是通信设备中重要组成部分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调频电路锁相环调频电路LC失谐的LC 谐振回路解调电路斜率鉴频器电路通过观察调频波形与解调波形了解FM的调制与解调原理关键词高频电子线路multisim锁相环LC谐振鉴频器目录第1章 调制技术介绍- 3 -第2章 调频与解调技术介绍- 4 -21 调频基本概念- 4 -22 调频电路- 4 -com法的概述- 4 -com频原理- 4 -com 间接调频原理- 5 -23 FM解调概述- 6 -第3章 multisim软件介绍- 8 -第4章 详细设计与仿真- 10 -41 FM调制的方案论证- 10 -com 变容二极管调频原理- 10 -com 仿真分析- 10 -42 方案2 锁相环调频电路- 12 -com 锁相环调频电路仿真分析- 12 -43 调频方案比较- 14 -44 FM解调的方案论证与仿真- 14 -45 方案1单失谐回路鉴频电路仿真分析- 14 -46 锁相环鉴频电路仿真分析- 17 -47解调方案比较- 18 -第5章 课程设计总结- 19 -参考文献- 20 -第1章 调制技术介绍通信电子线路主要的学习内容是无线电通信系统中发射和接收设备中单元电路的形式及工作原理等在无线电发射机中需要发射的低频调制信号如由语音信号转换而来的电信号都要经过调制才能发送传输所谓调制是指用低频调制信号去改变高频振荡波使其随低频调制信号的变化规律幅度频率或相位相应变化的过程由这些经过调制后的已调波携带低频信号的信息到空间进行传输完成信号的发射从频谱的角度来看调制是将低频调制信号的频谱从低频端搬到高频端的过程而在无线电接收机中从接收到的已调波信号中恢复出原低频调制信号的过程称之为解调从频谱的角度来看解调则是将信号的频谱从高频端搬回到低频端的过程上述提到的载波已调波调制包括调幅调频调相和解调等概念很抽象枯燥学生感到不好理解犹如在听天书学生若对概念理解不好则难以掌握无线电通信的基本原理对通信系统的信号流程也难以理解学习目的无法实现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Multisim Multisim 的功能更强大更适合于对模拟电路数字电路和通信电路等的仿真与测试它的元器件库提供数千种电路元器件供仿真选用提供的虚拟测试仪器仪表种类齐全还有较为详细的电路分析功能仿真速度更快它将实验过程中创建的电路原理图使用到的仪器电路测试分析后结果的显示图表等全部集成到同一个电路窗口中具有直观方便实用和安全的优点第2章 调频与解调技术介绍21 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22 调频电路com法的概述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实现调频的方法分为直接调频和间接调频两大类com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com 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 cosctkf 2-1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 的调相波即 u t Ucm cosctkP 2-2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其原理方框图如图2-1所示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图-1 间接调频原理方框图23 FM解调概述从调频波中检出原来调制信号的过程称为调频波的解调又叫鉴频实现鉴频的电路称为鉴频器也叫频率检波器鉴频器使输出电压和输入信号频率相对应的电路用于调频信号的解调常见的有斜率鉴频器相位鉴频器比例鉴频器等对这类电路的要求主要是非线性失真小噪声门限低斜率鉴频器原理电路图如图其中晶体管和LC回路实质上是一个但回路的谐振频率f0与已调频信号的中心频率fc是失谐的一旦已调频信号的瞬时频率发生变化放大器就输出一个与之相对应的调幅-调频波 图b经二极管检波处理即可在负载RL上得到与原调制信号变化规律相同的输出斜率鉴频器的电路比较简单但回路失谐时其谐振特性曲线不是直线因而鉴频特性的线性较差第3章 multisim软件介绍随着电子技术和计算机技术的发展电子产品已与计算机紧密相连电子产品的智能化日益完善电路的集成度越来越高而产品的更新周期却越来越短Multisim 是加拿大 Interactive Image Technologies公司 2001 年推出的 Multisim 最新版本可以设计测试和演示各种电子电路包括电工电路模拟电路数字电路射频电路及部分微机接口电路等可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障如开路短路和不同程度的漏电等从而观察不同故障情况它有丰富的元件库为用户提供元器件模型的扩充和技术 虚拟测试仪器仪表种类齐全其操作方法与实际仪器十分相似 具有较为详细的电路分析功能可以完成电路的瞬态分析和稳态分析时域和频域分析器件的线性和非线性分析电路的噪声分析和失真分析离散傅里叶分析电路零极点分析交直流灵敏度分析等 18 种电路分析方法提供了多种输入输出接口Multisim2001 可以与国内外流行的印刷电路板设计自动化软件Protel及电路仿真软件Pspice之间的文件接口也能通过Windows 电路图送往文字处理系统中进行编辑排版同时还支持VHDL和Verilog HDL语言的电路仿真与设计 Multisim 10提供了18种仪表仪表工具栏通常位于电路窗口的右边也可以用鼠标将其拖至菜单的下方呈水平状Multisim 10具有以下特点 1 Multisim 是一个电路原理设计电路功能测试的虚拟仿真软件其元器件库提供数千种电路元器件供实验选用同时也可以新建或扩充已有的元器件库而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到因此可以很方便地在工程设计中使用 2 Multisim 的虚拟测试仪器仪表种类齐全有一般实验用的通用仪器如万用表信号发生器双通道示波器直流电源还有一般实验室少有或没有的仪器如波特图示仪字信号发生器逻辑分析仪逻辑转换器失真度测量仪频谱分析仪和网络分析仪等 3 Multisim 10 具有较详细的电路分析功能可以完成电路的瞬态和稳态分析时域和频域分析器件的线性和非线性分析电路的噪声和失真分析离散傅里叶分析电路零极点分析交直流灵敏度分析等以帮助设计人员分析电路的性能4 Multisim100可以设计测试和演示各种电子电路包括电工电路模拟电路数字电路射频电路及部分微机接口电路等可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障如开路短路和不同程度的漏电等从而观察不同故障情况下的电路工作状况在进行仿真的过程中还可以存储测试点的所有数据列出被仿真电路的所有元器件清单以及存储测试仪器的工作状态显示波形和具体数据Multisim是一个电路原理设计电路功能测试的虚拟仿真软件它用软件的方法模拟电子线路元器件和仪器仪表实现了软件即元器件和软件即仪器 Multisim是一个电路原理设计电路功能测试的虚拟仿真软件该软件为电子工程师提供了一个电路设计与仿真平台不仅与国际著名的模拟电路仿真软件spice兼容而且具有较强的 VHDL和 Verilog设计与仿真功能它具有界面形象直观易懂采用图形方式创建电路的特点它丰富的元件库中提供了超过16000个组件全部采用世纪模型确保了仿真结果的真实性和实用性它采用开放式的库管理模式能自动地生成模拟和数字组件模型这对新器件的补充十分有利multisim100的虚拟测试仪器种类齐全有一般实验用的通用仪器如万用表信号发生器双通道示波器直流交流电源还有一般实验室少有或没有的仪器如波特图示仪字信号发生器逻辑分析仪逻辑转换器失真度测试仪频谱分析仪和网络分析仪等Multisim0具有较为详细的电路分析功能可以完成电路的瞬态和稳态分析时域和频域分析器件的线性和非线性分析电路的噪声分析和失真分析离散傅里叶分析电路零极点分析交直流灵敏度分析等电路分析方法以帮助设计人员分析电路的性能Multisim0 可以设计测试和演示各种电子电路包括电工电路模拟电路数字电路射频电路及微机接口电路等可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障如开路短路和不同程度的漏电等从而观察不同故障情况下的电路工作状况在进行仿真的同时软件还可以存储测试点的所有数据列出被仿真电路的所有元器件清单以及存储测试仪器的工作状态显示波形和具体数第4章 详细设计与仿真41 FM调制的方案论证方案1 变容二极管直接调频电路方案2 锁相环调频电路com 变容二极管调频一变容二极管直接调频电路是目前应用最广泛的直接调频电路它是利用变容二极管反时所呈现的可变电容特性实现调频的其缺点是中心频率稳定度较低二直接调频就是用调制信号去控制振荡器的工作状态改变其振荡频率以产生调频信号例如被控电路是Lc振荡器那么LC振荡器的振荡频率主要LC振荡回路的电感L与电容C的数值决定若在LC振荡回路中加入可变电抗用低频调制信号去控制可变电抗的参数即可产生振荡频率随调制信号变化的调波变容二极管调频就是用调制信号控制变容二极管的电容变容二极管通常接在LC振荡器的电路中作为随调制信号变化的可变电容从而使振荡器的频率随调制信号的变化而变化达到调频的目的com 仿真分析变容二极管是一种电压控制的可变可控电抗元件利用它的结电容随反向电压而变化这一特性可以很好地实现调频变容二极管调频电路在移动通信和自动频率微调系统中广泛应用其优点是工作频率高固有损耗小且线路简单能获得较大地频偏其缺点是中心频率稳定度较低图4-1给出了变容二极管直接调频实现电路图中V1为变容二极管直接调频电路直流电源V2为调制信号V4为变容二极管的直流偏置电源Dl为变容二极管由图可见 该频率调制实验电路是在上部的电容反馈LC 振荡器电路的基础上插入下部的变容管及其偏置电路组成的变容二极管D1 作为回路总电容全部接入振荡回路 R3 为隔离电阻 用以减小偏置电路及外界测量仪器的内阻对变容二极管振荡谐振回路构成的频幅变换网络将调频信号变换为FM 调制信号图4-1 multisim界面上的变容二极管直接调频电路通过理论的分析可以得到输出的调频波实际电路输出波形通过Multisiml软件提供的示波器频率计如图4-24-3所示图4-2 FM波的波形 红色 与调制信号 蓝色 的波形图 4-3 振荡频率计显示42 方案2 锁相环调频电路com 锁相环调频电路仿真分析直接调频电路的振荡器中心频率稳定度较低而采用晶体振荡器的调频电路 其调频范围又太窄采用锁相环的调频器可以解决这个矛盾其结构原理如图4-4 所示首先在Multisim 软件中构造锁相环的仿真模型 图1 基本的锁相环由鉴相器 PD 环路滤波器 LP 和压控振荡器 VCO 三个部分组成图中鉴相器由模拟乘法器A 1 实现 压控振荡器为V3 环路滤波器由R1 C1 构成图4-4 锁相环调频电路的原理框图锁相环是一种自动相位控制系统 广泛应用于通信雷达导航以及各种测量仪器中锁相环及其应用电路是 通信电子电路课程教学中的重点内容 但比较抽象 还涉及到新的概念和复杂的数学分析因此无论是教师授课还是学生理解都比较困难为此 我们将基于Mult isim 的锁相环应用仿真电路引入课堂教学和课后实验实践证明 这些仿真电路可以帮助学生对相关内容的理解 并为进行系统设计工作打下良好的基础锁相环的应用电路很多 这里介绍锁相环调频鉴频电路仿真模型如图4-5图4-5 锁相环仿真模型图 4-5 锁相环调频仿真电路根据图4-4 建立的仿真电路如图4-5所示图中设置压控振荡器V1 在控制电压为0 时 输出频率0 控制电压为5V 时 输出频率为50kHz这样 实际上就选定了压控振荡器的中心频率为25kHz 为此设定直流电压V3 为2 5V调制电压V4 通过电阻R5 接到V CO 的输入端 R5 实际上是作为调制信号源V4 的内阻 这样可以保证加到VCO 输入端的电压是低通滤波器的输出电压和调制电压之和 从而满足了原理图的要求本电路中 相加功能也可以通过一个加法器来完成 但电路要变得相对复杂一些VCO 输出波形和输入调制电压V4 的关系如图4-6 所示由图可见 输出信号频率随着输入信号的变化而变化 从而实现了调频功能图4-6 锁相环调频波形蓝色为调频输出红色为调制信号V443 调频方案比较方案1 比较简单浅显易懂电路连接也比较简单容易实现但是使用元件较多电路有些冗繁性价比较低创新性也不足使用电路原理有些单一调制效果不明显方案2 直接调频电路的振荡器中心频率稳定度较低而采用晶体振荡器的调频电路其调频范围又太窄采用锁相环的调频器可以解决这个矛盾电路简单调频效果明显44 FM解调的方案论证与仿真方案1 单失谐回路鉴频电路斜率鉴频器方案2 锁相环鉴频电路45 方案1单失谐回路鉴频电路仿真分析 单失谐回路斜率鉴频器 单失谐回路斜率鉴频器电路如图4-7所示其工作原理如下 LC谐振回路中心频率为0c如图4-8c失谐在 LC 单调谐回路幅频特性的上升或下降沿的线性段中点 利用该点附近的一段近似线性的幅频特性将调频波转变成调幅调频波 单失谐回路斜率鉴频器的缺点是鉴频特性曲线线性鉴频范围小非线性失真较大 图4-8 单失谐回路斜率鉴频器工作原理 能够完成对调频信号解调的电路称为鉴频器它能将调频波进行变换 恢复出原始调制信号的幅度或相位鉴频器的类型和电路很多 如有斜率鉴频器 又称幅度鉴频器 和相位鉴频器我们可用Mult isim 创建斜率鉴频器 如图4-9所示该电路利用失谐的LC 谐振回路实现斜率鉴频其中 V1 是输入调频波 幅值为2V 中心频率为1MHz 调制信号频率为70kHz L 1 C1 是频幅变换电路 D1 C2 R2 组成包络检波电路它利用LC谐振回路构成的频幅变换网络将调频信号变换为FM 调制信号 图4-10上红色波形 然后利用包络检波电路恢复出原调制信号 图4-10 的蓝色波形 由图4-10可知本电路图为失谐回路故调幅波变为调幅波解调波形图中蓝色由于参数不完美而导致不是完整波形出现失真本电路虽简单但鉴频特性较差图4-9 单失谐回路鉴频仿真电路图图4-10斜率鉴频器输出波形46 锁相环鉴频电路仿真分析用锁相环可实现调频信号的解调 其原理框图如图4-11 所示为了实现不失真的解调 要求锁相环的捕捉带必须大于调频波的最大频偏 环路带宽必须大于调频波中输入信号的频谱宽度图4-11 锁相环鉴频电路的原理框图图4-12 为相应锁相鉴频电路的仿真电路图中的压控振荡器的设置与锁相环调频电路相同为了进一步改善低通滤波器的输出波形 在R1C1 的输出端 又串接了一级低通滤波电路 R4C2 图4-12 锁相环鉴频的仿真电路由于锁相环鉴频时要求调制信号要处于低通滤波器的通带之内 因此电阻R 1 的阻值要比调频电路中的阻值小本例中 R1 10k 仿真波形如图4-13所示由图可见 该电路实现了鉴频功能如果将R4C2 的输出作为VCO 的输入 则仿真结不再正确 这在实际仿真时需要注意图4-13锁相环鉴频实验结果波形看上图可知由于压控振荡器计低通滤波器的参数不是特别合适导致输出波形出项毛刺而不能很好的实现滤波输出完美的正弦波47解调方案比较方案1 单失谐回路斜率鉴频器的优点是电路简单成本低仿真简单缺点是鉴频特性曲线线性鉴频范围小非线性失真较大方案2 锁相环鉴频电路环路输入频率跟随输出频率变化即跟踪实现环路锁定困难毛刺无法消除第5章 课程设计总结经过两周左右的时间我们组终于完成这次FM调制与解调的课程设计任务我们首先查阅了大量的书本资料接着又上网搜集了许多有用信息有时候为了找到一个合适的电路而苦恼有时候又为取得一点成功而由衷的高兴当最终的电路方案设计出来以后我们请教了我们的指导老师及学的比较好的同学他们的一个小小指点就给我们很大启示和灵感对我们的实验图提出了很多有价值的建议在此对热心帮助我们的老师和同学表示衷心感谢在此次课程设计中我充分体会到