哈工大高频课程设计.docx

高频电子线路课程设计电信学院班一、问题重述本次课程设计分两个部分，分别是中波电台发射系统设计和中波电台接收系统设计。前者的设计目的是要求掌握最基本的小功率调幅发射系统的设计与安装调试，技术指标见下表：表格 1：发射机技术指标载波频率535 1605 频率稳定度不低于10-3输出负载51 总输出功率50 调制指数30 80调制频率50010后者设计目的是要求掌握最基本的超外差接收机的设计与调试。技术指标见下表：表格 2：接收机技术指标载波频率535-1605中心频率465输出功率0.25 输出负载8灵敏度1 二、问题分析2.1中波发射机系统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、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，主振级可以采用西勒电路，并在它后面加上缓冲级，以削弱后级对主振器的影响。低频部分包括声电变换、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。设计框图如下：图 1：发射机设计框图2.2中波接收系统接收机主要由输入电路、混频电路、中放电路、检波电路、低频放大电路、功率放大电路和扬声器或耳机组成。其设计框图如下：图 2：接收机系统框图三、系统设计与仿真3.1中波发射系统3.1.1西勒振荡电路在无线电技术中，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。常见的有三点式电容电路，克拉泼电路，西勒电路等。根据指标要求，本次设计采用稳定度较高的西勒电路，其电路图如下：图 3：西勒振荡电路参数计算：首先选择合适的三极管，三极管的选择应满足：特征频率比系统要求的最大频率大，最大管耗比系统要求的输出功率大，三极管跨导要大。为计算方便，本次设计采用理想晶体管。直流电路分析：假设直流电源为，为了防止其他电路对电源的影响，给电源并联一个大电容。西勒电路应具有合适的静态工作点，若静态工作点较低，正反馈较强则管子容易进入乙类，丙类放大状态。静态工作点较高，则容易在振荡部分周期内进入饱和区，产生凹陷失真，稳定度下降。为此，我们将静态工作点设置在远离饱和区，靠近截止区的位置。设为，由公式 ，假设为，则为。假设为，由公式及可得，为了以后调节方便，将其拆分为固定阻值和可变电阻串联。再由，并假设为可得。为防止振荡电流对基极影响，给集电极串接一电感。西勒电路分析：L、C选择应满足振荡频率的要求，假设振荡频率为，不妨取，则由可得。不妨设，则由可得。为了以后调节的方便，将、换为可变电容，并将其灵敏度改为。最终西勒电路见下图：图 4：西勒振荡电路3.1.2射极跟随器缓冲级采用设计跟随器，信号从基极输入，从发射极输出的放大器。其特点为输入阻抗高，输出阻抗低，常作阻抗变换和级间隔离用，以减少电路间直接相连所带来的影响，起缓冲作用。假设， ，仿照西勒电路计算过程可得 。其电路如下（是为了防止级间影响）：图 5：射极跟随器电路图3.1.3振荡电路仿真将西勒电路与缓冲级接在一起作为振荡器，并在终端接一示波器和一频率计，并在设计跟随器上端及下端接电压探针，以便仿真。其电路图见下：图 6：振荡器电路图利用multisim进行仿真，其中频率计及示波器示数如下：图 7：频率计示数图 8示波器示数电压探针如下：图 9：电压探针示数分析仿真结果可得，频率稳定度，波形无明显失真，满足技术指标。但是，电压有效值较小，需要接放大器。3.1.4高频小信号放大器为避免失真，高频小信号放大器中晶体管的静态工作点同样应靠近截止区，假设，为保证静态工作点靠近截止区，应比大，这里取，同样为了以后调节方便，将取为可变电阻。由可得为。三极管取为理想三极管，其可在参数中查的，为，假设则。选频电路中心频率为，由可得，同样为了调节方便，将电容改为可变电容。为了谐振回路，在集电极接两个电阻，其阻值对谐振无影响。高频小信号放大电路如下：图 10：高频小信号放大电路放大倍数的计算较为复杂，可以利用仿真电路直接测得。3.1.5高频小信号放大电路仿真在高频小信号放大电路的输出端接示波器，同时，为了测得放大倍数，在输入输出端接波特图示仪，仿真电路如下：图 11：高频小信号放大电路仿真图其仿真结果如下：图 12：示波器示数图 13：波特图示仪示数从示波器示数可知，波形无失真，且起到了电压放大作用。从波特图示仪可知，放大倍数为，在频率上放大倍数取到最大值。3.1.6调制电路及其仿真常见振幅调制有集电极调制，基极调制，模拟乘法器等方式，其中乘法器调制比较简单，本次设计采用乘法器调制。其电路图如下：图 14：乘法器电路其中为输入，分别接调制信号和载波信号，为调幅信号输出端。经过上述乘法器后得到的信号为：。为载波信号幅度，为载波信号频率，为调制信号频率，其值在到1KHz之间。设计指标要求调制指数在，设调制信号电压值为，其调制指数为。将调制信号接入，并在乘法器输出端接安捷伦示波器，仿真结果如下：图 15乘法器仿真结果由仿真结果，其波峰值为，波谷值为，则其调制指数为。3.1.7联合仿真将以上各级电路接在一起，其总电路见下：图 16：发射机总电路图在输出端接示波器和电流电压探针，进行仿真，仿真电路见下图：图 17：仿真电路图仿真结果见下列图：图 18：电流电压值图 19：安捷伦示波器结果图说明：在仿真结果中发现，输出功率比较大。此时调整各级静态工作点，使放大倍数减小。电流及电压探针示数不稳定，取平均值，电压为，电流为，负载阻值为，基本符合要求。输出功率为，仍然比要求值大，可以在输出级串接一电阻，是输出电流降低，从而降低功率。3.2中波接受系统接收机主要由输入电路、混频电路、中放电路、检波电路、低频放大电路、功率放大电路和扬声器或耳机组成。其系统框图见下：图 20：接收机系统框图AM信号输入系统后，经过混频器和本地载波混频后产生465kHz的中频调幅信号，中频信号进入中频滤波器取出中频波段信号，信号进入中频电压放大器，经中频放大电压到0.5V以上进入检波器进行检波 ，输出调制信号，调制信号经过低频功放最好输出。3.2.1混频器及仿真电路由于软件仿真限制，本次采用理想模拟相乘器，在模拟相乘器的输入端输入不同频率的两个信号，在输出端将产生一个和频信号和一个差频信号，然后通过一个带通滤波器选出差频信号。原理框图如图3所示。本振信号带通滤波器本机振荡模拟相乘器射频信号输入中频信号输出图 21：混频电路的基本框图带通滤波器选用RLC串联谐振电路，如图4所示。图 22：RLC串联谐振电路RLC串联谐振电路的转移电压比为： 当时，达最大值，当高于或低于时将下降，因而 串联谐振电路可以作为带通滤波器使用。又根据通频带的定义可得：。谐振频率，选取通频带为，从而确定参数，。图 23：混频器电路原理图仿真结果如下：图 24：示波器结果图 25：频谱仪结果3.2.1中频放大器及仿真中频放大器的主要作用是将混频器中输出的的中频信号进行选频放大，使其幅度达到二极管包络检波的要求。这里采用三极管调谐放大器，混频后的中频信号从基极输入，在集电极加选频网路进行选频放大。选频网路采用电感部分接入的LC并联谐振回路，其谐振频率为465KHz，由谐振频率，令，由，得：。令, 。为保证品质因数取，。由此可求得： 选频网路的选频效果好。令，保证三极管工作在放大状态，防止交流流入直流电源，、为隔直电容。中频放大器电路图如下：图 26：中频放大器电路仿真结果如下：图 27：中频放大示波器示数图 28：中频放大频率计示数3.2.2二极管包络检波电路及仿真二极管包迹检波是一种应用十分广泛，而且工作频率高的电路，而且电路简单，易于实现。本设计的检波电路就是采用二极管包络检波。对于二极管包络检波电路，因为二极管只是在输入信号正半周的峰值附近一部分时间导电，二极管一直处于充放电状态，形成锯齿状波形。二极管包迹检波是一种应用十分广泛，而且工作频率高的电路，而且电路简单，易于实现。本设计的检波电路就是采用二极管包络检波。对于二极管包络检波电路，因为二极管只是在输入信号正半周的峰值附近一部分时间导电，二极管一直处于充放电状态，形成锯齿状波形。二极管包络检波易产生失真：1.不产生惰性失真的条件为：由，故，令，。2.负峰切割失真条件为：由，令，,。具体电路原理图如图所示：图 29：二极管包络检波电路图仿真结果如下（前端输入用有效值925mV，载波频率465KHz，调制指数0.63，调制信号频率4KHz的调制信代替）：图 30：检波输出示意图3.2.3低频电压放大电路路图所以采用集成运算放大器来实现。采用TDA2030集成运算放大器，电路如下：图 31：低频功放电路仿真结果如下：图 32：万用表示数（电压）图 33：万用表示数（电流） 3.2.4联合仿真接收机联合仿真前段输出载波频率1.05MHz，调制指数0.63，调制信号频率4KHz，解调波形仿真得：图 34：接收机解调波形图 35：解调电压值从仿真结果看出波形完整，无明显失真，负载两端电压有效值，功率，不设计要求小，与理论值有一定偏差，是各功能电路互相影响导致。四、心得体会通过本次的课程设计，收获比较大，主要有一下几方面：1. 对发射机及接收机中用到的西勒振荡器、高频谐振放大器、调制电路、检波电路等相关知识点的理解更为深刻。2. 了解和掌握了Multisim仿真软件的基本操作，对以后的学习有指导作用。3. 通过查找资料，提高了自己检索文献的能力，对以后的学习有帮助。4. 对于在仿真中遇到的问题，尝试自己解决，提高了自己分析解决问题的能力。但是