丙类倍频器说明书难点.docx

通信电子线路课程设计说明书 丙类倍频器 学 院： 电气与信息工程学院 学生姓名： 苏 指导教师： 张松华 职称 副教授 专 业： 电子信息工程 班 级： 电子1402 学 号： 1430340210 完成时间： 2016年12月 湖南工学院通信电子线路课程设计课题任务书学院：电气与信息工程学院 专业： 电子信息工程 指导教师张松华学生姓名课题名称丙类倍频器内容及任务1、 目标：熟悉丙类倍频器的结构，原理，掌握电路设计和实物制作方法。2、 内容：已知条件：电源电压。设计一个输出功率，利用产生一个输出频率，效率的丙类倍频器。3、 要求：制作实际电路并成功调试，编写设计计算说明书。主要参考资料1、胡宴如. 高频电子线路M. 北京：高等教育出版社，20122、谢自美. 电子线路设计实验测试（第三版）M.武汉： 华中科技大学出版社， 2006.3、康华光.电子技术基础模拟部分M.北京：高等教育出版社,20064、张肃文，陆兆熊. 高频电子线路M. 北京：高等教育出版社，19925、路勇.电子电路实验及仿真M. 北京：清华大学出版社，20046、陈松，金鸿.电子设计自动化技术Multisim2001&Protel 99seM. 南京：东南大学出版社，2001教研室意见 教研室主任：（签字）年 月 日摘 要本设计介绍了丙类倍频器的工作原理，与丙类功率放大器近似相同。主要是采用一些简单的电子元件组合而成，即它是由放大电路和谐振回路组成。利用三极管的放大作用和LC谐振回路作为选频网络，选出合适的频率信号，并且调谐在三次谐波频率上，对于无用的频率信号进行滤除，减少失真。设计过程中，先在Multisim12电路仿真软件上进行了电路仿真，然后结合实际情况，绘制原理图，购买元器件画PCB电路图，最后进行了实物制作和调试。调试结果，输出信号的频率是输入信号的三倍，且输出功率大于500mW，集电极效率大于75%，并且电路工作在丙类状态，说明设计成功。 关键词：丙类倍频器；LC谐振回路；S9018 目 录1 绪论11.1 设计课题的研究意义11.2 设计课题任务及要求说明11.3 方案介绍11.4 主要性能指标21.5 工作原理说明22 丙类倍频器电路的设计32.1 丙类倍频器的原理分析及总电路框图32.2 丙类倍频器的单元电路分析及参数计算53 丙类倍频器的仿真83.1 Multisim 仿真软件简介83.2 仿真电路的建立83.3 仿真结果分析94 丙类倍频器的结果及误差分析114.1 实物操作说明114.2 调试数据114.3 误差分析124.4 设计结论125 设计总结与体会13参考文献14致谢15附录16附录A 电路原理图和PCB图16附录B 电路实物图17附录C 元器件清单181 绪论1.1 设计课题的研究意义在无线电发射机、频率合成器等电子设备中的中间级,常需要通过倍频器使输出信号的频率比输入信号频率成整数倍增加，不仅使工作频率提高，在调频系统中还可以扩大频偏。采用倍频器一是可以降低电子设备的主振频率,对提高设备的频率稳定度有利。因为振荡器的频率越高,频率稳定度就越差，一般主振器频率不宜超过5MHz。因此,当发射机频率高于5MHZ时,通常采用倍频器。二是在通信机的主振器工作波段不扩展的条件下,可利用倍频器扩展发射机输出级的工作波段。例如,主振器工作在(1.53)MHz,在其后采用放大倍频级,该级在波段开关控制下,既能工作在放大状态,又能工作在二倍频或四倍频状态。这样,随波段开关的改变,发射机输出级就可获得(1.53)MK(36)MK和(612)三个波段的输出。三是在调频和调相发射机中,采用倍频器可加大频移或相移,即可加深调制深度。倍频器的种类有多种，本次课设是利用晶体管的非线性电阻效应，基于丙类放大器工作原理的丙类倍频器，效率高、失真小。本课题将就丙类倍频器的工作原理、参数计算、元件选取、电路仿真、电路调试等做详细的介绍和说明。1.2 设计课题任务及要求说明（一）设计任务提供电源电压，设计一个输出功率，利用示波器产生一个输出频率，效率的丙类倍频器。（二）设计要求制作实际电路和仿真电路并成功调试。 1.3 方案介绍丙类倍频器设计是利用晶体管的非线性电阻效应，基于丙类放大器工作原理。丙类放大器晶体管集电级电流脉冲中含有丰富的谐波分量，如果集电极调谐回路谐振在二次或三次谐波频率上，放大器就主要有二次或三次谐波电压输出。这样丙类放大器就成了二倍频器或三倍频器。在本次设计当中，需要的是三倍频器，原理框图如图1所示：图1 丙类倍频器原理框图1.4 主要性能指标（一）变频增益三倍频器输出电压振幅Vim与高频输入信号电压振幅Vsm之比，成为变频电压增益或变频放大倍数，表示如下：变频电压增益另一种表示方法为显然，变频增益更高高对提高接收机的灵敏度有利。（二）失真和干扰失真有频率失真和非线性失真。由于非线性还会产生组合频率、交叉调制与互相调制、阻塞和易倒混频干扰。这些是三倍频器产生的特有干扰。（三）选择性接收有用信号，排除干扰信号的能力决定于高频输出回路的选择性是否良好。（四）噪声系数三倍频器的噪声系数对接收设备的总噪声系数影响很大，应尽量低。这就要求很好的选择所用器件和工作点电流。1.5 工作原理说明丙类倍频器与丙类谐振功率放大器的工作原理基本相同。不同之处在于丙类倍频器的集电极谐振回路是对输入频率的n倍 频 谐 振，而对基波和其它谐波失谐，因而中的n次谐振通过谐振回路获得最大电压，而基波和其它谐波被滤除。本次设计的三倍频器的谐振回路的为3，所以，回路可以选出三次谐波、输出频率为3的电压信号，并滤除基波和其它谐波信号。2 丙类倍频器电路的设计2.1 丙类倍频器的原理分析及总电路框图丙类倍频器与丙类谐振功率放大器的工作原理基本相同，只是在输出谐振回路上调谐于输入频率的谐波频率，因而集电极上呈现的交变电压的频率为输入频率的倍频。如图2所示，基极电路的电压有以下关系： （1）参看图3，可知ic为： （2）集电极电流流通角满足：因而有： （3）将式（3）代入式（2）得： （4）集电极电流的最大值为： （5）利用傅里叶级数分解，可表示为： （6）由图3可以看出，为余弦电流脉冲，其形状可由和两个参数确定。由式（6）可知集电极电流包含丰富的谐波分量。由于图1中集电极经过LC谐振回路接到VCC，若谐振回路在功放工作时谐振于某谐波频率，因而谐振回路对电流的此谐波频率分量呈现的电阻最高，而对于电流脉冲中的直流分量、基波分量和其他各次谐波分量，谐振回路的阻抗的模很小，从而基极电压变化频率为此谐波的正弦电压，谐振功率放大器就成了倍频器。图2 丙类频器电路原理图图3 集电极电流和基极输入电压关系 图4 余弦脉冲电流分解系数曲线倍频器的集电极效率可表示为： (7)式中n为倍数，从式(7)可知需适当选取的值，使也尽可能大，不同的倍频次数最佳流通角也是不同的。最佳值可用计算。由余弦脉冲分解系数可知，无论导通角为何值，均小于，即在其他情况相同条件下，丙类倍频器的输出功率和效率将远低于丙类放大器，且随着次数n 的增大而迅速降低。为了提高倍频器的输出功率和效率，要选择适当的导通角。由图4可得，该电路最佳导通角为40。总电路框图如图5所示：图5 总电路图2.2 丙类倍频器的单元电路分析及参数计算2.2.1 小信号放大电路小信号放大模块按晶体管连接方法可区分：共基极、共发射极和共集电极放大器。丙类倍频器设计采用的是共射极放大电路，基极输入，集电极输出，电压、电流、功率均放大。从图6小信号放大模块可知，这部分的作用的是对所接受到的微弱信号通过晶体管进行信号放大。三极管选用了放大倍数在100-200倍之间的BC547A，在实物制作时用了差不多放大倍数的S9018。、和可调电阻串联的射极电阻决定了晶体管的静态工作点。而且改变的大小可以改变放大器的增益，实现电阻可调，静态工作点可调，使三极管工作在放大区。电路如图6所示；图6 小信号放大模块单元电路元器件参数说明：为了便于分析，应用等效电源电路，对图6的基极电路的直流供电电路进行变换并简化。如图7所示；图7 输入简化电路在图7中，根据经验值，取R2=3.3k,R3=5.1k，为使静态工作点可调，加入可调电阻R4，所得到的左右，使三极管可正常工作。L1和C3为前置滤波器，取L1=10mH,C3=47F。注意在电路不工作时，可以改变晶体管静态工作点及参数。本振的输出电压不能太低，又要使三极管工作在非线性区，故选1V。2.2.2 谐振回路谐振回路由电感和电容构成，它们的连接方式不一样，形成的谐振回路也不一样。串联为串联谐振回路，并联为并联谐振回路。设计中采用的是并联谐振回路它具有选择信号及阻抗变换，两个或更多个谐振回路串联可以构成带通滤波器。并联谐振回路的谐振频率为：。本次课题仿真设计选用LC并联谐振回路，但在考虑到LC回路在现实中不方便调谐，故而实物制作时我们选用了10MHz的中周代替。电路如图8所示；图8 谐振回路单元元器件参数说明：由于要选出三倍频，RC回路的振荡频率为3w,故 ， （8）通过计算得出，谐振回路中电容C=17.5pF，电感L=10H。谐振回路可调谐在频率为12MHz。电容C4的目的是隔直通交,所以选取C4=47uf。3 丙类倍频器的仿真3.1 Multisim 仿真软件简介Multisim是一个完成原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。它的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时可以新建或扩充已有的元器件库。Multisim有较先进的电路分析功能，可以设计、测试和演示各种电子电路，可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障。在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点所有数据。它具有以下突出的特点：(1)设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便；(2)设计和实验用的元器件，可以完成各种类型的电路设计与实验；(3)可以方便的对电路参数进行测试和分析；(4)可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图；(5)实验中不消耗实际的元器件，种类和数量不受限制，速度快，效率高；(6)设计和实验成功的电路可直接在产品中使用。3.2 仿真电路的建立使用Multisim建立电路模型，设计一个输入信号为4MHz的正弦波，输出为12MHz的丙类倍频电路。根据丙类倍频器电路原理，在Multisim软件平台选取相应的元器件，并选好参数。设计的仿真原理图如图9所示：图9 丙类倍频器仿真原理图3.3 仿真结果分析设置好电路以后，开始仿真。仿真结果分析：电感L2和电容C5均设计为可调的电感电容。在仿真过程中，改变可调电容的大小，观察频谱仪XSC1使输出信号频率的最大值在12MHz处。当输入端的正弦波信号源V1为4MHz时，通过计算L2和C5构成的并联谐振回路应调谐在三倍频12MHz。因为最佳导通角，所以有，。选用的三极管BC547A的参数，在时计算的电流放大倍数为由于软件本身存在一些问题，导致波形有点失真但不影响测量结果，通过测量得知，仿真输入波形的周期为251.282ns，如图10所示；输出波形的周期为85.470ns，如图11所示。由图可知：输入信号的振幅,假设基极体电阻，所以： （9） (10) (11)因为，所以: (12) （13）由此可知，设计的丙类倍频器可以进行三倍频，达到设计要求。图10 丙类倍频器波形图一 图11 丙类倍频器波形图二4 丙类倍频器的结果及误差分析4.1 实物操作说明由于中周的限制，只能使用实验室的数字信号发生器给丙类倍频器提供3.3MHz的高频信号，接入输入端J1，使用直流稳压源提供+12V 电压接J3端口，示波器接电路的输出端J4，观察波形和频率。4.2 调试数据将数字信号发生器调节在3.3MHz，100mv，调节可调电阻R4使三极管正常工作，此时基极电压为4V左右。此时观察示波器，输入信号为正弦波，频率约为9.62MHz，如图12所示；输出波形如图13所示：图12 输出结果图图13 输出波形图4.3 误差分析设计要求中，要求提供电源电压，设计一个输出功率，利用波形发生器产生一个输出频率，效率的丙类倍频器。因为实际电路使用的是10MHz的中周，当输入为3.3MHz，输出约为9.62MHz，存在误差。分析导致误差的原因如下：(1)实物的实际值与理论值有一定的差距。实际买来的电阻、电容与仿真要求的值有也差异。(2)性能指标参数的测量方法存在一定的误差。在调试过程中，我们通过直接观察波形的幅度与相位的大小来确定电路是否倍频。而实际输出信号的周期并不稳定。从而导致测量误差。(3)实验仪器设备的老化等也会导致电路调试过程出现误差。4.4 设计结论由以上调试结果可知，经过电路设计，仿真设计，得出能够实现三倍频的丙类倍频器，输出功率，效率。当输入信号为=3.3MHz，输出信号约为10MHz左右，且不稳定。可知实际制作与仿真之间存在较大的误差。但能够达到设计要求。5 设计总结与体会通过长达两周的自我学习和尝试，终于完成了本次课程设计。丙类倍频器是较简单的课题，但对于初次接触高频课程设计的人来说，这是一个不小的挑战。在设计的前期，需要查阅了大量的资料，对丙类倍频器有了一个大概的认识，对丙类倍频器的工作原理也有一定的分析和研究。丙类倍频器主要由两部分组成，放大环节和倍频环节。放大环节就是小信号放大电路，倍频环节就是在丙类功率放大器的基础上，通过谐振回路选出合适的谐波分量。本次课程设计让我对书本内的所学知识得到了更深的认识，使我掌握的更为牢固了。不仅如此，也学到了很多书本外的知识，需自己查阅资料来完成任务，使得我的自学能力以及对知识的自我理解能力得到了提升。在设计的过程中，首先我们先查阅资料，相当于一个学习的过程。通过所查阅的资料，我们研究原理、进行仿真、比较方案及选定方案，在这个过程中，我们所掌握的知识成为了关键，一开始选了个较为复杂的电路，结果无法实现，最后又对书本知识进行了复习和深究，同时在老师的指导下，选出了一个简单可行的方案。选出方案后，我们就去购买元器件了，制作实物。按照仿真电路图制作出来的实物却有很多问题。进行调试时，输出波形不稳定，频率也不对。在老师的悉心指导下，我们知道了因为在LC谐振回路难以调试，只能用中周代替。最后在我们组成员的共同努力之下，终于成功做出了丙类倍频器。本次设计仿真成功而完全按照仿真数据完成的实物却无法成功，需进一步进行调试，这让我体会到仿真只是仿真，是理想状态下的情况，在实际的制作中存在这各种各样的问题会影响结果，这还需我们查阅资料，积累经验。 参考文献1胡宴如.高频电子线路M. 北京：高等教育出版社，20122康华光.电子技术基础（模拟部分）M.北京：高等教育出版社,20063张宁.基于Multisim电子的电子线路分析与仿真J.现在电子技术，2012，35（2）：31-32.4孙冬艳.丙类倍频器的设计与仿真A.现代电子技术