哈工大高频课程设计报告

1 HarbinHarbinHarbin InstituteInstituteInstitute ofofof TechnologyTechnologyTechnology 通信电子线路课程设计通信电子线路课程设计 课程名称 通信电子线路 院 系 电子与信息工程学院 班 级 姓 名 郭路鹏 学 号 教 师 赵雅琴赵雅琴 哈尔滨工业大学 2015 年 5 月 2 通信电子线路通信电子线路 课程设计报告课程设计报告 一 概述一 概述 设计目的 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 设计任务 1 针对每个系统给出系统设计的详细功能框图 2 按照任务技术指标和要求及系统功能框图 给出详细的参数计算及方案论证 器件选择的计算过程 3 给出详细的电路原理图 标出电路模块的输入输出 给出详细的数学模型和计算过程 4 对整个电路进行 ADS Multisim 等计算机软件仿真 给出功能节点及系统的输入输出仿真波形及 分析 二 总体方案介绍 具体电路实现及仿真结果二 总体方案介绍 具体电路实现及仿真结果 一 中波电台发射系统设计 一 中波电台发射系统设计 技术指标 载波频率535 1605KHz 频率稳定度 不低于 3 10 输出负载51 输出功率50mW 调幅指数30 80 调制频率500Hz 10kHz 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 3 1 1 主振荡器的设计与仿真 主振荡器的设计与仿真 在无线电技术中 采用振荡器来产生 535 1605 kHz 的高频电流 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 由于本设计要求频率稳定度在 量级 指标较高 故本次设计采用稳定度较高的西勒电路 电路原理图如下 1 参数设定 晶体管的选择 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 后续设计不逐一说明 静态工作点 根据习惯 将 Vcc 设为 12V 由 R1 R2 Re Rc 为三极管提供静态工作点 晶体管的一 CEQ U 般取 3 6V 取 2 5mA 不妨设 6V 2mA EQ I CEQ U EQ I 36 96 1 5 2 CCCEQ EQ UU RRk I 于是设 另在两侧并联一个旁路电容 取 36 500 1RRk 2 R 2 0 1CF 6 500 0 0030 72 3 BQEQBE URIUV 7 87 1 5 BQ CC U R RRU 不妨设 87 15 5 RkRk 振荡电路 根据西勒电路图可知 4 共同构成了谐振回路 其中 为可变电容 从而实现载波的的可调 西勒振荡电路的振 89710 C C C CL 10 C 荡频率可近似认为是 1 2 f LC 其中 789 10 788979 C C C CC C CC CC C 由于题目要求 振荡器产生的频率需在 535 1605kHz 范围内 而由满足相位平衡条件的基本准则可知 与 cb X 的电抗性质相反 所以与 L 一起成感性 因此的电容值要比小得多 根据起振条件 cebe XX 7 C 7 C 89 C C AF 1 即 且越小 振荡器达到稳定的时间越短 故参数设计如下 8 9 1 C C 9 C 40LH 9912 789 10 99912912 787989 5 1010480 10 280634 5 10105 10480 1010480 10 C C C CCpFpF C CC CC C 612 11 1 013 2 240 10634 10 fMHz LC 2 电路仿真 对电路进行仿真得到波形图 并对频率 幅度进行相应测量 结果如下 经测量 符合技术指标 4 1 57 10 f f 3 误差分析 5 由仿真结果可以看出 输出频率与理论值之间存在较大差距 这是因为计算是将晶体管看成理想情况 但 实际电路中有结电容等存在 电路的要更大 从而所获得的输出振荡频率比理论值小 C 2 2 射极跟随器的计算与仿真 射极跟随器的计算与仿真 缓冲隔离级将振荡级与功放级隔离 以减小功放级对振荡级的影响 因为功放级输出信号较大 工作状态 的变化会影响振荡器的频率稳定度或波形失真或输出电压减小 缓冲级采用射级跟随器 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 实际电路设计图如下 1 参数设定 由已学知识可知 共集电路只能放大电流不能放大电压 具有电压跟随的特点 且其输入电阻大 输出电 阻小 因此常被用作隔离用的中间级 故本级电路采用晶体管共集放大电路作缓冲级 一般 2 EQ ImA 在 3 6V 之间 故我选 CEQ U6 CEQ Uv 4 96 1 5k 3 CCCEQ EQ UU R I 4 1 5 30 75 2 BQEQBE URIUV 2 12 5 2 12 BQ CC U R RRU 不妨设 12 20 30 RkRk 为耦合电感 将振荡电路连入射极跟随器 将整个前级电路连入后级 信号为高频 故取 13 C C 为负载 姑且设为 13 100 CCF 5 R6k 2 电路仿真 对电路进行仿真得到输出电压值 频率值如下图 6 3 误差分析 由输出频率可知 经过射随的高频振荡频率有明显的减小 经查阅资料得知 出现该种情况是由于晶体管 内部参数影响 经过射随后 频率稳定度有所下降 但不影响实验进行 3 3 振幅调制电路的设计与仿真 振幅调制电路的设计与仿真 通信系统的主要目的是实现远距离地不失真地传送信息 而直接将基带信号进行传输 要实现多路远距离 传输是困难的 通常是将基带信号加载到高频信号上去 用高频信号作为运载工具 就能较好地实现多路有选 择性的远距离通信 调幅电路的定义是用需传送的信息去控制高频载波振荡电压的振幅 使其随调制信号线性关系变化 即 cos 1cos cos mccmac utUttUmtt 从振幅调制电路的功能可以看出 在输入载波频率和调制信号频率时 要实现调幅必须产生新的频率分量 因 此调幅电路的主要器件应是非线性器件 其特性必须含有载波信号和调制信号的乘积项 集成模拟乘法器 MC1496 能实现载波信号和调制信号两电压相乘 故本实验采用 MC1496 搭配外围电路来实现调幅 参考书中的 参数设置 结合前级输出信号特点 实际如下电路 7 在外围电路中 R7 R9 两个的电阻与电位器 R10 共同作用 调节 Q7 Q5 基极电压差 从而起到调10k 整的作用 电容 C3 C1 分别将高频载波和经过放大的低频调制信号耦合进入乘法器 L3 C5 R12 共同构成 a m 中心频率为 带宽为 2kHz 的的带通滤波器 偏置电阻 R4 使 向 Q1 Q2 Q8 Q41013kHz 7 2 CQ ImA 1516 RR 的基极提供偏压 电阻为与传输电缆特性阻抗匹配 51 1 参数设定 不妨设 由并联谐振回路选频特性得 1 10LH 5 226 0 11 2 47 2 21013000 10 10 CnF fL 26 0 00 2101300010 10 2225 2000 f Rf LQf Lk B 电路图完整后调整不出波形 所以只能采用理想乘法器进行实验 电路图改为 8 2 电路仿真 根据电路图中电位器处于 100 状态 所得出的 AM 波形 频率 振幅如下 3 误差分析 由仿真得出的 AM 波形可以看出 包络有些许失真 产生的波形每个周期略有差异 4 4 高频功率放大器 高频功率放大器 为了满足输出功率的要求 需要在调幅电路之后加入高频功放电路 具体设计电路如下 1 参数设计 丙类高功率放大器的集电极电流为余弦脉冲 通角对集电极电流的分析可知 为了兼顾高的输出功率和高 的集电极效率 通常取半通角根据题目要求 输出功率 50mV 负载为 不妨设 60 o c 51 0 3 CEQ UV 可得 12 CC VV 9 2 2 1 3 120 3 1368 9 22 50 10 CCCEQ O VU R P 取 进一步得出 1 1370R 3 106 2 2 50 10 13708 54 c m IPRmA 0101 8 54 0 218 0 3914 76 cc mcc IImA 静态偏置电压 可得 2 B UV 5 3 0 2 81 24 7 10 B c U R I 旁路电容应选取较大值故设 36 70 100 CC 设可得 1 0 2CF 226 01 11 160 2 21013000 0 2 10 LnH fC A 匹配网络 根据 型网络的参数计算公式可知 等效电路图如下 因为 故 16 RR 1 1 6 1370 115 09 51 R Q R 故取所以得 1 5 1Q 1 22 1 1370 50 72 11 5 1 R R Q 1 01 1370 48 221013000 5 1 R LH f Q A 2 2 51 110 08 50 72 R Q R 10 2 4 02 0 08 280 221013000 51 Q CpF f R 2 012 11 0 68 2 21013000 5 1 0 08 50 72 CnF f QQ R 2 电路仿真 因为只是功率变化 故输出的波形依然为调幅波 仿真结果如下 高频功率放大器输出波形 输出典雅与输入电压对比及输出功率情况如下 输入输出幅值对比 输出功率 3 误差分析 由于前级各输入电路套用影响 输出的波形出现底部失真 至此 中波电台发射系统设计全部完成 二 中波电台接收系统设计 二 中波电台接收系统设计 技术指标 载波频率535 1605KHz 输出负载8 输出功率0 25W 灵敏度1mV 11 中频频率465kHz 无线电接收过程正好和发送过程相反 它的基本任务是将通过天空传来的电磁波接收下来 并从中取出需 要接收的信息信号 因相比于直接放大式接收机而言 超外差接收机具有固定频率的中频放大器 它不仅可以 实现较高的放大倍数 而且选择性也很容易满足 具有高灵敏度和高选择性 故本设计采用超外差式接收机结 构 方框图如下 超外差式接收机方框图超外差式接收机方框图 输入电路把空中许多无线电广播电台发出的信号选择其中一个 送给混频电路 混频将输入信号的频率变 为中频 但其幅值变化规律不改变 不管输入的高频信号的频率如何 混频后的频率是固定的 我国规定为 465KHZ 中频放大器将中频调幅信号放大到检波器所要求的大小 由检波器将中频调幅信号所携带的音频信号 取下来 送给低频放大器 低频放大器将检波出来的音频信号进行电压放大 再由功率放大器将音频信号放大 放大到其功率能够推动扬声器或耳机的水平 由扬声器或耳机将音频电信号转变为声音 1 1 混频器的设计与仿真 混频器的设计与仿真 变频电路的功能是将已调波的载波频率变换成固定的中频载波频率 而保持其调制规律不变 也就是说它 是一个线性频谱搬移过程 通常变频器由输入回路 非线性器件 带通滤波器与本机振荡器四部分组成 其中 将输入回路 非线性器件 带通滤波器三部分称为混频器 常见的混频器有晶体三极管混频器 场效应管混频 器 二极管混频电路及模拟乘法器混频器 相比于其他电路 模拟乘法器混频电路科工作在高频或甚高频信号 下进行混频 与其他集中混频器相比 其优点是输出电流中组合频率分量小 干扰小 对本振电压振幅要求不 很严格 不会产生严重失真 隔离性能好 频率牵引小 故本次设计采用模拟乘法器混频电路 电路图如下 本机振荡本机振荡 器器 12 1 参数设计 内部电路为书中所提供的 MC1496 模拟乘法器 本机振荡器由交流信号源 V3 承担 输入信号为发射系统所 发出的经过功放和天线传输的调幅信号 C1 C3 为耦合电容 分别将本机震荡信号和乘法器输出信号接入下一 级 电路中 L2 C4 R15 共同构成滤波器 由于发射系统产生的信号频率为 890kHz 故本机振荡器输入频率为 10134651478 LsI fffkHz 不妨设可得 2 5LF 4 226 2 11 23 43 2 2465000 5 10 I CnF fL 26 0 00 24650005 10 226 8 2000 f Rf LQf Lk B 2 电路仿真 由于混频器实现的是频率的线性搬移 对幅度无影响 故输出的仍为调幅波 只是频率降低 所得波形图 如下 13 混频输出波形图 混频输出电压幅度 混频输出频率 当输入幅度为 1mV 时输出有示数 故符合灵敏度要求 3 误差分析 所得仿真结果与实际值差别不大 此处不做说明 2 2 中频放大器的设计与仿真 中频放大器的设计与仿真 信号经过混频电路后输出的幅值要想满足最后输出的功率条件 在进行检波解调前要先通过中频放大器将 信号放大 外围电路 14 输出频率 参数设计 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 设 由 设 为保证品质因数取 由此可求得 可知选频网路的选频效果较好 符合要求 设 保证三极管工作在放大状态 防止交流流入直流电源 其余电容 为隔直电容 15 3 3 检波电路的设计与仿真 检波电路的设计与仿真 振幅检波器的功能是从调幅信号中不失真地解调出原调制信号 从信号的频谱老看 检波电路的功能是将 已调波的边频或边带信号频谱搬移到原调制信号的频谱处 根据输入的调幅信号的不同特点 检波电路可分为 两大类 包络检波和同步检波 同步检波器是由相乘器和低通滤波器两部分组成