《论文超外差调频接收机的设计 论文(定稿)》.doc

论文超外差调频接收机的设计 论文(定稿) 摘要人类自从发现能利用电波传递信息以来，就不断研究出不同的方法来增加通信的可靠性、通信的距离、设备的微形化、省电化、轻巧化等。 接收信息所用的接收机，俗称为收音机。 目前的无线电接收机不单只能收音，且还有可以接收影像的电视机、数字信息的电报机等。 随着广播技术的发展，收音机也在不断更新换代。 自1920年开发了无线电广播的半个多世纪中，收音机经历了电子管收音机、晶体管收音机、集成电路收音机的三代变化，功能日趋增多，质量日益提高。 20世纪80年代开始，收音机又朝着电路集成化、显示数字化、声音立体化、功能电脑化、结构小型化等方向发展随着现在社会的快速发展，人们都电子产品的要求越来越高，因而电子产品无论从制作上还是从销售上都要求很高。 要制作一个应用性比较好的电子产品就离不开高频电路，大到超级计算机、小到袖珍计算器，很多电子设备都有高频电路。 高频电路大部分应用于通信领域，信号的发射、传输、接收都离不开高频电路。 通信技术在我们的生活中广泛应用，而我所学的是电子信息工程，有一部分涉及的是通信技术，所以对于这次设计，我选择了超外差式调幅接收机。 在以前应用最广泛的是调幅接收机，随着科学技术的发展，出现了超外差式调幅接收机。 所谓超外差。 而我们所研究是的调幅超外差超外差接收机。 1947年、美国贝尔实验室发明了世界上第一个晶体管，从此以后开始了收音机的晶体管时代并且逐步结束了以矿石收音机、电子管收音机为代表的收音机的初级阶段。 1956年，西德西门子公司研制成了超高频晶体管，为调幅晶体管收音机创造了必要的条件。 1959年日本索尼公司生产了第一代调幅晶体管收音机1961年，美国研制了集成电路。 随后1966年，日本利用这一技术设计了世界上第一台集成电路收音机，开始了收音机工业的又一场技术革命。 从此收音机向着小型化、系列化、集成化、低功耗、多功能的方向发展。 在本次设计中，其目的是得到一个超外差调幅接收机机。 在超外差式调幅接收机的设计过程中，应将其分为高频放大、混频、本振、中放、鉴频、低频放大六个部分。 整个电路的设计必须注意几个方面。 选择性好，应尽可能靠近前面，因在干扰及信号都不大的地方把干扰抑制下去，效果最好。 如干扰及信号很大，则由于晶体管的非线性，将产生严重的组合频率及其他非线性失真，这时滤除杂波比较困难。 为此，在高级接收机中，输入电路常采用复杂的高选择电路。 为了使混频和本振分别调到最佳状态，要采用单独的本振。 总的来说，设计一部接收机时必须全面考虑，妥善处理一些相互牵制的矛盾，特别要抓住主要矛盾（稳定性、选择性、失真等），才能使得接收机有较好的指标。 关键词超外差，调幅，本振，混频摘要5目录6第1章引言、设计任务描述、思路及方案71.1引言71.2设计任务描述71.3设计思路81.4设计方案9第2章设计总体方案102.1工作原理102.2电路方框图10第3章各部分电路分析113.1高频放大电路123.2本振电路133.3混频电路143.4.中频放大电路153.5限幅电路173.6鉴频电路183.7.低频放大电路20结论21致谢22参考文献23附录A1.124附录A1.225第1章引言、设计任务描述、思路及方案1.1引言在本次设计中，其目的是得到一个超外差调幅接收机机。 超外差接收天线将广播电台播发的高频的调幅波接收下来，通过变频级把外来的各调幅波信号变换成一个低频和高攀之间的固定频率465KHz（中频），然后进行放大，再由检波级检出音频信号，送入低频放大级放大，推动喇叭发声。 整个电路的设计必须注意几个方面。 选择性好的级，应尽可能靠近前面，因在干扰及信号都不大的地方把干扰抑制下去，效果最好。 如干扰及信号很大，则由于晶体管的非线性，将产生严重的组合频率及其他非线性失真，这时滤除杂波比较困难。 超外差式接收机，它具有灵敏度高、工作稳定、选择性好及失真度小等优点。 所以我们选用的是超外差式调幅收音机。 1.2设计任务描述设计题目超外差式调幅接收机 1、设计目的本课题是以优化普通接收机的性能，提高信号有效性，并减少噪声为目的的课题研究。 并且通过此次研究可以提高我们对大二大三所学课程有更深刻的理解与应用，特别对于模拟电子技术基础与射频通信电路这两门课程的应用与理解上可以得到极大的提高。 此课程是由自己设计并动手制作，可以提高我们同学的动手能力以及对我们所学专业的实际操作能力。 2基本要求 1、接收频率范围5351065kHz 2、灵敏度1mV 3、选择性50dB 4、频率特性通频带为200KHz 5、输出功率100mW 6、中频频率465kHz1.3设计思路根据此次课程设计的要求，我设计的是超外差式调幅接收机。 整个电路由六部分组成，分别为高频放大、混频、本振、中放、鉴频、低频放大。 （1）高频放大高频放大器是用来放大高频信号的器件（在接收机中，高放所放大的对象是已调信号，它除载频信号外还有边频分量）。 根据高放的对象是载频信号这一情况，一般采用管子做放大器件，而且并联谐振回路作为负载，让信号谐振在信号载频（若有边频分量，便要设计回路的通频带能通过边频，使已调信号不失真）。 这样做的好处是1）回路谐振能抑制干扰；2）并联回路谐振时，其阻抗很大，从而可输出很大的信号。 （2）混频混频是将高频放大信号和本振信号混合，输出一个中频信号，在调幅电路中，本振信号必须是独立的，这是与调幅电路最大的一个区别。 混频电路是一种典型的频谱搬移电路，可以用相乘器和带通滤波器来实现这种搬移。 （3）本振本振电路用LC谐振回路来产生一个稳定的本地振荡频率，将这个稳定的谐振频率与高频放大输出信号混频，得到一个中频信号。 （4）中放如果外来信号和本机振荡相差不是预定的中频，就不可能进入放大电路。 因此在接收一个需要的信号时，混进来的干扰电波首先就在变频电路被剔除掉，加之中频放大电路是一个调谐好了的带有滤波性质的电路，所以接收机的选择性指标很高。 超外差式接收机能够大大提高收音机的增益、灵敏度和选择性。 因为不管电台信号频率如何都变成为中频信号，然后都能进入中频放大级，所以对不同频率电台都能够进行均匀地放大。 中放的级数可以根据要求增加或减少，更容易在稳定条件下获得高增益和窄带频响特性。 此外，由于中频是恒定的，所以不必每级都加入可变电容器选择电台，避免使用多联同轴可变电容器，而只需在调谐回路和本振回路用一只双连可变电容器就可完成接收。 （5）鉴频在鉴频器部分，采用比例鉴频器，普通鉴频器的线性范围较宽，调整较易，但在鉴频器前必须加上一级限幅器，而比例鉴频器则不需要但是为了得到良好的限幅特性，必须仔细调整比例鉴频器的工作状态与电路参数，也可以在前一级加一个限幅器。 （6）限幅本次设计的限幅电路采用二极管限幅器。 （7）低频放大一般从鉴频器输出的信号都比较小，为了得到我们所需的信号，必须将输出信号进行放大。 一般采用三极管放大电路来实现这一功能。 因为本次设计是音频信号，所以采用运算放大器效果比较好。 高频电路很容易受到干扰，所以对信号的要求比较高，在中频放大器电路的输出端，如果直接接鉴频器，很可能得到很多不需要的波形，用滤波器很难滤除，所以在鉴频器的输入端加一级限幅器，去除不需要的波，使输出更为纯净。 1.4设计方案本设计电路时根据模拟电子技术基础与射频通信电路这两门课程所学内容而设计的方案。 它首先通过天线接收广播无线信号，由地第一级高频放大电路，放大信号，使之在本接收机的工作范围之内。 再让其与16.455M晶振产生的本振信号混频，输出一个中频信号。 我们采用的是晶体管混频方案，它线性放大稳定，混频效率高等优点，并且通过多级LC电路滤波从而得到比较稳定的信号。 并且在各级之间加上了电容，使各级之间的干扰达到最小。 本设计的优点 (1)用作放大的中频，可以选择那些易于控制的、有利于工作的领率(我国采用的中频频率为465千赫)，以便适合于管子和电路的性质，能够得到较为稳定和最大限度的放大量。 (2)各个波段的输入信号都变成了固定的中频，电路将不因外来频率的差异而影响工作，这样各个频带就能够得到均匀的放大，这对于频率相差很大的高频信号(短波)来说，是特别有利的。 (3)如果外来信号和本机振荡相差不是预定的中频，就不可能进入放大电路。 因此在接收一个需要的信号时，混进来的干扰电波首先就在变频电路被剔除掉，加之中频放大电路是一个调谐好了的带有滤波性质的电路，所以接收机的选择性指标很高第2章设计总体方案2.1工作原理在超外差式调幅接收机的设计过程中，应将其分为高频放大、混频、本振、中放、限幅、鉴频、低频放大七个部分。 整个电路的设计必须注意几个方面。 选择性好的级，应尽可能靠近前面，因在干扰及信号都不大的地方把干扰抑制下去，效果最好。 如干扰及信号很大，则由于晶体管的非线性，将产生严重的组合频率及其他非线性失真，这时滤除杂波比较困难。 为此，在高级接收机中，输入电路常采用复杂的高选择电路。 为了使混频和本振分别调到最佳状态，要采用单独的本振。 超外差式接收机能够大大提高接收机的增益、灵敏度和选择性。 因为不管电台信号频率如何都变成为中频信号，然后都能进入中频放大级，所以对不同频率电台都能够进行均匀地放大。 中放的级数可以根据要求增加或减少，更容易在稳定条件下获得高增益和窄带频响特性。 此外，由于中频是恒定的，所以不必每级都加入可变电容器选择电台，避免使用多联同轴可变电容器，而只需在调谐回路和本振回路用一只双连可变电容器就可完成选台。 超外差电路的典型应用是超外差接收机，其优点是容易得到足够大而且比较稳定的放大量。 具有较高的选择性和较好的频率特性。 容易调整。 缺点是电路比较复杂，同时也存在着一些特殊的干扰，如像频干扰、组合频率干扰和中频干扰等。 随着集成电路技术的发展，超外差接收机已经可以单片集成。 2.2电路方框图第3章各部分电路分析3.1高频放大电路高频放大器是用来放大高频信号的器件，在接收机中，高频放大器放所放大的对象是已调信号，它除载频信号外还有边频分量）。 根据高放的对象是载频信号这一情况，一般采用管子做放大器件，而且并联谐振回路作为负载，让信号谐振在信号载频（若有边频分量，便要设计回路的通频带能通过边频，使已调信号不失真）。 这样做的好处是1）回路谐振能抑制干扰；2）并联回路谐振时，其阻抗很大，从而可输出很大的信号。 对高放的主要要求是: (1)工作稳定放大器可能会产生正反馈，它影响放大器的稳定工作，严重时，会引起振荡，使放大器变成振荡器，从而完全破坏了放大器的正常工作。 因此，在正常工作中要保证放大器远离振荡状态而稳定的工作。 （2）选择性好，有一定的通频带。 （3）失真小，增益高，并且工作频率变化时增益变动不应过大，工作频率越高，晶体管的放大能力越小，增益越低。 增益变化太大时，则灵敏度相差将很悬殊。 高频放大电路如图3.1所示。 输入高放混频中放鉴频器放大本振限幅R730KC133-15PC1010PC1422PC115pC160.01UL38018uhR131KQ13DG6BR610KC530PC120.01UR1510L165NHC19PR310KC330PR230KC2100PC150.01UINTV_12V图3.1.1高频放大电路图中LN及NC为中和元件。 在高频时，为了抵消dgC之反馈，采用了LN及NC。 当1NeNwLwLwC?=（即LN及NC串联的谐振频率低于工作频率w，LN于NC之路呈感性）且等效电感eL之感抗值ewL与1dgwC相等时，则N I与rI数值相等，符号相反，互相抵消。 调节NC可使ewL=1dgwC。 gsC dsC为漏极输出电容，Q wL合并为2dsTMCUCCC+与L谐振，其谐振电阻为/iRR)，便得谐振时的输出电压为g UR0R,将iR与0R=00000mLgskg RU=(00LR=00mgsLU=于是电压增益为000mLgsUkg RU=对场效应管，主要关心电压增益，至于功率增益，由于放大器的输入电流很小，输入端就不消耗什么功率，因而功率增益很高，于是功率增益便不太重要。 本次设计的高频放大电路运用的核心器件是场效应管。 场效应管放大器有以下优点 （1）场效应管栅流小，输入阻抗高，p k大。 （2）放大时工作在dsi几乎不随dsu改变的区域，输出阻抗高。 （3）因输入输出阻抗高，故回路可直接与管子相连，而不一定要经过阻抗变换器。 当然，在频率相当高时，因输入输出阻抗急剧下降，并且为了匹配，场效应管亦应通过阻抗变换网络与回路相连。 （4）内部反馈比晶体管小。 这是因为反馈导纳比普通晶体管的小。 在频率很高时，通过dgC的反馈较大，这时可用中和法消除dgC的影响。 （5）场效应管的转移特性为平方曲线，不产生包络失真、交叉调制、三阶互调，阻塞电平可达3-4V。 当然，实际特性不可能是理想平方曲线，因而总会有些失真，不过他比一般的晶体管要小的多。 （6）噪声系数小。 3.2本振电路在本次设计中，采用改进型电容三点式振荡电路。 因为本振电路的输出频率要与高频放大电路的输出信号进行混频，得到一个中频信号。 所以要求本振电路的输出频率必须很稳定。 所以采用石英晶体振荡器。 如果本振电路的输出不稳定，将引起变频器输出信号的大小改变，振荡频率的漂移将使中频改变。 振荡器的振幅与振荡管的特性以及反馈电路的特性有关。 本次设计的电容改进型电路图如下所示12Y116.455MC2251PR2030KR192KR1630KR2110KR2410KC29100033DG12BR251kC210.1uC2651pC301000pC273-15PC241000pR1851kR2220kQ23DG12BR231kC281000pOUT2V_12VC22_1100P图3.2.1电容反馈改进振荡电路图3.2.1是一个电容反馈改进振荡器电路，43545CCCCCC=+电路中是基极接地，CE之间为1C，BE之间为2C，CB之间为L与C串联的等效电抗；在振荡频率处，选择0000011,ew Lw Lw LwCw C?=，即L与C串联后等效为一个电感eL，因此此电路是电容反馈振荡器。 因为振频等于谐振频率0w，0w决定于001wLwC=式中1211C11CCC=+由上式可得012111C211CfLC=+若选择1CC，2CC，则0f与1C及2C近似无关。 ，对于提高振荡电路的稳定度有以下几种方法 （1）提高回路的Q值。 Q值高，可使频率稳定。 回路Q值主要由电感的Q值决定，故要提高电感的Q值。 为此应尽量减小损耗而加大特性电阻/L C=。 不过，的提高有一定限制，L太大时，损耗也大，而且C太小时并联在回路中的杂散电容可与C相比拟，杂散电容将显著影响频率的稳定。 为了减小线圈的损耗，可用高频损耗小的线圈固架。 （2）减小负载的影响。 减小振荡回路和负载间的耦合程度可减弱负载的影响，不过这时传送到负载上的振荡信号也小了，故振荡要求更强。 在振荡器和负载之间加一级射极输出器可改善负载对振荡器的影响，因射极输出器之输入阻抗较高，隔离作用较好，同时不增加振荡功率的要求。 33混频器混频器是一个变频电路，一般用相乘器，高频放大电路和本地振荡电路的输出信号加到混频器的输入端，得到一个差频。 调谐回路的输出，进入混频级的是高频调制信号，即载波与其携带的调制信号。 经过混频，输出载波的波形变得很稀疏其频率降低了，但音频信号的形状没有变。 通常将这个过程(混濒和本振的作用)叫做变频。 从频谱观点上来看，混频的作用就是将已调波的频谱不失真的从cf的位置上，因此，混频电路是一种典型的频谱搬移电路，可用相乘器和带通滤波器来实现这种搬移。 如图3.3.1所示Us(t)频谱Uo(t)频谱WcWl-WcWl+WcWl带通滤波器特性ww图3.3.1频谱电路混频电路的原理是把本机振荡产生的高频等幅振荡信号f1，与输入回路选择出来的广播电台的高频已调波信号f2同时加到非线性元件的输入端。 利用元件的非线性作用（晶体管的非线性作用）进行混频。 混频结果输出频率为f 1、f2以及频率为f1+f 2、f1f 2、高次谐波等多种信号。 在本次设计中我们采用晶体三极管混频器，晶体三极管环型混频器的优点是工作频带宽，可达到几千兆赫，噪声系数低，混频失真小，动态范围等，但其主要缺点就是没有混频增益。 由于混频器处于接收机的前端，它的噪声电平高低对整机有较大的影响，因此要求混频器的噪声系数越小越好。 由于混频依靠非线性特性来完成，因此在混频过程中会产生各种非线性干扰，如组合频率，交叉调制，互相调制等干扰。 这些干扰将会严重的影响通信质量，因此要求混频电路对此应能有效的抑制。 R28L4C4233pC511000PL6100nhQ5BG7018.2K470UhR302.4kL7100uhC430.01UR3110kC4847PL812.95UHC4910POUT3C360.01UC3710UL5470uhC380.01UC3910UV_12VOUT2OUT1图3.3.2晶体三极管环型混频电路图3.3.2是晶体三极管混频电路的原理图，图中OUT 1、OUT2为输入信号源，OUT2为本振信号源。 为了保证晶体三极管工作在开关状态，本振信号UL的功率必须足够大，而输入信号US功率必须远小于本振功率。 实际晶体三极管环型混频器组件各端口都必须接入滤波匹配网络，分别实现混频器与输入信号源本振信号源、输出负载之间的阻抗匹配。 3.4中频放大电路超外差接收机中的中频放大器是一种频带较宽的谐振放大器。 中放采用谐振回路作负载，这是与高放共同之处；但中放的谐振曲线接近理想曲线矩形，这是与高放不同之处。 后者对超外差接收机的中放来说是完全必要的，因中放任务之一是削弱邻近干扰，而邻近干扰频率离信号很近，变频之后，离中频就很近，若中放的谐振曲线不好，便难以削弱。 此外，中放还具有工作频率固定与级数多两个特点。 中放的作用有两个主要作用 （1）提高增益，因中频低于信号频率，晶体管的y参数及回路谐振电阻等较大，因此易于获得较高的增益。 差外差接收机检波前的总增益主要取决于中放。 （2）抑制邻近干扰。 对中放的主要要求是工作稳定，失真小，增益高，选择性好，有足够宽的通频带。 对于高放，因工作频率0f高，通频带0/f QLB=宽，故高放回路的Q值越高越好，这时不必顾虑B太窄的问题；但对于中放，由于工作频率较低，若回路Q值过高，频带可能太窄而不能通过全部信号分量，故希望他在要求的通频带条件下选择性越高越好，也就是要求谐振曲线接近矩形。 实际谐振曲线很难做到理想矩形，为了衡量实际谐振曲线接近矩形的程度，引入矩形系数0.1ff0.7072?2rk?=，式中0.7072f?为通频带。 本次设计的中频放大电路如图所示R820kC6100PL26.085UHC70.1uC80.1uR4100kR51kD12AP12R1710KOUT3C200.01UC234.7u12Y26MC25220pC19100pR113.3kR126.8kR15470kC171000pC180.1uR144.7kR94.7kC90.1uR1030KC44.7uV_12VOUT4861686102110217979111133161212U1MC3361C25-168P图3.4.1中频放大电路为了达到较好的信号，我们采用了集成电路MC3361芯片，下图为MC3361参数。 工作电压34V工作频率10.7M工作温度25工作电流4mA3.5鉴频电路鉴频器的任务是从调幅信号中检出调制信号，它包括变换部分及振幅检波器部分。 普通鉴频器的线性范围较宽，调整较易；但由0cosL()cmrUI RX?=可以看到，U=正比于前级集电极电流的基波幅度Icm1，鉴频前若无限幅器，则Icm1不为常数，于是U=将随Icm1即接收信号的大小改变，而不能去掉寄生调幅的影响。 故用普通鉴频器时，前面必须使用限幅器。 但限幅器要求较大的输入信号，这导致限幅前高频级数的增加哦。 比例鉴频器可改正这一缺点，它能同时完成限幅及鉴频的任务，其输入信号不必太大。 比例鉴频器的U=为普通鉴频器的一半。 但因比例鉴频器有限幅作用，其输入信号即鉴频器输入端初级回路电压约只有0.1V即可工作。 所以在本次设计中采用了比例鉴频器，其单元电路图如下所示T1C310.01uR2612kR2710kC32100pC331000pR3633kC415100pOUT4Q43DG6CR373kTrans CuplD22AP12R29390C440.01uC3410uC450.022uR33100kR3422kC350.022u23418AR1Op AmpC460.1UR38100KR391MR356.2KR32100kC40100uVCC-12VR401MC50100uOUT5V_12VC470.01U图3.6.1鉴频电路图中C1是高频滤波电容，R及C是减重网路，它用来提高抗干扰性。 其作用原理是在发射