高频超外差调幅接收机.doc

吉林建筑大学电气与计算机学院高频电子线路课程设计报告设计题目： 超外差式调幅接收机 专业班级： 学生姓名： 信工 学 号： 指导教师： 高晓红 王超 设计时间： 2015.12.142015.12.25 教师评语：成绩 评阅教师 日期 2323目录（一）设计题目1（二）设计内容、目的及要求12.1 课程设计的目的12.2 课程设计内容12.3 课程设计基本要求1（三）调幅接收机工作原理2（四）设计方案选择34.1 点频调幅接收机34.2 超外差式调幅接收机34.3 最终方案选取4（五）单元电路设计55.1 高频小信号放大器55.2 混频器75.3 本机振荡器85.4 中频放大器105.5 检波器125.6 低频放大器13（六）系统设计与仿真分析156.1 系统工作流程156.2 总电路的波形仿真与分析15（七）心得体会17（八）参考文献18附录一19附录二21（一） 设计题目超外差式调幅接收机（二） 设计内容、目的及要求2.1 课程设计的目的高频电子线路课程设计是继高频电子线路理论学习和实验教学之后又一重要的实践性教学环节，它的任务是在学生掌握和具备高频电子线路理论知识的基础上，使学生熟悉和掌握高频电子线路系统的开发方法和过程，提高分析和解决实际问题的能力，还使学生在组织能力提高、合作精神培养方面得到锻炼，为今后从事电子技术领域的工程设计打好基础。2.2 课程设计内容（1）掌握超外差调幅接收机原理；（2）设计接收机的各个单元电路，画出单元电路图；（3）应用EDA软件（multisim软件）对所设计电路进行仿真验证。（4）总电路图技术指标: 接收频率范围5351605KHz，输出功率150mW，灵敏度50V。2.3 课程设计基本要求（1）理论与实践结合能力的训练；（2）动手能力和操作技能的训练；（3）发现问题，分析问题，解决问题能力的训练；（4）综合能力训练，即通过实践环节，培养学生严肃认真的科学态度和严谨求实的科学作风，善于合作的团队精神和现场的组织能力。（三） 调幅接收机工作原理调幅收音机的工作原理为：天线接收到的高频信号通过输入，将所要收听的电台在调谐电路里调好以后，经过电路本身的作用，就变成另外一个预先确定好的频率（我国为465KHz），然后再进行放大和检波。这个固定的频率，是由差频的作用产生的。我们在收音机内制造个振荡电波(通常称为本机振荡)，使它和外来高频调幅信号同时送到一个晶体管内混合，这种工作叫混频。由于晶体管的非线性作用导致混频的结果就会产生一个新的频率，这就是外差作用。任何电台的频率，由于都变成了中频，放大起来就能得到相同的放大量。调谐回路的输出，进入混频级的是高频调制信号，即载波与其携带的音频信号。混频器输出的携音频包络的中频信号由中频放大电路进行一级、两级甚至三级中频放大，从而使得到达二极管检波器的中频信号振幅足够大。二极管将中频信号振幅的包络检波出来，这个包络就是我们需要的音频信号。音频信号最后交给低放级放大到我们需要的电平强度，然后推动扬声器发出足够的音量。简单来说，接收天线将接收到的微弱信号经过高频小信号放大器放大器将有用信号进行放大，并抑制干扰信号，然后信号经过变频器进行变频，其中变频器是由混频器与本地振荡器组成，将高频信号变成中频信号，然后中频信号经过中频放大器进行功率放大，然后再经过检波器进行检波，即对信号进行解调，将信号变成变成低频调制信号，最后经过低频放大器进行功率放大以实现对扬声器的驱动。（四） 设计方案选择4.1 点频调幅接收机 天线接收到的信号传到输入回路，输入回路用来选择接收到的信号，并且输入回路应该调谐于接收机的工作频率。被选择后的信号传到高频放大器部分，经过选频放大，且选频回路同样需要调谐于接收机的工作频率。经过高频放大后的信号传到由模拟乘法器构成的解调回路，将已调信号还原成低频信号。由于乘法模拟器用作检波时必须有一与接收信号同频的本振信号,因此用本本机振荡来提供与输入信号载波同频的信号。经过解调后的低频信号传入音频放大器电路，放大后在传入扬声器，发出声音。点频式接收机主要由输入回路、高频放大、本机振荡、解调和音频放大这五部分组成。它的系统原理框图如图4-1所示：输入回路高频放大解调音频放大输入回路图4-1 点频调幅接收机系统框图4.2 超外差式调幅接收机从天线收到的微弱高频信号先经过高频小信号放大器放大，然后送至混频器与本地振荡器所产生的等幅震荡电压相混合，所得到的输出电压包络线形状不变，仍与原来的信号波形相似，但载波频率转换为中频。中频电压再经中频放大器放大，送至检波器，得到检波输出电压，最后，再经低频放大器放大，送至扬声器或耳机中转变为声音信号。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。超外差式接收机主要由高频小信号放大、混频、本振、中频放大、检波、低频放大这六部分组成。它的系统原理框图如图4-2所示。高频小信号放大器混频器本地振荡器中频放大器检波器低频放大器图4-2 超外差接收机系统框图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。4.3 最终方案选取综合比较两种方案可知,虽然点频调幅接收机明显较超外差式调幅接收机简单，应优选点频式调幅接收机。但根据课程学习，应加深对超外差电路的了解和掌握，本次设计选择超外差式调幅接收机的电路设计与调试。超外差式具有灵敏度高、工作稳定、选择性好及失真小等特点。因此，超外差调幅收音机应用更普遍。本文详细介绍了超外差式调幅接收机各个部分的设计过程和在电类软件中的仿真。（五） 单元电路设计5.1 高频小信号放大器1.高放的电路设计高频放大器是用来放大高频信号的器件，高频放大器与低频相比较，它的工作频率高，但整个工作频带宽度比较窄。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，一般采用晶体管做放大器件，而且用并联谐振回路作为负载，让信号谐振在信号载频。对于高频小信号放大器来说，由于信号小，可以认为它工作在晶体管的线性范围内。允许把晶体管看成线性元件，可以看成有源线性四端网络。高频放大器一般采用调谐于工作频率的谐振电路作为输入和输出电路，因此高频放大器在放大微弱的高频信号的同时，还可以起到滤除镜象干扰和中频干扰的作用，虽然高频放大器对信号具有放大作用，但设置高频放大器的主要目的是着眼于提高输出信噪比，这是因为，接收机的第一级对整机信噪比的影响最为直接、最为明显。而变频器所产生的噪声往往较大，所以变频器之前设置一级或二级高频放大器，即使放大器对信号的放大倍数不是很高，但却可以明显地提高输至变频器的信号功率与变频器噪声功率的比值，从而明显地改善整机信噪比。因此，高频放大器件必须是自身噪声极小的低噪声器件，一般采用晶体三极管做放大器件，而且用并联谐振回路作为负载，让信号谐振在信号载频。对高频放大器的主要要求是：（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。（4）噪声系数小，尽量减小本级的内部噪声。高频小信号放大电路原理图如图5-1所示。图5-1 高频小信号放大电路图2.仿真结果分析高频信号放大器对由天线接收到的高频小信号进行放大。从图中可以看出，放大器的输出信号频率不变，相位有一定的延迟。这是因为三极管构成的高频谐振放大器不改变信号波形，只可能改变信号频率。高放仿真结果如图5-2所示。图5-2 高频小信号放大器仿真结果图5.2 混频器1.混频的电路设计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，既载波与其携带的调制信号。经过混频，输出载波的波形变的很稀疏，其频率降低了。但音频信号的波形没有变。通常将这个过程（混频和本振共同作用）叫做变频。从频谱的观点看，混频的作用就是将已调的频谱不失真的搬移，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。在设计中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。混频器电路原理图如图5-3所示。图5-3 混频器电路原理图2.仿真结果分析混频器的设计是采用通过调制信号控制基极电压来改变载波信号的幅度。在输出端加一个选频电路，只输出基频附近的上下便带信号。混频前、后仿真结果图如图5-4、5-5所示。图5-4 混频前仿真结果图图5-5 混频后仿真结果图5.3 本机振荡器1.本振的电路设计变频器中，为了接收信号在混频元件中产生差拍输出信号，需要产生一个等幅震荡信号，产生该信号的震荡器就称为本地振荡。本地振荡器具有跟踪特性。对本地振荡器的要求是：振荡频率稳定且可进行电调，噪声小。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越高，频率越稳定。回路Q值主要由电感的Q值决定，所以要提高电感的Q值。所以要尽量减小损耗，提高=.不过，的提高是有一定限度的，L太大时，损耗也增大，且C太小时并联在回路中的杂散电容很大，杂散电容明显影响频率的稳定。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以减弱负载的影响，不过这时传送到负载上的振荡信号也小了，所以震荡要求更高。在振荡器和负载之间加一级射极输出器可以改善伏在对阵当期的影响。因为射极输出器的输入阻抗较高，隔离作用较好，同时不增加振荡功率的要求。在本次设计中，采用石英晶体振荡电路。本地振荡器主要是产生一个和调幅信号相乘的高频信号，通过信号相乘以得到新的频率，得到一个中频信号。若振荡器不能够稳定工作，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。为此我们必须保证振荡器的稳定性，故这里采用高稳定度的石英晶体振荡器。本振电路用LC谐振回路来产生一个稳定的本地振荡频率。本地振荡电路原理图如图5-6所示。图5-6 本振电路原理图2.仿真结果分析本地振荡器采用石英晶体振荡电路，石英振荡器工作于感性区，晶振用作为等效电感。采用晶振电路的优点是频率稳定度大大的提高。本振仿真结果图如图5-7所示。图5-7 本振仿真结果图5.4 中频放大器1.中放的电路设计 中频放大器的功能是将混频器输出信号进行电压放大以满足鉴频器输入幅度的要求。中频放大电路的任务是把变频得到的中频信号加以放大，然后送到检波器检波。中频放大电路对超外差收音机的灵敏度、选择性和通频带等指标起着极其重要的作用。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。中频放大器电路原理图如图5-8所示。对中放的主要要求是：1、工作稳定；2、失真小； 3、增益高；4、选择性好；中频放大器电路原理图如图5-8所示。图5-8 中频放大电路原理图2.仿真结果分析中频放大器采用三极管放大电路，从图中可以看到，输出信号频率不变，振幅增大4倍。中频放大器仿真结果如图5-9所示图5-9 中频放大器仿真结果图5.5 检波器1.检波的电路设计检波过程是一个调制过程。检波器的作用是从振幅受调制的高频信号中还原出原调制信号。还原所得信号，与高频调幅信号的包络变化规律一致，故又称包络检波器。检波器由高频信号输入电路、非线性器件（通常用工作与非线性状态的二极管或晶体管）、低通滤波器（通常用RC电路，取出原调制频率分量，滤除高频分量）。检波器包括同步检波器和包络检波器。本次设计采用包络检波器。电路图是二极管峰包络检波器，D1是检波二极管，C1是检波电容，其中检波电容通高频阻低频，而R2是直流负载电阻。电路中调制指数m=0.8，输入信号的载波频率是465KHZ，幅值是0.2V，调制信号频率60KHZ。检波器电路原理图如图5-10所示。图5-10 检波器电路原理图2.仿真结果分析采用二极管包络检波结构，利用二极管的充电电阻小的特点，通过设置较大的放电电阻，使输出信号跟随包络，从而达到检波目的包络检波器的质量指标是：电压传输系数、等效输入电阻、失真等都要在电路中仿真中考虑。检波器仿真结果图如图5-11所示。图5-11 检波器仿真结果图5.6 低频放大器1.低放电路设计功率放大电路是任何电子线路不可或缺的组成部分，它是一种能量转换的电路，在输入信号的作用下，晶体管把直流电源的能量转换成随机输入信号变化的功率输送给负载。功率放大电路质量的优劣直接决定了负载能否止常工作。它在给定失真率条件下，能产生最大功率输出以驱动某一负载的放大器。功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。从检波器解调出的输出信号一般很小，所以在输出极一般采用低频功率放大电路，把信号放大到所需要的大信号，然后再输出。本设计采用一个为NPN一个为PNP三极管，主要用于克服单管射极跟随器输电效率低的问题，NPN的三极管放大交流电正信号，PNP的放大负信号，两三极管轮流导通与截止，功率输出时效较高。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。低频放大电路图如图5-12所示。图5-12 低频放大器电路原理图2.仿真结果分析检波后的信号幅度较小，不能直接驱动音频器件。经过低频放大电路三极管的放大，可以看到，输出信号幅度增大了10倍。检波器仿真结果图如图5-13所示。图5-13 检波器仿真结果图（六） 系统设计与仿真分析6.1 系统工作流程 空间有许许多多电台发送的电磁波，它们都有自己的固定频率，收音机通过天线和由电感线圈和可变电容器组成的谐振电路（称调谐电路）来选择性的接收所需高频信号。由调谐电路所选择出的所需要的电台信号是已调幅的高频信号，并且十分微弱，需要先经过高频小信号放大器进行放大处理，再经过变频器（混频器和本振）将高频信号变为频率为465KHz的中频信号，这是超外差式收音机的核心部分，由于它是调制信号，喇叭无法将这种信号直接还原成为声音，因此，必须从高频信号中把音频信号分离出来，这个分离过程被称为解调，或检波。这样才能正确的还原被发射的信号，是信号正确的被被输出。在接收机中，检波是由半导体器件二极管或三极管来完成。调幅的高频信号经检波还原出音频信号，再经过低频功放然后送往输出设备，比如喇叭，喇叭将音频信号还原为声音。接收机接收天线将被发出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频之间的固定频率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。而不是把接收天线接收下来的高频调幅波直接放大去检出所接收信号（直放式）。超外差式接收机由输入回路高放混频级、一级中放、二级中放、前置低放兼检波级、低放级和功放级等部分组成，接受频率范围为535KHZ1605KHZ的中波段。6.2 总电路的波形仿真与分析从天线感应到的高频调幅信号，经输入回路的选择送入变频器。本振信号与接收到的高频调幅信号在变频器内经过混频作用，得到一个与接收信号调制规律相同的固定中频调幅信号。该中频调幅信号经中频放大后，送入检波器，把原音频信号解调出来，并虑出残余的中频分量，再由低频功率放大后推动扬声器发出声音。从下边的仿真图中我们可以看出，经过超外差式调幅接收机的滤波和解调，输出信号相比从天线接收的信号平滑，滤除了大部分噪音，电压也有所提高，信号强度有所加强，并且保证了信号真实性，没有失真现象产生。有仿真图可以看出，本次超外差式调幅接收机的设计成功完成，还原了信号的真实性和完整性，滤除了干扰限号，降低了噪声，达到了预期的效果。超外差式调幅接收机总的系统原理电路图见附录二，超外差式调幅接收机前端的信号波形仿真如图6-1所示。图6-1 接收机前端输入信号波形仿真图超外差式调幅接收机的总输出波形仿真如图6-2所示。图6-2 超外差式调幅接收机总输出波形仿真（七） 心得体会两周的课程设计接近尾声，设计开始时在网上和图书馆查阅学习了大量的有关超外差调幅收音机设计的资料，基本掌握了调幅收音机组成单元各部分的工作原理和电路设计，按照老师安排的任务分别完成了整机系统框图的设计、各部分单元电路的电路原理图、单元电路的仿真及最后完成整个设计使其实现调幅收音机功能。系统框图设计是对课程设计的基本内容的方向把握；设计电路原理图是考验对所学知识的应用和实践以及对画图工具的巩固学习；对各部分的仿真是验证设计是否可以实现电路功能，要求熟练使用Multisim仿真软件。通过这次课程设计巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。这使我懂得了理论与实际相结合的必要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。设计过程遇到了困惑和难题，由于知识的有限对部分单元电路的原理分析不够，导致仿真结果出错甚至不能实现仿真。但是通过同学的帮助，和老师对我的悉心指导，最终完成了这一次的课程设计。这让我意识到结果很重要，但是过程更加重要，因为只有真正去做了，才能认识和发现自己的欠缺和不足，从而改正和完善。每一次对错误的发现和改正都是质的提高。每一次的课程设计对我来说都是一个不小的进步，这次的课程设计对我本人来说是意义深远的，这个收获无论是对我的理论知识还是对以后的工作生涯都是深受裨益的。 转眼间两周的课程设计就结束了，在这过程中我收获颇丰，在此期间也得到了老师和同学的热心帮助，在这里忠心的感谢，这次的设计如果没有同学的帮助，没有老师的耐心指导是不可能完成的。感谢老师对我的指导和帮助。（八） 参考文献1张肃文，陆兆熊.高频电子线路（第三版）.北京：高等出版社，1993.2 谢嘉贵，宣月清.电子线路（第三版）.北京：高等出版社，1998.3 张凤言.电子电路基础.北京：高等教育出版社，1995.4 陆宗逸.非线性电子线路实验指导书.北京：北京理工大学出版社，1988.5 王慕坤，刘文贵.通信原理.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1993.6 李欧儒.短波单边带收发信机原理与调制.北京：人民邮电出版社，1985.附录一元器件清单系列规格元件编码数量POWER_SOURCES12VVCC-POWER_SOURCESGROUNDGROUND-POWER_SOURCES-12VVDD-VARIABLE_CAPACITOR350pF C3，C6，2CAPACITOR51pFC4，C72RESISTOR1kR5，R6，R10,R19，R215RESIST