调频收音机的设计.doc

吉林建筑大学电气与电子信息工程学院射频通信电路课程设计报告设计题目： 调频收音机的设计 专业班级： 信工111 学生姓名： 周立永 学 号： 10211129 指导教师： 杨佳 迟耀丹 设计时间： 2013.12.302014.1.10 教师评语：成绩 评阅教师 日期 17目录摘要1一、设计的作用、目的2二、设计任务及要求2三、设计内容2四、总体设计方案 2 4.1 频率调制2 4.2 收音机工作原理55、 各单元电路设计65.1 高频小信号放大电路65.2 本振电路75.3 混频电路75.4 中频放大电路85.5 低频放大电路9 5.6 鉴频电路105.7 元件清单11六、Multisim仿真软件介绍126.1Multisim详细介绍126.2Multisim特点12七、仿真与分析14 7.1 低频放大电路仿真分析14 7.2 高频小信号电路仿真分析157.3 混频器电路仿真分析167.4 中频放大器电路仿真分析167.5 本振电路仿真177.6 鉴频电路仿真18八、心得体会19九、参考文献20附录21摘要本次课程设计为调频收音机的设计。由于集成电路内部不便制作电感、电容和大电阻以及可调元件，故外围元件多以电感、电容和电阻及可调元件为主，组成各种控制、谐振、供电、滤波、耦合等电路。收音机通过调谐回路选出所需的电台，送到变频器与本机振荡电路送出的本振信号进行混频，然后选出差频作为中频输出，中频信号经过检波器检波后输出调制信号，调制信号经低频放大、功率放大后获得足够的电流和电压，即功率，再推动喇叭发出响的声音。调频部分实现88MHz 108MHz调频广播接收，调谐方式为手动步进调谐。关键词：混频，调谐回路，低频功放一、设计的作用、目的课程设计是理论学习的延伸，是掌握所学知识的一种重要手段，对于贯彻理论联系实际、提高学习质量、塑造自身能力等于有特殊作用。本次课程设计一方面通过对射频通信系统的设计，使我们加深对理论知识的理解，同时增强其逻辑思维能力，另一方面对课堂所学理论知识作一个总结和补充。课程设计是培养学生综合运用所学知识发现提出分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程二、设计任务及要求通过课程设计各环节的实践，应使学生达到如下要求：1.掌握调频接收机的工作原理及具体实现方法；2.掌握Multisim的电路系统仿真。三、设计内容设计内容：设计一个简易调频收音机，具体要求如下：1、接收频率范围为88-108MHz；2、采用3V电池供电，使用扬声器放音；3、接收FM波段的无线广播；4、使用Multisim进行仿真。四、总体设计方案4.1频率调制调频（FM），就是高频载波的频率不是一个常数，是随调制信号而在一定范围内变化的调制方式，其幅值则是一个常数。与其对应的，调幅就是载频的频率是不变的，其幅值随调制信号而变。一般干扰信号总是叠加在信号上，改变其幅值。所以调频波虽然受到干扰后幅度上也会有变化，但在接收端可以用限幅器将信号幅度上的变化削去，所以调频波的抗干扰性极好，用收音机接收调频广播，基本上听不到杂音。使载波频率按照调制信号改变的调制方式叫调频。已调波频率变化的大小由调制信号的大小决定，变化的周期由调制信号的频率决定。已调波的振幅保持不变。调频波的波形，就像是个被压缩得不均匀的弹簧，调频波用英文字母FM表示。载波的瞬时频率按调制信号的变化而变，但振幅不变的调制方式。载波经调频后成为调频波。用调频波传送信号可避免幅度干扰的影响而提高通信质量。广泛应用在通信、调频立体声广播和电视中。我们习惯上用FM来指一般的调频广播（76-108MHz，在我国为87-108MHz、日本为76-90MHz），事实上FM也是一种调制方式，即使在短波范围内的27-30MHz之间，做为业余电台、太空、人造卫星通讯应用的波段，也有采用调频（FM）方式的。FM radio即为调频收音机。FM调频即收音机功能。作为MP3的一项附加功能。当然，如果你注重这个功能的话，也有做得不错的产品。而在具体机型上，针对FM，不同产品还有细分，是否可以保存选定的频道、可以保存多少个频道、立体声和普通声道可以自己设定还是由机器来设定。调频（FM）是用音频信号去调制高频载波的频率，使高频载波的瞬时频率随调制信号而有规律的变化，载波的幅度保持不变。已调波频率变化的大小由调制信号的大小决定，变化的周期由调制信号的频率决定。已调波的振幅保持不变。调频波的波形，就像是个被压缩得不均匀的弹簧，调频波用英文字母FM表示。设调制信号为：载波信号为：调频时，载波电压振幅度Ucm不变，而载波瞬时间频率则随调制信号规律变化，即为式中为载波角频率，又称为调频波中心频率；为比例常数表示载波频率变化随调制信号变化的程度大小。其值由调频电路决定，单位是弧度/秒伏（rad/sv）；为瞬时角频率相对于中心频率的频率偏移，简称频偏。调频后载波瞬时相位也会产生变化，其瞬时相位为：式中，为未调频时载波相位；为调频后，瞬时相位相对于的相位偏移。调频波的数字表示式为：根据上式可画出调频波的波形图图4-1 调频从调频波形可见，调频波振幅保持不变。调频波的频率跟随信号的变化规律而改变。即当调制信号幅度最大时，调频波最密，频率最大；而当调制信号负的绝对值最大时，调频波最稀疏，频率最低。调频制无线电广播多用超短波(甚高频)无线电波传送信号，使用频率约为87MHz-108MHz，主要靠空间波传送信号。目前，地面的广播电视分做VHF(甚高频或称米波)和UHF(特高频或称分米波)两个频段。在我国，VHF频段电视使用的频率范围是48.5MHz-300MHz，划分成1-12频道，UHF频段使用的频率范围是470MHz-956MHz，划分成：3-68频道。它们基本上都是靠空间波传播的。国际上规定的卫星广播电视有6个频段，主要频段是12MHz，也是靠空间波传播。 调频（FM）广播频率是在VHF波段中划分出的一段，规定专门用于广播。电视信号的传播也采用调频方式，由于原理相近，因此可将调频收音机接收头作部分改动，使得收音机不仅能覆盖87108MHz波段，还能达到更低频率或更高频率，这样就能接收到电视伴音。4.2 收音机工作原理收音机的原理是把从天线接收到的高频信号，经检波还原成音频信号，送到扬声器变成音波。是把接收到的电台高频信号，用一个变频级电路将它转化为频率固定的中频信号，然后再对这个中频信号进行多级放大，再检波，低放。由于不同频率的无线电波用途较广、接收的电波较多，所以音频信号就会互相干扰，导致音响效果不好，所以当要选择所需的电台并把不要的信号“滤掉”，以免产生干扰，所以在我们收听广播时，使用选台按钮。由于中频固定，且频率比高频已调信号低、中放的增益可以做的较大，工作较稳定，通频带特性也可做的理想、这样可以使检波器获得足够大的信号，从而使整机输出音质较好的音频信号,，所以中频调谐放大电路可以做到选择性好、增益高又不易自激。这样灵敏度和选择性都可大幅度改善，而且可使整个波段接收灵敏度均匀!集成电路收音机的特点是：结构比较简单，性能指标优越，体积小等优点。AM/FM型的收音机电路可用如图1所示的方框图来表示。收音机通过调谐回路选出所需的电台，送到变频器与本机振荡电路送出的本振信号进行混频，然后选出差频作为中频输出（我国规定的AM中频为465KHZ，FM中频为10.7MHZ），中频信号经过检波器检波后输出调制信号（低频信号），调制信号（低频信号）经低频放大、功率放大后获得足够的电流和电压，即功率，再推动喇叭发出响的声音。本地振荡低频功放鉴频中频放大混频高频放大输入调谐回路图4-2 调频收音机电路框图五、各单元电路设计接收机电路的基本内容应该包括：1、高频小信号放大电路2、振荡器电路3、混频电路4、中频放大电路5、鉴频电路6、低频放大电路5.1高频小信号放大电路晶体管高频小信号放大器不仅要放大高频信号，而且还要有一定的选频、滤波作用，因此晶体管的负载为LC并联谐振回路。在高频情况下，晶体管本身的极间电容及连接导线的分布参数等会影响的频率和相位。 利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。应用这一点，则集电极流过的电流会等于基极电流的倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流(或电压)是原先的倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流及电压放大，就完成了功率放大。 图5-1高频小信号放大器 5.2 本振电路采用改进型电容三点式振荡电路,本振电路的输出频率信号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。要求本振电路输出频率必须稳定，如果本振电路的输出信号不太稳定，将引起混频器输出信号大小的改变，振荡频率的漂移也会使中频信号改变。 图5-2 本振电路5.3混频电路变频，是将信号频率由一个量值变换为另一个量值的过程。具有这种功能的电路称为变频器（或混频器），一般用混频器产生中频信号。混频器将天线上接收到的信号与本振产生。可以这样理解，为信号频率量，为本振频率量，产生和差频。当混频的频率等于中频时，这个信号可以通过中频放大器，被放大后，进行峰值检波。检波后的信号被视频放大器进行放大，然后显示出来。由于本振电路的振荡频率随着时间变化，因此频谱分析仪在不同的时间接收的频率是不同的。当本振振荡器的频率随着时间进行扫描时，屏幕上就显示出了被测信号在不同频率上的幅度，将不同频率上信号的幅度记录下来，就得到了被测信号的频谱。从频谱观点看，混频的作用就是将已调波的频谱不失真地从fc搬移到中频的位置上，因此，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。从工作性质可分为二类，即加法混频器和减法混频器分别得到和频及差频。从电路元件也可分为三极管混频器和二极管混频器。从电路分有混频器（带有独立振荡器）和变频器（不带有独立振荡器）。混频器和频率混合器是有区别的。后者是把几个频率的信号线性的迭加在一起，不产生新的频率。本次设计采用二极管环形混频器。图5-3 混频器电路当V2为正半周时，则D1、D4管上电压为正值，D1、D4管导通，而D2、D3管上电压为负值，D2、D3管截止。同理，当V2在负半周时，D2、D3管导通，D1、D4管截止。5.4中频放大电路中频放大器是功率放大器的一种，同时具有选频的功能，即对特定频段的功率增益高于其他频段的增益。中放的作用有两个主要目的：1、提高增益，因中频信号频率低，晶体管的参数及回路谐振电阻较大，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电路。2、抑制邻近频道干扰。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；图5-4 中频放大电路5.5 低频放大电路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。用专业的仿真软件对功率放大电路进行仿真、分析，可以大大提高分析的速度和准确度，使功率放大电路的设计更好地满足实际负载的需要。功率放大器，是指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。图5-5 低频功率放大器5.6 鉴频电路将调频波经过移相电路变成调相调频波，其相位的变化正好与调频波瞬时频率的变化成线性关系，用专业的仿真软件对功率放大电路进行仿真、分析，可以大大提高分析的速度和准确度，使功率放大电路的设计更好地满足实际负载的需要。然后将调相调频波与原调频波进行相位比较，通过低通滤波器取出解调信号。图5-6 鉴频电路5.7 元件清单表5.1 元件清单元件编码描述系列封装电路图VCC12VPOWER_SOURCES-总体原理图GROUNDGROUNDPOWER_SOURCES-总体原理图VDD-12VPOWER_SOURCES-总体原理图C3350pFVARIABLE_CAPACITOR-总体原理图C451pFCAPACITOR-总体原理图R51kRESISTOR-总体原理图R215kRESISTOR-总体原理图L1500nHINDUCTOR-总体原理图R722kRESISTOR-总体原理图C5470pFCAPACITOR-总体原理图C6350pFVARIABLE_CAPACITOR-总体原理图C751pFCAPACITOR-总体原理图R101kRESISTOR-总体原理图L41HINDUCTOR-总体原理图L3500nHINDUCTOR-总体原理图Q12N2219BJT_NPNTO-39总体原理图Q22N2219BJT_NPNTO-39总体原理图L21HINDUCTOR-总体原理图L53.9HINDUCTOR-总体原理图L71HINDUCTOR-总体原理图Q32N2219BJT_NPNTO-39总体原理图L6300nHINDUCTOR-总体原理图C21FCAPACITOR-总体原理图V2AM_VOLTAGESIGNAL_VOLTAGE_SOURCES-总体原理图R86.8kRESISTOR-总体原理图R920RESISTOR-总体原理图C11100nFCAPACITOR-总体原理图R1110RESISTOR-总体原理图C9100nFCAPACITOR-总体原理图C144.7nFCAPACITOR-总体原理图R136.8kRESISTOR-总体原理图R142kRESISTOR-总体原理图R155kRESISTOR-总体原理图R1682kPOTENTIOMETERLIN_POT总体原理图六、Multisim仿真软件介绍6.1Multisim详细介绍Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。6.2Multisim特点Multisim软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具， Multisim 是一个完整的集成化设计环境。NI Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。学员可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。Multisim软件绝对是电子学教学的首选软件工具。整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的；提供了世界主流元件提供商的超过17000多种元件，同时能方便的对元件各种参数进行编辑修改，能利用模型生成器以及代码模式创建模型等功能，创建自己的元器件。以SPICE3F5和Xspice的内核作为仿真的引擎，通过Electronic workbench 带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能。这些仪器的设置和使用与真实的一样，动态互交显示。除了Multisim提供的默认的仪器外，还可以创建LabVIEW的自定义仪器，使得图形环境中可以灵活地可升级地测试、测量及控制应用程序的仪器。它们利用仿真产生的数据执行分析，分析范围很广，从基本的到极端的到不常见的都有，并可以将一个分析作为另一个分析的一部分的自动执行。集成LabVIEW和Signalexpress快速进行原型开发和测试设计，具有符合行业标准的交互式测量和分析功能；提供基本射频电路的设计、分析和仿真。射频模块由RF-specific（射频特殊元件，包括自定义的RF SPICE模型）、用于创建用户自定义的RF模型的模型生成器、两个RF-specific仪器（Spectrum Analyzer频谱分析仪和Network Analyzer网络分析仪）、一些RF-specific分析（电路特性、匹配网络单元、噪声系数）等组成；支持4种类型的单片机芯片,支持对外部RAM、外部ROM、键盘和LCD等外围设备的仿真，分别对4 种类型芯片提供汇编和编译支持；所建项目支持C代码、汇编代码以及16进制代码,并兼容第三方工具源代码；包含设置断点、单步运行、查看和编辑内部RAM、特殊功能寄存器等高级调试功能。完善的后处理对分析结果进行的数学运算操作类型包括算术运算、三角运算、指数运行、对数运算、复合运算、向量运算和逻辑运算等；能够呈现材料清单、元件详细报告、网络报表、原理图统计报告、多余门电路报告、模型数据报告、交叉报表7种报告；提供了转换原理图和仿真数据到其他程序的方法，可以输出原理图到PCB布线输出仿真结果到MathCAD、Excel或LabVIEW；输出网络表文件；向前和返回注；提供互联网共享文件七、仿真与分析7.1低频放大电路仿真分析Q1管组成推动级(即前置放大级)，Q3和Q2为对管，组成功率放大电路。Q1和Q2管都接成射极输出形式，因此具有输出电阻低，负载能力强的优点，适合做功率输出。低频功率放大电路。Q1管工作在甲类放大状态，集电极电流I。为Q3和Q2 提供合适的静态电流，从而Q3和Q2管工作在甲乙类状态，以避免输出出现交越失真，电位约为电源电压的一半，一端连接形成交、直流电压并联负反馈，从而稳定了放大电路的静态工作点，又改善了输出的非线性失真。图7-1 低频仿真结果7.2高频小信号电路仿真分析为了使高频功率放大器有高效率地输出大功率，常常选择工作在丙类状态下的工作，我们知道，呈电阻性的耗散功率等于流过该元件的电流和元件两端电压的乘积，只有在激励信号为正值的一段时间内才有集电极电流产生，所以耗散功率小。晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用，谐振回路中LC是晶体管的负载，电路工作在丙类工作状态。图7-2 高频小信号仿真结果7.3混频器电路仿真分析混频器直接放大后就进行检波，这就是所谓的直接放大式接收机，这样的接收机，经过混频变成固定的中频后，可以对中频进行较高增益的放大，因为中频是固定的，所以中频放大器是稳定的，在检波前可以得到足够的放大，使接收机的灵敏度得到了很大的提高。图7-3 混频器仿真结果7.4中频放大电路仿真分析将中放电路的输出信号耦合至检波电路，提高了高频部分的增益，防止了高频补偿造成的失真。 图7-4 中频放大器仿真结果7.5本振电路仿真 鉴频电路，实现鉴频的电路称为鉴频器,也叫频率检波器。常用的鉴频电路有比例鉴频电路和相位鉴频电路,它们的工作原理相同,都是先把等幅的调频波变换成幅度按调制信号规律变化的调频调幅波,然后,用振幅检波器把幅度的变化检出来,得到原来的调制信号鉴频电路的仿真图7-5 本振电路仿真结果7.6 鉴频电路仿真 鉴频电路，实