高频课设-祖国瑞

1、通信电子线路课程设计中波电台发射与接收系统设计专业 通信工程 班级 1205102 学号 1120510228 姓名 祖国瑞 一、课题要求1.1、中波发射系统设计设计目的是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。技术指标：载波频率535-1605KHz，载波频率稳定度不低于10-3，输出负载51，总的输出功率50mW，调幅指数3080。调制频率500Hz10kHz。本设计可提供的器件如下，参数请查询芯片数据手册。所提供的芯片仅供参考，可以选择其他替代芯片。 高频小功率晶体管 3DG6 高频小功率晶体管 3DG12 集成模拟乘法器 XCC，MC1496 高频磁环 NXO-100 运算

2、放大器 A74l 集成振荡电路 E164831.2、中波电台接收系统设计本课题的设计目的是要求掌握最基本的超外差接收机的设计与调试。任务：AM调幅接收系统设计主要技术指标：载波频率535-1605KHz，中频频率465KHz，输出功率0.25W，负载电阻8，灵敏度1mV。本设计可提供的器件如下，参数请查询芯片数据手册。所提供的芯片仅供参考，可以选择其他替代芯片。晶体三极管 3DG6晶体二极管 2AP9 集成模拟乘法器 xCC，MCl496中周 10A型单片调幅接收集成电路 TA7641BP二、设计思路2.1、发射机图1 发射机设计思路2.2、接收机图2 接收机设计思路三、电路设计方案与仿真3.

3、1 发射机3.1.1 西勒震荡电路振荡电路用来产生本地载波信号。在发射端，需要1MHz的载波信号，而在接收机上，用于混频器需要535KHz的本地振荡。西勒电路是一种改良的电容三点式振荡电路，具有晶体管与回路耦合弱、频率稳定度高、能在较宽的带宽内调节频率等特点。设计的振荡电路如下图。图3 西勒振荡电路图首先大概确定三极管的静态工作点，三极管选取的是高频三极管BFG235，经过适当地分压，使其工作在线性放大区。其中C3是隔直反馈电容，对高频相当于短路。L1、C1、C2、C4、C7共同组成谐振回路。C5防止高频交流对直流电源产生影响。首先计算要产生1MHz频率所大概需要的谐振回路的各元件的参数。对于

4、西勒振荡电路来说，其等效电路如图所示。图4 西勒振荡电路的高频等效电路可以得出C=C1'C2'C3C1'C2'+C2'C3+C3C1'+C4其中，C4为调节电容，故可先使其为0。西勒振荡电路要求C3C1并且C3C2，故CC3。根据公式f=12LC不妨令L=0.7mH，根据公式，可得CC336.2pF，那么可设C3=30pF，C4为一10pF的可变电阻。C1和C2可以设置得大一些。可设C1=3nF，C2=2nF。最后接入示波器，等待电路起振，通过调节C4，使振荡频率稳定在1MHz。下面是示波器得出的结果。图5 1MHz西勒振荡电路仿真波形可以看出，

5、产生的振荡频率比较稳定。接下来计算频率稳定度。频率稳定度的瞬时相对偏差为ffc=f-fcfc而频率的表达式为f=12LCC=C1'C2'C3C1'C2'+C2'C3+C3C1'+C4其中C1'=C1+CceC2'=C2+Cbe当Cbe变化Co，Cce变化Ci时，总电容的增量为C=p12Co+p22Ci其中p1=CC1'=C2'C3C1'C2'+C2'C3+C3C1'+C4C1'p2=CC2'=C1'C3C1'C2'+C2'C3+C3C1

6、'+C4C2'那么根据已调电路的各参数，在multisim中可查看到三极管的极间电容Cbe=0.033pF， Cce=3pF，电路已调好参数C1=3nF，C2=2nF，C3=30pF，C4=3pF，那么带入公式中可以计算得到p10.0107p20.0161则p12=1.1449*10-4p22=2.5921*10-4而三极管的不稳定电容一般是1pF以下，不妨就设为1pF，那么C=p12Co+p22Ci3.7370*10-4pFf=12L（C+C）可得频率约为1047156Hz，但这个不能直接用来与1MHz比较，因为这个是理论值，所以要用理论值计算得出的fc来比较，当采用已调电路

7、各参数时，计算得出的fc=1047162Hz。f=f-fc=6Hzffc=5.73*10-6故可以得到其频率稳定度远远低于10-3，符合要求。这是发射机的本振电路，在接收机上，由于混频需要产生535KHz的本地振荡信号，因此需要改变值。依照上述同样方法，计算出L以及C3和C4，同时注意由于信号频率降低，所以要适当加大C3和C4，否则会因为谐振回路阻抗过大而无法起振。最终确定的参数如下图。图6 535kHz西勒振荡器最终结果图7 535kHz西勒振荡器仿真波形3.1.2 射极跟随器由于最初的西勒振荡器带负载能力非常弱，并且对后级电路的干扰抵抗了较小，所以需要接一个缓冲级来放大电流以提高带负载能力

8、同时防止后级电路对振荡电路的干扰。这里的缓冲电路就是射极跟随器。图8 射极跟随器原理图为了进一步放大功率，在射极跟随器后面再接一级共射放大。图9 射极跟随器电路图可以知道对于三极管Q1来说，由其小信号等效电路（忽略re）可以得到其输入电阻为Vi=Ibrbe+1+IbReIi=Ib+ViRb可以得到Ri=ViIi=Ibrbe+1+IbReIb+IbrbeRb+1+IbReRb由上式可得，增大R1可以增大输入电阻，进而使得交流分量增大，这样等效到Q2基极的电压就会变大，因此可以达到调整放大倍数的目的。最后得到的结果如图。图10 射极跟随器仿真波形可以看到，电压并没有放大反而远远小于1，这是因为射极

9、跟随器的目的是放大电流（功率）以便可以带动后面的低阻负载并且阻断对前面振荡电路的影响，保证频率稳定度。3.1.3 低频放大器由于传统话筒直接输出电压在5mV以下，不能直接用来调幅，因此需要将其进行放大然后送入乘法器进行调幅。因为声音信号属于低频信号，所以可以使用集成运放进行放大而不会失真。电路图如下：图11 低频放大器电路所采用的集成运放为uA741，其引脚功能如下引脚功能1同5构成平衡调节（可空置）2反相输入端3同相输入端4负电源5同1构成平衡调节（可空置）6输出7正电源之所以采用两级运放是因为单级运放增益过大可能会造成波形失真，所以采用两级运放。运放U1的电压增益为-R2R1，运放U2的增

10、益为-R6R5，则总的增益为R2R6R1R5，图中电压增益为100。测试结果如下：图12 低频放大器其中，CH1是U1的输出，CH2是U2的输出。信号源是1kHz、幅值为5mV的正弦波。可以看出，基本是符合10倍的增益，误差主要来自频率过高而带来的损耗。经测试，频率越高，uA741的增益越小，所以不能用来做高频放大。3.1.4 功率放大电路从乘法器出来的AM波功率太小，不符合要求，因此要对其进行功率放大。功率放大电路采用多级丙类放大。电路原理图如下所示：图13 高频功率放大器电路可见其中采用了三级丙类放大。耦合方式采用变压器耦合。变压器采用的是非理想变压器，电芯为具有固定100uH电感的铁芯。

11、同时根据公式f=12LC可以计算得出C253pF，由于三极管其他参数的影响，所以选择使用一个250pF的固定电容和一个30pF的可变电容。接下来计算各种功率参数。图14 单级高频功率放大器电路这是第一级放大电路。经过示波器测试，实际信号源输入的电压幅值是1V，输出电压幅值是5.1V，（图中CH1是输出信号，CH2是输入信号）。图16 高频功率放大器仿真波形滑动变阻器的阻值是2000，而三极管的基极分压是VBB=1002000+100*12=0.57V设三极管的导通电压UBZ=0.7V，则导通角cosC=UBZ-VBBUbm=0.13C=cos-10.13=82.53°83°

12、使用探针可以得到集电极的电流有效值为2.73mA。即ICM=2.73mA查表得0C=0.296，1C=0.481IC0=ICM*0C=2.73*0.296=0.808mAIc1m=ICM*1C=2.73*0.481=1.313mA各功率为P=Vcc*IC0=12*0.808=9.696mWPo=12Ucm*Ic1m=0.5*5.1V*1.313=3.348mW则效率c=PoP=34.5%这是单级放大器的效率，虽然比较低，但是功率比较大。不过单级效率还是不够，所以要多加两级，使得功率能够达到要求。但是之后的两级电路要调节各个电阻，以便适应逐渐增大的电压，否则会出现波形失真的情况。3.1.5调幅电

13、路由于软件里没有集成乘法器，所以采用理想乘法器调幅电路。图17 乘法器调幅电路最终波形图18 调幅电路仿真波形可以看到AM波形非常标准，频率正确。根据AM波的公式。如果ut=Umcoswt+Vuct=Ucmcoswct那么最终产生的AM波为ut=Ucm(Umcoswt+V)coswctAM波的包络为Ucm(Umcoswt+V)其变化规律和调制信号的变化规律一样，由此达到调幅的目的。其中最终波形如下图3.1.6发射机电路连接将所有的功能电路连接起来，进行仿真，但同时注意耦合的问题。在振荡器与射极跟随器之间串联一个1M的大电阻，否则因为振荡器带负载能力太弱，加载到射极跟随器上的电压太小。在每级电路

14、之间串联一个1uF0.1uF的大电容以防止直流的影响，但是电容不可太小，否则会对高频产生衰减。最后的功率放大器也需要微调一些参数以配合阻抗。所以最终版的联合电路同各部分功能电路的独立仿真参数并不相同。一下是最后的发射机电路以及仿真结果。图19 发射机电路最后仿真的波形和功率测试，负载为51。图20 发射机最终仿真波形测量调制度，有上图可见A=4.8+4.58=9.38V图21 测量AM波的调制度由上图可测量得到B=1.5+1.72=3.22V则调制度为ma=A-BA+B=48.9%符合任务要求。3.2 接收机报告中要求接收机的灵敏度是1mV，而且天线接收到输入的电压通常都为1mV以下，所采用的

15、信号源是幅度为1mV、载波频率为1MHz、调制频率为1kHz、调制度为0.5的AM信号源做天线输出。3.2.1 混频信号经天线接入后，首先要经过调谐在1MHz的功率放大器进行放大，然后送入混频器。这样可以降低混频器产生的噪声干扰和失真。所采用的混频器是环形二极管混频器，混频输出是465kHz，优点是电路简单、性能好、带宽比较宽。以下是电路图。图22 二极管混频器电路其中，变压器T1是具有100uH固定电感的非理想乘法器，T2是具有50mH固定电感的非理想变压器，都与电容构成谐振回路。输入回路调谐于1MHz，输出回路调谐于465kHz。但并非意味输出直接就是载波频率465kHz的AM波，根据二极

16、管环形混频器的频率公式可以知道f=pfs+qfLp、q=0,1,2,和-1,-2,-3，q不为0以及2n+1（n=.-2,-1,0,1,2）所以输出是很多频率的混合，由于前后级调谐回路的存在，分量最大的是f=fs+fL和f=fs-fL，因此要加通带频率为465kHz的带通滤波器。二极管选择开关特性较好的肖特基二极管，并且要求本地振荡频率的幅值要大于信号的幅值。以下是带通滤波器，适当调节C3和L1，在示波器上观察频率。图23 带通滤波器接下来是结果，由于经过高频功率放大后，可以认为幅度至少达到0.5V，所以可以以一个幅度为0.5V、载波频率为465kHz、调制频率为1kHz、调制度为0.5的AM

17、信号源做信号源。CH1为混频器输出，CH2为输入。图24 混频器仿真波形可以看出，波形没有失真，频率达到要求，可以放大观察载波波形。图25 混频器仿真波形（载波）可以看出，混频后的载波基本稳定，效果良好。3.2.2 二极管振幅检波器信号在经过混频器之后，要先送入功率放大器进行放大再检波，因为检波很容易出现信号损失，因此需要信号足够大。这里的放大器是调谐于465kHz的。下面是二极管检波器的电路图。图26 检波器电路由二极管检波电路原理，二极管检波器主要有两个要防止的失真：惰性失真以及负峰切割失真。首先确定偏置电压。可以知道硅二极管的正向导通电压为0.7V，则U=R3R3+R2*12=61961

18、9+10000*12=0.7V对于惰性失真，要求RCmax1-ma2ma其中，可以令调制度ma=50%，已知max=1kHz。对于负峰切割失真，要求maRLR+RLRL=150，即后级低通滤波器的输入电阻R4，R=200，可以满足要求，下面是结果图27 混频器仿真波形其中CH1是检波并且滤波之后的输出。CH2是只有检波后的直接输出，可以看到，二极管检波之后的高频成分几乎是无法避免的，要使波形平滑，必须加带通或者低通滤波器。经过滤波之后的波形非常稳定良好。3.2.3 推挽式功率放大至此已经将原信号波形解调出来，为了在8电阻上产生足够大的功率，需要一个功率放大电路，因为音频信号已经算低频了，所以可

19、以用基本的三极管推挽式功率放大电路进行放大。因为三极管推挽式放大电路需要较大的输入电压，所以在检波之后再加一级运放。图28 OCL功率放大电路电阻R4，R2，R6及二极管D1,D2为三极管提供适当的偏置电压来消除交越失真，这是OCL电路的关键所在。由于D1,D2的动态电阻很小，而R6的阻值也很小，所以可以忽略其上的压降，近似地认为Ub3=Ub1=Ui，当Ui增大时，Q1导通，其电流随着输入电压的增大而增大，成线性关系。而Q2截止。当输入电压为负值时，Q2导通，并且随着输入电压绝对值的不断增大，其Q2的输出电流也随之增大，成线性关系。Q1截止。Q3和Q2组成NPN型复合管，Q1和Q4组成PNP型

20、复合管。因为大功率的PNP和NPN管要使其性能参数完全对称比较困难，但是这对于中小功率的三极管来说并不难。所以用等效的方法来构造对称的三极管。其输入及输出波形如下图所示图29 输入输出波形可以看到，输入输出波形并没有失真。但是电压值也没有被放大，这是OCL功率放大电路的特点，它是放大功率的，对于电压的放大作用并不明显甚至会更小。接下来测量其输入及输出功率。（使用瓦特表）图30 功率测量可以发现，在负载为8的电阻时，输入功率为1.019W，输出功率则为25.941mV。而两个直流电源总的输出功率为809.95mW，利用率为3.2%，可见三极管损耗比较大，但是功率放大倍数却比较可观。3.2.4 接

21、收机电路连接同发射电路一样，所有功能电路搭建完毕之后，需要将其全部连接起来，验证其是否符合要求。下面是全部电路连接之后的图。图31 接收机联合电路在幅度为1mV、载波频率为1MHz、调制频率为1kHz、调制度为0.5的AM信号源做天线输入的情况下，最终在8负载上产生的频率为1W左右，下图为结果图32 接收机最终仿真波形至此，所有电路设计完毕。四、心得体会高频是通信类学科中非常难以掌握，但是又是实践性非常强并且非常基础重要的一门学科。在高频中的很多参数同低频几乎是完全不一样的，因为频率高，更加容易受到各种参数的干扰而导致丢失信息，调试更加困难，这其实就要求我们多去亲自动手实践而非单纯靠书本上的公式去推导。实际的参数有很多的不确定因素，而人为计算的时候很难考虑全面，所以其实在仿真的时候，书上的公式以及理论只能给一个大概的方向，细致