基极振幅调制器的设计与实现

PAGE高频电子线路课程设计高频电子线路课程设计题目基极振幅调制器的设计与实现系(部)班级姓名学号指导教师2013年7月8日至7月高频电子线路课程设计任务书一、设计题目、内容及要求设计题目：基极振幅调制器的设计与实现内容及要求：1．原理分析及电路图设计2．用相关仿真软件画出电路并对电路进行分析与测试(1)基极振幅调制器功放工作状态的观察分析；(2)计算基极振幅调制器功放的放大倍数Au；(3)高频载波频率15MHz；(4)计算调制系数m。二、设计原始资料模拟电子线路、高频电子线路；软件Multisim10；计算机一台三、要求的设计成果（课程设计说明书、设计实物、图纸等）设计说明书1份，不少于2000字，应包含基极振幅调制器原理、设计电路、相关软件Multisim10介绍、仿真电路、仿真波形分析。四、进程安排7月8号课设理论讲解及仿真软件介绍、学生练习使用软件7月9号电路图理论设计7月10号仿真分析7月11号整理、撰写说明书7月12号进行测试或答辩五、主要参考资料[1]曾兴文、刘乃安、陈健．高频电子线路．北京：高等教育出版社，2007[2]张肃文等．高频电子线路（第四版）．北京：高等教育出版社，2004[3]聂典等．Multisim10计算机仿真．北京：电子工业出版社，2010指导教师（签名）：教研室主任（签名）：课程设计成绩评定表出勤情况出勤天数缺勤天数成绩评定出勤情况及设计过程表现（20分）课设答辩（20分）设计成果（60分）总成绩（100分）提问（答辩）问题情况综合评定指导教师签名：年月日目录前言 11基极振幅调制器设计原理 21.1设计原理 21.2基极振幅调制的优缺点 22基极振幅调制器电路设计 32.1电路参数的选择 32.2电路的连接 33基极振幅调制器电路的仿真 43.1Multisim仿真软件的介绍 43.1.1Multisim软件介绍 43.1.2Multisim的基本界面操作 53.2基极调幅电路的仿真 83.2.1基极调幅电路输入的调制信号波形 83.2.2基极调幅电路输入的高频载波信号波形 93.2.3基极调幅输出波形 104基极振幅调制器电路实现与分析 124.1基极调幅的特性曲线 124.2基极调幅在临界、过压和欠压三种工作状态下的分析 124.2.1基极调幅工作在临界工作状态下的分析 124.2.2基极调幅工作在欠压工作状态下的分析 134.2.3基极调幅工作在过压工作状态下的分析 145总结 166参考文献 17高频电子线路课程设计PAGE17前言目前，随着电子信息技术的快速发展，为了将低频信号有效地辐射出去为了使发射与接收效率碌在发射机与接收机方面部必须采用天线和谐振回路。但语言、音乐图像信号等的频率变化范围如果直接发射音频信号财发射机将工作于同一频率范围。这样接收机将同时收到许多不同电台的节目无法加以选择。克服以上的困难必须利用高频振荡将低频信号“附加”在高频振荡人这样就使天线的辐射效率提高尺寸缩小同时每个电台都工作于不同的载波颠串接收机可以调谐选择不同脉电台这就解除了上述的种种困难。调幅是使高频载波信号的振幅随调制信号的瞬时变化而变化。也就是说，通过用调制信号来改变高频信号的幅度大小，使得调制信号的信息包含于高频信号之中，通过天线把高频信号发射出去，然后就把调制信号也传播出去了。这时候在接收端可以把调制信号解调出来，也就是把高频信号的幅度解读出来就可以得到调制信号了调幅波的形成早期VHF频段的移动通信电台大都采用调幅方式，由于信道衰落会使模拟调幅产生附加调幅而造成失真，目前已很少采用。调频调制在抗干扰和抗衰落性能方面优于调幅调制，对移动信道有较好的适应性。高频信号的幅度随着调制信号作相应的变化，这就是调幅波。由于高频信号的幅度很容易被周围的环境所影响。所以调幅信号的传输并不十分可靠。在传输的过程中也很容易被窃听，不安全。所以现在这种技术已经比较少被采用，但在简单设备的通信中还有采用。比如收音机中的AM波段就是调幅波，大家可以和FM波段的调频波相比较，可以看到它的音质和FM波段的调频波相比会比较差，原因就是它更容易被干扰。所谓基极调幅，就是用调制信号电压来改变高频功率放大器的基极偏压，以实现条幅。其基本原理是，低频调制信号电压与直流偏压相串联。放大器的有效偏压等于这两个电压之和，它随着调制信号波形而变化。使三极管工作在欠压状态下，集电极电流的基波分量随着基极电压成正比变化。因此，集电极的回路输出高频电压振幅将随着调制信号的波形而变化，于是得到调幅波输出。1基极振幅调制器设计原理1.1设计原理基极调幅，就是用调制信号电压来改变高频功率放大器的基极偏压，以实现调幅。晶体管是一种非线性器件，只要让其工作在非线性（甲乙类，乙类或丙类）状态下，即可用它构成调幅电路。一般总是把高频载波信号和调制信号分别加在谐振功率放大器的晶体管的某个电极上，利用晶体管的发射结进行频率变换，并通过选频放大，从而达到调幅的目的。它的基本电路如下图1-1，由图可知，低频调制信号电压UΩcosΩt与直流偏压VBB相串联。放大器的有效偏压等于这两个电压之和，它随调制信号波形而变化。由于在欠压状态下，集电极电流的基波分量Icm1随基极电压成正比。因此，集电极的回路输出高频电压振幅将随调制信号的波形而变化，于是得到调幅波输出。调幅过程是非线性变换的过程，将产生多种频率分量，所以调幅电路应LC带滤波器，用来滤除不需要的频率分量。为了获得有效的调幅，基极调幅电路必须总是工作于欠压状态。图1-1基极振幅调制器的原理电路1.2基极振幅调制的优缺点由于基极电路电流小，消耗功率小，故所需调制信号功率很小，调制信号的放大电路比较简单，这是基极调幅的优点。但因其工作在欠压状态，集电极效率低是其一大缺点。一般只用于功率不大，对失真要求较低的发射机中。它的主要优点是所需调制功率串很小，对整机的小型化有利。2基极振幅调制器电路设计2.1电路参数的选择根据图1-1的原理电路图，设定输入高频载波的幅度为10V，频率为15MHZ。输入调制信号的幅度为2V，频率为600KHZ。因为LC满足谐振条件，所以可设电容和电感分别为L=11.26nF，C=10nH。经过调试，两个直流电源分别为=0.1V和=35V。则电路图如下图所示：2.2电路的连接图2-1基极振幅调制器原理电路图3基极振幅调制器电路的仿真3.1Multisim仿真软件的介绍NIMultisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，就能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NIMultisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NILabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。有如下特点：通过直观的电路图捕捉环境,轻松设计电路；通过交互式SPICE仿真,迅速了解电路行为；借助高级电路分析,理解基本设计特征；通过一个工具链,无缝地集成电路设计和虚拟测试；通过改进、整合设计流程,减少建模错误并缩短研发时间。3.1.1Multisim软件介绍NIMultisim10是美国国家仪器公司（NI，NationalInstruments）最新推出的Multisim最新版本的原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。目前NI的EWB的包含有电路仿真设计的模块Multisim、PCB设计软件Ultiboard、布线引擎Ultiroute及通信电路分析与设计模块Commsim4个相互独立的部分，能完成从电路的仿真设计到电路版图生成的全过程。Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim均有增强专业版（PowerProfessional)、专业版（Professional）、个人版（Personal）、教育版（Education）、学生版（Student）和演示版（Demo）等多个版本，各版本的功能和价格有着明显的差异。Multisim10用软件的方法虚拟电子与电工元器件、仪器和仪表，实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”。元器件库提供数千种电路元器件，同时也可以新建或扩充已有的元器件库，很方便的在工程设计中使用。虚拟测试仪器仪表种类齐全，如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源，波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪等。Multisim10具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法。Multisim10可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工学、模拟电路、数字、电路、射频电路及微控制器和接口电路等。有丰富的Help功能，不仅包括软件本身的操作指南，还包含有元器件的功能解说。提供了与国内外流行的PCB设计软件Protel及电路仿真软件PSpice之间的接口，支持VHDL和VerilogHDL语言的电路仿真与设计。易学易用，适合于电子信息、通信工程、自动化、电气控制类专业，有利于开展综合性的设计和实验，培养综合分析、开发和创新能力。3.1.2Multisim的基本界面操作1启动软件双击桌面上的Multisim快捷方式或选择程序菜单中的Multisim选项，即启动Multisim10。图3-1multisim软件界面2软件选项设置单击“主菜单栏”中的“option(选项)”,选择“GlobalPreferences”，出现下面的对话窗口，如下图所示：图3-2选项设置对话框可选择合适的元件类型。3绘制电路元器件库的操作包括：(1)取用元件：从元器件库中取用所需元件；图3-3元件选项对话框点击某元件会弹出上图所示对话框，可根据要求选择所需器件，然后按OK(确定)即可。Multisim10的元件均具有下列元素:Symbol–元件符号（forSchematic）Model–元件模型（forSimulation）Footprint–元件外型（forLayout）ElectronicParameter–电子元件参数UserDefinedInfo.–使用者自定资讯Pinmodel—管脚模型General—元件描述在元件上双击鼠标左键开启属性对话框如下图所示：图3-4元件属性对话框其中，Label：修改元件序号、标识；Display：设置元件标识是否显示；Value：设定元件参数值；Fault：设定元件故障。(2)摆放元件：调整元件的位置与方向；图3-5元件设置对话框右击元件可得到上图所示对话框，可对元件进行旋转，设置元件标识等操作。(3)线路连接：连接元件的引脚。连线方式可分为手动连线和自动连线。调整走线既可以拖拽线段也可以拖拽节点。(4)仪表库操作Multisim中的仪表调用十分简单，从仪表库中单击要调用的仪表，光标附着仪表，移动光标到目标位置，单击鼠标左键放置仪表，完成仪表调用。其中仪表有如下所示数字万用表（Multimeter)函数信号发生器(FunctionGenerator)瓦特表(Wattmeter)示波器(Oscilloscope)四通道示波(4channelOscilloscope)波特图仪(BodePlotter)频率计数器(Frequencycounter)字符信号发生器(WordGenerator)逻辑分析仪(LogicAnalyzer)逻辑转换器(Logicconverter)IV曲线分析仪(IVAnalyzer)失真度分析仪(DistortionAnalyzer)频谱分析仪(SpectrumAnalyzer)网络分析仪(NetworkAnalyzer)Aglient函数信号发生器(AglientFunctionGenerator)Aglient万用表(AglientFunctionGenerator)Aglient示波器(Aglient100MOscilloscope)动态测试笔(Dynamicmeasurementprobe)3.2基极调幅电路的仿真3.2.1基极调幅电路输入的调制信号波形调制信号的振幅峰峰值V，频率为=600KHZ，所以调制信号为V，得适合的波形如下图所示：图3-6调制信号的波形3.2.2基极调幅电路输入的高频载波信号波形设置载波信号振幅值为=14.2V，频率为=15MHZ，所以输入载波信号为V，则所得波形如下图所示：图3-7高频载波信号波形载波信号经过三极管放大后得到的放大输出信号波形如下图所示：图3-8经三极管放大后的高频载波信号波形在示波器上读出放大信号的振幅峰峰值为V，频率为=15MHZ，所以得信号的放大倍数。3.2.3基极调幅输出波形图3-9基极振幅调制器输出信号波形由图可以看出输出的已调波信号的频率与载波信号相近，也可以看出输出的已调波信号波形的包络线与输入的调制信号波形一致。可以读出输出的已调波信号的=44.32V,=20.43V,所以得出调制系数：4基极振幅调制器电路实现与分析4.1基极调幅的特性曲线极振幅调制器电路由NIMultisim软件模拟仿真实现，基极振幅调制特性分析如下图所示：图4-1基极调幅特性曲线4.2基极调幅在临界、欠压和过压三种工作状态下的分析4.2.1基极调幅工作在临界工作状态下的分析图4-2临界工作状态特性曲线在Uc介于欠压和过压状态之间的某一值时，动态特性曲线上端正好位于电流下降线上，此状态称临界状态。图4-3临界工作状态输出的已调波信号波形临界时输出的已调波信号幅度最大且不失真。4.2.2基极调幅工作在欠压工作状态下的分析在Uc不是很大时，晶体管只在截止和放大区工作，在此区间内Uc增加时，集电极电流几乎不变，这种工作状态称为欠压工作状态。基极调幅就是工作在这种状态。图4-4欠压工作状态特性曲线基极调幅在欠压时，输出已调波信号波形如下图所示：图4-5欠压工作状态输出已调波信号波形在欠压工作状态时，输出的已调波信号是放大且不失真的。4.2.3基极调幅工作在过压工作状态下的分析当Uc加大到接近Ucc时发射结和集电结正向偏置，即工作到饱和状态这时的状态称过压状态，此时的集电极电流会产生失真，输出电压也会产生失真。图4-6过压工作状态特性曲线基极调幅在过压工作状态时输出的已调波信号波形图如下图所示：图4-7过压工作状态输出已调波信号波形过压工作状态时输出的已调波信号波形失真且放大倍数较小。综上所述，基极调幅电路必须工作在