基于multisim的调频电路的设计与仿真说明书

1、*实践教学*兰 州 理 工 大 学计算机与通信学院2011年秋季学期高频电子线路课程设计 题 目：基于Multisim的调频电子线路设计与仿真 专业班级： 09级通信工程(1)班 姓 名： 汪 燕 学 号： 指导教师： 贾 科 军 成 绩： 摘要调制和解调电路是通信设备中重要组成部分。用待传输的低频信号去控制高频载波参数电路称为调制电路，解调是调制的逆过程，从高频已调信号中还原出原调制信号称为解调电路。本文设计了基于multisim的变容二极管的直接调频电路、锁相环调频电路、LC失谐的LC 谐振回路解调电路、斜率鉴频器电路，通过观察调频波形与解调波形，了解FM的调制与解调原理。关键词：高频电子

2、线路；multisim；锁相环；LC谐振鉴频器目录第1章 调制技术介绍- 3 -第2章 调频与解调技术介绍- 4 -2.1 调频基本概念- 4 -2.2 调频电路- 4 -2.2.1调频方法的概述- 4 -2.2.2直接调频原理- 4 -2.2.3 间接调频原理- 5 -2.3 FM解调概述- 6 -第3章 multisim软件介绍- 8 -第4章 详细设计与仿真- 10 -4.1 FM调制的方案论证- 10 -4.1.1方案1 变容二极管调频原理- 10 -4.1.2 仿真分析- 10 -4.2 方案2 锁相环调频电路- 12 -4.2.1 锁相环调频电路仿真分析- 12 -4.3 调频方案

3、比较- 14 -4.4 FM解调的方案论证与仿真- 14 -4.5 方案1单失谐回路鉴频电路仿真分析- 14 -4.6 锁相环鉴频电路仿真分析- 17 -4.7解调方案比较- 18 -第5章 课程设计总结- 19 -参考文献- 20 -第1章 调制技术介绍通信电子线路主要的学习内容是无线电通信系统中发射和接收设备中单元电路的形式及工作原理等。在无线电发射机中，需要发射的低频调制信号（如由语音信号转换而来的电信号）都要经过调制才能发送传输。所谓调制是指用低频调制信号去改变高频振荡波，使其随低频调制信号的变化规律（幅度、频率或相位）相应变化的过程。由这些经过调制后的已调波携带低频信号的信息到空间进

4、行传输，完成信号的发射。从频谱的角度来看，调制是将低频调制信号的频谱从低频端搬到高频端的过程。而在无线电接收机中，从接收到的已调波信号中恢复出原低频调制信号的过程称之为解调。从频谱的角度来看，解调则是将信号的频谱从高频端搬回到低频端的过程。上述提到的载波、已调波、调制（包括调幅、调频、调相）和解调等概念很抽象枯燥，学生感到不好理解，犹如在听“天书”。学生若对概念理解不好，则难以掌握无线电通信的基本原理，对通信系统的信号流程也难以理解，学习目的无法实现。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

5、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。Multisim 是一个能进行电路原理设计、对电路功能进行测试分析的仿真软件。Multisim 的功能更强大，更适合于对模拟电路、数字电路和通信电路等的仿真与测试。它的元器件库提供数千种电路元器件供仿真选用，提供的虚拟测试仪器仪表种类齐全，还有较为详细的电路分析功能，仿真速度更快。它将实验过程中创建的电路原理图、使用到的仪器、电路测试分析后结果的显示图表等全部集成到同一个电路窗口中，具有直观、方便、实用和安全的优点。第2章 调频与解调技术介绍2.1 调频基本概念调制信号（低频信号）去控制载波信号的幅度而实现的调制称为调幅；同样，

6、若用调制信号去控制载波的频率或相位而实现的调制分别称为调频或调相。由于调频或调相两种调制都改变了载波的瞬时相位，通称角度调制。在模拟调制中，调频具有较为优越的性能，因此，调频技术广泛应用于立体声广播、电视伴音、无线麦克风、微波传输及卫星通信。同样，完整的调频通信系统也由发射机与接收机两部分组成，与调幅通信系统比较，除了调制与解调的原理方法不同外，其他部分如超外差变频接收技术、中频放大电路等基本相同。2.2 调频电路2.2.1调频方法的概述因为频率调制不是频谱线性搬移过程，它的电路就不能采用乘法器和线性滤波器来构成，而必须根据调频波的特点，提出具体实现的方法。对于调频电路的性能指标，一般有以下几

7、方面的要求： 1线性的调制特性。即已调波的瞬时频率变化与调制信号成线性关系。 2 具有较高的调制灵敏度。即单位调制电压所产生的振荡频率偏移要大。 3. 最大频率偏移与调制信号频率无关。 4. 未调制的载波频率（即已调波的中心频率）应具有一定的频率稳定度。 5. 无寄生调幅或寄生调幅尽可能小。实现调频的方法分为直接调频和间接调频两大类2.2.2直接调频原理直接调频的基本原理是利用调制信号直接控制振荡器的振荡频率，使其反映调制信号变化规律。要用调制信号去控制载波振荡器的振荡频率，就是用调制信号去控制决定载波振荡器振荡频率的元件或电路的参数，从而使载波振荡器的瞬时频率按调制信号变化规律线性地改变，就

8、能够实现直接调频。1改变振荡回路的元件参数实现调频在LC振荡器中，决定振荡频率的主要元件是LC振荡回路的电感L和电容C。在RC振荡器中，决定振荡频率的主要元件是电阻和电容。因而，根据调频的特点，用调制信号去控制电感、电容或电阻的数值就能实现调频。调频电路中常用的可控电容元件有变容二极管和电抗管电路。常用的可控电感元件是具有铁氧体磁芯的电感线圈或电抗管电路，而可控电阻元件有二极管和场效应管。2控制振荡器的工作状态实现调频在微波发射机中，常用速调管振荡器作为载波振荡器，其振荡频率受控于加在管子发射极上的发射极电压。因此，只需将调制信号加至发射极即可实现调频。若载波是由多谐振荡器产生的方波，则可用调

9、制信号控制积分电容的充放电电流，从而控制其振荡频率。2.2.3 间接调频原理调频波的数学表示式，在调制信号为u(t)时，为 uFM(t)=Ucm cosct+kf 0tu(t)dt （2-1）可见调频波的相位偏移为kf 0tu(t)dt ，与调制信号u(t)的积分成正比。若将调制信号先通过积分器得 0tu(t)dt ，然后再通过调相器进行即可得到调制信号为 的调相波，即 u(t)=Ucm cosct+kP 0tu(t)dt （2-2）因此，调频可以通过调相间接实现。通常将这样的调频方式称为间接调频，其原理方框图如图2-1所示。这样的调频方式采用频率稳定度很高的振荡器(例如石英晶体振荡器)作为载

10、波振荡器，然后在它的后级进行调相，得到的调频波的中心频率稳定度很高。图2-1 间接调频原理方框图2.3 FM解调概述从调频波中检出原来调制信号的过程称为调频波的解调,又叫鉴频。实现鉴频的电路称为鉴频器,也叫频率检波器。鉴频器使输出电压和输入信号频率相对应的电路。用于调频信号的解调，常见的有斜率鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器等，对这类电路的要求主要是非线性失真小，噪声门限低。斜率鉴频器原理电路图如图2-3(a)，鉴频特性曲线如图2-2。其中，晶体管和LC回路实质上是一个调谐放大器，但回路的谐振频率f0与已调频信号的中心频率fc是失谐的。一旦已调频信号的瞬时频率发生变化,放大器就输出一个与之相对应

11、的调幅-调频波(图2-3（b）。经二极管检波处理，即可在负载RL上得到与原调制信号变化规律相同的输出。斜率鉴频器的电路比较简单，但回路失谐时其谐振特性曲线不是直线，因而鉴频特性的线性较差。图2-3 斜率鉴频器原理图第3章 multisim软件介绍随着电子技术和计算机技术的发展，电子产品已与计算机紧密相连，电子产品的智能化日益完善，电路的集成度越来越高，而产品的更新周期却越来越短。Multisim 10是加拿大 Interactive Image Technologies公司 2001 年推出的 Multisim 最新版本。可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频

12、电路及部分微机接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路。它有丰富的元件库，为用户提供元器件模型的扩充和技术 ；虚拟测试仪器仪表种类齐全，其操作方法与实际仪器十分相似 ；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 18 种电路分析方法，提供了多种输入输出接口，Multisim2001 可以与国内外流行的印刷电路板设计自动化软件Protel及电路仿真软件Pspice之间的文件接口，也能通过W

13、indows 电路图送往文字处理系统中进行编辑排版，同时还支持VHDL和Verilog HDL语言的电路仿真与设计。Multisim 10 把所有的元件分成13类库，再加上放置分层模块、总线、登录网站共同组成元件工具栏。 Multisim 10提供了18种仪表，仪表工具栏通常位于电路窗口的右边，也可以用鼠标将其拖至菜单的下方，呈水平状。Multisim 10具有以下特点: (1)Multisim 10是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。其元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到，因此可以很

14、方便地在工程设计中使用。(2)Multisim 10 的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、信号发生器、双通道示波器、直流电源；还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图示仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真度测量仪、频谱分析仪和网络分析仪等。 (3) Multisim 10 具有较详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态和稳态分析、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，以帮助设计人员分析电路的性能。(4) Multisim10.0可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、

15、数字电路、射频电路及部分微机接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的过程中还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据。Multisim10是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。它用软件的方法模拟电子线路元器件和仪器仪表，实现了“软件即元器件”和“软件即仪器”。 Multisim10是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件，该软件为电子工程师提供了一个电路设计与仿真平台，不仅与国际著名的模拟电路仿真软件spice兼容，而且

16、具有较强的 VHDL和 Verilog设计与仿真功能。它具有界面形象、直观易懂、采用图形方式创建电路的特点；它丰富的元件库中提供了超过16000个组件，全部采用世纪模型，确保了仿真结果的真实性和实用性；它采用开放式的库管理模式，能自动地生成模拟和数字组件模型，这对新器件的补充十分有利。multisim10.0的虚拟测试仪器种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、信号发生器、双通道示波器、直流、交流电源；还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图示仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真度测试仪、频谱分析仪和网络分析仪等。Multisim10.0具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的

17、瞬态和稳态分析、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，以帮助设计人员分析电路的性能。Multisim10.0 可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及微机接口电路等；可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数等。第4章 详细设计与仿真4.1 FM调制的方案论证方案1 变容二

18、极管直接调频电路方案2 锁相环调频电路4.1.1方案1 变容二极管调频（一）变容二极管直接调频电路是目前应用最广泛的直接调频电路。它是利用变容二极管反时所呈现的可变电容特性实现调频的，其缺点是中心频率稳定度较低。（二）直接调频就是用调制信号去控制振荡器的工作状态，改变其振荡频率，以产生调频信号。例如，被控电路是Lc振荡器，那么LC振荡器的振荡频率主要LC振荡回路的电感L与电容C的数值决定。若在LC振荡回路中加入可变电抗，用低频调制信号去控制可变电抗的参数，即可产生振荡频率随调制信号变化的调波变容二极管调频就是用调制信号控制变容二极管的电容，变容二极管通常接在LC振荡器的电路中作为随调制信号变化

19、的可变电容，从而使振荡器的频率随调制信号的变化而变化。达到调频的目的。4.1.2 仿真分析变容二极管是一种电压控制的可变可控电抗元件。利用它的结电容随反向电压而变化这一特性，可以很好地实现调频。变容二极管调频电路在移动通信和自动频率微调系统中广泛应用，其优点是工作频率高，固有损耗小且线路简单，能获得较大地频偏，其缺点是中心频率稳定度较低。图4-1给出了变容二极管直接调频实现电路。图中V1为变容二极管直接调频电路直流电源；V2为调制信号；V4为变容二极管的直流偏置电源。Dl为变容二极管。由图可见, 该频率调制实验电路是在上部的电容反馈LC 振荡器电路的基础上插入下部的变容管及其偏置电路组成的。变

20、容二极管D1 作为回路总电容全部接入振荡回路; R3 为隔离电阻, 用以减小偏置电路及外界测量仪器的内阻对变容二极管振荡谐振回路构成的频幅变换网络将调频信号变换为FM 调制信号。图4-1 multisim界面上的变容二极管直接调频电路通过理论的分析，可以得到输出的调频波。实际电路输出波形通过Multisiml软件提供的示波器、频率计，如图4-2、4-3所示。图4-2 FM波的波形(红色)与调制信号(蓝色)的波形图 4-3 振荡频率计显示4.2 方案2 锁相环调频电路4.2.1 锁相环调频电路仿真分析直接调频电路的振荡器中心频率稳定度较低,而采用晶体振荡器的调频电路, 其调频范围又太窄。采用锁相

21、环的调频器可以解决这个矛盾。其结构原理如图4-4 所示。首先在Multisim 软件中构造锁相环的仿真模型( 图1) 。基本的锁相环由鉴相器( PD) 、环路滤波器( LP) 和压控振荡器( VCO) 三个部分组成。图中,鉴相器由模拟乘法器A 1 实现, 压控振荡器为V3 , 环路滤波器由R1 、C1 构成。图4-4 锁相环调频电路的原理框图锁相环是一种自动相位控制系统, 广泛应用于通信、雷达、导航以及各种测量仪器中。锁相环及其应用电路是 通信电子电路课程教学中的重点内容, 但比较抽象, 还涉及到新的概念和复杂的数学分析。因此无论是教师授课还是学生理解都比较困难。为此, 我们将基于Mult i

22、sim 的锁相环应用仿真电路引入课堂教学和课后实验。实践证明, 这些仿真电路可以帮助学生对相关内容的理解, 并为进行系统设计工作打下良好的基础。锁相环的应用电路很多, 这里介绍锁相环调频、鉴频电路。仿真模型如图4-5,。图4-5 锁相环仿真模型图 4-5 锁相环调频仿真电路根据图4-4 建立的仿真电路如图4-5所示。图中,设置压控振荡器V1 在控制电压为0 时, 输出频率0; 控制电压为5V 时, 输出频率为50kHz。这样, 实际上就选定了压控振荡器的中心频率为25kHz, 为此设定直流电压V3 为2. 5V。调制电压V4 通过电阻R5 接到V CO 的输入端, R5 实际上是作为调制信号源

23、V4 的内阻, 这样可以保证加到VCO 输入端的电压是低通滤波器的输出电压和调制电压之和, 从而满足了原理图的要求。本电路中, 相加功能也可以通过一个加法器来完成, 但电路要变得相对复杂一些。VCO 输出波形和输入调制电压V4 的关系如图4-6 所示。由图可见, 输出信号频率随着输入信号的变化而变化, 从而实现了调频功能。图4-6 锁相环调频波形（蓝色为调频输出红色为调制信号V4）4.3 调频方案比较方案1 比较简单，浅显易懂，电路连接也比较简单，容易实现，但是使用元件较多，电路有些冗繁，性价比较低，创新性也不足，使用电路原理有些单一。调制效果不明显。方案2 直接调频电路的振荡器中心频率稳定度

24、较低,而采用晶体振荡器的调频电路其调频范围又太窄。采用锁相环的调频器可以解决这个矛盾。电路简单，调频效果明显。4.4 FM解调的方案论证与仿真方案1 单失谐回路鉴频电路（斜率鉴频器）方案2 锁相环鉴频电路4.5 方案1单失谐回路鉴频电路仿真分析 单失谐回路斜率鉴频器 单失谐回路斜率鉴频器电路如图4-7所示。 图4-7 单失谐回路斜率鉴频器电路图其工作原理如下： LC谐振回路中心频率为，0c。如图4-8，c失谐在 LC 单调谐回路幅频特性的上升或下降沿的线性段中点， 利用该点附近的一段近似线性的幅频特性，将调频波转变成调幅调频波。 单失谐回路斜率鉴频器的缺点是：鉴频特性曲线线性鉴频范围小，非线性

25、失真较大。 图4-8 单失谐回路斜率鉴频器工作原理 能够完成对调频信号解调的电路称为鉴频器,它能将调频波进行变换, 恢复出原始调制信号的幅度或相位。鉴频器的类型和电路很多, 如有斜率鉴频器( 又称幅度鉴频器) 和相位鉴频器。我们可用Mult isim 创建斜率鉴频器, 如图4-9所示。该电路利用失谐的LC 谐振回路实现斜率鉴频。其中, V1 是输入调频波, 幅值为2V, 中心频率为1MHz, 调制信号频率为70kHz, L 1, C1 是频幅变换电路, D1, C2, R2 组成包络检波电路。它利用LC谐振回路构成的频幅变换网络将调频信号变换为FM 调制信号( 图4-10上红色波形) , 然后

26、利用包络检波电路恢复出原调制信号( 图4-10 的蓝色波形) 。由图4-10可知，本电路图为失谐回路，故调幅波变为调幅波。解调波形（图中蓝色）由于参数不完美而导致不是完整波形出现失真。本电路虽简单但鉴频特性较差。图4-9 单失谐回路鉴频仿真电路图图4-10斜率鉴频器输出波形4.6 锁相环鉴频电路仿真分析用锁相环可实现调频信号的解调, 其原理框图如图4-11 所示。为了实现不失真的解调, 要求锁相环的捕捉带必须大于调频波的最大频偏, 环路带宽必须大于调频波中输入信号的频谱宽度。图4-11 锁相环鉴频电路的原理框图图4-12 为相应锁相鉴频电路的仿真电路。图中的压控振荡器的设置与锁相环调频电路相同

27、。为了进一步改善低通滤波器的输出波形, 在R1、C1 的输出端, 又串接了一级低通滤波电路(R4、C2 ) 。图4-12 锁相环鉴频的仿真电路由于锁相环鉴频时要求调制信号要处于低通滤波器的通带之内, 因此电阻R 1 的阻值要比调频电路中的阻值小。本例中, R1= 10k 。仿真波形如图4-13所示。由图可见, 该电路实现了鉴频功能。如果将R4、C2 的输出作为VCO 的输入, 则仿真结不再正确, 这在实际仿真时需要注意。图4-13锁相环鉴频实验结果波形看上图可知，由于压控振荡器计低通滤波器的参数不是特别合适，导致输出波形出项毛刺，而不能很好的实现滤波，输出完美的正弦波。4.7解调方案比较方案1

28、 单失谐回路斜率鉴频器的优点是电路简单，成本低仿真简单。缺点是：鉴频特性曲线线性鉴频范围小，非线性失真较大。方案2 锁相环鉴频电路环路输入频率跟随输出频率变化，即跟踪，实现环路锁定困难，毛刺无法消除。第5章 课程设计总结经过两周左右的时间，我们组终于完成这次FM调制与解调的课程设计任务。我们首先查阅了大量的书本资料，接着又上网搜集了许多有用信息，有时候为了找到一个合适的电路而苦恼，有时候又为取得一点成功而由衷的高兴。当最终的电路方案设计出来以后，我们请教了我们的指导老师及学的比较好的同学，他们的一个小小指点就给我们很大启示和灵感，对我们的实验图提出了很多有价值的建议，在此对热心帮助我们的老师和同学表示衷心感谢。在