本科毕业设计-通信电子线路—课程设计说明书.doc

摘要 频率调制又称调频，它是使高频载波信号的频率按调制信号振幅的规律变化，即使瞬时频率变化的大小与调制信号成线性关系，而振幅保持基本恒定的一种调制方式。 调频发射机的主要任务是完成有用的低频信号对高频载波的控制，将其变为在某一中心频率上具有一定带宽、适合通过天线发射的电磁波。首先通过放大器适当放大语音信号，然后用并联型晶体振荡电路为发射机提供频率载波，接着通过改变语音信号完成语音信号对载波信号的频率调制，最终利用丙类谐振功率放大器，使已调制信号功率大大提高，经过滤波网络滤除高次谐波，最后通过天线发射出去。 通过此次课程设计，使学生加强对通信电子线路的理解，掌握文献资料检索，设计方案论证比较，以及设计参数计算等能力环节。进一步提高分析解决实际问题的能力，提高解决通信电子电路问题的实际本领，真正实现由课本知识向实际问题的转化；通过典型电路的设计与仿真，加深对基本原理的了解，增强学生的实践能力。关键字：调频发射、混频、倍频、丙类放大目录一、 前言1二、系统总述22.1整体原理框图22.2工作原理22.3Multisim简述2三、设计指标33.1设计任务及技术指标和要求33.2具体设计指标33.3内容和要求3四、单元电路设计与仿真44.1晶体振荡电路44.2晶体振荡器直接调频电路54.3二极管单平衡混频电路84.4三极管倍频电路94.5丙类谐振功率放大电路10五、整机电路设计图11六、 设计总结12七、参考文献13一、 前言 调频发射机目前处于快速发展之中，在很多领域都有了很广泛的应用。它可以用于演讲、教学、玩具、防盗监控等诸多领域。这个课程设计是关于小功率调频发射机工作原理分析及其安装调试，通过这次设计我们可以更好地巩固和加深对小功率调频发射机工作原理和非线性电子线路的进一步理解。学会基本的实验技能，提高运用理论知识解决实际问题的能力。 本课设结合Multisim软件来对小功率调频发射机电路的设计与调试方法进行研究。Multisim软件能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证、和设计数据管理。今天的Multisim软件已不是单纯的设计工具，而是一个系统 ，它覆盖了以仿真为核心的全部物理设计。使用Multisim等计算机软件对产品进行辅助设计在很早以前就已经成为了一种趋势，这类软件的问世也极大地提高了设计人员在机械、电子等行业的产品设计质量与效率。 本课题的设计目的是要求掌握最基本的小功率调频发射系统的设计与安装对各级电路进行详细地探讨，并利用Multisim软件仿真设计了一个小功率调频发射机。二、系统总述2.1整体原理框图倍频 混频调制器音频放大载波功率放大器信号天线 图1 整体原理框图2.2工作原理 此次设计中采用晶体振荡器直接调频方式。其中晶体振荡器主要用于产生频率稳定，中心频率符合指标要求的正弦波信号，且其频率受到外加音频信号电压调变，将调制信号输入调频波产生电路得到调频波，再对所产生的调频信号进行混频、倍频、功放和一系列的阻抗匹配，完成调频发射过程。 晶体振荡电路：是电容三点式振荡器，用来产生本地载波，整个发射机的频率稳定度由它决定，因此要求其有较高的频率稳定度，同时也有一定的振荡功率(或电压)，其输出波形失真要小。 调频电路：本电路主要的作用是用音频信号去改变本地载波的频率，使得载波信号的频率随着音频信号的幅值变化而变化。这样就将音频信号所携带的信息加载到了载波中。功率放大器：用于放大功率信号，由于功放级往往工作于效率高的丙类工作状态，其输出波形不可避免产生了失真，为滤除谐波，输出网络应有滤波性能因此主要由谐振电路完成。2.3Multisim简述 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 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。三、设计指标3.1设计任务及技术指标和要求1单元电路设计及仿真1）设计晶体振荡器直接调频电路4）设计二极管单平衡混频电路5）设计二倍频倍频电路6）设计丙类谐振功率放大电路 2. 调频发射系统整机电路设计3. 高频实验平台整机联调3.2具体设计指标 1. 工作电压：Vcc=+12V； 2. (天线)负载电阻：RL=51欧； 3. 发射功率：Po500mW； 4. 工作中心频率：f0=5MHz； 5. 最大频偏：fm=10kHz； 6. 总效率：§%50； 7. 频率稳定度：f0/fo 0.0001/小时； 8. 调制灵敏度SF30KHZ/V； 3.3内容和要求 1. 要求完成各单元电路设计及仿真，利用Multisim开发软件完成整机电路设计； 2.通过实际电路方案的分析比较，参数计算元件选取仿真测试等环节，初步掌握简 单实用电路的分析方法和工程设计方法； 3.了解与课程有关的电子电路以及元器件工程技术规范，能按课程设计任务书的技术要 求，编写设计说明，能正确反映设计和实验成果，能正确绘制电路图； 4.掌握常用仪表的正确使用方法，学会简单电路的实验调试和整机指标测试方法。四、单元电路设计与仿真4.1晶体振荡电路石英晶体振荡器的基本原理： 从石英晶体谐振器的等效电路可知，它有两个谐振频率，即（1）当L、C、R支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小（等于R）。串联揩振频率用fs表示，石英晶体对于串联揩振频率fs呈纯阻性，（2）当频率高于fs时L、C、R支路呈感性，可与电容C。发生并联谐振，其并联频率用fd表示。根据石英晶体的等效电路，可定性画出它的电抗频率特性曲线。可见当频率低于串联谐振频率fs或者频率高于并联揩振频率fd时，石英晶体呈容性。仅在fsffd极窄的范围内，石英晶体呈感性。 图2 并联型晶体振荡电路图 并联型晶体振荡器就是用晶体振荡器代替电感三点式电路构成的振荡器。 在并联型晶体振荡电路中，R1，R2和R3构成分压式偏置电路，L1为高频扼流圈，C1为旁路电容，C5为耦合电容。晶体在振荡器中起的是高Q电感的作用，振荡电路与克拉波振荡电路相似，这个电路的振荡频率就是晶体的标称频率。 图3 并联型晶体振荡仿真波形图 如上图所示波形，不需要外加输入信号控制就能自动将直流能量转换为特定频率和振幅的正弦波信号，产生了发射系统所需的高频载波。4.2晶体振荡器直接调频电路 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，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。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。 实现调频的方法分为两大类：直接调频法和间接调频法。 直接调频就是用调制信号去控制载波的振荡频率，使它不失真地反映调制信号的变化规律。直接调频电路实际上是一个振荡器，其振荡频率取决于电路中的电抗元件L和C的数值，用调制信号控制某个电抗元件的值就可以控制振荡器的频率，这就是直接调频的工作原理。受控的电抗元件可以是电感或电抗，常用元件有电容电筒、变容二极管和电抗管等。变容二极管是一种电压控制的可变电抗原件，它的PN结呈现的势垒电容值会随着反偏电压的变化而变化。 （a)原理电路 (b）等效电路 图4 变容二极管作为振荡器回路总电容的原理电路 直接调频的方法有：变容二极管直接调频和晶体振荡器直接调频。变容二极管直接调频可以获得较大的频偏，但其中心频率稳定性较差。稳定中心频率可以采用对石英晶体振荡器进行直接调频。 石英晶体调频电路实际属于电容二极管部分接入方式，也是通过调制信号控制电容二极管的势垒电容，从而改变振荡频率实现调频。变容二极管接入振荡回路有两种方式。一种是与石英晶体相串联，另一种是与石英晶体相并联。变容二极管与晶体并联连接方式有一个较大的缺点，就是变容二极管的不稳定性直接严重地影响调频信号中心频率的稳定度。因而用广泛的还是变容二极管与石英晶体相串联的方式。 图5 变容管与晶体的两种连接方式及其电抗曲线 设计思路：如图在晶体调频振荡器中，变容二极管与晶体相串联，与晶体三极管Q1，电容C2，C3，C4构成克拉泼振荡电路。晶体相当于一个电感，C2与C3+C4都远大于Cj和Cq,故振荡频率主要由Cj,晶体的等效电容Cq和等效电感Lq决定，其等效电路如图（b)所示，石英晶体片的并联等效电容Co已并入Cj。 （a)等效振荡器 （b)等效谐振回路 图6 晶体调频振荡器等效电路和谐振回路 图7 晶体振荡器直接调频原理图 图8 晶体振荡器直接调频波形图仿真结果如上所示，蓝色为调制信号，红色是调频波。按照理论分析，调频波刚好是弹簧波，对应两种频率的载波，实现了信号幅度控制载波频率。4.3二极管单平衡混频电路 图9 二极管单平衡混频电路图 图10 二极管单平衡混频波形图设本振信号幅度 Ulm>0.5V,且Ulm>>Usm，则二极管工作在受ul控制的开关状态，经变压器T2输出中频成分。由仿真结果可以看出，输入本地载波和调频信号，从变压器输出中频， 测得中频频率为本地载波和调频信号的频率之和，即上混频。 4.4三极管倍频电路 图11 三极管倍频电路图 图12 三极管倍频波形图 1、功能： 倍频器实质上就是一种输出信号等于输入信号频率整数倍的电路，常用的是二倍频和三倍频器。在手持移动电话中倍频器的主要作用是为了提升载波信号的频率，使之工作于对应的信道；同时经倍频处理后，调频信号的频偏也可成倍提高，即提高了调频调制的灵敏度，这样可降低对调制信号的放大要求。采作倍频器的另一个好处是：可以使载波主振荡器与高频放大器隔离，减小高频寄生耦合，有得于减少高频自激现象的产生，提高整机工作稳定性。 2、倍频原理：由晶体三极管组成的倍频电路，它的基本原理是：三极管VT1的基极不设置或设置很低的静态工作点，三极管工作于非线性状态，于是输入信号经管子放大，其集电极电流会产生截止切割失睦，输出信号信号丰富的谐波分量，利用选频网络选通所需的倍频信号，而滤除基波和其他谐波分量后，这就实现了对输入信号的倍频功能。4.5丙类谐振功率放大电路 丙类功率放大器的基极偏置电压是利用发射极电流的直流分量在发射极直流负反馈电阻上产生的压降来提供的，故称为自给偏置电路。当放大器的输入信号iu为正弦波时，集电极电流ic为余弦脉冲波。利用谐振回路L5C5的选频作用可输出基波谐振电压uc电流ic。 图13 丙类谐振功率放大器电路图 图14 丙类谐振功率放大器仿真波形图五、整机电路设计图 图15 整机电路图 六、 设计总结 在这次设计中，我主要参与了晶体振荡器直接调频的设计，在设计过程中，遇到了很多问题：对电路的原理模糊，电路元件的不熟悉以及对Multisim软件使用的不了解，通过与同学互相讨论，请教老师，让疑点一一得到了解决，完成了整体电路的设计。 此次设计是关于小功率调频发射机工作原理分析及其安装调试。通过这次实验我们可以更好地巩固和加深对小功率调频发射机工作原理和非线性电子线路的进一步理解。学会基本的实验技能，提高运用理论知识解决实际问题的能力。在实验过程中，通过选取元件、确定电路形式、以及计算等等，提高我们的动手能力，同时通过调试来发现自己的错误并分析及排出了这些故障，使我们对小功率放大器得到了加深。 调频发射机的主要任务是完成有用的低频信号对高频载波的控制，将其变为在某一中心频率上具有一定带宽、适合通过天线发射的电磁波。首先通过放大器适当放大语音信号，然后用并联型晶体振荡电路为发射机提供频率载波，接着通过改变语音信号完成语音信号对载波信号的频率调制，最终利用丙类谐振功率放大器，使已调制信号功率大大提高，经过滤波网络滤除高次谐波，最后通过天线发射出去。 在这次课程设计中，掌握了高频电子技术的理论基础知识，电路分析与计算的基本方法。具备进行实验的初步技能，并未以后学习专业课打下了一定的基础。在学习Multisim编辑软件的过程中提高了一定的解决问题的能力，使动手能力和认知能力有了一定的提高，对这门课程加深了认识，了解了它在实际生活中的意义，加深了对这门课程的兴趣，了解了一些电器元件在生活中的用途和意义。 通过此次课程设计，使学生加强对通信电子线路的理解，掌握文献资料检索，设计方案论证比较，以及设计参数计算等能力环节。进一步提高分析解决实际问题的能力，提高解决通信电子电路问题的实际本领，真正实现由课本知识向实际问题的转化；通过典型电路的设计与仿真，加深对基本原理的了解，增强学生的实践能力。这次设计让我又重新接触了高频电子线路，对其设计有了进一步的认识。这次实验是人一组的实验，锻炼了我的团队配合设计能力。七、参考文献【1】黄智伟，基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析，电子工业出版社.【2】熊伟，Multisim7电路设计及仿真应用，清华大学出版社.【3】侯丽敏，通信电子线路，清华大学出版社.【4】张肃文，高频电子线路，高等教育出版社.【5】谢云，现代电子技术实践课程指导，机械工业出版社.【6】高频电子线路实验平台说明书，南京润众科技有限公司.【7】谢自美，电子线路设计、实验、测试，华中理工大学出版社.【8】樊昌信，通信原理，国防工业出版社.13