丙類倍頻器說(shuō)明書.doc

1、通信電子線路課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書丙類倍頻器學(xué)院：電氣與信息工程學(xué)院學(xué)生姓名：蘇指導(dǎo)教師：張松華職稱副教授專業(yè)：電子信息工程班級(jí)：電子 1402學(xué)號(hào)：完成時(shí)間：2016年 12 月湖南工學(xué)院通信電子線路課程設(shè)計(jì)課題任務(wù)書學(xué)院：電氣與信息工程學(xué)院專業(yè)： 電子信息工程指導(dǎo)教師張松華學(xué)生姓名課題名稱丙類倍頻器內(nèi)1、 目標(biāo)：熟悉丙類倍頻器的結(jié)構(gòu)，原理，掌握電路設(shè)計(jì)和實(shí)物制作方法。容2、 內(nèi)容：已知條件：電源電壓Vcc12V 。設(shè)計(jì)一個(gè)輸出功率PO 500mW ，及任利用產(chǎn)生一個(gè)輸出頻率f012MHz ，效率75% 的丙類倍頻器。務(wù)3、 要求：制作實(shí)際電路并成功調(diào)試，編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書。1、胡宴如2、謝自美.高

2、頻電子線路 M.北京：高等教育出版社，電子線路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試（第三版）M.2012 武漢：華中科技大學(xué)出版主社， 2006.要參3、康華光 . 電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分 M. 北京：高等教育出版社 ,2006考4、張肅文，陸兆熊 . 高頻電子線路 M. 北京：高等教育出版社， 1992資5、路勇 . 電子電路實(shí)驗(yàn)及仿真M.北京：清華大學(xué)出版社，2004料6、陳松，金鴻. 電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)Multisim2001&Protel 99seM.南京：東南大學(xué)出版社，2001教研教研室主任：（簽字）室年月日意見(jiàn)摘要本設(shè)計(jì)介紹了丙類倍頻器的工作原理， 與丙類功率放大器近似相同。 主要是采用一些簡(jiǎn)單的電子元件

3、組合而成，即它是由放大電路和諧振回路組成。利用三極管的放大作用和 LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)，選出合適的頻率信號(hào)，并且調(diào)諧在三次諧波頻率上，對(duì)于無(wú)用的頻率信號(hào)進(jìn)行濾除，減少失真。設(shè)計(jì)過(guò)程中，先在 Multisim12 電路仿真軟件上進(jìn)行了電路仿真，然后結(jié)合實(shí)際情況，繪制原理圖， 購(gòu)買元器件畫 PCB電路圖，最后進(jìn)行了實(shí)物制作和調(diào)試。調(diào)試結(jié)果，輸出信號(hào)的頻率是輸入信號(hào)的三倍，且輸出功率大于 500mW，集電極效率大于 75%，并且電路工作在丙類狀態(tài)，說(shuō)明設(shè)計(jì)成功。關(guān)鍵詞：丙類倍頻器； LC諧振回路； S9018目錄1緒論1設(shè)計(jì)課題的研究意義1設(shè)計(jì)課題任務(wù)及要求說(shuō)明1方案介紹1主要性能指標(biāo)2工作原理

4、說(shuō)明22丙類倍頻器電路的設(shè)計(jì)3丙類倍頻器的原理分析及總電路框圖3丙類倍頻器的單元電路分析及參數(shù)計(jì)算53丙類倍頻器的仿真6Multisim仿真軟件簡(jiǎn)介6仿真電路的建立6仿真結(jié)果分析74丙類倍頻器的結(jié)果及誤差分析8實(shí)物操作說(shuō)明8調(diào)試數(shù)據(jù)8誤差分析8設(shè)計(jì)結(jié)論85設(shè)計(jì)總結(jié)與體會(huì)9參考文獻(xiàn)9致謝10附錄11附錄 A電路原理圖和 PCB圖 .11附錄 B電路實(shí)物圖 .11附錄 C元器件清單 .111 緒論設(shè)計(jì)課題的研究意義在無(wú)線電發(fā)射機(jī)、頻率合成器等電子設(shè)備中的中間級(jí) , 常需要通過(guò)倍頻器使輸出信號(hào)的頻率比輸入信號(hào)頻率成整數(shù)倍增加， 不僅使工作頻率提高， 在調(diào)頻系統(tǒng)中還可以擴(kuò)大頻偏。采用倍頻器一是可以降低

5、電子設(shè)備的主振頻率 , 對(duì)提高設(shè)備的頻率穩(wěn)定度有利。因?yàn)檎袷幤鞯念l率越高 , 頻率穩(wěn)定度就越差， 一般主振器頻率不宜超過(guò) 5MHz。因此 , 當(dāng)發(fā)射機(jī)頻率高于 5MHZ時(shí), 通常采用倍頻器。二是在通信機(jī)的主振器工作波段不擴(kuò)展的條件下 , 可利用倍頻器擴(kuò)展發(fā)射機(jī)輸出級(jí)的工作波段。 例如 , 主振器工作在 3)MHz,在其后采用放大倍頻級(jí) , 該級(jí)在波段開(kāi)關(guān)控制下 , 既能工作在放大狀態(tài) , 又能工作在二倍頻或四倍頻狀態(tài)。這樣 , 隨波段開(kāi)關(guān)的改變 , 發(fā)射機(jī)輸出級(jí)就可獲得 3)MK(36)MK和(6 12) 三個(gè)波段的輸出。三是在調(diào)頻和調(diào)相發(fā)射機(jī)中 , 采用倍頻器可加大頻移或相移 , 即可加深調(diào)

6、制深度。倍頻器的種類有多種， 本次課設(shè)是利用晶體管的非線性電阻效應(yīng)， 基于丙類放大器工作原理的丙類倍頻器， 效率高、失真小。本課題將就丙類倍頻器的工作原理、參數(shù)計(jì)算、元件選取、電路仿真、電路調(diào)試等做詳細(xì)的介紹和說(shuō)明。設(shè)計(jì)課題任務(wù)及要求說(shuō)明（一）設(shè)計(jì)任務(wù)提供電源電壓 Vcc12V ，設(shè)計(jì)一個(gè)輸出功率 PO500mW ，利用示波器產(chǎn)生一個(gè)輸出頻率 f012MHz ，效率75% 的丙類倍頻器。（二）設(shè)計(jì)要求制作實(shí)際電路和仿真電路并成功調(diào)試。方案介紹丙類倍頻器設(shè)計(jì)是利用晶體管的非線性電阻效應(yīng)，基于丙類放大器工作原理。丙類放大器晶體管集電級(jí)電流脈沖中含有豐富的諧波分量，如果集電極調(diào)諧回路諧振在二次或三次

7、諧波頻率上，放大器就主要有二次或三次諧波電壓輸出。這樣丙類放大器就成了二倍頻器或三倍頻器。在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，需要的是三倍頻器，原理框圖如圖1 所示：輸入信階躍管脈諧振網(wǎng)絡(luò)輸出濾波輸出信圖 1丙類倍頻器原理框圖主要性能指標(biāo)（一）變頻增益三倍頻器輸出電壓振幅 Vim 與高頻輸入信號(hào)電壓振幅 Vsm之比，成為變頻電壓增益或變頻放大倍數(shù)，表示如下：變頻電壓增益另一種表示方法為顯然，變頻增益更高高對(duì)提高接收機(jī)的靈敏度有利。（二）失真和干擾失真有頻率失真和非線性失真。 由于非線性還會(huì)產(chǎn)生組合頻率、 交叉調(diào)制與互相調(diào)制、阻塞和易倒混頻干擾。這些是三倍頻器產(chǎn)生的特有干擾。（三）選擇性接收有用信號(hào)，排除干擾信號(hào)的

8、能力決定于高頻輸出回路的選擇性是否良好。（四）噪聲系數(shù)三倍頻器的噪聲系數(shù)對(duì)接收設(shè)備的總噪聲系數(shù)影響很大， 應(yīng)盡量低。這就要求很好的選擇所用器件和工作點(diǎn)電流。工作原理說(shuō)明丙類倍頻器與丙類諧振功率放大器的工作原理基本相同。不同之處在于丙類倍頻器的集電極諧振回路是對(duì)輸入頻率f i 的 n 倍頻 諧振，而對(duì)基波和其它諧波失諧，因而 f c 中的 n 次諧振通過(guò)諧振回路獲得最大電壓，而基波和其它諧波被濾除。本次設(shè)計(jì)的三倍頻器的諧振回路的f o 為3 f i，所以，回路可以選出三次諧波、 輸出頻率為 3 f i 的電壓信號(hào)， 并濾除基波和其它諧波信號(hào)。2 丙類倍頻器電路的設(shè)計(jì)丙類倍頻器的原理分析及總電路框

9、圖丙類 倍頻 器與丙類 諧振功率 放大器 的工作 原理基本相同，只是在輸出諧振回路上調(diào)諧于輸入頻率的諧波頻率， 因而集電極上呈現(xiàn)的交變電壓的頻率為輸入頻率的倍頻。如圖 2 所示，基極電路的電壓有以下關(guān)系：v BEvbVBBVbm cos wtVBB（ 1）參看圖 3，可知 ic 為：i cgc (Vbm coswtVBBVth ),Vbm cos wtVthVBB（ 2）集電極電流流通角c 滿足：因而有：c arccos Vth VBBVbm（ 3）將式（ 3）代入式（ 2）得：ig V （ coswtcos), wt2kccbmcc（4）集電極電流 i c 的最大值為：ig V （1cos)

10、ccbmc（5）利用傅里葉級(jí)數(shù)分解， i c 可表示為：i ccos（ wt ） cos c（）（ ）coswt（ ）cosnwtI CmaxI Cm 0cI Cm 1c. I Cm n c1 cos c（6）由圖 3 可以看出，i c 為余弦電流脈沖，其形狀可由 I Cm 和c兩個(gè)參數(shù)確定。由式（6）可知集電極電流包含豐富的諧波分量。由于圖 1 中集電極經(jīng)過(guò) LC 諧振回路接到 VCC，若諧振回路在功放工作時(shí)諧振于某諧波頻率，因而諧振回路對(duì)電流的此諧波頻率分量呈現(xiàn)的電阻最高，而對(duì)于電流脈沖中的直流分量、基波分量和其他各次諧波分量， 諧振回路的阻抗的模很小， 從而基極電壓變化頻率為此諧波的正弦

11、電壓，諧振功率放大器就成了倍頻器。圖 2 丙類頻器電路原理圖圖 3 集電極電流和基極輸入電壓關(guān)系圖 4 余弦脈沖電流分解系數(shù)曲線倍頻器的集電極效率可表示為：c1n ( c )1gn ( c )20 ( c )2(7)式中 n 為倍數(shù)，從式 (7) 可知需適當(dāng)選取c 的值，使 n c 也盡可能大，不同的倍頻次數(shù)最佳流通角也是不同的。最佳c 值可用 1200 / n 計(jì)算。由余弦脈沖分解系數(shù)可知，無(wú)論導(dǎo)通角為何值， n 均小于 1，即在其他情況相同條件下， 丙類倍頻器的輸出功率和效率將遠(yuǎn)低于丙類放大器，且隨著次數(shù) n 的增大而迅速降低。為了提高倍頻器的輸出功率和效率，要選擇適當(dāng)?shù)膶?dǎo)通角 。由圖 4

12、 可得，該電路最佳導(dǎo)通角為 40?？傠娐房驁D如圖5 所示：圖 5總電路圖丙類倍頻器的單元電路分析及參數(shù)計(jì)算小信號(hào)放大電路小信號(hào)放大模塊按晶體管連接方法可區(qū)分： 共基極、共發(fā)射極和共集電極放大器。丙類倍頻器設(shè)計(jì)采用的是共射極放大電路， 基極輸入，集電極輸出，電壓、電流、功率均放大。從圖 6 小信號(hào)放大模塊可知， 這部分的作用的是對(duì)所接受到的微弱信號(hào)通過(guò)晶體管進(jìn)行信號(hào)放大。三極管選用了放大倍數(shù)在 100-200 倍之間的 BC547A，在實(shí)物制作時(shí)用了差不多放大倍數(shù)的 S9018。 R2 、 R3 和可調(diào)電阻 串聯(lián)的射極電阻決定了晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)。而且改變 的大小可以改變放大器的增益，實(shí)現(xiàn)電阻可

13、調(diào)，靜態(tài)工作點(diǎn)可調(diào)，使三極管工作在放大區(qū)。電路如圖 6 所示；圖 6小信號(hào)放大模塊單元電路元器件參數(shù)說(shuō)明：為了便于分析， 應(yīng)用等效電源電路， 對(duì)圖 6 的基極電路的直流供電電路進(jìn)行變換并簡(jiǎn)化。如圖 7 所示；圖 7輸入簡(jiǎn)化電路在圖 7 中， VBBVCC ?R2，RBR1? R2，VCC12VR2R1R2R1根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，取 R2=,R3=，為使靜態(tài)工作點(diǎn)可調(diào)，加入可調(diào)電阻 R4，所得到的 VBB 4V 左右，使三極管可正常工作。 L1 和 C3為前置濾波器，取 L1=10mH,C3=47 F。注意在電路不工作時(shí)， 可以改變晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)及參數(shù)。 本振的輸出電壓不能太低，又要使三極管工作在非線

14、性區(qū)，故選 1V。諧振回路諧振回路由電感和電容構(gòu)成， 它們的連接方式不一樣， 形成的諧振回路也不一樣。串聯(lián)為串聯(lián)諧振回路， 并聯(lián)為并聯(lián)諧振回路。 設(shè)計(jì)中采用的是并聯(lián)諧振回路它具有選擇信號(hào)及阻抗變換，兩個(gè)或更多個(gè)諧振回路串聯(lián)可以構(gòu)成帶通濾波器。并聯(lián)諧振回路的諧振頻率為： f 0 1 2 LC。本次課題仿真設(shè)計(jì)選用 LC并聯(lián)諧振回路，但在考慮到 LC回路在現(xiàn)實(shí)中不方便調(diào)諧，故而實(shí)物制作時(shí)我們選用了 10MHz的中周代替。電路如圖 8 所示；圖 8 諧振回路單元元器件參數(shù)說(shuō)明：由于要選出三倍頻， RC回路的振蕩頻率為3w,故3wl1 ， lc1（8）3wc3 ? 2 f通過(guò)計(jì)算得出， 諧振回路中電容

15、 C=，電感 L=10 H。諧振回路可調(diào)諧在頻率為 12MHz。電容 C4的目的是隔直通交 , 所以選取 C4=47uf。3 丙類倍頻器的仿真Multisim仿真軟件簡(jiǎn)介Multisim 是一個(gè)完成原理電路設(shè)計(jì)、電路功能測(cè)試的虛擬仿真軟件。它的元器件庫(kù)提供數(shù)千種電路元器件供實(shí)驗(yàn)選用， 同時(shí)可以新建或擴(kuò)充已有的元器件庫(kù)。 Multisim 有較先進(jìn)的電路分析功能，可以設(shè)計(jì)、測(cè)試和演示各種電子電路，可以對(duì)被仿真的電路中的元器件設(shè)置各種故障。 在進(jìn)行仿真的同時(shí)， 軟件還可以存儲(chǔ)測(cè)試點(diǎn)所有數(shù)據(jù)。它具有以下突出的特點(diǎn)：(1) 設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)可以同步進(jìn)行，可以邊設(shè)計(jì)邊實(shí)驗(yàn)，修改調(diào)試方便；(2) 設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)用的

16、元器件，可以完成各種類型的電路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)；(3) 可以方便的對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行測(cè)試和分析；(4) 可直接打印輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、測(cè)試參數(shù)、曲線和電路原理圖；(5) 實(shí)驗(yàn)中不消耗實(shí)際的元器件，種類和數(shù)量不受限制，速度快，效率高；(6) 設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)成功的電路可直接在產(chǎn)品中使用。仿真電路的建立使用 Multisim建立電路模型， 設(shè)計(jì)一個(gè)輸入信號(hào)為4MHz的正弦波，輸出為12MHz的丙類倍頻電路。根據(jù)丙類倍頻器電路原理，在Multisim軟件平臺(tái)選取相應(yīng)的元器件，并選好參數(shù)。設(shè)計(jì)的仿真原理圖如圖9 所示：圖 9丙類倍頻器仿真原理圖仿真結(jié)果分析設(shè)置好電路以后， 開(kāi)始仿真。 仿真結(jié)果分析： 電感 L2 和電容 C

17、5 均設(shè)計(jì)為可調(diào)的電感電容。在仿真過(guò)程中，改變可調(diào)電容的大小，觀察頻譜儀XSC1使輸出信號(hào)頻率的最大值在12MHz處。當(dāng)輸入端的正弦波信號(hào)源V1 為 4MHz時(shí)，通過(guò)計(jì)算 L2和 C5 構(gòu)成的并聯(lián)諧振回路應(yīng)調(diào)諧在三倍頻12MHz。因?yàn)樽罴褜?dǎo)通角c 400 ，所以有 cos c0.766 ， （0c） 0.147 ， （3c） 0.165 。選用的三極管 BC547A的參數(shù) f T300MH z ，在 f b4MH z 時(shí)計(jì)算的電流放大倍數(shù)為f T75f b由于軟件本身存在一些問(wèn)題， 導(dǎo)致波形有點(diǎn)失真但不影響測(cè)量結(jié)果，通過(guò)測(cè)量得知，仿真輸入波形的周期為，如圖10 所示；輸出波形的周期為，如圖11

18、所示。由圖可知：輸入信號(hào)的振幅Vbm1.4V , 假設(shè)基極體電阻 rbb20 ，所以：（1- cos）I bmVbmc16 .38 mA（9）rbbI cmI Bm1228.5mA1.228 A(10)I c33 I cm0.2026 A(11)因?yàn)?U cm5.5V ，所以 :P1 I UcmWW(12)Oc30.557500m21 ?（ ）75%（ 13）c3? U cm2（）Vcc0由此可知，設(shè)計(jì)的丙類倍頻器可以進(jìn)行三倍頻，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。圖 10 丙類倍頻器波形圖一圖 11 丙類倍頻器波形圖二4 丙類倍頻器的結(jié)果及誤差分析實(shí)物操作說(shuō)明由于中周的限制，只能使用實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字信號(hào)發(fā)生器給丙類倍

19、頻器提供的高頻信號(hào)，接入輸入端 J1，使用直流穩(wěn)壓源提供 +12V 電壓接 J3 端口，示波器接電路的輸出端 J4，觀察波形和頻率。調(diào)試數(shù)據(jù)將數(shù)字信號(hào)發(fā)生器調(diào)節(jié)在， 100mv，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻 R4 使三極管正常工作， 此時(shí)基極電壓為 4V 左右。此時(shí)觀察示波器，輸入信號(hào)為正弦波，頻率約為，如圖 12 所示；輸出波形如圖 13 所示：圖 12 輸出結(jié)果圖圖 13 輸出波形圖誤差分析設(shè)計(jì) 要 求 中 ， 要 求 提供 電 源 電 壓 Vcc12V ，設(shè)計(jì)一個(gè)輸出功率PO 500mW ，利用波形發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)輸出頻率f 0 12 MHz ，效率75% 的丙類倍頻器。因?yàn)閷?shí)際電路使用的是 10MHz的

20、中周，當(dāng)輸入為，輸出約為，存在誤差。分析導(dǎo)致誤差的原因如下：(1) 實(shí)物的實(shí)際值與理論值有一定的差距。實(shí)際買來(lái)的電阻、電容與仿真要求的值有也差異。(2) 性能指標(biāo)參數(shù)的測(cè)量方法存在一定的誤差。在調(diào)試過(guò)程中，我們通過(guò)直接觀察波形的幅度與相位的大小來(lái)確定電路是否倍頻。 而實(shí)際輸出信號(hào)的周期并不穩(wěn)定。從而導(dǎo)致測(cè)量誤差。(3) 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的老化等也會(huì)導(dǎo)致電路調(diào)試過(guò)程出現(xiàn)誤差。設(shè)計(jì)結(jié)論由以上調(diào)試結(jié)果可知， 經(jīng)過(guò)電路設(shè)計(jì)， 仿真設(shè)計(jì)，得出能夠?qū)崿F(xiàn)三倍頻的丙類倍頻器，輸出功率 PO500mW ，效率75%。當(dāng)輸入信號(hào)為 fi =，輸出信號(hào)f o 約為 10MHz左右，且不穩(wěn)定。可知實(shí)際制作與仿真之間存在較

21、大的誤差。 但能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。5 設(shè)計(jì)總結(jié)與體會(huì)通過(guò)長(zhǎng)達(dá)兩周的自我學(xué)習(xí)和嘗試， 終于完成了本次課程設(shè)計(jì)。 丙類倍頻器是較簡(jiǎn)單的課題，但對(duì)于初次接觸高頻課程設(shè)計(jì)的人來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。在設(shè)計(jì)的前期， 需要查閱了大量的資料， 對(duì)丙類倍頻器有了一個(gè)大概的認(rèn)識(shí)， 對(duì)丙類倍頻器的工作原理也有一定的分析和研究。丙類倍頻器主要由兩部分組成，放大環(huán)節(jié)和倍頻環(huán)節(jié)。 放大環(huán)節(jié)就是小信號(hào)放大電路， 倍頻環(huán)節(jié)就是在丙類功率放大器的基礎(chǔ)上，通過(guò)諧振回路選出合適的諧波分量。本次課程設(shè)計(jì)讓我對(duì)書本內(nèi)的所學(xué)知識(shí)得到了更深的認(rèn)識(shí)， 使我掌握的更為牢固了。不僅如此，也學(xué)到了很多書本外的知識(shí)，需自己查閱資料來(lái)完成任務(wù)，使得

22、我的自學(xué)能力以及對(duì)知識(shí)的自我理解能力得到了提升。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中， 首先我們先查閱資料， 相當(dāng)于一個(gè)學(xué)習(xí)的過(guò)程。 通過(guò)所查閱的資料，我們研究原理、進(jìn)行仿真、比較方案及選定方案，在這個(gè)過(guò)程中，我們所掌握的知識(shí)成為了關(guān)鍵， 一開(kāi)始選了個(gè)較為復(fù)雜的電路， 結(jié)果無(wú)法實(shí)現(xiàn)， 最后又對(duì)書本知識(shí)進(jìn)行了復(fù)習(xí)和深究， 同時(shí)在老師的指導(dǎo)下， 選出了一個(gè)簡(jiǎn)單可行的方案。選出方案后， 我們就去購(gòu)買元器件了， 制作實(shí)物。按照仿真電路圖制作出來(lái)的實(shí)物卻有很多問(wèn)題。進(jìn)行調(diào)試時(shí)，輸出波形不穩(wěn)定，頻率也不對(duì)。在老師的悉心指導(dǎo)下，我們知道了因?yàn)樵?LC諧振回路難以調(diào)試，只能用中周代替。最后在我們組成員的共同努力之下，終于成功做出了丙類倍頻器。本次設(shè)計(jì)仿真成功而完全按照仿真數(shù)據(jù)完成的實(shí)物卻無(wú)法成功， 需進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)試，這讓我體會(huì)到仿真只是仿真， 是理想狀態(tài)下的情況， 在實(shí)際的制作中存在這各種各樣的問(wèn)題會(huì)影響結(jié)果，這還需我們查閱資料，積累經(jīng)驗(yàn)。參考文獻(xiàn)1 胡宴如 . 高頻電子線路 M.北京：高等教育出版社，20122 康華光 . 電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）M. 北京：高等教育出版社 ,20063 張寧 . 基于 Multisim 電子的電子線路分析