洛陽理工學院高頻電子線路課程設計報告

洛陽理工學院計算機與信息工程學院2014屆通信工程課程設計報告 計算機與信息工程學院《高頻電子線路》課程設計報告專業(yè)通信工程班級學號姓名完成日期2016年12月23日指導教師評語：成績：批閱教師簽名：批閱時間：目錄一、前言 2二、軟件Multisim的介紹 3三、高頻正弦波振蕩器 43.1高頻正弦波振蕩器任務和設計要求 43.2高頻正弦波振蕩器設計原理 53.3高頻振蕩器設計圖在Multisim平臺下的仿真 6四、混頻器 84.1混頻器實驗任務和設計要求 84.2混頻器在Multisim平臺下仿真結果 94.3模擬乘法器混頻電路 11五、調頻發(fā)射 125.1調頻發(fā)射任務與設計要求 125.2調頻電路設計原理 135.3調頻發(fā)射在Multisim平臺下的仿真結果 14六、設計總結 15七、參考文獻 15

一、前言電學的發(fā)展始于18世紀晚期至19世紀早期，在以發(fā)明者伏特命名的伏特電池出現(xiàn)以后，開始有了直流電路。不就即出現(xiàn)了低頻交流電路，它利用法拉第感應定律所制造的發(fā)電機與變壓器，可以更有效地產生與傳輸交流電能。以后經(jīng)過斯坦因麥茲、愛迪生、西門子和特斯拉等科學家的卓越工作，電力的產生與輸配電工程發(fā)展十分迅速，成為人類生活不可或缺的極重要的組成部分。在此基礎上，利用電能來傳輸信息，就成為人類追求的另一個目標。從發(fā)明無線電開始，傳輸信息就是無線電技術的首要任務。直到今天，雖然無線電電子學技術領域在迅速擴大，但信息的傳輸與處理仍然是它的主要內容。高頻電子線路所涉及的單元電路都是從傳輸與處理信息這一基本點出發(fā)來進行研究的。要完成無線電通信，首先必須要產生高頻率的載波電流，然后設法將電報或電話信號加到載波上去。在無線電技術中采用振蕩器來產生高頻電流，振蕩器可以看做是將直流電能轉變?yōu)榻涣麟娔艿膿Q能器，振蕩器是無線電發(fā)送設備的基本單元，為了發(fā)送電報信號，可以加一個電鍵來控制振蕩器的直流電源，即可得到無線電報發(fā)射機。電源接通時，振蕩器產生高頻電流，電源斷開后，振蕩器沒有高頻電流輸出，這樣就得到高頻電流波形。高頻電流送至發(fā)射天線，轉變?yōu)殡姶挪òl(fā)出，電磁波中包含了所要傳送的電報信號。高頻部分一般包括主振蕩器、緩沖發(fā)大器、倍頻器、中間放大器、功放推動級與末級功放。主振器的作用是產生頻率穩(wěn)定的載波。為了提高頻率穩(wěn)定度，主振級往往采用石英晶體振蕩器，并在它后面加有緩沖級，以削弱后級對主振器的影響。如果載波的頻率較高，則由于晶體頻率一般不能太高，因而在緩沖級之后還需加若干級放大器，以逐步提高輸出功率，最后經(jīng)過功放推動級將功率提高到能推動末級功放的電平。末級功放則將輸出功率提高到所需的發(fā)射功率電平，經(jīng)過發(fā)射天線輻射出去。低頻部分包括話筒、低頻電壓放大級、低頻功率放大級與末級低頻功率放大級。低頻信號通過逐級放大，在末級功放處獲得所需要的功率電平，以便對高頻末級功率放大器進行調制。因此，末級低頻功率放大級也叫調制器，末級高頻功率放大級則稱為受調放大器。本次高頻課程設計的題目如下：高頻正弦波振蕩器、混頻器、調頻發(fā)射。二、軟件Multisim的介紹Multisim是加拿大圖像交互技術公司（InteractiveImageTechnoligics簡稱IIT公司)推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復雜內容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設計，這也使其更適合電子學教育。通過Multisim和虛擬儀器技術，PCB設計工程師和電子學教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設計和測試這樣一個完整的綜合設計流程。Multisim被美國NI公司收購以后，其性能得到了極大的提升。最大的改變就是：Multisim9與LABVIEW8的完美結合：新特點：（1）可以根據(jù)自己的需求制造出真正屬于自己的儀器；（2）所有的虛擬信號都可以通過計算機輸出到實際的硬件電路上;（3）所有硬件電路產生的結果都可以輸回到計算機中進行處理和分析。仿真的內容：1．器件建模及仿真；2．電路的構建及仿真；3．系統(tǒng)的組成及仿真；4．儀表儀器原理及制造仿真。器件建模及仿真：可以建模及仿真的器件：模擬器件（二極管，三極管，功率管等）；數(shù)字器件（74系列，COMS系列，PLD，CPLD等）；FPGA器件。電路的構建及仿真：單元電路、功能電路、單片機硬件電路的構建及相應軟件調試的仿真。系統(tǒng)的組成及仿真：Commsim是一個理想的通信系統(tǒng)的教學軟件。它很適用于如‘信號與系統(tǒng)’、‘通信’、‘網(wǎng)絡’等課程，難度適合從一般介紹到高級。使學生學的更快并且掌握的更多。Commsim含有200多個通用通信和數(shù)學模塊，包含工業(yè)中的大部分編碼器，調制器，濾波器，信號源，信道等，Commsim中的模塊和通常通信技術中的很一致，這可以確保你的學生學會當今所有最重要的通信技術。要觀察仿真的結果，你可以有多種選擇：時域，頻域，XY圖，對數(shù)坐標，比特誤碼率，眼圖和功率譜。三、高頻正弦波振蕩器3.1高頻正弦波振蕩器任務和設計要求1、設計一個高頻正弦波振蕩器，要求振蕩頻率為5MHz,相對準確率≤2‰。用Multisim畫出電路圖并進行仿真，并用示波器和頻率計得到仿真結果。寫出課設報告。高頻正弦波振蕩器參考電路如下圖1所示。圖1高頻正弦波振蕩器參考電路上圖1值得注意的是圖中三極管為9018（Multisim庫中可用2N2369或2N3390替換）0.01μF電容為10nF，示波器和頻率計加在RL兩端。3.2高頻正弦波振蕩器設計原理振蕩器(oscillaor)是不需外信號激勵、自身將直流電能轉換為交流電能的裝置。凡是可以完成這一目的的裝置都可以作為振蕩器。例如，無線電發(fā)明初期所用的火花發(fā)射機、電弧發(fā)生器等，都是振蕩器。但是用電子管、晶體管等器件與L、C、R等元件組成的振蕩器則完全取代了以往所有產生振蕩的方法，因為它有如下優(yōu)點：（1）它將直流電能轉變?yōu)榻涣麟娔?，而本身靜止不動，不需作機械轉動或移動。如果用高頻交流發(fā)電機，則其旋轉速度必須很高，最高頻率也只能達50kHz，但卻需要很堅實的機械構造。（2）它產生的是“等幅振蕩”，而火花發(fā)射機等產生的是“阻尼振蕩”。（3）使用方便，靈活性很大，它的功率可自毫瓦級至幾百千瓦，工作頻率則可自極低頻率(例如每分鐘幾個周波)至微波波段。一個振蕩器必須包括三部分：放大器、正反饋電路和選頻網(wǎng)絡。放大器能對振蕩器輸入端所加的輸入信號予以放大使輸出信號保持恒定的數(shù)值。正反饋電路保證向振蕩器輸入端提供的反饋信號是相位相同的，只有這樣才能使振蕩維持下去。選頻網(wǎng)絡則只允許某個特定頻率能通過，使振蕩器產生單一頻率的輸出。振蕩器能不能振蕩起來并維持穩(wěn)定的輸出是由以下兩個條件決定的；一個是反饋電壓和輸入電壓要相等，這是振幅平衡條件。二是和必須相位相同，這是相位平衡條件，也就是說必須保證是正反饋。一般情況下，振幅平衡條件往往容易做到，所以在判斷一個振蕩電路能否振蕩，主要是看它的相位平衡條件是否成立。振蕩器的用途十分廣泛，它是無線電發(fā)送設備的心臟部分，也是超外差式接收機的主要部分各種電子測試儀器如信號發(fā)生器、數(shù)字式頻率計等，其核心部分都離不開正弦波振蕩器。功率振蕩器在工業(yè)方面(例如感應加熱、介質加熱等)的用途也日益廣闊。振蕩器通常工作于丙類，因此它的工作狀態(tài)是非線性的。嚴格的分析應該用非線性理論，這是很困難的。為了避免這一困難，本章將振蕩器用甲類線性工作來分析。這樣所得的結論雖不完全符合實際情況，但可以獲得與實際工作近似的情況，易于理解。電子振蕩器的輸出波形可以是正弦波，也可以是非正弦波，視電子器件的工作狀態(tài)及所用的電路元件如何組合而定。本章只討論正弦波振蕩器。正弦波是電子技術、通信和電子測量等領域中應用最廣泛的波形之一。能夠產生正弦波的電路稱為正弦波振蕩器。通常，按工作原理的不同，正弦振蕩器分為反饋型和負載型兩種，前者應用更為廣泛。在沒有外加輸入信號的條件下，電路自動將直流電源提供的能量轉換為具有一定頻率、一定波形和一定振幅的交變振蕩信號輸出。

正弦波振蕩器按工作原理可分為反饋式振蕩器與負阻式振蕩器兩大類。反饋式振蕩器是在放大器電路中加入正反饋，當正反饋足夠大時，放大器產生振蕩，變成振蕩器。所謂產生振蕩是指這時放大器不需要外加激勵信號，而是由本身的正反饋信號來代替外加激勵信號的作用。負阻式振蕩器則是將一個呈現(xiàn)負阻特性的有源器件直接與諧振電路相接，產生振蕩。3.3高頻振蕩器設計圖在Multisim平臺下的仿真圖2高頻振蕩器仿真電路其頻率計示數(shù)及示波器波形如下圖3、圖4所示。圖3高頻正弦波振蕩器頻率計示數(shù)圖4高頻正弦波振蕩器波形圖四、混頻器混頻器的作用是在保持已調信號的調制規(guī)律不變的前提下，使信號的載波頻率升高（上變頻）或下降（下變頻）到另一個頻率。4.1混頻器實驗任務和設計要求本實驗電路為AM調幅收音機的晶體管混頻電路，它由晶體管、輸入信號源V1、本振信號源V2、輸出回路和饋電電路等組成，中頻輸出455KHz的AM波。圖5混頻器設計電路在Multisim平臺下的仿真圖對上圖5的分析分為兩點，一個是對電路特點的分析，一個是對工作原理的分析。電路特點：（1）輸入回路工作在輸入信號的載波頻率上，而輸出回路則工作在中頻頻率（即LC選頻回路的固有諧振頻率fi）。（2）輸入信號幅度很小，在在輸入信號的動態(tài)范圍內，晶體管近似為線性工作。（3）本振信號與基極偏壓Eb共同構成時變工作點。由于晶體管工作在線性時變狀態(tài)，存在隨UL周期變化的時變跨導gm(t)。工作原理：輸入信號與時變跨導的乘積中包含有本振與輸入載波的差頻項，用帶通濾波器取出該項，即獲得混頻輸出。在混頻器中，變頻跨導的大小與晶體管的靜態(tài)工作點、本振信號的幅度有關，通常為了使混頻器的變頻跨導最大（進而使變頻增益最大），總是將晶體管的工作點確定在：UL=50~200mV，IEQ=0.3~1mA，而且，此時對應混頻器噪聲系數(shù)最小。4.2混頻器在Multisim平臺下仿真結果圖6混頻器仿真頻率計示數(shù)圖7混頻器仿真示波器波形圖對上圖6、圖7的分析從以下兩點出發(fā)：直流工作點分析和混頻器輸出信號的傅里葉分析。1、直流工作點分析使用仿真軟件中的“直流工作點分析”，測試放大器的靜態(tài)直流工作點。注：“直流工作點分析”仿真時，要將V1去掉，否則得不到正確結果。因為V1與晶體管基極之間無隔直流回路，晶體管的基極工作點受V1影響。若在V1與Q1之間有隔直流電容，則仿真時可不考慮V1的存在。2、混頻器輸出信號“傅里葉分析”選取電路節(jié)點8作為輸出端，對輸出信號進行“傅里葉分析”.請對測試結果進行分析。在圖中指出465KHz中頻信號頻譜點及其它諧波成分。注：傅里葉分析參數(shù)選取原則：頻譜橫坐標有效范圍=基頻×諧波數(shù)，所以這里須進行簡單估算，確定各參數(shù)取值。值得注意的是，混頻器仿真電路圖在開始的時候是一個類似于AM波的圖形，但在幾秒鐘以后就變成正弦波，這樣的結果才是正確的波形。4.3模擬乘法器混頻電路模擬乘法器能夠實現(xiàn)兩個信號相乘，在其輸出中會出現(xiàn)混頻所要求的差頻（ωL-ωC），然后利用濾波器取出該頻率分量，即完成混頻。與晶體管混頻器相比，模擬乘法器混頻的優(yōu)點是：輸出電流頻譜較純，可以減少接收系統(tǒng)的干擾；允許動態(tài)范圍較大的信號輸入，有利于減少交調、互調干擾?；祛l器的混頻輸入輸出波形測試原理圖如下圖8所示。圖8模擬乘法器混頻電路原理圖在仿真軟件中構建如上圖8模擬乘法器混頻電路，啟動仿真，觀察示波器顯示波形，分析實驗結果。模擬乘法器混頻電路在Multisim平臺下的仿真如下圖9所示。圖9模擬乘法器仿真電路其示波器顯示圖形如下圖10所示。圖10模擬乘法器仿真示波器波形五、調頻發(fā)射5.1調頻發(fā)射任務與設計要求發(fā)射頻率在88~108MHz之間（在我們收音機FM頻段里）的無線調頻發(fā)射電路圖如下圖17所示。圖11調頻發(fā)射原理圖本次課程設計的要求有以下三點：1、根據(jù)自己設定的頻率和所給電容值算出電感L的值得大小。2、其中Mic用一個300mV，頻率為1kHz的信號源代替，CK為耳機插孔可以不要，開關都可以用導線代替，9018用二極管2N2222代替。3、用Multisim進行仿真并得到仿真結果。5.2調頻電路設計原理圖12高頻電路設計仿真圖對上圖12的分析如下：上圖就是調頻無線話筒的電路圖，電路非常簡潔，沒有多余的器件。高頻三極管V1和電容C4、C5、C6組成一個電容三點式的振蕩器，對于初學者我們暫時不要去琢磨電容三點式的具體工作原理，我們只要知道這種電路結構就是一個高頻振蕩器就可以。三極管集電極的負載C4、L組成一個諧振器，諧振頻率就是調頻話筒的發(fā)射頻率，根據(jù)圖中元件的參數(shù)發(fā)射頻率可以在88～108MHz之間，正好覆蓋調頻收音機的接收頻率，通過調整L的數(shù)值（拉伸或者壓縮線圈L）可以方便地改變發(fā)射頻率，避開調頻電臺。發(fā)射信號通過C7耦合到天線上再發(fā)射出去。R4是V1的基極偏置電阻，給三極管提供一定的基極電流，使V1工作在放大區(qū)，R5是直流反饋電阻，起到穩(wěn)定三極管工作點的作用。這種調頻話筒的調頻原理是通過改變三極管的基極和發(fā)射極之間電容來實現(xiàn)調頻的，當聲音電壓信號加到三極管的基極上時，三極管的基極和發(fā)射極之間電容會隨著聲音電壓信號大小發(fā)生同步的變化，同時使三極管的發(fā)射頻率發(fā)生變化，實現(xiàn)頻率調制。話筒MIC可以采集外界的聲音信號，這里我們用的是駐極體小話筒，靈敏度非常高，可以采集微弱的聲音，同時這種話筒工作時必須要有直流偏壓才能工作，電阻R3可以提供一定的直流偏壓，R3的阻值越大，話筒采集聲音的靈敏度越弱。電阻越小話筒的靈敏度越高，話筒采集到的交流聲音信號通過C2耦合和R2匹配后送到三極管的基極，電路中D1和D2兩個二極管反向并聯(lián)，主要起一個雙向限幅的功能，二極管的導通電壓只有0.7V，如果信號電壓超過0.7V就會被二極管導通分流，這樣可以確保聲音信號的幅度可以限制在正負0.7V之間，過強的聲音信號會使三極管過調制，產生聲音失真甚至無法正常工作。特別值得注意的是：C1，C2是極性電容。C3,C6,C8是瓷片電容