高频课程设计（论文）-调频接收机的设计.doc

高频课设目 录中文摘要第一章 概述 第二章 调频接收机原理介绍 2.1 接收系统原理框图 2.2 高频小信号放大原理 2.3 混频原理 2.4 晶体振荡器原理2.5 鉴频原理第三章 设计要求 3.1 目的及意义 3.2主要技术指标和要求 3.3 内容和要求 第四章 开发平台简介 第五章 详细设计及仿真 5.1 高频小信号放大器电路设计及仿真 5.2 混频电路 5.3 晶体振荡电路 5.4 鉴频电路5.5 单片窄带调频接收电路设计与实验验证 总 结 参考文献附录 MC3361介绍中文摘要无线电信号是用天线将接收到的电磁波转变为已调波电流，然后从已调波电流中检出原始的信号。随着现在社会的快速发展，人们都电子产品的要求越来越高，因而电子产品无论从制作上还是从销售上都要求很高。要制作一个应用性比较好的电子产品就离不开高频电路，大到超级计算机、小到袖珍计算器，很多电子设备都有高频电路。高频电路大部分应用于通信领域，信号的发射、传输、接收都离不开高频电路。通信技术在我们的生活中广泛应用，而我所学的是电子信息工程，有一部分涉及的是通信技术，所以对于这次设计，我选择了超外差式调频接收机。在以前应用最广泛的是调频接收机，随着科学技术的发展，出现了超外差式调频接收机。现在接收机几乎全是超外差接收机。关键字：高频放大 混频 鉴频 调频第一章 概述 本次课程设计，其目的就是得到一个超外差式的调频接收机。所谓超外差，是指将所要接收的电台在调谐电路里调好以后，经过电路本身的作用，就变成另外一个预先确定好的频率，然后在进行放大和鉴频。这个固定的频率，是由差频的作用产生的。超外差接收机的设计，将其分为输入回路、高频放大、混频、中频放大、鉴频及低频放大等六部分。其优点是大大提高接收机的增益、灵敏度和选择性。 第二章 调频接收机原理介绍 2.1 接收系统原理框图 一般调频接收机的工作原理是：天线接受到的高频信号，经输入调谐回路选频为f1，再经高频放大级放大进入混频级。本机振荡器输出的另一高频 f2 亦进入混频级，则混频级的输出为含有f1、f2、（f1+f2）、（f2-f1）等频率分量的信号。混频级的输出接调频回路选出中频信号（f2-f1），再经中频放 大器放大，获得足够高增益，然后鉴频器解调出低频调制信号，经过解调器 解调后，再由低频功放级放大。由于天线接收到的高频信号经过混频成为固定的中频，再加以放大，因此接收机的灵敏度较高，选择性较好，性能也比 较稳定。接收机由调谐电路、变频器、中频放大器、检波器、音频放大器等部分电路组成。调谐电路是将空中众多的电磁波中选出我们所需要的电台。变频器是将天线接收到的电磁波和本机振荡信号混合后产生一个中频信号，然后送入中频放大器进行放大。鉴频器是将放大后的中频信号将声音信号从电磁波中分离出来，也叫解调，是调制的反过程。音频信号经过音频放大器放大后通过喇叭发出声音。由上可以看出接收机电路的基本内容应该包括：（1）高频小信号放大电路（2）混频电路（3）晶体振荡器电路（4）鉴频电路2.2 高频小信号放大原理 高频放大器与低频放大器的主要区别是二者的工作频率范围和所需通过的频带宽度都有所不同，所以采用的负载也不相同。谐振放大器就是采用谐振回路作为负载的放大器。根据谐振回路的特性，谐振放大器对于靠近谐振频率的信号有较大的增益。对于远离谐振频率的信号，增益迅速下降。对于高频小信号放大器来说，由于信号小，可以认为它工作在晶体管的线性范围内。它的主要质量指标有增益、通频带、选择性。2.3 混频原理 混频就是把高频信号经过频率变换，变为一个固定的频率。有两中混频器。（1）晶体管混频器。它的优点是变频增益高，但它的动态范围校，组合干扰频率严重，噪声较大，存在本地振荡辐射。（2）二极管混频器。它的特点与晶体管混频器正好相反。调频中，载波的瞬时频率或瞬时相位受调制信号的控制，作周期性地变化，变化的大小与调制信号的强度成线性关系，变化的周期由调制信号的频率决定。调频波的主要优点是抗干扰性强。指标有：频谱宽度、寄生振幅、抗干扰能力。调频可分为直接调频和间接调频。2.4 晶体振荡器原理 利用石英晶体的压电效应，将石英晶体作为振荡回路原件，构成石英晶体振荡器，可以获得很高的频率稳定度。其振荡原理与一般反馈式LC振荡器相同，只是把其他回路原件一起按照三端电路的基本准则组成三端振荡器。根据这种原理，在理论上可以构成几种基本的晶体振荡电路。2.5 鉴频原理在接受调频或调相信号时，必须采用频率鉴频器或相位鉴频器。频率鉴频器要求输出信号与输入信号调频波的瞬时频率的变化成正比。这样，输出信号就是原来传送的信息。鉴频的方法很多，第一类鉴频的方法首先是进行波形变换，将等副调频波变换成随瞬时频率变化的条幅波，然后用振幅检波器将振幅的变化检测出来。第二类是对调频波通过零点的数目进行计数，因为其单位时间内的数目正比于调频波的瞬时频率。第三类鉴频方法是利用移相器与符合门相配合来实现。第三章 设计要求3.1 目的及意义本次课设的目的就是通过学习和掌握电路设计和仿真软件的基础上，按要求设计一个高频电子线路并仿真，综合应用所学知识，进行一次比较全面的训练，为今后的学习和工作积累经验。此外，该题目还涵盖了通信原理、电路分析、模拟电子等主要课程的知识点，学生通过该题目的设计过程，可以初步掌握各种元器件工作原理和电路设计、开发原理，得到系统的训练，提高解决实际问题的能力。3.2主要技术指标 1工作频率范围 .0 =88108MHz2灵敏度：530uV。3选择性：中频干扰比大于50dB。4频率特性：通频带2f=200KHz。此外，还要适当考虑输出功率，输入波形失真等问题。3.3 内容和要求 学习和掌握调频和鉴频电路设计方法，熟悉相关元器件的工作原理和基本参数，设计一个调频及鉴频电路。学习并掌握电路设计仿真软件的基本操作等。主要包括：1、调频和鉴频电路原理分析；2、电路设计；3、电路分析；4、仿真结果和分析。第四章 开发平台简介Multisim是Interactive Image Technologies (Electronics Workbench)公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。为适应不同的应用场合，Multisim推出了许多版本，用户可以根据自己的需要加以选择。软件以图形界面为主，采用菜单、工具栏和热键相结合的方式，具有一般Windows应用软件的界面风格，用户可以根据自己的习惯和熟悉程度自如使用。由于此软件采用交互式的界面，比较直观，操作方便，具有丰富的元器件库和品种繁多的虚拟仪器，以及强大的分析功能等特点，因而的得到了广泛的应用。启动Multisim11.0后，将出现如图所示的界面。界面由多个区域构成：菜单栏，各种工具栏，电路输入窗口，状态条，列表框等。通过对各部分的操作可以实现电路图的输入、编辑，并根据需要对电路进行相应的观测和分析。用户可以通过菜单或工具栏改变主窗口的视图内容。在Multisim11.0中对电路进行仿真的过程主要分两步：第一步，构建电路原理图 第二步，进行分析仿真。第五章 详细设计及仿真5.1 高频小信号放大器电路设计及仿真 高频小信号电路原理图如图所示为共射级接法的晶体管高频小信号放大器。它不仅要放大高频信号，而且还要有一定的选频作用，因此晶体管的负载为LC并联谐振回路。在高频情况下，晶体管本身的极间电容及连接导线的分布参数等会影响的频率和相位。晶体管的静态工作点由电阻RA2,RA3,RA4及RA6决定，其计算方法与低频单管放大器相同。从天线ANTA1接收到的高频信号经过CA1、CCA1、LA1组成的选频回路，选取信号为fs=10.7MHZ的有用信号，经晶体管QA1进行放大，由CA3、TA1初级组成的调谐回路，进一步滤除无用信号，将有用信号经变压器和CB1耦合进入MC3361。（其功能见附录）电路中元器件参数的确定：画出直流通路等效电路图，计算过程如下 交流等效电路图电路参数确定：设置静态工作点由于放大器工作在小信号放大状态，而且根据电路图，可得：UBQ =Rb1/(Rb1+Rb2)VCCIEQ=(UBQ-UBEQ)/Re=ICQUCEQ=Vcc-ICQ(Rc+Re)IBQ=ICQ/取晶体管的静态工作点为：IEQ=1.5mA，UEQ=3V，UCEQ=9V则RE=UEQ/IE=1.5K，RA6=1.5k取流过RA3的电流基极电流的7倍，则有：RA3=UBQ/7IBQ=17.6K，取18K，则RA2+WA1=(12-3.7)/3.7*18=40K取RA2=5.1K，WA1选用50K的可调电阻以调整静态工作点计算谐振回路参数：其中 gbe=IEmA/26S=1.15mS Gm=IEmA/26S=58mS Yie= (gbe+jwcbe)/1+rbe(gbe+jwcbe) =1.373*10-3S+j2.88*10-3S则有 gie=1.373ms，rie=1/gie=728，Cie=2.88mS/w=22.5pF Yoe=(jwcbbcbcgm)/1+rbb(gbe+jwcbe)+jwcbe=0.216mS+j1.37mS goe=0.216mS，coe=1.37mS/w=10.2pF计算回路总电容C：C=1/(2f0)2L =1/(2*3.14*10.7*106)2*1.8*10-6=123pFC=C-p12Coe-p22Cie =120-0.432*22.5-10.2 =119pF 则有 CA3=119pF ， 取标称值120pF确定耦合电容及高频滤波电容： 高频电路中的耦合电容及滤波电容一般选取体积较小的瓷片电容，现取耦合电容CA2=0.001uF，旁路电容CA4=0.1uF,滤波电容CA5=0.1uF电压增益： AV0=-u0/ui =-p1p2yfe/g =-p1p2yfe/p12goe+p22gie+G =(N2=-N1)dB通频带： BW=2f0.7=f0/QL放大器的选择性：Kr0.1=B0.1/B0.7 高频小信号放大器仿真图在Multisim窗口中，从示波器上观察到输入与输出波形5.2 混频电路因为中频比外来信号频率低且固定不变，中频放大器容易获得比较大的增益，从而提高收音机的灵敏度。在较低而又固定的中频上，还可以用较复杂的回路系统或滤波器进行选频。它们具有接近理想矩形的选择性曲线，因此有较高的邻道选择性。如果器件仅实现变频，振荡信号由其它器件产生则称之为混频器。混频电路原理图四个二极管组成平衡电路如图所示。构成的二极管环形混频电路中，各二极管均工作在受参考信号控制的开关的状态，它是另一类开关工作的乘法器。这样的结果导致当V0正半周期s(t)为1，当V0的负半周期s(t)为-1。V0正半周期是，D1D3导通，D2D4截止。VO负半周期时，D2D4导通，D1D3截止，成为一个与V0正半周期输出极性反向的平衡混频器。与二极管平衡混频器相比，减少了一些不必要的谐波分量，有利于降低噪声，提高信噪比。5.3 晶体振荡电路 本设计中采用的是并联谐振晶体振荡，其电路如下图：振荡管的基极对高频接地，晶体接在集电极与基极之间，C1、C2为回路的另外两个电抗原件。晶体工作于感性状态。由于Cm很小，因此晶体振荡回路与振荡管之间的耦合非常弱，从而使频率稳定性大为提高。 5.4 鉴频电路实现调频信号解调的鉴频电路可分为三类,第一类是调频-调幅调频变换型。这种类型是先通过线性网络把等幅调频波变换成振幅与调频波瞬时频率成正比的调幅调频波,然后用振幅检波器进行振幅检波。第二类是相移乘法鉴频型。这种类型是将调频波经过移相电路变成调相调频波,其相位的变化正好与调频波瞬时频率的变化成线性关系,然后将调相调频波与原调频波进行相位比较,通过低通滤波器取出解调信号。因为相位比较器通常用乘法器组成,所以称为相移乘法鉴频。第三类是脉冲均值型。这种类型是把调频信号通过过零比较器变换成重复频率与调频信号瞬时频率相等的单极性等幅脉冲序列,然后通过低通滤波器取出脉冲序列的平均值,这就恢复出与瞬时频率变化成正比的信号。下图是双失谐回路鉴频器的原理图。它是由三个调谐回路组成的调频-调幅调频变换电路和上下对称的两个振幅检波器组成。初级回路谐振于调频信号的中心频率 ,其通带较宽。次级两个回路的谐振频率分别01 、02 ,并使01 、02 与c成对称失谐。即:01 - c = c - 02 双失谐回路鉴频器原理图 下面是双失谐回路鉴频器的幅频特性，其中实线表示第一个回路的幅频特性,虚线表示第二个回路的幅频特性,这两个幅频特性对于c 是对称的。当输入调频信号的频率为c 时，两个次级回路输出电压幅度相等,经检波后输出电压为：0 = 01 - 02。当输入调频信号的频率由c向升高的方向偏离时，L2C2回路输出电压大,而L1C1回路输出电压小,则经检波后01 02 ，则0 = 01 - 02 02 ,则0 = 01 - 02 0 。 总鉴频特性图5.5 单片窄带调频接收电路设计与实验验证 1 电路设计在本设计采用了MC3361芯片，所以工作原理中的混频、中频放大、鉴频、低频放大等其他功能电路全部由MC3361实现MC3361的内部振荡电路与Pin1和Pin2的外接元件组成第二本振级，第一中频IF输入信号10.7MHz从MC3361的Pin16输入，在内部第二混频级进行混频，其差频为：10.700-10.245=0.455MHz，也即455kHz第二中频信号。第二中频信号由Pin3输出，由455kHz陶瓷滤波器选频，再经Pin5送入MC3361的限幅放大器进行高增益放大，限幅放大级是整个电路的主要增益级。Pin8的外接元件组成455kHz鉴频谐振回路，经放大后的第二中频信号在内部进行鉴频解调，并经一级音频电压放大后由Pin9输出音频信号。Pin12Pin15为载频检测和电子开关电路，通过外接少量的元件即可构成载频检测电路，用于调频接收机的静噪控制。MC3361内部还置有一级滤波信号放大级，加上少量的外接元件可组成有源选频电路，为载频检测电路提供信号，该滤波器Pin10为输入端，Pin11为输出端。Pin6和Pin7为第二中放级的退耦电容。2 实验验证(1)按下开关KA1、KA2，调试好小信号放大单元电路，调试好高频功率放大单元电路。 (2).连接好发射电路和接收电路（连J82、JE1、JE3、JE4、JE5、JE6、JA1、JB1），同时用实验箱所配的天线（一端带夹子的导线）分别将发射单元的天线ANTE1和本实验单元天线ANTA1连好.(3)在不加调制信号的情况下，接通发射电路和接收电路的电源，调节变容二极管单元的L84，用示波器探头测量TTB2，当TTB2处有455 KHz的信号输出时，说明调频单元的工作频率在10.7MHz附近。此时从处加入1KHz，峰峰值为100mV左右的调制信号，则从TTB1处用示波器可观测到输出的解调波。(4)当从TTB1处观察鉴频输出信号，此时如果波形失真可以微调LB1和微调L84。注意观察鉴频信号频率与调制信号频率是否一致，幅度大小与调制频偏的关系（调制频率可以通过改变调制信号大小来改变）。如果TTB1处的信号失真，一般要考虑是否调制信号幅度过大以及变容二极管调频产生的调频信号的中心频率偏高10.7MHz太远。3 结果分析上图分别为10.7MHZ的信号与解调信号 在本实验中，输入的调制信号为1KHz,峰峰值为100mV，但是从TTB1处用示波器可观测到输出的解调波频率上基本是1KHz，但幅度有些失真，而且有毛刺。可能有以下几点原因：1. 由于时间久了，电路箱本生存在问题。2. 试验前各个单元电路没有调准好，设置的静态工作点与实验所要求有所偏差，还有实验箱上面有的需要调的地方没法调，误差比较大。总结 通过这次高频的课程设计,留给我印象最深的就是要设计一个成功的电路，必须要有耐心，要有坚强的毅力。在设计过程中，我们要仔细比较分析其原理以及可行的原因。在仿真过程中，我深刻体会到在设计过程中要反复实践，有时花很长时间设计出来的电路还是需要重做，那是心中未免有点灰心，有时还特别想放弃，此时更加需要静心查找原因。 从这次课程设计中，我学到了不少的知识，用压力给了我一个复习的机会，巩固了基础知识，初步懂得了八书本和实践相结合。在以往的学习中，我总感觉