超外差调频接收机的设计论文.doc

超外差调幅接收机目 录一、前言21.1 课程设计的意义：21.2 摘要2二、设计的选择32.1 设计任务32.2 设计思路32.3 设计优点4三、工作原理53.1 工作原理53.2 电路方框图5四、组成电路分析74.1 高频小信号放大74.2 本振电路94.3 混频器114.4 中频放大电路134.5检波电路144.6 低频放大电路15五、心得体会17六、参考文献18一、前言1.1 课程设计的意义：1.联系课堂所学知识，增强查阅、收集、整理、吸收消化资料的能力，为毕业设计做准备。2.培养一定的独立分析问题、解决问题的能力。对设计中遇到的问题能通过独立思考、查阅有关资料，寻找解决问题的途径。 3.培养学生综合运用所学理论知识能力，提高学生综合能力。1.2 摘要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幅接收机。在以前应用最广泛的是调幅接收机，随着科学技术的发展，出现了超外差式调幅接收机。所谓超外差。而我们所研究是的调幅超外差超外差接收机。关键词：超外差、调幅二、设计的选择2.1 设计任务设计题目：超外差式调幅接收机1、设计目的：本课题是以优化普通接收机的性能，提高信号有效性，并减少噪声为目的的课题研究。并且通过此次研究可以提高我们对高频电子线路理解和应用。2、基本要求：（1）接收频率范围： 5351065kHz （2）灵敏度： 1mV （3）选择性： 50dB （4）频率特性： 通频带为200KHz （5）输出功率： 100mW（6）中频频率： 465kHz2.2 设计思路超外差式调幅接收机，整个电路由六部分组成，分别为高频小信号放大、混频、本振、中频放大、检波、低频放大。（1） 高频小信号放大：高频放大器是用来放大高频信号的器件，在接收机中，高频小信号放大所放大的对象是已调信号，它除载频信号外还有边频分量。运用并联谐振回路作为负载。 （2） 混频：混频是将高频放大信号和本振信号混合，输出一个中频信号，在调幅电路中，本振信号必须是独立的，这是与调幅电路最大的一个区别。混频电路是一种典型的频谱搬移电路，可以用相乘器和带通滤波器来实现这种搬移。（3） 本振：本振电路用LC谐振回路来产生一个稳定的本地振荡频率，将这个稳定的谐振频率与高频放大输出信号混频，得到一个中频信号。混频器和本振放在一起叫做变频器。 （4） 中频放大：如果外来信号和本机振荡相差不是预定的中频，就不可能进入放大电路。因此在接收一个需要的信号时，混进来的干扰电波首先就在变频电路被剔除掉，加之中频放大电路是一个调谐好了的带有滤波性质的电路，所以接收机的选择性指标很高。超外差式接收机能够大大提高收音机的增益、灵敏度和选择性。因为不管电台信号频率如何都变成为中频信号，然后都能进入中频放大级，所以对不同频率电台都能够进行均匀地放大。中放的级数可以根据要求增加或减少，更容易在稳定条件下获得高增益和窄带频响特性。此外，由于中频是恒定的，所以不必每级都加入可变电容器选择电台，避免使用多联同轴可变电容器，而只需在调谐回路和本振回路用一只双连可变电容器就可完成接收。（5） 检波：将音频信号或视频信号从高频信号(无线电波)中分离出来叫解调也叫检波。检波分为同步检波和包络检波。（6） 低频放大：一般从检波电路输出的信号都比较小，为了得到我们所需的信号，必须将输出信号进行放大。一般采用运算放大器进行放大。2.3 设计优点 (1) 用作放大的中频，可以选择那些易于控制的、有利于工作的领率 ( 我国采用的中频频率为 465 千赫 ) ，以便适合于晶体管和电路的性质，能够得到较为稳定和最大限度的放大量。 (2) 各个波段的输入信号都变成了固定的中频，电路将不因外来频率的差异而影响工作，这样各个频带就能够得到均匀的放大，这对于频率相差很大的高频信号 ( 短波 ) 来说，是特别有利的。 (3) 如果外来信号和本机振荡相差不是预定的中频，就不可能进入放大电路。因此在接收一个需要的信号时，混进来的干扰电波首先就在变频电路被剔除掉，加之中频放大电路是一个调谐好了的带有滤波性质的电路，所以接收机的选择性指标很高 三、工作原理3.1 工作原理超外差式接收机的核心是混频器部分。混频器的作用是将收到的不同的载波频率转变为固定的中频。这种作用就是所谓的外差作用，这也是超外差式接收机名称的由来。由于中频是固定的，因此中频放大器的选着性与增益与接收机的载波频率无关。这就克服了直接放大式的缺点。 超外差式接收机能够大大提高接收机的增益、灵敏度和选择性。因为不管电台信号频率如何都变成为中频信号，然后都能进入中频放大级，所以对不同频率电台都能够进行均匀地放大。中放的级数可以根据要求增加或减少，更容易在稳定条件下获得高增益和窄带频响特性。此外，由于中频是恒定的，所以不必每级都加入可变电容器选择电台，避免使用多联同轴可变电容器，而只需在调谐回路和本振回路用一只双连可变电容器就可完成选台。超外差电路的典型应用是超外差接收机，其优点是：容易得到足够大而且比较稳定的放大量。具有较高的选择性和较好的频率特性。容易调整。缺点是电路比较复杂，同时也存在着一些特殊的干扰，如像频干扰、组合频率干扰和中频干扰等。随着集成电路技术的发展，超外差接收机已经可以单片集成。3.2 电路方框图图2.2.1图2.2.1是超外差接收机的方框图。从天线接收到的微弱高频信号v1先经过一级或几级高频小信号放大器放大为v2。然后送至混频器与本地振荡器所产生的振荡电压v3相混合，所得到的输出电压v4包络线形状不变，仍与原来的信号波形相似，但载波频率则转换为v2与v3两个高频频率之差（或和）。这叫做中频。中频电压v4再经中频放大器放大为v5，送入检波器，得到检波输出电压v6。最后v6再经低频放大器放大为v7，送到扬声器中转变为声音信号。 四、组成电路分析4.1 高频小信号放大高频放大器是用来放大高频信号的器件，高频放大器与低频相比较，它的工作频率高，但整个工作频带宽度比较窄。在接收机中，高频放大器放所放大的对象是已调信号，它除载频信号外还有边频分量。根据高放的对象是载频信号这一情况，一般采用晶体管做放大器件，而且用并联谐振回路作为负载，让信号谐振在信号载频。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。允许把晶体管看成线性元件，可以看成有源线性四端网络。对高放的主要要求是:(1) 工作稳定：放大器可能会产生正反馈，它影响放大器的稳定工作，严重时，会引起振荡，使放大器变成振荡器，从而完全破坏了放大器的正常工作。因此，在正常工作中要保证放大器远离振荡状态而稳定的工作。（2）选择性好，有一定的通频带。（3）失真小，增益高，并且工作频率变化时增益变动不应过大，工作频率越高，晶体管的放大能力越小，增益越低。增益变化太大时，则灵敏度相差将很悬殊。（4）噪声系数小，尽量减小本级的内部噪声。高频小信号放大电路如图3.1.1所示。图3.1.1 高频小信号放大电路图中LN及为中和元件。在高频时，为了抵消之反馈，采用了LN及。当（即LN及串联的谐振频率低于工作频率，LN于之路呈感性）且等效电感之感抗值与相等时，则与数值相等，符号相反，互相抵消。调节可使=。为漏极输出电容，与L谐振，其谐振电阻为,将与=合并为()，便得谐振时的输出电压为于是电压增益为对场效应管，主要关心电压增益，至于功率增益，由于放大器的输入电流很小，输入端就不消耗什么功率，因而功率增益很高，于是功率增益便不太重要。本次设计的高频放大电路运用的核心器件是场效应管。场效应管放大器有以下优点：（1） 场效应管栅流小，输入阻抗高， 大。（2） 放大时工作在几乎不随改变的区域，输出阻抗高。（3） 因输入输出阻抗高，故回路可直接与管子相连，而不一定要经过阻抗变换器。当然，在频率相当高时，因输入输出阻抗急剧下降，并且为了匹配，场效应管亦应通过阻抗变换网络与回路相连。（4） 内部反馈比晶体管小。这是因为反馈导纳比普通晶体管的小。在频率很高时，通过的反馈较大，这时可用中和法消除的影响。（5） 场效应管的转移特性为平方曲线，不产生包络失真、交叉调制、三阶互调，阻塞电平可达3-4V。当然，实际特性不可能是理想平方曲线，因而总会有些失真，不过他比一般的晶体管要小的多。（6） 噪声系数小。图3.1.2 高频小信号放大的仿真结果 4.2 本振电路本振电路采用改进型电容三点式振荡电路。因为本振电路的输出频率要与高频放大电路的输出信号进行混频，得到一个中频信号。所以要求本振电路的输出频率必须很稳定。所以采用石英晶体振荡器。如果本振电路的输出不稳定，将引起变频器输出信号的大小改变，振荡频率的漂移将使中频改变。振荡器的振幅与振荡管的特性以及反馈电路的特性有关。电容改进型电路图如图3.2.1所示：图3.2.1 电容反馈改进振荡电路图3.2.1是一个电容反馈改进振荡器电路， 电路中是基极接地，CE之间为，BE之间为，CB之间为L与C串联的等效电抗；在振荡频率处，选择，即L与C串联后等效为一个电感，因此此电路是电容反馈振荡器。因为振频等于谐振频率，决定于式中 由上式可得若选择C，C，则与及近似无关。，对于提高振荡电路的稳定度有以下几种方法：（1）提高回路的Q值。Q值高，可使频率稳定。回路Q值主要由电感的Q值决定，故要提高电感的Q值。为此应尽量减小损耗而加大特性电阻。不过，的提高有一定限制，L太大时，损耗也大，而且C太小时并联在回路中的杂散电容可与C相比拟，杂散电容将显著影响频率的稳定。为了减小线圈的损耗，可用高频损耗小的线圈固架。 （2）减小负载的影响。减小振荡回路和负载间的耦合程度可减弱负载的影响，不过这时传送到负载上的振荡信号也小了，故振荡要求更强。在振荡器和负载之间加一级射极输出器可改善负载对振荡器的影响，因射极输出器之输入阻抗较高，隔离作用较好，同时不增加振荡功率的要求。图3.2.2 本振信号仿真结果4.3 混频器混频器是一个变频电路，一般用相乘器，高频放大电路和本地振荡电路的输出信号加到混频器的输入端，得到一个差频。调谐回路的输出，进入混频级的是高频调制信号，即载波与其携带的调制信号。经过混频，输出载波的波形变得很稀疏其频率降低了，但音频信号的形状没有变。通常将这个过程 ( 混濒和本振的作用 ) 叫做变频。从频谱观点上来看，混频的作用就是将已调波的频谱不失真的从的位置上，因此，混频电路是一种典型的频谱搬移电路，可用相乘器和带通滤波器来实现这种搬移。混频电路的原理是：把本机振荡产生的高频等幅振荡信号f1，与输入回路选择出来的广播电台的高频已调波信号f2同时加到非线性元件的输入端。利用元件的非线性作用（晶体管的非线性作用）进行混频。混频结果：输出频率为f1、f2以及频率为f1+f2、f1f2、高次谐波等多种信号。 在本次设计中我们采用晶体三极管混频器，晶体三极管环型混频器的优点是工作频带宽，可达到几千兆赫，噪声系数低，混频失真小，动态范围等，但其主要缺点就是没有混频增益。由于混频器处于接收机的前端，它的噪声电平高低对整机有较大的影响，因此要求混频器的噪声系数越小越好。由于混频依靠非线性特性来完成，因此在混频过程中会产生各种非线性干扰，如组合频率，交叉调制，互相调制等干扰。这些干扰将会严重的影响通信质量，因此要求混频电路对此应能有效的抑制。图3.3.2 晶体三极管环型混频电路 图3.3.3 混频仿真结果图3.3.2是晶体三极管混频电路的原理图，图中XEG1、XFG2为输入信号源，XFG2为本振信号源。为了保证晶体三极管工作在开关状态，本振信号UL的功率必须足够大，而输入信号US功率必须远小于本振功率。实际晶体三极管环型混频器组件各端口都必须接入滤波匹配网络，分别实现混频器与输入信号源本振信号源、输出负载之间的阻抗匹配。4.4 中频放大电路超外差接收机中的中频放大器是一种频带较宽的谐振放大器。中放采用谐振回路作负载，其谐振曲线接近理想曲线矩形处。这对超外差接收机的中放来说是完全必要的，因中放任务之一是削弱邻近干扰，而邻近干扰频率离信号很近，变频之后，离中频就很近，若中放的谐振曲线不好，便难以削弱。中频放大的作用有两个主要作用：（1）提高增益，因中频低于信号频率，晶体管的y参数及回路谐振电阻等较大，因此易于获得较高的增益。差外差接收机检波前的总增益主要取决于中放。（2）抑制邻近干扰。对中放的主要要求是工作稳定，失真小，增益高，选择性好，有足够宽的通频带。对于高放，因工作频率高，通频带宽，故高放回路的Q值越高越好，这时不必顾虑B太窄的问题；但对于中放，由于工作频率较低，若回路Q值过高，频带可能太窄而不能通过全部信号分量，故希望他在要求的通频带条件下选择性越高越好，也就是要求谐振曲线接近矩形。实际谐振曲线很难做到理想矩形，为了衡量实际谐振曲线接近矩形的程度，引入矩形系数，式中为通频带。本次设计的中频放大电路如图3.4.1所示：图3.4.1 中频放大电路 图 3.4.2 中频放大仿真结果4.5检波电路把信号从中频放大输出的载波中解调出来，需要用到检波电路。检波器包括同步检波器和包络检波器。本次设计采用包络检波器。包络检波器的质量指标是：电压传输系数、等效输入电阻、失真等都要在电路中仿真中考虑。图3.5.1 检波电路检波电路如图3.5.1所示。电路图是二极管峰包络检波器，D1是检波二极管，C1是检波电容，其中检波电容通高频阻低频，而R2是直流负载电阻。电路中调制指数m=0.8，输入信号的载波频率是465KHZ，幅值是0.2V，调制信号频率60KHZ。图3.5.2为电路仿真结果。图3.5.2 检波电路仿真结果4.6 低频放大电路从检波器解调出的输出信号一般很小，所以在输出极一般采用低频功率放大电路，把信号放大到所需要的大信号，然后再输出。电路如图3.6.1所示：图3.6.1 低频放大电路图3.