毕业设计基于 Multisim 的高频电路的建模与计算机仿真分析

1、毕毕 业业 设设 计计 基于基于 multisimmultisim 的高频电路的建模与计算机仿真分析的高频电路的建模与计算机仿真分析 学学 院院 名名 称：称： 新华学院新华学院 专专 业业 名名 称：称： 电子信息工程 年年 级：级： 20072007 级 学学 生生 学学 号：号： 1200724726012007247260 学学 生生 姓姓 名：名： 邹静 指指 导导 教教 师：师： 汤全武 申申 请请 日日 期：期： 2011-5-42011-5-4 摘摘 要要 由于高频电路在生活实际应用中有很大的作用，因而也是通信系统必不可少的环节。 所以对于课题基于 multisim 的高频电路

2、的建模与计算机仿真分析的研究有很大的意义， 并且由于对课题的研究，让我更深入了解了有关高频电路的概念。经过对高频概念基础 概念的理解，将高频电路的几部分做一深入的分析和计算机仿真，分别有调谐放大器、 正弦波振荡器、高频功率放大器、混频器和调幅与解调。通过介绍这几部分的基础应用 和基本原理,利用电子设计工具软件 multisim 对电路从方案选择、单元电路设计、元器 件参数选取等方面进行具体设计分析，同时对电路进行仿真测试，通过仿真结果分析电 路特性，得出结果使电路得到进一步完善。并且经过对基础概念的理解，深入分析调幅 收音机的工作原理。 关键词关键词：高频电路； 建模； 计算机仿真； 调幅收音

3、机 abstractabstract the high frequency circuit is the actual application has a large part, and is also essential to link communications systems. so based on the issue of high frequency circuit multisim modeling and simulation study of computer analysis is of great significance and the subject of rese

4、arch, let me better understanding about the concept of the high frequency circuit.by the concepts underlying concept of high frequency of the high frequency circuit several parts to make a thorough analysis and computer simulations, tuning of an amplifier, sinusoidal waves oscillator, high frequency

5、 of power amplifier, frequency and am and demodulates.by introducing the few parts of the application and principles,the use of electronic design tools multisim power amplifier circuit of from the program selection, cell design, component selection and other aspects of the specific parameters of des

6、ign analysis, simulation testing the circuit at the same time , the simulation results of circuit characteristics, the circuit has been further improved.and the basic concepts to understand, analyze am radio works. keywords: high frequency circuit； modeling； computer simulations； am radio. 目目 录录 1 绪

7、绪 论论 .5 1.1 选题背景、目的及意义.5 1.2 国内外研究综述.5 1.3 预期内容和目标.6 1.4 研究方法.6 2 高频电路的有关基础概念高频电路的有关基础概念 .7 2.1 高频电路.7 2.2 建模.7 2.2.1 建模的概念 .7 2.2.2 建模过程中的主要活动包括 .7 2.3 计算机仿真.7 2.3.1 仿真的定义 .7 2.3.2 计算机仿真 .8 2.4 multisim 10 软件介绍.8 3 高频单元电路的建模与计算机仿真分析高频单元电路的建模与计算机仿真分析 .9 3.1 调谐放大器.9 3.1.1 调谐放大器的工作原理 .9 3.1.2 计算机仿真 .1

8、1 3.1.3 结果分析 .16 3.2 正弦波振荡器.16 3.2.1 正弦波振荡器的工作原理 .16 3.2.2 计算机仿真 .17 3.2.3 结果分析 .19 3.3 高频功率放大器.19 3.3.1 高频功率放大器的工作原理 .19 3.3.2 计算机仿真 .21 3.3.3 结果分析 .24 3.4 混频器.24 3.4.1 混频器的工作原理 .24 3.4.2 计算机仿真 .25 3.4.3 结果分析 .27 3.5 调幅与解调.27 3.5.1 调幅与解调工作原理 .27 3.5.2 计算机仿真 .28 3.5.3 结果分析 .31 4 调幅收音机的计算机仿真分析调幅收音机的计

9、算机仿真分析 .32 4.1 调幅收音机的实验原理.32 4.2 计算机仿真.33 4.3 结果分析.36 5 结论结论 .37 参考文献参考文献 .38 致谢致谢 .39 1 1 绪绪 论论 1.1 选题背景、目的及意义选题背景、目的及意义 高频电路是在高频段范围内实现特定电功能的电路,它被广泛地应用于通信系统、现 代医疗设备、家用电器等各种电子设备中，在我们的生活中它是必不可少的，存在于我 们生活的每一个角落。高频电路主要研究通信系统中共用的基本单元电路，而且主要是 讨论非线性电子线路。 根据论文所要求设计的基于 multisim 的高频电子线路的建模与计算机仿真,必须熟 悉 multis

10、im 软件的操作使用方法，熟练建立各种设计仿真电路, 并能快速准确地对电 路性能进行仿真分析。根据 multisim 仿真理解高频电路的具体内容，并且通过理解内容， 深一步理解调幅收音机的工作原理，并根据工作原理在计算机中进行仿真。并可以通过 改变设计方案和电路参数来满足设计和分析的需要, 用示波器观察电压、电流、信号波 形,能达到最佳的仿真效果。为电路的实现、调制和运行提供了基本依据。 电子类人才的培养很大程度上是建立在实验和实训基础上的，需要在实践中积累经 验，提高能力。仿真软件的出现，极大地改变了传统的实验模式。multisim 是一款主要 用于电路开发和仿真的软件，高频电路在电子信息专

11、业中占取了很大一部分作用，通过 multisim 软件对高频电路一些典型内容的仿真分析，更确切掌握了它所包含的内容，与 传统的电路设计过程相比较省去了用实际元器件选择、安装、调试电路的过程既省钱又 省工极大地提高了电路设计效率和设计质量。对我们来说是有非常重大的意义。 1.2 国内外研究综述国内外研究综述 历史已经跨入 21 世纪，电脑已经走进寻常百姓家，在新的世纪里，学习电子技术已 经离不开计算机。首先随着电子技术器件的发展，尤其是近年来超大规模集成电路芯片 的迅猛发展，为计算机技术的发展奠定了硬件基础，反过来，先进的计算机技术又为电 子技术提供了广阔的发展空间，特别是近年来，世界上许多计算

12、机软件公司纷纷推出专 用于电子电路虚拟仿真的软件，给我们学习电子技术带来了极大的方便，当你学会和掌 握了一款优秀的电子仿真软件，就相当于你拥有了一件具有世界先进水平的实验室，电 子元器件种类丰富，虚拟仪器品种齐全，可以随意调用在虚拟仿真的电子平台上搭建电 路进行虚拟仿真实验，这种先进的方法已经成为新世纪学习电子技术的一种重要辅助手 段，更代表着新世纪学习电子技术的时代潮流。 高频电子线路是现代通信信息系统的基础,广泛渗透于社会生活的各个方面:广泛应 用于各类通讯系统中,目前随着 3g 时代的到来,各大通讯公司都投入了大量的人力和财力 研制和开发用于移动通讯、光通讯及计算机通讯中的高速和射频电路

13、。另外,高频电子线 路在计算机技术领域也有广泛应用,在当今高速数字信号系统中,为了传输、处理高速、 大容量的数字信号,不但要求电路的工作频率越来越高,而且系统的通频带变得更宽。 因此,随着数字电路的高速发展,对高频电路的理论不但没有削弱,反而提出了更高的 要求。并且在移动通讯和光通讯系统中,高频技术仍然是瓶颈。因此,随着现代通讯的发 展,对高频电路的学习和研究提出了许多新的课题。随着电子技术的高速发展,新技术和 新方法不断涌现这就要求我们要与时俱进地掌握新的学习方法和手段。随着计算机技术 的飞速发展计算机辅助分析与仿真技术为高频电路功能的分析与验证开辟了一条快捷、 高效的新途径。 1.3 预期

14、内容和目标预期内容和目标 本设计主要依靠 multisim 软件实现对常用高频电路的仿真，分别有调幅与解调、正 弦波放大器、调谐放大器、高频功率放大器、混频器，以 multisim 为基本工具对常用高 频电路的基本特性进行描述和分析，论证这些高频电路的合理特性。这些常用高频电路 的特性得到了论证，便可以利用实例来证明仿真结果。 1.4 研究方法研究方法 依靠 multisim 软件实现对常用高频电路的仿真，并对其结果进行分析，并利用结果 研究调幅收音机的工作原理。 2 高频电路的有关基础概念高频电路的有关基础概念 2.12.1 高频电路高频电路 高频电路是由无源元件、有源器件和无源网络组成的。

15、高频电路中使用的元器件与 低频电路中使用的元器件频率特性是不同的。高频电路中无源线性元件主要是电阻(器)、 电容(器)和电感(器)。 高频电路主要有高频小信号放大器，高频功率放大器，正弦波振荡器，调幅、检波 与混频，角度调制与解调以及反馈控制电路。 2.22.2 建模建模 2.2.1 建模的概念建模的概念 1、使用计算机描述一个系统的行为。例如，电子表格程序可以用来处理财务数据， 代表公司的行为；开发商业计划；评估公司经营改变可能造成的影响。 2、使用计算机以数学方法描述物体和它们之间的空间关系。例如，计算机辅助设计 (cad) 程序可在屏幕上生成物体，使用方程式产生直线和形状，依据它们相互之

16、间及与 所在的二维或三维空间的关系精确放置。 3、应用程序和数据建模是为应用程序确定、记录和实现数据和进程要求的过程。这 包括查看现有的数据模型和进程，以确定它们是否可被重复使用，并创建新数据模型和 进程，以满足应用程序的独特要求。 2.2.2 建模过程中的主要活动包括建模过程中的主要活动包括 确定数据及其相关过程，定义数据，确保数据的完整性，定义操作过程，选择数据 存储技术。 2.32.3 计算机仿真计算机仿真 2.3.1 仿真的定义仿真的定义 仿真是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿。人们利用这样的模型进行试验，从 中得到所需的信息，然后帮助人们对现实世界的某一层次的问题做出决策。仿真是一

17、个 相对概念，任何逼真的仿真都只能是对真实系统某些属性的逼近。仿真是有层次的，既 要针对所欲处理的客观系统的问题，又要针对提出处理者的需求层次，否则很难评价一 个仿真系统的优劣。 仿真方法：传统的仿真方法是一个迭代过程，即针对实际系统某一层次的特性（过 程） ，抽象出一个模型，然后假设态势（输入） ，进行试验，由试验者判读输出结果和验 证模型，根据判断的情况来修改模型和有关的参数。如此迭代地进行，直到认为这个模 型已满足试验者对客观系统的某一层次的仿真目的为止。 模型对系统某一层次特性的抽象描述包括：系统的组成；各组成部分之间的静态、 动态、逻辑关系；在某些输入条件下系统的输出响应等。根据系统

18、模型状态变量变化的 特征，又可把系统模型分为：连续系统模型状态变量是连续变化的；离散（事件） 系统模型状态变化在离散时间点（一般是不确定的）上发生变化；混合型上述 两种的混合。 计算机仿真技术和用于仿真的计算机（简称仿真机）都应充分反映上述的仿真的特 点及满足仿真工作者的需求。 2.3.2 计算机仿真计算机仿真 计算机仿真是应用电子计算机对系统的结构、功能和行为以及参与系统控制的人的 思维过程和行为进行动态性比较逼真的模仿。它是一种描述性技术，是一种定量分析方 法。通过建立某一过程和某一系统的模式，来描述该过程或该系统，然后用一系列有目 的、有条件的计算机仿真实验来刻画系统的特征，从而得出数量

19、指标，为决策者提供有 关这一过程或系统得定量分析结果，作为决策的理论依据。 计算机仿真是用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统的模型，并在某些实验 条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。它具有高效、安全、受环境条件的约束 较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统（尤其是 复杂系统）的重要工具。 2.4 multisim 10 软件介绍软件介绍 对所设计的电路进行模拟和调试的电子电路软件。它具有以下特点， 1该软件是交互式 spice 仿真和电路分析软件的最新版本，专用于原理图捕获、交 互式仿真、电路板设计和集成测试。 2工程师们可以使用 multisim 10

20、 交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿 真。 3multisim 10 为 ni 电子学教育平台提供了一个强大的基础，ni 电子学教育平台也 包括 ni elvis（教学实验室虚拟仪器套件）原型工作站和 ni labview，它给学生提供 了贯穿电子产品设计流程的全面的动手操作经验。 4multisim 10 和 ultiboard 10 退出了很多专业设计特性，主要是高级仿真工具、增 强的元器件库和扩展的用户社区。 5ultiboard 10 为用户在做 pcb 设计时的布板布线提供了一个易于使用的直观平台。 6multisim 10 可以作为一个完整的包括 ultiboard 10

21、和 ni labview signalexpress 的集成设计与测试的平台进行订购。 7multisim 10 有丰富的帮助功能，其帮助系统不仅包括软件本身的操作指南，更 重要是是包含元器件的解说，有利于使用 ewb 进行 cai 教学。 3 高频单元电路的建模与计算机仿真分析高频单元电路的建模与计算机仿真分析 3.1 调谐放大器 3.1.1 调谐放大器的工作原理调谐放大器的工作原理 由 lc 调谐回路作为选频网络构成的谐振放大电路，被广泛的应用在通信设备的接 收机中，用来选出有用频率信号而抑制无用信号。由于接收到的信号微弱，电路常工作 在甲类状态。 图 3-1-1 所示为常用晶体管单调谐回

22、路谐振放大电路。电路中晶体管的输出有线圈 抽头以电感分压式接入回路，负载 rl通过降压变压器与谐振回路相耦合，从而减少了晶 体管输出阻抗和负载对谐回路的影响。 图 3-1-1 晶体管单调谐回路谐振放大电路 图中 rb1、rb2、re、l11和 vcc构成分压式电流负反馈直流偏置电路，以保证晶体管 工作在甲类状态。cb、ce分别为基极、发射极旁路电容，用以短路高频交流信号。 图 3-1-2 所示为单调谐放大电路的交流等效电路。 将晶体管用小信号电路模型代入图 3-1-2，则得如图 3-1-3 所示电路。 图中，gi、ci分别为晶体管的输入电导和输入电容，gm为晶体管的跨导，gm ，g0、c0分别

23、为晶体管的输出电导和输出电容。 mv maieq 26 设谐振回路初级电感线圈 1-2 之间的匝数为 n12,1-3 之间的匝数为 n13，次级线圈的 匝数为 n45。由图 3-1-3 可知，自耦变压器的匝比 n1=，初、次级间的匝比 n1=。 12 13 n n 45 13 n n 因此可将 gm i，g0、c0、rl折算到谐振回路 1-3 端，可得图 3-1-4 所示小信号放大电 . u 路模型。 图 3-1-2 单调谐放大电路交流等效电路 图 3-1-3 单调谐放大电路模型（一） 图 3-1-4 单调谐放大电路模型（二） 图中 gp=为谐振回路空载电导，gl=。由此可得并联谐振回路的有载

24、电导等 p r 1 l r 1 于：gt=gp+，当 lc 并联谐振回路调谐在输入信号频率上，回路产生谐振时， 2 1 0 n g 2 2 n gl 放大电路电压最大，故电压增益也最大，用 auo表示，称为谐振电压增益。由图 3-1-4 可 得： （3-1-1） t m i gnn g u u uo a 21 . . 0 . 当输入信号频率不等于谐振回路谐振频率 f0时，回路失谐，输出电压下降，电压增 益也下降。由于谐振频率 f0附近很窄的频率范围内，晶体管的放大特性频率变化不大， 因此，单调谐放大电路的增益频率特性决定于 lc 并联谐振特性。因此，可得到放大器 的增益频率特性为： （3-1-

25、2） 2 0 . . 2 1 1 f f q a a t uo u 式中，qt为 lc 并联谐振回路考虑到负载及晶体管参数影响后的有载品质因数， 为回路的绝对失调量。 0 fff 根据公式（3-1-2）作出单调谐放大电路的增益特性曲线，如图 3-1-5 所示。 3-1-5 单调谐放大电路的增益特性曲线 3.1.2 计算机仿真计算机仿真 1测调谐放大电路的动态范围曲线 uiuo（在谐振点） （1）单击元件工具条上的“place basic”按钮，从弹出的“select a component”对 话框的“family”栏中选取“variablecapacitor” ，再在“component”栏

26、中选取 “30p” ，如图 3-1-6 所示，最好单击对话框右上角的“ok”按钮，将可变电容调出。 图 3-1-6 调出可变电容器 （2）双击可变电容图标，将弹出对话框“value”选项页的“capacitance”栏修改 为“4.7p” ；将“increment”栏修改为“1%” ，如图 3-1-7 所示；然后切换到“label”选 项页，将它设置为“c2” ，最后单击对话框右下角的“ok”按钮退出。 图 3-1-7 修改可变电容器参数 （3）单击元件工具条上的“place basic”按钮，从弹出的“select a component”对 话框的“family”栏中选取“inductor

27、” ，再在“component”栏中分别选取“12” 、 “20”和“470”电感，如图 3-1-8 所示，将它们调出放置在电子平台上。 图 3-1-8 调出三只电感 （4）调出其他对应元件，整理后，在电子平台上组建仿真电路，如图 3-1-9 所示。 图 3-1-9 仿真电路（一） （5）在发射极电阻上并联虚拟万用表，开启仿真开关，调整电位器，是虚拟万用表 指示 1v 左右，如图 3-1-10 所示。 图 3-1-10 仿真电路（二） （6）将虚拟万用表改接到输出端，在输入端接上虚拟函数信号发生器，并将其设置 成 10.7mhz、20mvp 的正弦波，如图 3-1-11 所示。开启仿真开关，调

28、整可变电容器的百 分比约为 17%左右，此时 lc 回路处于谐振状态，虚拟万用表显示的交流电压数据最大为 636.865mv，如图 3-1-11 所示，将虚拟万用表的数据填入表 3-1-1 中。 图 3-1-11 仿真电路（三） 表 3-1-1 调谐放大器输出电压测试（一） ui（mv）20 30 40 50 80100200500800 r3=1k7.347.217.107.026.846.525.424.354.18 r3=5001.881.821.661.461.321.080.980.640.36uo（v ）r3=2k3.653.563.422.862.562.321.861.681.

29、58 （7）逐渐加大函数信号发生器信号，如表 3-1-1 所示，将每次读得的虚拟万用表显 示的交流电压数据填入表 3-1-1 中。 （8）关闭仿真开关，将发射极电阻分别换成 500 和 2k，再开启仿真开关，重 复步骤（6） 、 （7）的内容，并将测量结果填入表 3-1-1 中。 （9）根据表 3-1-1 中的数据，在同一坐标纸上画出不同工作点（icqieq）时的 uiuo动态范围曲线，并进行比较和分析。 2测调谐放大器的回路谐振曲线 （1）恢复发射极电阻等于 1k，调出虚拟波特仪和虚拟函数信号发生器（虚拟函 数信号发生器可以不做任何设置） ，如图 3-1-12 所示连好仿真测试电路。 图 3

30、-1-12 仿真测试电路 （2）打开仿真开关，双击虚拟波特仪图标，可以从波特仪的放大面板屏幕上观察 到调谐放大器的幅频特性曲线，如图 3-1-13 所示，波特仪的放大面板右面各栏参数参照 图设置，拉出屏幕上的读数指针到曲线所在位置，可以从屏幕下方读出调谐放大器的谐 振频率约为 10.633mhz 左右，增益为-6.028db 左右。 图 3-1-13 调谐放大器的幅频特性曲线 3测绘调谐放大器的频率特性曲线 （1）恢复图 3-1-11 仿真电路（三） 。输入信号取 10.7mhz、80mv，按表 3-1-2 中 r3=10k 时进行测试，并将结果填入表中。 3-1-2 调谐放大器输出电压测试（

31、二） (mhz)57891010.71213141517 r3=10k1.521.761.801.841.861.922.02.042.122.242.3uo ( r3=2k0.480.520.660.710.740.820.90.971.031.121.2 v) r3=470 10.710.811.111.711.812.412.813.113.714.215 （2）根据表 3-1-2 数据在坐标纸上画出调谐放大器的频率特性曲线，并计算出它的 通频带。 （3）将电阻 r3分别改成 2k 和 470，重复上述实验，并将结果填入表 3-1-2 中， 比较它们的通频带。 3.1.3 结果分析结果分

32、析 单调谐放大器负载阻值变大，放大器增益变大、通频带宽带变窄；单调谐放大器负 载阻值变小，放大器增益变小、通频带宽带变宽。由于负载电阻影响了单调谐回路的谐 振阻抗，直接造成谐振阻抗高谐振峰值也高也即增益高、谐振曲线陡峭也即通频带宽带 变窄；反之，谐振阻抗低谐振峰值也低也即增益低、谐振曲线平缓也即通频带宽带变宽。 3.2 正弦波振荡器正弦波振荡器 3.2.1 正弦波振荡器的工作原理正弦波振荡器的工作原理 从结构上看，正弦波振荡器是没有输入信号的带选频网络的正反馈放大器。若用 r、c 元件组成选频网络，就称为 rc 振荡器，一般用来产生 1hz1mhz 的低频信号。 1. rc 移相振荡器 电路型

33、式如图 3-2-1 所示，选择 rri 图 3-2-1 rc 移相振荡器原理图 振荡频率： （3-2-1） rc f 62 1 0 起振条件：放大器 a 的电压放大倍数a29 电路特点：简便，但选频作用差，振幅不稳，频率调节不便，一般用于频率固定且 稳定性要求不高的场合。 频率范围：几赫数十千赫。 2. rc 串并联网络（文氏桥）振荡器 电路型式如图 3-2-2 所示。 振荡频率：起振条件：|a|3 电路特点：可方便地连续改变振荡频率，便于加负反馈稳幅，容易得到良好的振荡 波形。 图 3-2-2 rc 串并联网络振荡器原理图 3. 双 t 选频网络振荡器 电路型式如图 3-2-3 所示。 图

34、3-2-3 双 t 选频网络原理图 振荡频率： （3-2-2） rc f 5 1 0 起振条件： |af|1 （3-2-3） 2 r r 电路特点： 选频特性好，调频困难，适于产生单一频率的振荡。 3.2.2 计算机仿真计算机仿真 1各元件选择 （1）振荡器电路选择 lc 振荡器一般工作在几百千赫兹至几百兆赫兹范围。振荡器线路主要根据工作的 频率范围及波段宽度来选择。 在短波范围：电感反馈振荡器、电容反馈振荡器都可以采用。 若要求输出频率调节范围较宽：选择电感反馈振荡器； 若要求频率较高：常采用克拉泼、西勒电路。 在中、短波收音机中，为简化电路常用变压器反馈振荡器做本地振荡器。 （2）晶体管选

35、择 从稳频的角度出发，应选择 ft较高的晶体管，这样晶体管内部相移较小。通常选择 ft (310)f1max。同时希望电流放大系数 大些，这既容易振荡，也便于减小晶体管 和回路之间的耦合。 （3）直流馈电线路的选择 为保证振荡器起振的振幅条件，起始工作点应设置在线性放大区；从稳频出发，稳 定状态应在截止区，而不应在饱和区（因为饱和区的输出阻抗较小） ，否则回路的有载品 质因数 ql 将降低。所以，通常应将晶体管的静态偏置点设置在小电流区，电路应采用 自偏压。 （4）振荡回路元件选择 从稳频出发，振荡回路中电容 c 应尽可能大，但 c 过大，不利于波段工作；电感 l 也应尽可能大，但 l 大后，

36、体积大，分布电容大，l 过小，回路的品质因数过小，因此 应合理地选择回路的 c、l。在短波范围，c 一般取几十至几百皮法，l 一般取 0.1 至几 十微亨。 2.采用两级共射极分立元件放大器组成双 t 选频网络正弦波振荡器如图 3-2-4 所示。 图 3-2-4 双 t 选频网络正弦波振荡器原理图 在调试电路时应适当调节 rp1(rp1)和 rp2(rp2)，否则振荡器不起振。 仿真结果如图 3-2-5 所示。 图 3-2-5 双 t 选频网络正弦波振荡器振荡波形 3.2.3 结果分析结果分析 r22k，输出不能起振，在能起振的前提下，随着 r2 的增大，波形严重失真， 则说明反馈太强。r 较

37、小的时候，频率较大，根据公式可知，f0与 r 成反 rc f 62 1 0 比。c 较小的时候，频率从较大，根据公式可知，f0与 c 成反比。 rc f 62 1 0 3.3 高频功率放大器高频功率放大器 3.3.1 高频功率放大器的工作原理高频功率放大器的工作原理 高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满 足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接 收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。高频功率放大器是通信系统中发送 装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大 器两种，窄带高频功率放大

38、器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又 称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变 压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量 转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。在“低频电子线路”课程 中已知，放大器可以按照电流导通角的不同，将其分为甲、乙、丙三类工作状态。甲类 放大器电流的流通角为 360，适用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的流通角约 等于 180；丙类放大器电流的流通角则小于 180。乙类和丙类都适用于大功率工作。 丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。高频功率放大器大多

39、工作于 丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而不能用于低频功率放大，只能用于采用 调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然 极近于正弦波形，失真很小。除了以上几种按电流流通角来分类的工作状态外，又有使 电子器件工作于开关状态的丁类放大和戊类放大。丁类放大器的效率比丙类放大器的还 高，理论上可达 100，但它的最高工作频率受到开关转换瞬间所产生的器件功耗(集电 极耗散功率或阳极耗散功率）的限制。如果在电路上加以改进，使电子器件在通断转换 瞬间的功耗尽量减小，则工作频率可以提高。这就是戊类放大器。我们已经知道，在低 频放大电路中为了获得足够大的低频输出功率，

40、必须采用低频功率放大器，而且低频功 率放大器也是一种将直流电源提供的能量转换为交流输出的能量转换器。高频功率放大 器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高，但二者的工作频率和相对频 带宽度却相差很大，决定了他们之间有着本质的区别。低频功率放大器的工作频率低， 但相对频带宽度却很宽。例如，自 20 至 20000 hz，高低频率之比达 1000 倍。因此它 们都是采用无调谐负载，如电阻、变压器等。高频功率放大器的工作频率高（由几百 khz 一直到几百、几千甚至几万 mhz），但相对频带很窄。例如，调幅广播电台 （5351605 khz 的频段范围）的频带宽度为 10 khz，如中心频率

41、取为 1000 khz，则 相对频宽只相当于中心频率的百分之一。中心频率越高，则相对频宽越小。因此，高频 功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。由于这后一特点，使得这两种放大器所 选用的工作状态不同：低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电路） 状态；高频功率放大器则一般都工作于丙类（某些特殊情况可工作于乙类）。近年来， 宽频带发射机的各中间级还广泛采用一种新型的宽带高频功率放大器，它不采用选频网 络作为负载回路，而是以频率响应很宽的传输线作负载。这样，它可以在很宽的范围内 变换工作频率，而不必重新调谐。综上所述可见，高频功率放大器与低频功率放大器的 共同之点是要求输出功率大，

42、效率高；它们的不同之点则是二者的工作频率与相对频宽 不同，因而负载网络和工作状态也不同。如图 3-3-1 为高频功率放大器电路原理。 图 3-3-1 高频功率放大器电路原理 3.3.2 计算机仿真计算机仿真 1对功率放大器的要求 功率放大器是通过将直流输入功率转换化为交流功率输出，以提高发射信号能量， 便于接收机接收的电路，因而要求输出功率大、效率高，同时，输出中的谐波分量应该 尽量小，以免对其他频道产生干扰。根据电流导通角的不同，功率放大器分为甲类、乙 类、丙类等，电路由馈电电路、输入匹配、输出匹配及级间耦合 4 部分组成。对电路设 计要求如下：工作频率为 14.5 mhz,要求带宽为 1.

43、5mhz，输出功率为不小于 20w。 2电路结构设计 设计分析为了在较宽的通带内使功率放大器增益相对稳定，电路由甲类、丙类两级 功率放大器组成。甲类功率放大器的输出信号作为丙类功率放大器的输入信号，丙类功 率放大器作为发射机末级功率放大器以获得较大的输出功率和较高的效率。电路原理如 图 3-3-1 所示。根据设计要求和晶体管实际参数，采用 philip s 公司的 npn 型高压晶体 管 2n5551 作为放大管，三极管 q1、电感 l1、电容 c2 组成甲类功率放大器，工作在线 性放大状态。三极管 q2 和由电感 l3、 电容 c7、 c6 构成的负载回路组成丙类功率放 大器。r1、r2、r

44、3、r4 组成第 1 级静态偏置电阻，调节 r2、r3 可改变放大器的增益。 l1、c2 组成一级调谐回路，l2、r5、c4 组成的部分在丙类功率放大器基极处产生负偏 压馈电压，r7 为射级反馈电阻，调整 r7 可改变丙类功率放大器的增益。c6、c7、l3 组成末级调谐回路，c6 用来微调谐振频率以获得最佳工作状态。c8、c9 和 l4 组成滤 波回路，起到改善波形的作用。r9 和 c10、r11 和 c11 以及 r8 和 c12 均为负载回路外 接电阻。集电极可选择连接不同的负载。当基极输入的正弦信号频率取值在 l1、c2 谐 振频率附近时，集电极输出正弦信号电压增益最大。c5 为射级旁路

45、电容，有效地控制了 可能由于射级电阻 r3、r4 过大而引起电压增益下降的问题。当甲类功率放大器输出信 号大于丙类功率放大器三极管 q2 的 be 间负偏压时，q2 才导通工作。当 l3、c7 处谐振 频率与从甲类功率放大器集电极获得的放大输出正弦信号的频率一致时，丙类功率放大 器工作于谐振状态，集电极将获得最大的电压增益，达到功率放大的目的。 3元件参数选取 （1）功率放大器管：选用 philip s 公司的 npn 型高压晶体管(2n5551)作为放大管。 （2）直流电源:根据设计要求放大器的电源电压初始值均取 + 12v。 （3）甲类功率放大器的调谐回路由 l1 和 c2 组成：根据谐振

46、频率公式：f = 12lc 及工作中心频率为 14.5mhz,取参数为 l1 = 1.0h，c2 = 120pf，丙类功率放大器的调谐 回路由 l3、c6、c7 组成，为使甲类功率放大器集电极的输出信号能在丙类功率放大器 产生谐振，两功率放大器调谐回路的谐振频率应一致，因此，取 l3 = 1.0h，c7 = 120 pf。c6(最大值取 30 pf)用来微调调谐回路的谐振频率，保证丙类功率放大器的输入信号 产生谐振。 4甲类放大器参数选取 甲类功率放大器的静态偏置由 r1、r4、r2 和 r3 组成。r1、r2 一般在同一数量级， 取 r1 = 10k，r2 最大值为 50k，通过调节 r2

47、改变三极管基极 q 点电压，即改变放 大器增益，r2 取值越大时 q 点电压越大。取 r4 = 51，r3 最大值为 1 k，通过调节 r3 改变输出信号增益，r3 不宜过大，否则会影响增益。此外，c5 为射极旁路电容，有 效地控制了由于射极电阻 r3、r4 而引起电压增益下降的问题。在高频电路中射极旁路 电容取值一般较小，这里取 c5 = 10 nf。 5丙类功率放大器参数选取丙类功率放大器三极管 q2 的 be 间负偏压由 l2、r5、c4 组成的电路产生，l2 起到传送直流、隔离交流的作用使得 r5 两端为直流 电压。取 l2 =100h，r5 = 51，c4 = 10 nf。q2 射极

48、电阻由 r6、r7 组成，取 r6 = 51，r7 最大值为 1k，通过调节 r7 改变丙类功率放大器增益，r7 取值不宜过大， 否则会降低增益。l4、c8、c9 组成滤波回路，减小集电极输出信号的失真。c8、c9 一 般取等值，这里取 c8 = c9 = 10 nf，l4 = 470h。 6外接负载分别取 51，150，680。3 个电阻的取值差异较大是为了后面仿真 测试丙类功率放大器的特性做准备。 7c1、c3 以及 c10、c11、c12 均为隔直电容，其作用是传送交流，隔离直流。 在高频电路中隔直电容取值一般较小，这里取 c1 = 51 pf，c3 = 10 nf，c10 =c11。c

49、12 =10nf。 8仿真测试及结果分析 （1）甲类功率放大器的调谐测试 改变基极输入正弦信号的频率，当取 f =1/(2/rc)14.5mhz (l1、c2 回路谐振频 率)时，集电极获得最大的电压增益，这时再改变静态偏置电阻 r3、r4 的大小可获得更 大的电压增益2。测试可得，r2 取 2.5k、r3 取 50 时获得最大电压增益约为 30 倍。 （2）丙类功率放大器工作状态的测试分析 调整丙类功率放大器电源电压为 12v，不接负载电阻。将基极与甲类功率放大器断 开，从基极处输入 2v(p2p)、14.5mhz 的高频信号，用万用表测量三极管 q2be 间的电压， 测得该电压为负偏压，改

50、变输入电压振幅，该偏压随之改变。此时，接在集电极处的示 波器上可看到放大输出信号，如图 3-3-2 所示。下面的波形(信道 b)为基极输入信号，上 面的波形(信道 a)为集电极输出信号，电压增益约为 12 倍。若使基极激励信号，ub = 0。则测得负偏压也为 0，看出丙类功率放大器工作状态的特点。 图 3-3-2 丙类功率放大器的工作状态测试 （3）测试调谐特性 调整参数使电路正常工作，保持功率放大器管的输入信号为 2v(p2p)左右，不接负 载电阻，改变输入信号从 8mhz20mhz，输出电压值如表 1 所示。基极输入正弦信号频 率取 f=1/(2rc)14.5mhz(c6、c7、l3 回路

51、谐振频率)时集电极获得最大的电压增益， 约为 12.5 倍，这就说明了丙类功率放大器的调谐特性。 3.3.3 结果分析结果分析 随着负载的增大，电路的工作状态是由欠压区到临界直至进入过压区，电流电压逐 渐增大。当输入电压较小时，随着输入电压的增大，输出电压幅度也增加；当输入电压 较大时，输出电压增幅较缓。 3.4 混频器混频器 3.4.1 混频器的工作原理混频器的工作原理 混频电路又称变频电路，其作用是将已调信号的载频变换成另一载频，变换后新载 频的调制类型（如调制频率、调频等）和调制参数（如调制频率、调制系数等）均不改 变。 常用的混频器有二极管平衡和环形混频电路、三极管混频电路和乘法器混频

52、电路等 类型。混频电路是超外差式收音机、电视机高频头的重要组成部分，其作用是将天线感 生的输入高频信号（经滤波、放大）变换为频率固定的中频信号，混频电路靠近接收天 线（特别是在不设高频放大器的接收机中） ，它的性能直接影响接收机的动态范围等性能。 目前，高质量的通信接收机广泛采用二极管环形混频器和由双差分对平衡调制器构成的 混频器，或由乘法器组成的混频器，由于模拟乘法器组成的混频器的输出电压中不包含 信号频率分量，故有对带通滤波器要求不高的优点；而在一般接收机（例如广播收音机 和电视机）中，为了简化电路，还采用简单的三极管混频器。 由于混频电路能不失真地将输入已调信号的频谱 c 搬移到 i位置

53、上，从频谱观 点来看，混频电路是一种典型的频谱搬移电路，因此能用乘法器和带通滤波器来实现这 种搬移。 以普通调幅波为例，设输入信号为： （3-4-1）ttumutu sasms cos1 本地振荡信号为： （3-4-2）tuu llml cos 若，则乘法器的输出电压可以表示为： sl tuttumuu llmsasmp coscos1 = （3-4-3）tttum uu slsla lmsm coscos1 2 式中，我们所需要的中频分量 可以从中心频率为的带通滤波器滤除 isl i 无用分量分量后得到，从而实现混频。其电路模型和频谱如图 3-4-1 所示。 sl 图 3-4-1 混频电路的

54、电路模型和频谱 3.4.2 计算机仿真计算机仿真 1调出元件和组建仿真电路 （1）乘法器的调出，单击元件工具条上的“place basic”按钮，出现下拉菜单选择 “control function blocks”器件库，选择“multiplier”乘法器。如图 3-4- 2 所示。 图 3-4-2 计算机仿真乘法器调出 （2）在电子平台上建立如图 3-4-3 所示的仿真电路。乘法器 a1 输出调幅波 us（t） 作混频器 a2 的载波；lc 振荡电路产生的正弦波作为混频器 a2 的本地信号 ul（t）（注： 这里的 ls） 。 图 3-4-3 混频器仿真电路（一） （2）再从虚拟仪器工具条中

55、调出虚拟 4 踪示波器，按图 3-4-4 所示连好仿真电路。 其中：a 通道用来观察原载波信号=150khz；b 通道用来观察调幅信号 us（t）；c 通道 c f 用来观察本振信号 ul（t） ；d 通道用来观察混频信号 ui（t）。 图 3-4-4 混频器仿真电路（二） 2计算机仿真内容 开启仿真开关，双击虚拟 4 踪示波器图标，从放大面板的屏幕上可以看到各通道波 形，如图 3-4-4 所示，自上到下第一条波形为 150khz 的载波；第二条波形为混频前的 调幅波；第三条波形为本振信号；第四条波形为混频后的调幅波，混频前和混频后载频 频率已经改变（注：各通道参数可参考表 3-4-1 数据设

56、置） 。 表 3-4-1 各通道参数设置（timebase/scale：500s/div） channe-achanne-bchanne-cchanne-d scale10v/div100v/div10v/div10v/div y position2.41.2-1.2-2 图 3-4-5 通道波形 3.4.3 结果分析结果分析 混频器对信号进行调制、扩频、解扩等处理工作是在低频段下进行的，然后再将处 理好的信号上变频到高频段发射出去，同样我们需要将接收到的射频信号下变频到低频 段再做各种信号处理工作,混频器就是起到一个频谱搬移的作用 3.5 调幅与解调调幅与解调 3.5.1 调幅与解调工作原理

57、调幅与解调工作原理 解调是调制的逆过程，调幅波的解调即是从调幅信号中恢复出调制信号的过程，通 常称之为检波，同步检波与二极管峰值包络检波是常用的两种调幅波解调电路，同步检 波是利用一个和调幅信号的载波同频同相的载波信号与调幅波相乘，在通过低通滤波器 滤出高频分量而获得调制信号的，理论上讲，这种电路能对任何调幅信号实现无失真解 调，包括各种调制度的全载波调幅信号、抑制载波的双边带调幅信号、残留边带调幅信 号、单边带调幅信号等，缺点是在实际工作中载波信号的提取比较麻烦。 调幅（振幅调制）是用低频调制信号去控制高频载波的振幅，使其振幅按调制信号 的规律而变化，调制是一个非线性过程。从频谱结构来看，调

58、幅又是一个对调制信号进 行频谱搬移的过程，即把较低的频谱搬到较高频谱。 普通调幅电路可分为高电平调制电路和低电平调制电路两大类。前者属于发射机的 最后一级，直接产生发射机输出功率要求的已调波；后者属于发射机前级产生小功率的 已调波，再经过线性功率放大达到所需的发射机功率电平。现在设 载波电压为： （3-5-1) tutu ccmc cos 调制电压为： (3-5-2)tueu mc cos 上两式相乘为普通振幅调制信号。 (3-5-3) ttmu ttueku tutuektu cas cmccm ccmmcs coscos1 coscos coscos 式中称为调幅系数（或调制指数），它表示

59、调幅波的幅度的最大变化量与载波振幅 之比，即幅度变化量的最大值。否则已调波会产生失真。 在抑制载波调幅波的产生电路中，设 载波电压为： (3-5-4) tutu ccmc cos 调制电压为： (3-5-5） tutu m cos 经过模拟乘法器电路后输出电压为抑制载波双边带振幅调制信号为: （3-5-6） ttuku ttukututkutu ccmcm cmcmc coscos 2 1 coscos 0 3.5.2 计算机仿真计算机仿真 1.根据 3-5-3 式，由乘法器（k1）组成的普通调幅（am）电路图 3-5-1 所示，可 获得通信系统中常用的普通调幅（am）。高频载波信号电压 uc

60、（t）（图中的 v2）加到 y 输入端口；直流电压 u3（图中的 v3）和低频调制信号 u（t）（图中的 v1）加到 x 输入端口，仿真运行图 3-5-1 电路，可得输出电压波形如图 3-5-1（b），满足式（3-5- 1）关系。 （a）乘法器组成的普通调幅（am）电路 （b）普通调幅（am）仿真输出波形 图 3-5-1 乘法器组成的普通调幅（am）电路 2.利用乘法器（k1）组成的抑制载波双边带调幅（dsb/sc am）电路如图 3-5-2 所示，可获得通信系统中常用的抑制载波双边带信号（dsb/sc am） 。高频载波信号电 压 v2（uc（t） ）加到 y 输入端口。低频调制信号 v1（