兰州理工大学高频课设调频接收机课件

1、兰州理工大学课程设计报告*实践教学*兰州理工大学计算机与通信学院2014年秋季学期通信电子系统课程设计报告题 目： 设计班 级： 通信工程12级（ ）班 姓名： 设计质量（30分）： 学号： 说明书质量（10分）： 同组成员： 指导教师： 摘要在这次设计中，我主要负责二极管双平衡混频器，单失谐回路斜率鉴频器和低频功率放大器的设计。要求完成各单元电路设计及仿真，利用Multisim 开发软件完成整机电路设计；通过实际电路方案的分析比较，参数计算，元件选取，仿真测试等意见反馈环节，初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法；了解与课程有关的电子电路以及元器件工程技术规范，能按课程设计任务书的技术

2、要求，编写设计说明，能正确反映设计和实验成果，能正确绘制电路图；掌握常用仪表的正确使用方法，学会简单电路的实验调试和整机指标测试方法。通过这次课程设计，是学生加强对通信电子线路的理解，掌握文献资料检索，设计方案论证比较，以及设计参数计算等能力环节。进一步提高分析解决实际问题的能力，提高解决通信电子电路问题的实际本领，真正实现由课本知识向实际能力的转化。关键词：通信 调频 仿真 Multisim1目 录一、前言3二、 整机系统总机设计42.1工作原理4三、整机系统设计指标63.1工作频率范围63.2灵敏度63.3选择性63.4频率特性63.5输出功率6四、单元电路设计与仿真64.1互感耦合双调谐

3、放大电路61) 互感耦合双调谐放大电路设计技术指标72) 互感耦合双调谐放大电路设计方案论证83) 互感耦合双调谐放大电路设计方案框图及性能分析84.2 平衡斜率鉴频器电路81) 双失谐回路鉴频器的工作原理92) 双失谐回路鉴频器实用电路的工作原理与模块分析103) 电路中相关参数的计算104.3 单失谐回路斜率鉴频器111) 单失谐回路鉴频原理114.4差分峰值鉴频器111) 差分峰值鉴频器电路分析112) 差分峰值鉴频器性能分析及相关计算133) 电路设计144) 电路仿真与实现14五、整机电路设计图及说明151) 分级安装与调试162) 整机联调时常见的故障分析163) 调频接收机实验步

4、骤16六、设计总结17七、参考文献18附件一:元器件清单19I一、前言 随着科技日新月异的发展，知识的不断更新，信息传输是人类社会生活不可缺少的一部分。从古代的烽火到近代的旗语，都是人们寻求快速远距离通信的手段。电报、电话的发明，为迅速准确的传递信息提供了新手段，是通信技术的重大突破。但是电报电话都是沿着导线传送信号的。能否不用导线，就在空间中实现信号的传送呢？答案是肯定的，这也就是本次课程设计的要实现的这个目的的一部分。虽说科技淘汰产品很快，我们今天学的知识可能明天就落伍了，但是掌握基础知识会为我们学习新的知识打下坚实的基础。设计目的：1）掌握调频接收机整机电路的设计方法。 2）学会如何将高

5、频单元电路组合起来实现满足工程实际需要的整机电路。 3）能够使用电路仿真软件进行电路调试。2、 整机系统总机设计图2-1 整体原理框图2.1工作原理一般调频接收机的组成框图如图一所示。其工作原理是：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，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

6、收机的灵敏度较高，选择性较好，性能也比较稳定。 调制信号（低频信号）去控制载波信号的幅度而实现的调制称为调幅；同样，若用调制信号去控制载波的频率或相位而实现的调制分别称为调频或调相。由于调频或调相两种调制都改变了载波的瞬时相位，通称角度调制。 在模拟调制中，调频具有较为优越的性能，因此，调频技术广泛应用于立体声广播、电视伴音、无线麦克风、微波传输及卫星通信。同样，完整的调频通信系统也由发射机与接收机两部分组成，与调幅通信系统比较，除了调制与解调的原理方法不同外，其他部分如超外差变频接收技术、中频放大电路等基本相同。 因为频率调制不是频谱线性搬移过程，它的电路就不能采用乘法器和线性滤波器来构成，

7、而必须根据调频波的特点，提出具体实现的方法。对于调频电路的性能指标，一般有以下几方面的要求：1. 线性的调制特性。即已调波的瞬时频率变化与调制信号成线性关系。2. 具有较高的调制灵敏度。即单位调制电压所产生的振荡频率偏移要大。3. 最大频率偏移与调制信号频率无关。4. 未调制的载波频率（即已调波的中心频率）应具有一定的频率稳定度。  5. 无寄生调幅或寄生调幅尽可能小。 实现调频的方法分为直接调频和间接调频两大类 直接调频的基本原理是利用调制信号直接控制振荡器的振荡频率，使其反映调制信号变化规律。要用调制信号去控制载波振荡器的振荡频率，就是用调制信号去控

8、制决定载波振荡器振荡频率的元件或电路的参数，从而使载波振荡器的瞬时频率按调制信号变化规律线性地改变，就能够实现直接调频。 1 改变振荡回路的元件参数实现调频 在LC振荡器中，决定振荡频率的主要元件是LC振荡回路的电感L和电容C。在RC振荡器中，决定振荡频率的主要元件是电阻和电容。因而，根据调频的特点，用调制信号去控制电感、电容或电阻的数值就能实现调频。 调频电路中常用的可控电容元件有变容二极管和电抗管电路。常用的可控电感元件是具有铁氧体磁芯的电感线圈或电抗管电路，而可控电阻元件有二极管和场效应管。 2 控制振荡器的工作状态实现调频 在微波发射机

9、中，常用速调管振荡器作为载波振荡器，其振荡频率受控于加在管子发射极上的发射极电压。因此，只需将调制信号加至发射极即可实现调频。若载波是由多谐振荡器产生的方波，则可用调制信号控制积分电容的充放电电流，从而控制其振荡频率。  间接调频原理调频波的数学表示式，在调制信号为时，为可见调频波的相位偏移为，与调制信号的积分成正比。若将调制信 号先通过积分器得 ，然后再通过调相器进行即可得到调制信号为的调相波，即 因此，调频可以通过调相间接实现。通常将这样的调频方式称为间接调频，这样的调频方式采用频率稳定度很高的振荡器作为载波振荡器，然后在它的后级进行调相，得到的调频波的中心频率稳定度很高三、整机

10、系统设计指标3.1工作频率范围 接收机可以接受到的无线电波的频率范围称为接收机的工作频率范围或波段覆盖。接收机的工作频率必须与发射机的工作频率相对应。如调频广播收音机的频率范围为88108MH，是因为调频广播收音机的工作范围也为88108MHz。3.2灵敏度 接收机接收微弱信号的能力称为灵敏度，通常用输入信号电压的大小来表示，接收的输入信号越小，灵敏度越高。调频广播收音机的灵敏度一般为（230） 3.3选择性 接收机从各种信号和干扰中选出所需信号（或衰减不需要的信号）的能力称为选择性， 单位用dB（分贝）表示，dB数越高，选择性越好。一般调幅收音机频偏±10kHz的选择性应大于20d

11、B，调频收音机的中频干扰比应大于50dB。 3.4频率特性 接收机的频率响应范围称为频率特性或通频带。调频机的通频带一般为200kHz。 3.5输出功率 接收机的负载上获得的最大不失真（或非线性失真系数为给定值时）功率称为输出功率四、单元电路设计与仿真4.1互感耦合双调谐放大电路高频小信号放大器是通信设备中常用的功能电路，它所放大的信号频率在数百千赫至数百兆赫。高频小信号放大器的功能是实现对微弱的高频信号进行不失真的放大，从信号所含频谱来看，输入信号频谱与放大后输出信号的频谱是相同的。其中高频小信号调谐放大器广泛应用于通信系统和其它无线电系统中，特别是在发射机的接收端，从天线上感应的信号是非常

12、微弱的，这就需要用放大器将其放大。高频信号放大器理论非常简单，但实际制作却非常困难。其中最容易出现的问题是自激振荡，同时频率选择和各级间阻抗匹配也很难实现。本文以理论分析为依据，以实际制作为基础，用LC振荡电路为辅助，来消除高频放大器自激振荡和实现准确的频率选择；另加其它电路，实现放大器与前后级的阻抗匹配。高频小信号放大器主要用于放大高频小信号 , 属于窄带放大器。由于采用谐振回路作负载，解决了放大倍数、通频带宽、阻抗匹配等问题，高频小信号放大器又称为小信号放谐振放大器。就放大过程而言，电路中的晶体管工作在小信号放大区域中，非线性失真很小。一方面可以对窄带信号实现不失真放大，另一方面又对带外信

13、号滤除 , 有选频作用。1) 互感耦合双调谐放大电路设计技术指标1 增益：放大器输出电压（或功率）与输入电压（或功率）之比，称为放大器的增益或放大倍数，用Av（或）表示，放大器增益的大小，决定于晶体管，要求的通频带宽度，是否良好的匹配和稳定的工作。电压放大倍数由下式计算： 或 。2 通频带:放大器通频带表示放大器的电压增益Av下降到最大值的0.7倍时所对应的频带范围。常用来表示。有时也称为3dB带宽。因为电压增益下降3dB，即等于绝对值下降至。式中，为谐振回路的有载品质因数。分析表明，放大器的谐振电压放大倍数与通频带的关系为通频带越宽放大器的电压放大倍数越小。要想得到一定宽度的通频宽，同时又能

14、提高放大器的电压增益，除了选用较大的晶体管外，还应尽量减小调谐回路的总电容量C。如果放大器只用来放大来自接收天线的某一固定频率的微弱信号，则可减小通频带，尽量提高放大器的增益。3 矩形系数：矩形系数是表征放大器选择性好坏的一个参量。其定义为:Kr0.1=/式中， 为放大器的通频带 ；为放大器的电压增益下降至最大值的0.1倍时所对应的频带宽度。4 工作稳定性：指放大器的工作状态、晶体管参数、电路元件参数等发生可能变化时，放大器主要性能的稳定程度。5 噪声系数：是用来表征放大器的噪声性能好坏的一个参量。噪声分为：热噪声、散粒噪声、分配噪声、闪烁噪声。2) 互感耦合双调谐放大电路设计方案论证单调谐高

15、频小信号放大器的选择性差，通频带和增益之间矛盾较大的缺点，所以采用双调谐回路放大器。双调谐回路放大器具有频带宽和选择性好的优点，并能较好的解决增益与通频带之间的矛盾，从而在通信接收设备中广泛应用。对双调谐高频小信号放大器的基本要求是： （1）增益要高，即放大倍数要大。 （2）频率选择性要好，即选择所需信号和抑制无用信号的能力要强，通常用Q值来表示，其频率特性曲线如图-1所示,带宽BW= ，品质因数Q=。3) 互感耦合双调谐放大电路设计方案框图及性能分析图4-1 电路设计方框图双调谐放大器在临界耦合的条件下谐振电压增益是单调谐的1/2倍。矩形系数小于单调谐，选择性好。缺点是调谐不方便。由于放大器

16、所放大的一般都是已调制的信号。如以后要讨论的，已调制的信号都包含一定的频谱宽度，所以放大器必须有一定的通频带，以便让必要的信号中的频谱分量通过放大器。与谐振回路相同，放大器的通频带决定于回路的形式和回路的等小品质因数Q。此外，放大器的总通频带，随着级数的增加而变窄。并且，通频带愈宽，放大器的增益愈小。放大器从含有各种不同频率的信号总和中选出有用信号,排除有害信号的能力,称为放大器的选择性。在选择性中又有矩形系数,抑制比,工作稳定性,噪声系数。矩形系数Kr0.1=/,抑制比d=Avo/Av。4.2 平衡斜率鉴频器电路 单失谐回路平衡斜率鉴频器的鉴频带宽度比较有限，要想进一步扩大其宽度，可以采用平

17、衡斜率鉴频器，又称双失谐回路鉴频器。双失谐回路鉴频器实用电路的工作原理与模块分析 1) 双失谐回路鉴频器的工作原理为了获得较好的线性鉴频特性以减小失真，并适用于解调较大频偏的调制信号，采用由两个特性完全相同的单失谐回路对称组成的双失谐回路斜率鉴频器，其原理电路如图4-4所示。 图4-2 双失谐回路鉴频器由上图可知，它共有三个谐振回路，初级回路I调谐于调频信号的中心频率，=，次级的两个回路II和III分别调谐于和两频率，>，<。而且和对是对称的，即因此此电路叫做双失谐回路鉴频器或平衡鉴频器。调频信号在回路两端产生的电压和的幅度分别以和表示。假设图中两个二极管检波器参数一致，（，和参数

18、一样）。和分别经二极管检波器得到输出电压和，由于次级回路线圈与和接法相反，所以和是反相的，合成输出电压，当输入调频信号的频率由向升高的方向偏离时，谐振回路II输出电压大，而回路III输出电压小，则检波后，则<0。当输入调频信号的频率由向降低的方向偏离时，谐振回路II输出电压小，而回路III输出电压大，则检波后，则>0。可以粗略的认为两个检波器传输系数都近于1，可以得出。也就是说，随频率改变的规律应与随频率改变的规律一致。将和两曲线相减，就可以得出双失谐回路鉴频器的鉴频特性曲线，不仅可以完成鉴频作用，而且鉴频特性的直线性和直线性工作范围都比单失谐回路的振幅鉴频器有显著改善。这是因为，

19、当一边鉴频输出波形有失真，例如正半周大，负半周小时，对称的另一边鉴频输出波形也必定有失真，但却是正半周小，负半周大，因而相互抵消。2) 双失谐回路鉴频器实用电路的工作原理与模块分析下图是微波通信接收机中采用的失谐式平衡鉴频器的电路实例。电路中有三个谐振回路，回路A调谐于中频频率35MHZ，回路B和C分别调谐于30MZ和40MHZ，三个回路的谐振频率互不相同，为了便于调整，减小三个回路之间的相互影响，改电路没有采用耦合的办法，而是将由两个共基极放大器连接，两个共基极放大器不仅可以使三个回路相互独立，而且影响信号的传输。双失谐鉴频器的输出是取两个带通响应之差，即该鉴频器的传输特性或鉴频特性，如图6

20、中的实线所示。虚线为两回路的谐振曲线。从图看出，他可获得较好的线性响应，失真较小，灵敏度也高于回路鉴频器。这种电路适用于解调大频偏的调频信号。但采用这种电路时，三个回路要调整好，并须尽量对称，否则会引起较大的失真。不易调整是该电路的一个缺点。图4-4 双离谐平衡鉴频器 经以上方案的对比论证，选择斜率鉴频法中的双失谐回路鉴频电路完成本次课程设计，可以解决元器件的非线性原因引起的线性范围小的问题，此电路失真较小，工作频带宽，灵敏度也高于单失谐回路鉴频器。双失谐回路斜率鉴频器可分为两个模块，模块一为将调频波变换为调频、调幅波的变换电路，电路如下图所示。 3) 电路中相关参数的计算 双失谐回路鉴频器中

21、回路A调谐于中频频率为35MHZ,则LC并联回路中，设电容C=10pF,由 可得，L=，用两个相同的电感代替，均为。谐振回路B中，LC并联回路中，电容为可变电容，设电感为，当谐振频率为30MHZ时，可变电容值为21.7pF，可选择2.5/25pF的可变电容，将其调到所需电容值21.7pF，回路C中谐振频率为40MHZ，电感也为，计算可得可变电容值为12.2pF，仍选择2.5/25pF的可变电容，将其调到电容值为12.2pF。其他的参数均可自行设置，其中三极管的上拉电阻不宜太大，否则容易造成波形失真，本电路中选择510的电阻。4.3 单失谐回路斜率鉴频器1) 单失谐回路鉴频原理斜率鉴频器：利用L

22、c谐振混路的谐振特性对不同频率的信号呈现不同的阻抗，对调频波进行调频-调幅变换，得到调频-调幅波，得到解调输出电压，调频-调幅变换特性取决于谐振特性曲线的斜率。单失谐回路斜率鉴频器：由调频-调幅变换器和包络检波器构成，调频-调幅变换器是一个单谐振回路（由 LC 组成） ，但在这里谐振回路的调谐与一般放大器不同，回路的谐振频率不是调在输入信号的中心频率上，而是高于或低于信号中心频率，即fo<fc。电路图和仿真效果图如下：4.4差分峰值鉴频器差分峰值鉴频器是电子技术中常见的振幅鉴频电路，特别是在电视接收机集成化伴音鉴频电路中得到了广泛应用。1) 差分峰值鉴频器电路分析 差分峰值鉴频器是电子技

23、术中常见的振幅鉴频电路，特别是在电视接收机集成化伴音 鉴频电路中得到了广泛应用，但是，对其鉴频特性一般文献都制作定性介绍，使用也是以调试为依据。 差分峰值鉴频器原理电路如图所示，一部分是1脚和2脚之间外接的线性电抗变换网络L1，C1,C2，第二部分由V1，V2构成的差分峰值鉴频器。C3，C4为电容。 1 调频波变为调频调幅波 在线性变换网络输入端加入频率可变的伴音中频信号。当输入信号的频率和串联谐振频率一样时，串联电路发生谐振，阻抗最小，电压最小，出现一个谷点。 C2的电压最大，出现一个峰点 当fs<f<fp,L1,C1并联电路呈现感性，整个电路也呈现感性。随着f的增加，u1慢慢升

24、高， 当f=fp时，L1，C1发生并联谐振，这时u1最大，并出现峰点。U2降到最小值，出现一个 谷点。当fs<f<fp时，L1，C1并联电路呈现感性，整个电路也呈现感性。随着f的增加，u1M慢慢增加，u2慢慢减小。当f=fp时，L1，C1发发生并联谐振，这时u1最大，出现峰点。U2降到最小值，出现谷点 图4-6差分峰值鉴频电路由以上分析可知：L1，C1和C2组成的线性网络中，u1,u2的大小与输入信号的频率的关系，在fs-fp之间时，u1与u2的幅频特性曲线的斜率是相反的，就是说u1,u2随f而变化的调幅。T1,T2为射随器，T3，T4为峰值检波器，T5，T6差分对放大器。输出电压

25、：V0=Kd(V1-V2)2 峰值检波过程 伴音中频信号经过线性网络，变换成调幅调频波u1,u2分别加于U1，U2的基极。当伴音中频信号为政半周时，通过发射极分别给c3,c4充电，并且电压很快就达到峰值。信号过峰值后，幅度降低，电容C3，C4分别经V3，V4的输入回路放电。由于恒流电压很高，放电很慢。电容C3，C4上保持着输入信号的峰值电压。这样就检出了音频信号电压。电容C3，C4上极性相反的峰值电压u1,u2加于放大器V3,V4的输入端，在T4的集电极得到一个还原的音频信号电压u=u1-u2,发送至音频放大电路。3 S型鉴频特性曲线S型鉴频特性曲线是鉴频器的主要性能指标之一，是用频率特性测设

26、仪进行测试和调整的，对它的性能要求有:首先S型曲线应该过中心频率，而且波形上下对称。若果曲线的中心频率不过6.5MHZ，这是由于LC网络的谐振频率引起的，它将导致音量减小。其次要与足够的频带宽度。2) 差分峰值鉴频器性能分析及相关计算 由于T1，T2射极跟随器输入阻抗很大，同时将L1，C1，C2看做理想元件，并设W01=1/L1C1，W01为L1，C1回路并联谐振的角频率。W02=1/l(c1+c2),w02为L1.C1回路呈现的感抗与C2的容抗串联谐振的角频率。从而可得T1，T2基极的输入电压分别为1移相网络作用：将输入FM信号转换成两个1 幅频特性相反的FM-AM信号u1和u2 U1和u2

27、经T1和T2的射随器输出后加到T3，T4两个峰值型包络检波的输入端，而输出 的峰值检波电压为：Ue3=K1U1=KU1 Ue4=KU2 其中K1=K2=K为检波器的传输系数。2 内阻Rs的影响 由于Rs作为鉴频特性函数的参变量，以因子W Rs C2形式出现在式中，它的出现破坏了鉴频输出电压相对于W01 W02的对称性，当然也就破坏了鉴频线性，引起鉴频输出失真。正是基于这一点，如果选择W*W*Rs*Rs*C2*C2一定可以获得较对称的鉴频特性。3 中心频率f0 取V0=0，可得中心角频率W0=2/L1(2C1+C2)说明中心频率由L1，C1，C2决定，只要微调L1即可使鉴频特性曲线左移或右移 差

28、分峰值鉴频器由频幅转换网络和有源峰值包络检波器组成；其鉴频特性不仅与频幅转换网络L1，C1，C2的参数有关，前级信号源内阻Rs也是影响鉴频特性的重要因素；鉴频器中心频率f0可通过微调L1以满足要求。 在实际应用中，改变C2很不方便，并且会影响中心频率。直接调频前级信号源内阻也不可能。选择电路参数时为满足式W0=WRC2=1的要求，可在满足中心频率的前提下，适当将C2的容量选大些，并在前级信号源输出端，根据戴维南定理，信号源输出端并联电阻对其后所接频-幅变换网络相当于减小了信号源内阻。这样就可以方便的通过选择并联电阻值，使内组满足W*W*R*R*C2*C2=1，从而得到较好的鉴频特性。3) 电路

29、设计图4-10 差分峰值鉴频器设计电路4) 电路仿真与实现图4-11 电路实现与仿真五、整机电路设计图及说明图4-12整机电路图1) 分级安装与调试电路的调试应先调整静态工作点,然后进行性能指标的调整,调试的顺序是先分级调试,然后从前级单元电路开始,向后逐级联调。在调输入回路和高频放大器的调谐回路时,要注意测试仪表不能接入被调试级的调谐回路.当信号从 A 点输入(见总电路图)调输入回路的1, 2 L L 时,测量仪表应接在 B 点或 C 点,调第一级高频放大电路的3 4 L , L 时,测量仪表应接在 D 和 E 点.调整高频调谐回路时,前后级会相互影响,因此应前后级反复调整。2) 整机联调时

30、常见的故障分析调试合格的单元电路在整机联调时往往会出现达不到指标的现象,产生的原因可能是单级调试时没有接负载,或是所接负载与实际电路中的负载不等效,或是整机的联调时又引入了新的分布参数.因此整机调试时需仔细分析故障的原因.整机联调时常见的故障有: 高频放大级与解调级相联时增益不够,产生的原因可能是解调器输入阻抗引起第三级高频放大电路的调谐回路失谐,可重新调整第三级调谐回路,使回路调谐. 当接收机接收发射机发出的信号时,可能会出现无音频输出的现象.产生的原因可能是本振信号与接收信号之间的频率误差较大.可校正接收机与发射机的本振频率,使二者的频率差小于30HZ.3) 调频接收机实验步骤由于，接收端

31、的小信号调谐放大器采用调谐回路谐振放大器模块，其谐振频率为6.3MHZ左右。收到的信号经调谐放大器放大后，直接送往鉴频器进行鉴频，鉴频器采用斜率鉴频与相位鉴频模块，经鉴频后得到与发端相一致的音频信号，然后送到低频放大部分进行放大，最后通过扬声器发出声音。该低频放大可采用实验箱底板低频信号源部分的功率放大器。因此，实验步骤如下：1.按原理图，插好所需模块，用铆孔线将各模块输入输出连接好，接通各模块电源。2.将变容二极管调频器的载频调到为6.3MHZ 左右，低频信号源设置为1KHZ 正弦波。3.将高频功率放大与发射实验模块中的开关11K01，11K03 拨向左侧，11K02 往上拨。4.将调谐回路谐振放大器的天线拉好，将斜率鉴频与相位鉴频模块中的开关13K03 拨向。5.此时扬声器中应能听到音频信号的声音，如果听不到声音或者失真，可微调变容二极管调频器的频率，以及调整调谐回路谐振放大器