课程设计报告小功率调幅发射机的设计

1、高频电子线路课程设计报告设计题目： 小功率调幅发射机设计 教师评语：成绩 评阅教师 日期 一、设计题目小功率调幅发射机的设计。二、设计目的、内容及要求设计目的：高频电子线路是一门理论与实践密切结合的课程,课程设计是其实践性教学环节之一，同时也是对课堂所学理论知识的巩固和补充。其主要目的是加深对理论知识的理解，掌握查阅有关资料的技能，提高实践技能，培养独立分析问题、解决问题及实际应用的能力。 (1)加深对高频电子线路理论知识的掌握，使所学的知识系统、深入地贯穿到实践中。 (2)提高同学们自学和独立工作的实际能力，为今后课程的学习和从事相应工作打下坚实基础。 任务及要求：小功率调幅发射机的设计(1

2、)掌握小功率调幅发射机原理；(2)设计出实现调幅功能的电路图；(3)应用multisim软件对所设计电路进行仿真验证。 技术指标：载波频率f0=1MHz 10MHz；低频调制信号1KHz正弦信号；调制系数Ma=50±5；负载电阻RA=50。三、工作原理3.1 小功率调幅发射机的认识目前，虽然调频技术以及数字化技术突飞猛进，其应用范围覆盖了无线通信技术的80%以上，但是由于小功率调幅发射机具有调制解调电路简单、调试容易、信号带宽窄和技术成熟等优点，因此仍然使其能够在中短波通信中广泛得以应用。课题以电子线路课程设计实践教学为应用背景，在仿真软件与实验室中完成一个完整的调幅发射机，并实现无

3、线电报功能。 发射机的主要任务是利用低频音频信号对高频载波进行调制，将其变为在适合频率上具有一定的带宽，有利于天线发射的电磁波。一般来说，简易发射机主要分为低频部分、高频部分、以及电源部分。高频部分主要包括：主振荡器、缓冲放大级、中间放大级、功放推动级以及末级功放级。低频部分主要包括：话筒、低频电压放大级、低频功率放大级以及末级低频功率放大级等。3.2 小功率调幅发射机的工作原理 一条调幅发射机的组成框图如下图图1所示，其工作原理是：第一本机振荡产生一个固定频率的中频信号，它的输出送至调制器；话音放大电路放大来自话筒的信号，其输出也送至调制器；调制器输出是已调幅了的中频信号，该信号经中频放大后

4、与第二本振信号混频；第二本振是一频率可变的信号源，一般选第二本振频率fo2是第一本振f1与发射载频foc之和，混频器输出经带通或低通滤波器滤波，是输出载频fc=fo2-fo1;功放级将载频信号的功率放大到所需发射功率。调制器中放混频带通功放天线本振1话筒话音放大本振2图1 调幅发射机组成框图四、设计方案4.1总体电路设计 发射机的主要任务是要完成有用的低频信号对高频载波的调制，将其变为在某一中心频率上具有一定带宽，适合通过天线发射的电磁波2。发射机一般分为三个部分：高频部分，低频部分和电源部分3。高频部分一般包括：主振荡级，缓冲放大级，中间放大级，功率推动级以及末级功放级。低频部分一般包括话筒

5、，低频电压放大级，低频功率放大级和末级低频功率放大级。低频信号通过各级放大级的层层放大，最终在末级功放处获得所需的功率电平，从而可以对高频功率放大器进行调制。采用典型的调幅发射机设计方案即可达到设计指标的要求，发射机的主要单元电路见图2。高频功效振幅调制放大级缓冲器主振器话筒音频放大 图2 发射机的主要单元电路图中各部分主要作用为：主震级：有晶体振荡器产生频率为6MHz的震荡载波信号。缓冲级：将晶体震荡级与振幅调制级隔离，减少振幅调制级对晶体震荡器的干扰。音频放大：将话筒发出的信号放大到调制电路所需要的调制电压。振幅调制级：将音频信号加入到高频载波中，从而产生调幅波。高频功放：对信号进行功率放

6、大，加入到天线中，从而向空间辐射。4.2单元电路形式选择1.本机振荡电路振荡电路选择要根据载波频率的高低和频率稳定度来确定，在频率稳定度要求不是很高的情况下，可以采用电容反馈式振荡电路，如克拉泼电路，希勒电路等。在频稳度要求较高的情况下，一般可以选用晶体振荡电路，也可以选用单片集成电路。本机设计要求频稳度，一般的LC振荡电路就可达到要求。 2.高频电压放大器高频电压放大器的任务是将振荡电压放大以后送到振幅调制器，可以选用高频调谐放大器。需要使用几级放大器要看振幅调制器选择什么样的电路型式。如果选用集成模拟乘法器作振幅调制器，输入信号是小信号。当振荡器输出电压能够满足要求时，可以不加高频电压放大

7、器。如果采用集电极调幅电路，就要使用一至二级高频电压放大器，以满足集电极调幅的大信号输入。谐振放大器的调试方法与阻容耦合放大器相同，首先应调整每一级所需的直流工作点，但要注意一点：在多级谐振放大器中，由于增益高，容易引起自激振荡。因此，在测试其直流工作点时，应先用示波器观察放大器的输出端是否有自激振荡波形。如果已经有自激振荡，应先设法排除它，然后再测试其直流工作点。否则，所测数据是不准确的。对于调谐放大器的频率特性、增益及动态范围的调整及测试，一般有两种方法，一种是逐点法；一种是扫频法。后者比较简单、直观。但由于其频标较粗，对于窄带调谐放大器难以精确测试。3.振幅调制电路振幅调制器的任务是将所

8、需传送的信息“加载”到高频震荡电压中，从而以调幅波的形式将已调信号发射出去。通常调制分为低电平调制和高电平调制，采用模拟乘法器实现调制的方法是属于低电平调制，低电平调幅电路具有输出功率小的特点，适用于功率较低的系统。4.功率激励级由模拟乘法器调制电路输出的已调信号较小，不能满足末级功放的输入要求，因此，要在模拟乘法器后边加上功率激励级来放大已调调制的信号功率，从而满足后级电路的输入要求。 5.功率放大级功率放大器是调幅发射机的最末级，它的主要任务就是要发射出发射机设计指标所要求的输出功率。本机所设计的为小功率调幅发射系统，通常采用丙类谐振功率放大器，如果一级放大器不能满足要求，可以选用两级或者

9、三级。6.传输线与天线天线的主要作用是把已调制的高频信号变成电磁波，辐射到空间去，从而实现无线电的发射功能。由于无线设备本身的传播距离的限制，因此，若想达到比较理想的传播距离，必须外接天线。这里面就必须涉及到两个概念： (1)频率范围频率范围指的是天线的工作频段，这个参数决定了它适用于哪个无线标准的无线设备。 (2)增益值增益值表示天线的功率放大倍数，增益值越大代表对输入信号的放大倍数越大，传输质量也就越好。五、单元电路的设计 1主振级与小信号电压放大级的设计主震级是调幅发射机的核心部件，其性能的好坏直接影响到发射信号的质量，因此，主震级产生的载波信号必须有较高的频率稳定度和较小的波形失真度，

10、本机主振级备选方案可以有三种， RC正弦波振荡器，石英晶体振荡器，三点式LC正弦波振荡器等。方案一：采用石英晶体振荡器，石英晶体振荡器具有较高的频率稳定度，在选择合适的偏置电路的情况下，频稳度可达到10-11数量级，而且，其工作状态稳定，波形失真度也比较小，因此，在频稳度要求较高的电路中，可以选用石英晶体振荡器作为主振级。方案二：采用RC正弦波振荡器，由于RC振荡器主要是由电阻和电容组成的，在电路中并没有谐振回路，因此，RC振荡器不适合于作为高频振荡器。方案三：采用LC三点式正弦波振荡电路，三点式振荡电路有电容三点式和电感三点式之分，相对来说，电容三点式的输出波形相对电感三点式要稳定，且频率变

11、化不会改变电抗的性质，因此振荡器一般都采用电容三点式形式。在频率稳定度要求不是很高的情况下，可以采用普通的电容三点式振荡电路，如克拉泼电路和西勒电路。LC回路由于受到标准性和品质因数的限制，其频稳度一般只能达到10-4数量级。为使整机电路简单并且频稳度度较高，本机采用LC振荡电路。正弦波振荡器的作用是产生频率稳定、幅值不变的正弦波输出。本设计采用的是改进型电容三点式振荡器，即西勒振荡器。其具有输出波形好、工作频率高、改变C调节频率时不影响反馈系数等优点，适用于波段宽、频率可调的场合。  正弦波振荡器广泛应用于各种电子设备中，特别是在通信设备中起到重要作用。它是无线电发送部分

12、的心脏部分，也是超外差接收机的重要部分；各种电子测试仪器如信号发生器、数字式频率计等，核心部分都离不开正弦波振荡器；并在自动控制装置和医疗设备等许多技术领域也得到了广泛的应用。  西勒振荡器由起能量控制作用的放大器、将输出信号送回到输入端的正反馈网络以及决定振荡频率的选频回路组成。没有输入信号，而是由本身的正反馈信号代替。当振荡器接通电源后，即开始有瞬变电流产生，经不断的对它进行放大、选频、反馈、再放大等多次循环，最终形成自激振荡，把输入信号的一部分送回输入端做输入信号，从而就产生了一定频率输出的正弦波信号输出。 2缓冲隔离级的设计为了减小调制级对主震级的影响，需要采用加入

13、缓冲级的方法。在缓冲隔离级的选择上不论是在低频电路还是高频电路的整机设计中，缓冲隔离级常采用射极跟随器电路。 3语音放大级电路设计语音放大器主要是对语音信号进行放大和限频，经过放大后的语音信号送入调制级对高频载波信号进行调制，本机采用3354BM进行语音功率放大。 4幅度调制电路的设计所谓振幅调制就是用被传输的低频信号去控制高频振荡器，使其输出信号的幅度随着低频信号的变化而变化，从而实现低频信号搬移到高频段，被高频信号携带并有效进行远距离传输的目的。完成这种调制过程的装置称为振幅调制器。5 高频谐振放大器设计高频功率放大器是各种无线电发射机的重要组成部分，其工作频率较高，相对宽带也比较窄，一般

14、都采用LC谐振网络作为负载构成谐振功率放大器。由于谐振网络频率调节困难，因此谐振功率放大器主要用来放大固定频率或窄带信号，所以谐振功率放大器也称为窄带高频功率放大器。高频功率放大器一般多用于发射机的末级电路，其电流消耗往往要占到整机耗电量的绝大部分，所以功率放大器工作状态的优劣以及工作效率的高低就相当重要。高频功放中常采用平面工艺制作的NPN高频大功率晶体管，他能承受高电压和大电流，并有较高的特征频率ft。晶体管作为一个电流控制器件，它在较小的激励信号电压作用下，形成基极电流ib，ib控制了较大的集电极电流ic，ic流过谐振回路产生高频功率输出，从而完成了把电源的直流功率转换为高频功率的任务。

15、晶体管工作在截至和导通（线性放大）两种状态下，基极电流和集电极电流均为高频脉冲信号。与低频功放不同的是，高频功放选用谐振回路作负载，即保证输出电压相对于输入电压不失真，还具有阻抗变换的作用，这是因为集电极电流是周期性的高频脉冲其频率分量除了有用分量（基波分量）外，还有谐波分量和其他频率成分，用谐振回路选出有用分量，将其他无用分量滤除；通过谐振回路阻抗的调节，从而使谐振回路呈现高频功放所要求的最佳负载阻抗值，即匹配，使高频功放以高效率输出大功率。在丙类谐振功率放大器中，根据晶体管工作是否进入饱和区，可将其分为欠压临界和过压工作状态。将不进入饱和区的工作状态称为欠压，为顶尖余弦脉冲。将进入饱和区的

16、工作状态称为过压状态，为中间凹陷的余弦脉冲。如果晶体管工作刚好不进入饱和区，则称为临界工作状态，虽然仍为尖顶余弦脉冲，但顶端变化平缓。在谐振功率放大器中，虽然三种状态下集电极电流都是脉冲波形，由于谐振回路的滤波作用，放大器的输出电压仍为没有失真的余弦波形。l 欠压状态根据丙类谐振功率放大器的工作原理可知，基极电压最大值uCEmax与集电极电压最小值uCEmin出现在同一时刻，所以只要当uCEmin比较大（大于uBEmax），晶体管工作就不会进入饱和区而工作在欠压状态。由于，可见输出电压的幅值Ucm越小，uCEmin就越大，晶体管工作就不会进入饱和区。l 临界状态增大Ucm，uCEmin就会减少

17、，可使放大器在时工作在放大区和饱和区之间的临界点上，晶体管工作在放大区和截止区，所以集电极电流仍为尖顶余弦脉冲。l 过压状态由于谐振功率放大器的负载是谐振回路，有可能产生较大的Ucm（例如谐振回路Q值比较大），uCEmin很小（小于uces），致使晶体管在附近因uce很小而进入饱和区。因为在饱和区晶体管集电结被加上正向电压，ube的增加对ic的影想很小，而ic却随uce的下降迅速减小，所以使得集电极电流脉冲顶部产生下凹现象。Ucm越大，uCEmin越小，脉冲凹陷越深，脉冲的高度越小。 6.天线的相关知识及设计 1.天线的输入阻抗天线的输入阻抗就是指天线馈电端输入电压与输出电流的比值。天线与馈线

18、的连接，最佳情形就是天线的输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特征阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能的接近馈线的特征阻抗。一般移动通信的天线的输入阻抗为50。 2.天线的极化方式所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面使使地面表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电

19、流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。因此，在移动通信系统中，一般采用垂直极化的传播方式6。 3.天线的增益天线的增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信息的能力，一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。表征天线增益的参数主要是dBd和dBi。Dbi是相对于点源天线的增益，在各方向的增益是均匀相同的，dBd相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。 4.天线的设计方案在日常的移动通信应用技术中，拉杆天线是我们经常接触到的，虽然发射机应用时其覆盖面积不是很大，但是由于其价格低廉，方便实

20、用，因此得到了普遍的应用。由于天线的长度必须与信号的波形相比拟时，信号才能被有效的辐射，我们知道天线传播一般都是以波长的1/4奇数倍进行传播，所以在做天线时为了缩小长度一般选取波长的1/4作为天线的长度，这样不仅能达到最佳的传播性能，而且也节省了空间和物质消耗。在真空中信号的传播速度为光速，本机的中心频率为6MHz，因此，由公式波长=速度频率可得到信号波长为12.5米，由于天线长度比较长，因此可以采用螺旋形式的天线。与常规的拉杆天线相比，螺旋式天线提供了较短的物理长度，但与1/4波长的拉杆天线比较起来，它的带宽更有限。螺旋式天线不是将元器件直线延长到1/4波长，而是将天线螺旋缠绕成一个线圈。单

21、元中的金属线与直线拉杆天线有同样的电子长度，但整体物理长度变短，并且在盘绕后显得更加灵活。螺旋式天线的接收效率通常不如直线1/4波长的拉杆天线，但是在某些应用场合中更加关注天线的耐用性而不是有效性。六、系统设计与仿真分析 6.1 振荡电路仿真与输出波形 振荡电路仿真如图3所示：图3 振荡仿真电路 通过改变C5的值可以调整输出的振荡频率，输出波形如图4。图4 振荡输出波形 高频载波输出波形如图5 图5 高频载波输出波形 6.2语音放大仿真与输出波形 语音放大仿真如图6所示：图6 语音放大仿真电路 语音信号的放大倍数可以通过R15来调节，输出波形如图7。图7 语音信号放大输出波形 6.3 AM调制

22、电路与仿真波形二极管平衡调制电路如图8所示：图8 二极管平衡调制电路 经二极管调制电路调制后输出的已调波形如图9所示。图9 输出的已调波形 实际应用中常用的调幅方法主要有乘法器调幅电路、开关型调幅电路、晶体管调幅电路，其中晶体管调幅又分为基极调幅和集电极调幅。此设计方案采用二极管平衡电路进行调幅，二极管平衡电路也是最简单的调制电路，在实际应用中非常容易实现。音频调制信号和高频载波信号分别通过T1、T3输入到AM调制电路，然后经二极管进行调制，最后经LC谐振回路输出调制结果。 6.4软件简介  Multisim是一个专门用于电子线路设计与仿真的EDA工具软件，它是加拿大IIT公司（In

23、teractive Image Technologise Ltd.）推出的继EWB之后的版本。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。NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。学生可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。  Multisim软件特点:  (1)直观的图形界面：整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕

24、上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。  (2)丰富的元器件库：Multisim大大扩充了EWB的元器件库， 包括基本元件、半导体器件、运算放大器、TTL和CMOS数字IC、DAC、ADC及其他各种部件，且用户可通过元件编辑器自行创建或修改所需元件模型，还可通过liT公司网站或其代理商获得元件模型的扩充和更新服务。  (3)丰富的测试仪器：除EWB具备的数字万用表、函数信号发生器、双通道示波器、扫频仪、字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪外，Multisim 新增

25、了瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪。尤其与EWB不同的是：所有仪器均可多台同时调用。  (4)完备的分析手段：除了EWB提供的直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点一零点分析、传输函数分析、灵敏度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析外，Multisim 新增了直流扫描分析、批处理分析、用户定义分析、噪声图形分析和射频分析等，基本上能满足一般电子电路的分析设计要求。  (5)强大的仿真能力：Multisim 既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真，也可进行数模混合仿真，尤其是新增了射频(RF

26、) 电路的仿真功能。仿真失败时会显示出错信息、提示可能出错的原因，仿真结果可随时储存和打印。七、总结与体会通过本次课程设计，让我对调幅发射机以及Multisim有了更深的理解和操作能力。开始针对题目进行分析，将所涉及的知识点，及相关波形做了分析，大体能够把握整体的设计流程及思路。再通过查阅相关资料，使自己的知识也更加丰富了，懂得了小功率调幅发射机原理。首先对给题目进行了资料查找，开始时不是很顺利，以前学的忘了大半啊，经过复习课本的内容，掌握原理后进行方案设计。然后是利用Multisim进行绘图，在网上查阅了一些资料，绘图后在仿真时还是出错了，之后又经过几次的修改，终于得出了结果，起初

27、示波器没有波形显示，后来进行仔细的调试后，才得出所需的波形图。该课程设计使我建立无线电发射机的整机概念，了解发射机整机各单元电路之间的关系及相互影响，能正确设计、计算发射机的各个单元电路：主振级、激励级、输出级、调制级、输出匹配网络及音频放大器。初步掌握小型调幅波发射机的调整及测试方法。在设计电路时，要首先将总体电路分成若干个不子模块，使每个模块有各自的不同的任务；再对各相对简单的子模块进行单独设计；最后将各个子电路组合在一起完成整个电路。这样做法分工明确，层次清晰，使设计者能更宏观的把握设计的总体步骤 。而且设计单独的子电路降低了工作难度，使设计工作更有条理性。在检查电路时，也可根据各种情况

28、分析是哪个子系统出了问题，再单独检查该出问题系统，可以提高检查的效率。在课程设计过程中，就是要不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获龋最终的检测调试。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可。我们这个专业，重在实践和交流。不能只看书本上的理论知识，我们应该多做类似的程序，写文档。

29、这次经历，让我感觉到绘图的重要性。所以我们要在以后的实践中不断摸索，不断提升自己的绘图水平和写文档水平。同时要善于交流，怎样将自己的思想准确清楚地表达出来也是至关重要的。当我们遇到难以解决的问题时候，一个交流，几句提示，也许就能让我们“柳暗花明”、“绝处逢生”，在这次课程设计中我感触颇深。其次在这两周的课程设计中，不仅让我对以前学过的知识有又记了起来，而且对其更是有了深层次的理解。再动手方面也有很大的提高，对计算机的操作也比以前强了很多。我想说，设计确实有些辛苦，但苦中也有乐，在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会,在不懈的努力之下最后还是得出来了自己想要的结果，心里还是很高兴的。在

30、设计过程中，深刻明白了只动脑和动手做之间的天壤之别。原本设想的很完美的东西一动手做起来就困难重重，各种想象不到的困难都出现在眼前。认识到只有动手做才能发现问题，遇到问题不能只空想要动手实践，从实际中发现问题。回顾整个漫长复杂的设计过程，耐心毅力和恒心是不可少的。而以后我必将面对更多更加复杂的设计工作，此次设计过程对我的各个方面都有了许多积极的影响，使我做事情更加细心有耐心。这次设计过程啊让我认识到了只有付出才能有收获，看着做完的电路图，让我感到以往的付出都是值得的。只要耕耘就会有收获。我收获的不仅仅是完成了一次任务，更重要的是让我更清楚的认识了自己的不足，锻炼了自己的能力。最后通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于