高频电子线路课程设计

1、计算机与信息工程系高频电子线路课程设计报告专业通信工程班级学号姓名完成日期2014年12月26日指导教师评语:成绩:批阅教师签名：批阅时间:洛阳理工学院计算机与信息工程系2012届通信工程专业课程设计报告课程设计一高频正弦波振荡器1 .高频正弦波振荡器的设计内容及要求（1）设计任务在本次课程设计中采用了 Multisim仿真软件对高频正弦波振荡器进行设计 及绘制，模拟仿真。从理论上对电路进行了分析。选择合适的预案器件，设计出 满足要求的高频正弦波振荡器。（2）设计要求a.设计一个高频正弦波振荡器，要求振荡频率为5MHz相对准确对0 2%00b.用Multisim画出电路图且进行仿真，并用示波器

2、和频率计得到仿真结果。图中三极管为9018（Multisim 库中可用2N339的换）0.01 F电容为10nF 示波器和频率计加在RL两端。2 .设计原理振荡器主要分为RG LC振荡器和晶体振荡器。其中电容器和电感器组成的 LC回路，通过电场能和磁场能的相互转换产生自由振荡。要维持振荡还要具有 正反馈的放大电路，LC振荡器又分为变压器耦合式和三点式振荡器。振荡器的 作用主要是将直流电变交流电。它有很多用途，在无线电广播和通信设备中产生 电磁波；在微机中产生时钟信号；在稳压电路中产生高频交流电。要求产生高频正弦波，所以选用电容三点式电路，进一步考虑从而选用并联 改进型电容三点式振荡器（西勒电路

3、），因为它具有输出波形不易失真，作为可 变f0振荡器使用非常方便，而且幅度平稳，频率稳定性高，最高振荡频率可达 百兆至千兆等特点。电路设计原理框图如图2-1所示：图2-1正弦波振荡器原理框图3 .系统设计LC振荡部分是由晶体管组成的电容三点式振荡器，所用改进型电路即西勒 电路，c1对交流短路，因此是基极接地（共集）电路。对于振荡电路选择共集 组态主要考虑电容5c的改变来调节频率，因为变容二极管加反向偏置电压和调 制电压，需要有公共接地点，通常选用共基电路在电路连接上比较方便，晶体管的静态工作点由Rb1、Rb2、Rc、Re决定。整体电路如图3-1所示；7tt (1 2V)图3-1整体电路原理图4

4、 .各个模块设计(1)滤波网络模块滤除电源中的交流成分使外加电源中只含有直流成分， 因为振荡器所要求的 加在电路上的电能是直流电能，而实际电源很难达到纯粹的直流， 所以需要加这 样一个电路将其中可能的交流成分滤除。(2)放大网络模块放大网络就是通过加在基极的直流电压来控制集电极的电压输出。 放大网络 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。(3)选频网络模块选频网络由电感及电容组成的选频网络分为两类，一类是用联谐振回路，另一类是并联谐振回路，回路谐振时，电感线圈中的磁能与电容中的磁能周期性的 转换着。电抗元件不消耗外交电动势能量。 外加电动势只提供回路电阻

5、所消耗的 能量，以维持回路中的等幅振荡。所以在串联谐振时，回路中电流达到最大值， 并联谐振中，负载电压达到最大值。第10页图4-3 选频网络模块(4)正反馈网络模块反馈，是指将系统的输出返回到输入端并以某种方式改变输入，进而影响系统功能的过程，即将输出量通过恰当的检测装置返回到输入端并与输入量进行比 较的过程。正反馈使输出起到与输入相似的作用，使系统偏差不断增大，使系统 振荡，可以放大控制作用。5 .系统调试与性能分析仿真电路本次设计仿真电路如图5-1所示：图5-1高频正弦波振荡器仿真图(2)仿真运行结果图5-2示波器和频率计的显示结果(3)调试结果如仿真结果所示，调整好静态工作点后，观测动态

6、波形并测量电路的性能参数，振荡器能够起振，最终达到振荡频率为 5MHz6 .设计过程中遇到的问题及解决方法在仿真的过程中，经常遇到不能产生波形，或者波形出现失真，说明电路不 起振。这需要我们去分析，对电路元件参数不断进行调整，并最终得到结果。在波形出现饱和失真时，要减小 cR的值，消除饱和失真。7 .设计体会在这个设计当中，我学会了振荡电路的一些基本内容和基本理论知识。首先分析了振荡器的工作原理，并画出了原理图以及仿真电路图。然后是对电路参数 的设计，使其能够达到震荡频率的要求。 在设计电路元件参数的时候，首先要计 算是否符合振荡电路的起振条件和平衡条件。这分别包含振幅条件和相位条件。 由于受

7、实际条件所限，我利用了仿真软件 Multisim 来对自己的设计电路图进行 仿真。在仿真的过程中，我对正弦波震荡电路有了更进一步的了解。通过这次课程设计，让我更深刻的理解了课本知识，将书本上的知识转化为 实践应用，更好的掌握了各种电路的测试与计算， 熟悉了电子仿真的工作原理和 其具体的使用方法并明白了正弦波振荡器各个类型电路的震荡波形。也逐渐对振荡器的振荡频率、震荡幅度等相关技术指标有了一定的了解。课程设计二混频器仿真1 .混频器的设计内容及要求(1)设计任务在本次课程设计中采用了 Multisim仿真软件对晶体管混频器进行设计及绘 制，并模拟仿真。从理论上对电路进行了分析。选择合适的预案器件

8、，设计出满 足要求的晶体管混频器。(2)设计要求设计一个AM调幅收音机的晶体管混频电路，它由晶体管、输入信号源VI、本振信号源V2、输出回路和馈电电路等组成，中频输出 455KHz的AM®。2 .设计原理一个实际应用中调幅收音机的混频电路的主要功能是使信号自某一频率变 换成另外一个频率，实际上是一种频谱线性搬移电路。它能将高频载波信号或已 调波信号进行频率变换，将其变换为频率固定的中频信号。 而变换后的信号，它 的频谱内部结构和调制类型保持不变，改变的仅仅是信号的载波频率。混频电路 的类型较多，常用的模拟相乘混频器、二极管平衡混频器、环形混频器、三极管 混频器等。其中三极管混频器最为

9、常用，其工作原理图如下：中频输出图2-1系统原理图从图中可以看出混频电路主要有三大部分组成：本地振荡器、晶体管变频器电路和中频滤波网络，各部分独立工作。本地振荡器产生稳定的振荡信号(设其频率为fL),输入的高频调幅波信号(设其频率为fC),由于晶体管的非线性特性，两个信号混合后会产生fL f- fL fc频率的信号，然后通过中频滤波网络，取出fL fc频率的信号，调节好 fL、fc的大小使其差为中频频率，即所需要的中频信号455KHz3 .系统设计混频器的作用是在保持已调信号的调制规律不变的前提下，使信号的载波频 率升高（上变频）或下降（下变频）到另一个频率。故本实验电路为AM调幅收音机的晶体

10、管混频电路，它由晶体管、输入信号源VI、本振信号源V2、输出回路和馈电电路等组成，中频输出455KHz的AM波。电路中输入信号与时变跨导的 乘积中包含有本振与输入载波的差频项， 用带通滤波器取出该项，即获得混频输 出。在混频器中，变频跨导的大小与晶体管的静态工作点、本振信号的幅度有关， 通常为了使混频器的变频跨导最大 （进而使变频增益最大），总是将晶体管的工 作点确定在：UL=50200mV I Ec=0.31m/A而且，此时对应混频器噪声系数最小。 整体电路如图3-1所示：图3-1整体电路原理图4 .各个模块设计（1）本地振荡电路本地振荡电路是本设计电路的重要部分，同时也是超外差式接收机的主

11、要部 分。其作用是将直流信号变为高频正弦信号，将产生的正弦高频信号与输入的高频调幅信号通过混频电路得到fL f- fL fc的信号，其中fL为本地振荡器产生的正弦信号频率，佗为输入的高频调幅波信号频率，通过中频滤波器得到中频信号fL fc。即本地振荡器主要是产生一个正弦高频信号，若振荡器不能够稳定的工作，就会使产生的中频信号不稳定，为此我们必须保证振荡器的稳定性， 故这 里采用高稳定度的西勒振荡器。a.振荡器起振条件正弦波振荡器按工作原理可分为反馈式振荡器与负阻式振荡器两大类。反 馈式振荡器是在放大器电路中加入正反馈，当正反馈足够大时，放大器产生振荡， 变成振荡器。所谓振荡器是指这时放大器不需

12、要外加激励信号，而是由本身的正反馈信号来代替外加激励信号的作用。负阻式振荡器则是将一个呈现负阻性的有 源器件直接与谐振电路相接，产生振荡。本设计中用的是反馈式振荡器，图 5 即为LC三点式反馈式振荡器的原理图。通过我们对高频电路的学习知道，三点 式振荡电路的组成法则是：交流通路中三极管的三个电极与谐振回路的三个引出 端点相连接，其中与发射极相接的为两个同性质电抗， 而另一个(接在集电极与 基极问)为异性质电抗。图a三点式振荡器的原理电路b.电路及电路参数的选择如图b所示，此次设计的本振电路采用的是西勒振荡器,1振荡频率为：f 455KHz2 . LC图4-1本地振荡电路(2)混频电路三极管混频

13、器的特点是电路简单，有较高的变频增益，要求本振电压幅度 较小，当信号电压较大时会产生非线性失真。a.混频原理电路图a是三极管混频器的原理电路。图中，LiCi为输入信号回路，调谐在fc 上。L2c2为输出中频回路，调谐在fI上。本振电压L VLmCOS Lt接在基极回路 中，VBB0为基极静态偏置电压，由图可见，加在发射结上的电压BE V BB0 L S 0若将(VBB0 l)作为三极管的等效基极偏置电压，用 BB(t) 表示，称之为时变基极偏压，则当输入信号电压 S VsmCOS ct很小，满足线性时 变条件时，三极管集电极电流ic f( BE) IC0( L) gm( L) S图a三极管混频

14、器的原理电路在时变偏压作用下，gm( L)的傅里叶级数展开式为gm( L) gmg0 gmlCOS Lt gm2cos2 Ltgm(t)中的基波分量gm1 COS Lt与输入信号电压S相乘，一 ，1gm1 COS Lt VsmCOS ct- gm1VsmCOS( Lc)t COS( Lc)t令I ( LC),得到的中频电流分量为1iI I Im cOS It gmVsmcOS ItgmcVsmcOS It其中gmc Um -gm1称为混频跨导，定义为输出中频电流幅值I Im对输入Vsm2信号电压幅值Vsm之比，其值等于gm(t)中基波分量的一半。若设中频回路的谐振电阻为Re,则所需的中频输出电

15、压IiIRe,相应的混频增益为AC YEgmcReVsm综上所述，在满足线性时变条件下，三极管混频电路的混频增益与gmc成正比。而gmc又与VLm和静态偏置有关。b.设计电路及电路参数选择如图4-2为晶体混频器的设计电路。电路的输入信号（用 10MHz的信号源 代替）与本振电压分别从基极输入和发射极注入。图4-2晶体三极管混频电路图4-2.1选频电路在高频放大器或振荡器中，由于某种原因，会产生不需要的振荡信号，这种 振荡称为计生振荡。为了电源去耦，消除由公共电源引起的多级寄生振荡， 在设 计电路时，在信号源连接处加一电容是为了滤波用。而选频电路的取值：f 455 KHz2 LC从而通过对结合仿

16、真效果，可取 L=10uH, C=12nF。5 .系统调试与性能分析仿真电路本次设计仿真电路如图5-1所示：C2图5-1混频器仿真图HI lOOpF(2)仿真运行结果洛阳理工学院计算机与信息工程系2012届通信工程专业课程设计报告第ii页时间逋道_E12 Tlms6,341 ms0.000 5逋道/ 1.?® V 1.903 H 0.000 ¥时间曾通道AI通道,|触发比例 旧旧口加,比例|1 卅 比例|5 W的边沿乂位置 o丫位置|o V位置 0电平所 加裁| BM I啦| I 口后 病匚I 口辰"二| L 类型|5丁冏|标准|自动|厚"图5-2示波器

17、和频率计的显示结果(3)调试结果如仿真结果所示，调整好各参数后，观测动态波形并测量电路的性能参数, 输出结果455KHz。6 .设计过程中遇到的问题及解决方法在仿真的过程中，由于参数是经过仔细算的，因此没有错误，但是波形不易 出现，只能不断调整示波器的幅值和频率， 并最终得到结果。而且应该注意混频 器的非线性干扰问题，并及时解决。洛阳理工学院计算机与信息工程系2012届通信工程专业课程设计报告7 .设计体会在这个设计当中，我按照课本上的知识和老师的指导来完成，自己先复习混频电路的原理，然后选择电路，定参数，最后连线调试出预期的混频滤波效果。刚开始我对混频的认识只限于基本原理和理论， 混频电路的

18、作用在于将不同 载频的高频已调波信号变换为同一个固定载频(中频)的高频已调波信号。调幅 信号频谱宽度不变，包络形状不变.后来在搭设电路的过程中，我对混频电路有 了进一步的认识，将理论知识加入到实际设计当中去， 更加加深了我对理论知识 的理解和认识。在设计过程中曾遇到高频干扰，输出波形失真，在再次的思考下， 取得了正确的波形。课程设计三幅度调制电路1 .幅度调制电路的设计内容及要求(1)设计任务在本次课程设计中采用了Multisim仿真软件对幅度调制电路进行设计及绘制，模拟仿真。从理论上对电路进行了分析。选择合适的预案器件，设计出满足 要求的幅度调制电路。(2)设计要求a.设计一个AM调幅电路要

19、求输入低频调制信号为 20kHz，幅度小于500mV, 高频载波信号为1MHZB度小于300mVb.用仿真软件Multisim 画出电路图，并通过仿真在虚拟示波器上得到普通 调幅波AM2 .设计原理a.幅度调制也称普通调幅波，已调波幅度将随调制信号的规律变化而线性变 化，但载波频率不变。设载波是频率为 c的余弦波：uc(t)=Ucmcosco ct, 调制信号为频率为Q的单频余弦信号，即UQ (t)=U Q mcosQ t( Qc)，则普通调幅波信号为：uAM(t)= (Ucm+kU Q mcosQ t)cosw ct = U cm(1+MacosQ t)cosw ct (1)式中：Ma =

20、kUQm/Ucm 称为调幅系数或调幅度AM调制信号波形如图2-1.1所示：j4工 WWW：图2-1.1 AM调制的波形图显然AM波正负半周对称时：MaUcm= Umax Ucm= Ucm Umin ,Ma=( Umax Ucm ) / Ucm =( Ucm Umin ) / Ucm。Ma = 0时，未调幅状态Ma=1时，满调幅状态(100%),正常Ma值处于 01之间。Ma>1时，普通调幅波的包络变化与调制信号不再相同，会产生失真，称为 过调幅现象。所以，普通调幅要求 Ma必须不大于1。图2-1.2所示为产生失真 时的波形。图2-1.2过调时的波形b.常规双边带调制(AM是指用调制信号去

21、控制载波的振幅，使载波的幅度 按调制信号的变化规律而变化。其时域表达式为：SAM(t) Ao m(t)coswct根据时域表达式可以画出其调制电路的设计框图，m(t)图2-2.1整体的原理图图中的相乘器一般都是采用集成模拟乘法器来实现， 集成模拟乘法器的常见 产品有 BG314 F159S F159& MC1595 MC1496 MC1495 LM1595 LM1596等。 其中MC1496t匕较常见，性能稳定。3 .系统设计(1) 对传输信号进行调制的原因根据电磁波理论，天线尺寸大于信号波长的十分之一，信号才能有效发射。如声音信号的频率范围为0.1 6 kHz。设f=1kHz,入=C

22、/?=3X 108/103=3X105 (mj),显然，低频信号直接发射是不现实的。(2) 调制调制(Modulation)将低频信号装载于高频信号(3)调制的方式调幅AM险波)、调频FM解频)、调相PM(1相)(4)信息传输系统低频电信号输入信息输入变换器J发送设备 已调缶号 信道第24页已调信号埴出信息 输出变换器 出频电信号一 接收设备LI4 .各个模块设计 (1)MC1496模拟乘法器a.因为Multisim 元件库中没有模拟乘法器 MC1496所以首先画出 MC1496模拟乘法器 的内部电路图然后进行封装。首先在菜单中选择放置，在下拉菜单中选择新建子电路。b.将子电路名称改为 MC1

23、496，并画出MC1496电路如下图。图MC1496电路连接图C.完成封装和管脚位置XI1012- 102101 f a 4-ft5 ' ,- 103I0L4n7MCZL496d.利用封装完成的MC149(H出调幅电路图并得到仿真图形调幅用低频信号去改变高频信号的幅度，称为调幅。经调幅后的高频信号称调幅 信号，把没有调幅的等幅高频信号称为载波信号，它是运载低频信号的工具。采用模拟乘法器构成的调幅电路如下所示。 调幅系数表示载波受低频信号控制的程度，为了不产生调幅失真，要求 UY4UQ mi% =U固定的直流电源低频波信号高领信号调幅系数调幅电路原理图yq 14心。9, 74 = Kux

24、HyH = A(f VQ +0，H eUM吗，=KI yQ(1+0semW<rI NQ=A"+ R <os°r)cos 的J5 .系统调试与性能分析仿真电路本次设计仿真电路如图5-1所示:图5-1幅度调制电路仿真图(2)仿真运行结果图5-2示波器的显示结果(3)调试结果如仿真结果所示，设计电路，计算出合适的参数，各工作电压在正常值范围,显示出调制的波形，电路设计达到基本要求。6 .设计过程中遇到的问题及解决方法在仿真的过程中，由于 Multisim 元件库中没有模拟乘法器 MC1496所以首 先画出MC1496真拟乘法器的内部电路图然后进行封装。封装后发现管脚的

25、位置 和设计电路中的管脚位置不一致，为了使电路更简化美观，把管脚位置进行改变。 改变过程中，对于管脚的移动费了很大的功夫。紧接着连接电路，然后进行调试。 在调试的过程中，波形往往不对，在老师和同学的帮助下，发现是乘法器的内部 电路有一点是连接错误的，改正过后，出现了正确的波形。7 .设计体会在这个设计当中，我了解了集成模拟乘法器的基本工作原理、 分类、特性等, 在巩固高频知识的同时也扩展了相关知识。 温故而知新，本次设计使我重温了一 次幅度调制，并且掌握了用集成模拟乘法器设计幅度调制的方法。止匕外，我又了 解了集成模拟乘法器的其他功能。课程设计四调频发射1 .任务和设计要求(1)设计任务次课程

26、设计中采用了 Multisim仿真软件对调频发射进行设计及绘制，并模 拟仿真。从理论上对电路进行了分析。 选择合适的预案器件，设计出满足要求的 能够实现语音信号的无线发射，并用频率计显示频率。(2)设计要求a.载波频率88-108MHz之间，用收音机FM段接收；b.其中Mic用一个300mV频率为1kHz的信号源代替，CK为耳机插孔可以 不要，开关都可以用导线代替，9018用二极管2N3390代替；c.根据自己设定的频率和所给电容值算出电感 L的值得大小。2 .设计原理这种调频话筒的调频原理是通过改变三极管的基极和发射极之间电容来实现调频的，当声音电压信号加到三极管的基极上时， 三极管的基极和

27、发射极之间 电容会随着声音电压信号大小发生同步的变化， 同时使三极管的发射频率发生变 化，实现频率调制。无线话筒相当于一个无线调频发射机。 它主要包括限幅电路，振荡器，选频 网络，电源，还有天线发射几部分，则其系统结构框图如图2-1所示：图2-1系统结构框图3 .系统设计话筒先将声音信号变成音频电信号，这个电信号会去调制电子振荡器产生的 高频信号，最后，高频信号通过天线发射到空中。我们将发射频率设计在FM收音机波段，可以配合任何FM收音机接收到该高频信号，并从该高频信号还原出 声音信号，从而完成接收声音信号的功能。整体电路如图 3-1所示；K3 10K4图3-1 整体电路原理图其中CK是外部信

28、号输出插座，可以将电视机耳机插座或者随身听耳机插座等外部声音信号源通过专用的连接线引入调频发射机，外部声音信号通过R1衰减和D1、D2限幅后送到三极管基极进行频率调制。一个调频信号发射机，载波 振荡(即俗称本振)模块更是必不可少的，根据电磁场理论可以知道，通过天线 发射的信号需要与天线匹配，即天线的长度要大于信号波长的四分之一。而音频信号的频带是20Hz至20kHz,对应的波长范围是 15至15000km制造出巨大的 天线是不合适的，所以我们需要一个高频载波来将我们的音频信息“装载”上去，再进行发送。4 .各个模块设计(1)阻抗匹配模块话筒MIC可以采集外界的声音信号，这里我们用的是驻极体小话

29、筒，灵敏度 非常高，可以采集微弱的声音，同时这种话筒工作时必须要有直流偏压才能工作， 电阻R3可以提供一定的直流偏压，R3的阻值越大，话筒采集声音的灵敏度越弱， 电阻越小话筒的灵敏度越高，话筒采集到的交流声音信号通过 C2耦合和R2匹配 后送到三极管的基极，即R2和C2完成阻抗匹配。其模块图如图4-1所示C11uF 2I图4-1阻抗匹配模块图(2)限幅电路模块电路中D1和D2两个二极管反向并联，主要起一个双向限幅的功能，二极管 的导通电压只有0.7V,如果信号电压超过0.7V就会被二极管导通分流，这样可 以确保声音信号的幅度可以限制在正负0.7V之间，过强的声音信号会使三极管过调制，产生声音失

30、真甚至无法正常工作。其模块图如图4-2所示：图4-2限幅电路模块图(3)振荡器模块高频三极管V1和电容L、C5 C6组成一个电容三点式的高频振荡器。在这 里音频放大采取的是基本的三极管的放大。 R4是V1的基极偏置电阻，给三极管 提供一定的基极电流，使三极管 V1工作在放大区，达到最好的放大效果；R5是 直流反馈电阻，起到稳定三极管工作点的作用。这个模块是对所收集到的音频信号进行无失真地放大，为下面的调制做准 备。因为在自然环境中，由于诸多因素，所收集到的声音(即音频信号)都经过 了很多的干扰，因此其所携带的能量都是很微弱的，为了使其能够正常的进入调 制模块来与本振进行调制，需要将其音频信号来进行适当的放大来达到相关匹 配。另一方面，这个无线话筒也是一个调频发射机， 发出的信号又要经过大自然 的无数干扰才会得到接收，若原始信号的能量就不够强烈，那么接收端的信号就 无从谈起了。所以只有对其原始的音频信号进行充分放大，达到相应要求之后， 再发射出去，接收端才能够正常进行解调恢复原始的音频信号。具模块图如图 4-3所示：C4&2pF3N3390图4-3振荡器模块