兰州理工大学二极管单平衡调幅器课程设计

1、*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设计题目： 基于二极管单平衡调幅的调幅发射系统整机电路设计班级：通信工程12级（2）班姓名： 董美玲设计质量（30分）：学号： 学250217说明书质量（10分）： 同组成员：陈其斌 朱邵科王志侠杨国凤指导教师：郑玉峰兰州理工大学课程设计报告摘要调幅发射机的主要任务是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 频率上具有一定宽度、适合通过天线发射的电磁波。振幅调制就是由调制信号去控制载波的 振幅，使之按调制信号的规律变化，严格地讲， 是使高频振荡的振幅与调制信号呈线性关系, 其他参数（频率和相位）不变

2、。本设计的发射机包括高频部分、低频部分、电源部分三个模 块。低频信号采用音频放大器对调制信号进行放大，以便对高频末级功率放大器进行调制； 高频部分主要包括主振荡器、缓冲放大、末级功放三部分，主振器采用采用频率稳定度高的 差分对管振荡器，并在它后面加上缓冲级，以消弱后级对主振器的影响，经过音频放大后的 信号在高频部分的末级功放实现对载波信号的调幅。关键词调幅发射机兰州理工大学课程设计报告目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 一、前言 1 HYPERLINK l bookmark22 o Current Documen

3、t 二、系统总述 1 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 总体设计框图 1 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 总体设计方案 2 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 三、设计指标 2 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 单元电路设计及仿真 3 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 调幅发射系统整机电路设计 3 HYPERLINK l bookmark40 o

4、Current Document 高频实验平台整机联调 3 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 四、单元电路设计与仿真 3 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 串联型晶体振荡器 3 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 二极管单平衡调制器 5 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 双差分对乘积型混频电路 6 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 二倍频倍频电路 6

5、 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 丙类谐振功率放大器 10 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 五、整机电路设计图 12六、高频实验平台整机联调 错误！未定义书签。 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 七、设计总结 13 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 八、参考文献 14 HYPERLINK l bookmark88 o Current Document 附件一：元器件明细表 15兰州理工大学课程

6、设计报告、前言通信系统中的发送设备是将信息发送者送来的非电量原始信息（信源）如语音、文字和 图像等转变成电信号，再把信号处理成适合于信道传输的信号形式送至信道。信源信号在通 信系统中称为基带信号。基带信号是频谱在零频附近的宽带信号，这种信号一般具有从零频 开始的较宽的频谱，而且在频谱的低端分布较大的能量，所以称为基带信号，这种信号不宜 直接在信道中传输。如果将消息信号对频率较高的载波进行调制，就能使信号的频谱搬移到 适合信道的频率范围内进行传输。例如声音基带信号的频率范围是20Hz20kHz,这样的基带信号是不能在无线信道上传输的。即使在某些可以传输直流的有限信道上，为了提高信道 的通信容量，

7、基带信号的传输方式也很少采用。一般是用基带信号去改变某个高频正弦电压（载波）的参数，使载波的振幅、频率或相 位随基带信号而变化，这一过程称为调制。在通信系统中，调制有三个主要作用：1调制的过程就是一个频谱搬移的过程，将原来 不适宜传输的基带信号频谱搬移到适宜传输的某一个频段上，然后传输至信道；2调制的另一个重要作用是实现信道复用，即把多个信号分别安排在不同的频段上同时进行传输，以提 高信道容量；3调制可以提高通信系统抗干扰的能力，例如将信号频率搬移，从而离开某一 特定干扰频率。对不同的信道，根据经济技术等因素，可以采用不同的调制方式。以模拟信 号为调制信号，对连续的正（余）弦载波进行调制，亦即

8、载波的参数随着调制信号的作用而 变化，这种调制方式称为模拟调制。而所谓振幅调制就是由调制信号去控制载波的振幅，使之按调制信号的规律变化，严格 地讲，是使高频振荡的振幅与调制信号呈线性关系，其他参数（频率和相位）不变，这是使 高频振荡的振幅载有消息的调制方式。调幅发射机目前正广泛应用于无线电广播系统中，本次课程设计完成了小信号调幅发射 机从设计到仿真调试的完整设计工作。二、系统总述总体设计框图图1调幅发射整体原理框图1兰州理工大学课程设计报告本振1:产生频率为5MHz勺载波信号倍频器：产生频率为15MHz勺载波高频放大器：将高频信号放大到调制器所需电压低频输入：输入低频信号用于调制低频放大器：将

9、低频信号放大到调制器所需电压幅度调制器：将低频信号调制到载波上产生调幅信号混频器和带通滤波器：将高频信号频率搬移到更高的频率功率放大器：对载频信号的功率放大到所需发射功率总体设计方案根据设计要求，选用最基本的发射机结构，由主振、倍频、调制、混频及功放五部分构 成。由于晶体稳定性好，Q值很高，频率稳定度也很高。因此，主振级采用晶体振荡器，满 足所需的频率稳定度。利用丙类功率放大器的原理设计三倍频电路，用于产生所需频率载波。为了有效抑制载波，选用二极管双平衡调制方式完成调幅过程。为了有效地发射信号，运用 混频器、带通滤波器和丙类功率放大器产生具有所需发射功率的信号。整机电路工作原理发射机的主要任务

10、是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。调幅发射机的基本工作原理为：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；话音放大电路将低频信号（例如语音 信号）放大至足够的电压送到振幅调制电路，其输出也送至调制器；调制器输出是已经调幅 的中频信号，该信号经中频放大后与第二本振信号混频；第二本振是一频率可变的信号源， 选第二本振频率fo2是发射载频foc与第一本振fol之差，混频器输出经带通或低通滤波器 滤波，使输出载频foc=fo2+fo1;功率放大器将载频信号的功率放大到所需发射功率，然后经 天线输出。三、设计指标完成

11、调幅发射系统各单元电路的设计及仿真， 并利用multisim开发软件完成整机电路的 调试。设计任务及主要技术指标和要求如下：工作频率范围：调幅制一般适用于中、短波广播通信，其工作频率范围为300kHz30MHz 发射功率：一般是指发射机送到天线上的功率。只有当天线的长度与发射频率的波长可 比拟时，天线才能有效地把载波发射出去。2兰州理工大学课程设计报告调幅系数：调幅系数ma是调制信号控制载波电压振幅变化的系数，ma的取值范围为01, 通常以百分数的形式表示，即 0%100%非线性失真（包络失真）：调制器的调制特性不能跟调制电压线性变化而引起已调波的包络失真为调幅发射机的非线性失真，一般要求小于

12、10%线性失真：保持调制电压振幅不变，改变调制频率引起的调幅度特性变化称为线性失真，噪声电平：噪声电平是指没有调制信号时，由噪声产生的调制度与信号最大时间的调幅度比，广播发射机的噪声电平要求小于 0.1%, 一般通信机的噪声电平要求小于 1%单元电路设计及仿真1）设计串联型晶体振荡器电路2）二极管单平衡调幅电路3）设计双差分对乘积型混频电路4）设计二倍频倍频电路5）设计丙类谐振功率放大电路调幅发射系统整机电路设计工作频率f=15MHz,发射功率P0=100mW调幅度m=90%整机效率大于40%高频实验平台整机联调四、单元电路设计与仿真串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器电路如图2所示X1|卜#R3

13、 HCV9JU 1.5MHz0.8QXSCl图2串联型晶体振荡器电路图振荡器是无线电发射的心脏部分高频振荡器的主要作用是产生频率稳定的载波，它的频率叫做载频。由于晶体稳定性好， Q值高，故频率稳定度也高。因此，主振级 （高频振荡器）兰州理工大学课程设计报告采用晶体振荡器，满足所需的频率稳定度。频率稳定度是振荡器的一项十分重要的技术指标，表示一定时间范围内或一定的温度、 湿度、电源电压等变化范围内振荡频率的相对变化程度，振荡频率的相对变化量越小，则表 明振荡频率稳定度越高。改善频率稳定度，从根本上来说就是力求减少振荡频率受温度等外界因素影响的程度， 振荡回路是决定振荡频率的主要部件。因此，改善振

14、荡频率稳定度的最重要措施是提高振荡 回路在外界因素变化时保持谐振频率不变的能力。这就是通常所谓的提高振荡回路标准性。 晶体振荡器实际上是压电效应振荡器，石英晶体做谐振材料可以满足温度系数小何低噪声的 要求。串联型晶振利用晶体振荡器在其串联谐振条件处呈现低阻，一旦偏离串联谐振条件处，等效 电阻急剧增大的特点，把它接在反馈支路中。同时，串联型晶体的振荡频率就是晶体谐振器 的串联谐振频率。这种电路的特点是把石英谐振器作为串联谐振电路使用。L1、C1和C2组成的振荡回路调谐于晶体JT的FB处，在此频率上，晶体呈现很低阻抗，反馈信号很强，振 荡电路在FA上细胞质振荡。对于其他频率，由于晶体的阻抗迅速增加

15、，反馈减弱，不能产生 振荡。所以，振荡频率由晶体控制，稳定性高。晶体置于由两级共发放大器组成的正反馈电 路，可构成适于低频的串联晶体振荡电路。串联型晶体振荡器的输出波形如图 3所示S图I3-T1 ,T1T2T2-4兰州理工大学课程设计报告图3串联型晶体振荡器的仿真图二极管单平衡调制器一平衡调制器有一对二极管，多个包括有一个平衡一不平衡的转换器的图形线，图形线 分别包含有朝前延伸并连接于二极管的线，至少一组容性短截线设置为靠近于线并且彼此问 隔入/8的距离（入为所用频率的波长），容性短截线可通过连接金属线与图形线连接用于 调整隔离。一种平衡调制器，其特征在于它包含有：一对二极管；多根图 形线，它

16、包括有一 平衡-不平衡变换器，所说的图形线包含有 分别延伸并连接于所说的二极管的线； 至少一组 容性短截线设 置靠近所说的图形线，且彼此被间隔成人/8的距离（入是所 用频率的波长）， 所说的容性短截线是可通过连接金属线与所说的图形线连接，用于隔离调整。XSC1V3 V4IV2 7 niv35.35mVpkUJ vk（）707Vpk 那（% 100kHz 0Wo*T021k5%R2一一一1BH62图4二极管单平衡调幅电路兰州理工大学课程设计报告图5二极管单平衡调幅电路仿真波形双差分对乘积型混频电路本课程设计的振幅调制电路为 双差分乘法器调制电路，将载波和调制信号作为输入，得 到的输出信号为以调波

17、，这种电路称为调制器。平衡调制器产生抑制载波的双边带（ DSB 信号或单边带（SSB信号，在通信系统中得到了广泛应用。乘法器电路及仿真如下：兰州理工大学课程设计报告XSCL图9双差分乘法器混频电路图图10双差分乘法器混频电路仿真图兰州理工大学课程设计报告本图为典型的双差分对构成的乘法器电路， 其中Q1, Q2构成了一对差分放大器，载波通 过Q3放大从集电极输入，调制信号通过差分对的基极放大对载波进行乘法运算，但条件是 Q1Q2S处于其微导通的非线性区域中，这就对输入的调制信号做出了要求，因三极管在常温 下的温度当量为26mV因而只有当调制信号小于这个数值的时候差分对才会工作在非线性区 域，才会

18、使差分对基极的信号与集电极的信号作乘法运算。二倍频倍频电路本课程设计的倍频电路是三极管倍频电路，用于将输入信号频率成倍增加的电路，它主 要用于甚高频无线电发射机或其他电子设备。由于振荡其频率愈高稳定性愈差，一般采用频 率较低的振荡器，以后加若干级倍频器达到所需频率。利用非线性电路产生高次谐波或者利用频率控制回路都可以构成倍频器。倍频器也可由 一个压控振荡器和控制环路构成。它的控制电路产生一控制电压，使压控振荡器的振荡频率 严格地锁定在输入频率fl的倍乘值f0=nf1上。倍频器有晶体管倍频器、变容二极管倍频器、阶跃恢复二极管倍频器等。用其他非线性 电阻、电感和电容也能构成倍频器，如铁氧体倍频器等

19、。非线性电阻构成的倍频器，倍频噪 声较大。这是因为非线性变换过程中产生的大量谐波使输出信号相位不稳定而引起的。倍频 次数越高，倍频噪声就越大，使倍频器的应用受到限制。在要求倍频噪声较小的设备中，可 采用根据锁相环原理构成的锁相环倍频器和同步倍频器。但是，这类倍频器线路比较复杂， 倍频次数一般不太高，而且还可能出现相位失锁等问题。微波振荡器的频率稳定度不太图,在几十兆赫至百兆赫的晶体振荡器后面加上一级局次 倍频器，可以获得具有晶振频率稳定度的微波振荡。另外，多级倍频器级联起来，可以使倍 频次数大大提高。例如，二倍频器和三倍频器级联可产生六次倍频，m级N倍频器级联，总倍频次数为Nm不过，倍频级数增

20、加，倍频噪声也加大，故倍频上限仍受到限制。本设计采用的是二极管倍频器，这种倍频器的电路与调谐放大器相似，但晶体管工作点 通常置于伏安特性的截止区，输出回路则调谐在输入频率的n次谐波上。由于晶体管仅在输入电压正半周的部分时间内导通，具集电极电流为一含有输入信号基频和各次谐波的脉动电 流。利用调谐于f0=nf1的回路的选频作用，倍频器即可输出所需频率。为使输出信号幅度足 够大，这种倍频器的倍频次数较低，一般 n=35。n增大输出幅度将显著减小。这种倍频器 的优点具有一定功率增益。三极管倍频电路如图11所示:兰州理工大学课程设计报告C1TOJpFxroiL5BC107BP.6Q L4为高频扼流圈，为

21、直流通路，阻止交流通过； L1、C5和L2、C4谐振与不需要的谐振频率，对不需要的频率分量相当于短路，滤除掉，C2、L3谐振于信号的5倍频处，对5倍兰州理工大学课程设计报告频率有阻抗，从而选出其2倍频分量。丙类谐振功率放大器功率放大器用于高效率地供给负载足够大的信号功率，其依靠激励信号对放大管电流的 控制，起到把集电极电源的直流功率变换成负载回路的交流功率的作用。在同样的直流功率 的条件下，转换效率越高，输出的交流功率越大。图 4.5.1为丙类谐振功率放大电路原理图。 它的特点是放大器工作于丙类状态，晶体管发射结为负偏置，流过晶体管的电流为失真的脉 冲波形，负载为谐振回路。谐振回路要确保从电流

22、脉冲中取出基波分量，获得正弦电压，还 要实现放大器的阻抗匹配。电路输出功率为 100mW导通角为70%后级采用变压器耦合，通 过天线将信号发射出去。功率放大器主要有甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电路）、丙类功 放，根据功放的输出功率和效率来确定选择哪一种。采用低电平调幅电路的系统，由于调制 器输出信号为调幅波，其后的功率放大器必须是线性的（如甲类、甲乙类或乙类功放）；而采用高电平调幅电路的 系统，则在末级直接产生达到输出功率要求的调幅波，多以丙类放大器作为此时的末级电路。高频功率放大器是调幅发射机的末级，它的任务是要给出发射机所需要的输出功率。本设计 研究的是调幅发射系统，通常采用丙类功率放大器

23、，如果一级不能满足指标要求，可以选用 两级。一般末级功率放大器工作在临界状态，中间级可以工作在弱过压状态。丙类功率放大电路如图12所示：图13丙类放大器原理图10兰州理工大学课程设计报告图14丙类放大器仿真效果图丙类功率放大器的工作状态：人们根据是否进入器件的截止区，以及进入截止区的深入程度，把放大电路分为甲类、乙 类、甲乙类和丙类四中工作状态。在丙类放大器中，有时需要进入晶体管的饱和区，以获得 期望结果。因此，又根据是否进入器件的饱和区，以及进入饱和区的深入程度，把丙类放大 器分为欠压、临界和过压三种工作状态。由分析得知，丙类放大器的器件是否进入饱和区与电源电压、 基极偏置电压、输入新年好

24、幅度以及负载电阻有关，当它们取不同数值时，可使丙类放大器工作于不同状态。当输入信号幅度较小时，信号的动态范围局限在截止区与放大区， 集电极电流为较小的 尖顶余弦脉冲，通常称这种工作状态为欠压状态。 随着输入信号幅度的增大，尖顶余弦脉冲的 幅度也在增大，当输入信号幅度增大到饱和区边缘时，尖顶余弦脉冲的幅度达到最大值,称这 时丙类放大器工作于临界状态。如果继续增大输入信号幅度，将使信号的动态范围进入饱和 区，此时得到的集电极电流的波形，将出现下凹， 产生严重失真，这是由于输入信号幅度过大 引起的，在饱和乃至深饱和情况下，基极电流变大，基极注入的空穴与发射极进入基区的电子11兰州理工大学课程设计报告

25、大量复合，使集电极收集到的电子减少，这种状态称为过压状态.五、整机电路设计图品振级与缓冲级联调时缓冲级输出电压明显减小或波形失真的情况。产生的主要原因是 缓冲级的输入阻抗不够大，使晶振级负载加重。这可通过减小C3,即减小晶振级与缓冲级的耦合来实现。本机振荡级、缓冲级、话语放大级以及调制级联调时，往往会出现过调幅现象。产生的 原因可能是经射级跟随器输出的本振电压v0偏小或者是话音放大级输出的调制电压 vQ过大。可以调节使v0=100150mV并测量调制器输出的波形。调整话音放大级增益，以满足调 幅度ma=90%J技术指标要求。功率激励级与功率放大级联调时，往往会出现低频调试、高频自激、输出功率小、波形 失真大等现象。产生的原因可能是级间通过电源产生申扰或是甲类功放与丙类功放的阻抗不 匹配，级间相互影响。这可在每一级单元电路的电源上加低、高频去耦电路，以消除来自电 源的用