洛阳理工学院高频电子线路课程设计报告

洛阳理工学院计算机与信息工程学院2014届通信工程课程设计报告 计算机与信息工程学院《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2016年12月23日指导教师评语：成绩：批阅教师签名：批阅时间：目录一、前言 2二、软件Multisim的介绍 3三、高频正弦波振荡器 43.1高频正弦波振荡器任务和设计要求 43.2高频正弦波振荡器设计原理 53.3高频振荡器设计图在Multisim平台下的仿真 6四、混频器 84.1混频器实验任务和设计要求 84.2混频器在Multisim平台下仿真结果 94.3模拟乘法器混频电路 11五、调频发射 125.1调频发射任务与设计要求 125.2调频电路设计原理 135.3调频发射在Multisim平台下的仿真结果 14六、设计总结 15七、参考文献 15

一、前言电学的发展始于18世纪晚期至19世纪早期，在以发明者伏特命名的伏特电池出现以后，开始有了直流电路。不就即出现了低频交流电路，它利用法拉第感应定律所制造的发电机与变压器，可以更有效地产生与传输交流电能。以后经过斯坦因麦兹、爱迪生、西门子和特斯拉等科学家的卓越工作，电力的产生与输配电工程发展十分迅速，成为人类生活不可或缺的极重要的组成部分。在此基础上，利用电能来传输信息，就成为人类追求的另一个目标。从发明无线电开始，传输信息就是无线电技术的首要任务。直到今天，虽然无线电电子学技术领域在迅速扩大，但信息的传输与处理仍然是它的主要内容。高频电子线路所涉及的单元电路都是从传输与处理信息这一基本点出发来进行研究的。要完成无线电通信，首先必须要产生高频率的载波电流，然后设法将电报或电话信号加到载波上去。在无线电技术中采用振荡器来产生高频电流，振荡器可以看做是将直流电能转变为交流电能的换能器，振荡器是无线电发送设备的基本单元，为了发送电报信号，可以加一个电键来控制振荡器的直流电源，即可得到无线电报发射机。电源接通时，振荡器产生高频电流，电源断开后，振荡器没有高频电流输出，这样就得到高频电流波形。高频电流送至发射天线，转变为电磁波发出，电磁波中包含了所要传送的电报信号。高频部分一般包括主振荡器、缓冲发大器、倍频器、中间放大器、功放推动级与末级功放。主振器的作用是产生频率稳定的载波。为了提高频率稳定度，主振级往往采用石英晶体振荡器，并在它后面加有缓冲级，以削弱后级对主振器的影响。如果载波的频率较高，则由于晶体频率一般不能太高，因而在缓冲级之后还需加若干级放大器，以逐步提高输出功率，最后经过功放推动级将功率提高到能推动末级功放的电平。末级功放则将输出功率提高到所需的发射功率电平，经过发射天线辐射出去。低频部分包括话筒、低频电压放大级、低频功率放大级与末级低频功率放大级。低频信号通过逐级放大，在末级功放处获得所需要的功率电平，以便对高频末级功率放大器进行调制。因此，末级低频功率放大级也叫调制器，末级高频功率放大级则称为受调放大器。本次高频课程设计的题目如下：高频正弦波振荡器、混频器、调频发射。二、软件Multisim的介绍Multisim是加拿大图像交互技术公司（InteractiveImageTechnoligics简称IIT公司)推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。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。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。Multisim被美国NI公司收购以后，其性能得到了极大的提升。最大的改变就是：Multisim9与LABVIEW8的完美结合：新特点：（1）可以根据自己的需求制造出真正属于自己的仪器；（2）所有的虚拟信号都可以通过计算机输出到实际的硬件电路上;（3）所有硬件电路产生的结果都可以输回到计算机中进行处理和分析。仿真的内容：1．器件建模及仿真；2．电路的构建及仿真；3．系统的组成及仿真；4．仪表仪器原理及制造仿真。器件建模及仿真：可以建模及仿真的器件：模拟器件（二极管，三极管，功率管等）；数字器件（74系列，COMS系列，PLD，CPLD等）；FPGA器件。电路的构建及仿真：单元电路、功能电路、单片机硬件电路的构建及相应软件调试的仿真。系统的组成及仿真：Commsim是一个理想的通信系统的教学软件。它很适用于如‘信号与系统’、‘通信’、‘网络’等课程，难度适合从一般介绍到高级。使学生学的更快并且掌握的更多。Commsim含有200多个通用通信和数学模块，包含工业中的大部分编码器，调制器，滤波器，信号源，信道等，Commsim中的模块和通常通信技术中的很一致，这可以确保你的学生学会当今所有最重要的通信技术。要观察仿真的结果，你可以有多种选择：时域，频域，XY图，对数坐标，比特误码率，眼图和功率谱。三、高频正弦波振荡器3.1高频正弦波振荡器任务和设计要求1、设计一个高频正弦波振荡器，要求振荡频率为5MHz,相对准确率≤2‰。用Multisim画出电路图并进行仿真，并用示波器和频率计得到仿真结果。写出课设报告。高频正弦波振荡器参考电路如下图1所示。图1高频正弦波振荡器参考电路上图1值得注意的是图中三极管为9018（Multisim库中可用2N2369或2N3390替换）0.01μF电容为10nF，示波器和频率计加在RL两端。3.2高频正弦波振荡器设计原理振荡器(oscillaor)是不需外信号激励、自身将直流电能转换为交流电能的装置。凡是可以完成这一目的的装置都可以作为振荡器。例如，无线电发明初期所用的火花发射机、电弧发生器等，都是振荡器。但是用电子管、晶体管等器件与L、C、R等元件组成的振荡器则完全取代了以往所有产生振荡的方法，因为它有如下优点：（1）它将直流电能转变为交流电能，而本身静止不动，不需作机械转动或移动。如果用高频交流发电机，则其旋转速度必须很高，最高频率也只能达50kHz，但却需要很坚实的机械构造。（2）它产生的是“等幅振荡”，而火花发射机等产生的是“阻尼振荡”。（3）使用方便，灵活性很大，它的功率可自毫瓦级至几百千瓦，工作频率则可自极低频率(例如每分钟几个周波)至微波波段。一个振荡器必须包括三部分：放大器、正反馈电路和选频网络。放大器能对振荡器输入端所加的输入信号予以放大使输出信号保持恒定的数值。正反馈电路保证向振荡器输入端提供的反馈信号是相位相同的，只有这样才能使振荡维持下去。选频网络则只允许某个特定频率能通过，使振荡器产生单一频率的输出。振荡器能不能振荡起来并维持稳定的输出是由以下两个条件决定的；一个是反馈电压和输入电压要相等，这是振幅平衡条件。二是和必须相位相同，这是相位平衡条件，也就是说必须保证是正反馈。一般情况下，振幅平衡条件往往容易做到，所以在判断一个振荡电路能否振荡，主要是看它的相位平衡条件是否成立。振荡器的用途十分广泛，它是无线电发送设备的心脏部分，也是超外差式接收机的主要部分各种电子测试仪器如信号发生器、数字式频率计等，其核心部分都离不开正弦波振荡器。功率振荡器在工业方面(例如感应加热、介质加热等)的用途也日益广阔。振荡器通常工作于丙类，因此它的工作状态是非线性的。严格的分析应该用非线性理论，这是很困难的。为了避免这一困难，本章将振荡器用甲类线性工作来分析。这样所得的结论虽不完全符合实际情况，但可以获得与实际工作近似的情况，易于理解。电子振荡器的输出波形可以是正弦波，也可以是非正弦波，视电子器件的工作状态及所用的电路元件如何组合而定。本章只讨论正弦波振荡器。正弦波是电子技术、通信和电子测量等领域中应用最广泛的波形之一。能够产生正弦波的电路称为正弦波振荡器。通常，按工作原理的不同，正弦振荡器分为反馈型和负载型两种，前者应用更为广泛。在没有外加输入信号的条件下，电路自动将直流电源提供的能量转换为具有一定频率、一定波形和一定振幅的交变振荡信号输出。

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。所谓产生振荡是指这时放大器不需要外加激励信号，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特性的有源器件直接与谐振电路相接，产生振荡。3.3高频振荡器设计图在Multisim平台下的仿真图2高频振荡器仿真电路其频率计示数及示波器波形如下图3、图4所示。图3高频正弦波振荡器频率计示数图4高频正弦波振荡器波形图四、混频器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。4.1混频器实验任务和设计要求本实验电路为AM调幅收音机的晶体管混频电路，它由晶体管、输入信号源V1、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。图5混频器设计电路在Multisim平台下的仿真图对上图5的分析分为两点，一个是对电路特点的分析，一个是对工作原理的分析。电路特点：（1）输入回路工作在输入信号的载波频率上，而输出回路则工作在中频频率（即LC选频回路的固有谐振频率fi）。（2）输入信号幅度很小，在在输入信号的动态范围内，晶体管近似为线性工作。（3）本振信号与基极偏压Eb共同构成时变工作点。由于晶体管工作在线性时变状态，存在随UL周期变化的时变跨导gm(t)。工作原理：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=50~200mV，IEQ=0.3~1mA，而且，此时对应混频器噪声系数最小。4.2混频器在Multisim平台下仿真结果图6混频器仿真频率计示数图7混频器仿真示波器波形图对上图6、图7的分析从以下两点出发：直流工作点分析和混频器输出信号的傅里叶分析。1、直流工作点分析使用仿真软件中的“直流工作点分析”，测试放大器的静态直流工作点。注：“直流工作点分析”仿真时，要将V1去掉，否则得不到正确结果。因为V1与晶体管基极之间无隔直流回路，晶体管的基极工作点受V1影响。若在V1与Q1之间有隔直流电容，则仿真时可不考虑V1的存在。2、混频器输出信号“傅里叶分析”选取电路节点8作为输出端，对输出信号进行“傅里叶分析”.请对测试结果进行分析。在图中指出465KHz中频信号频谱点及其它谐波成分。注：傅里叶分析参数选取原则：频谱横坐标有效范围=基频×谐波数，所以这里须进行简单估算，确定各参数取值。值得注意的是，混频器仿真电路图在开始的时候是一个类似于AM波的图形，但在几秒钟以后就变成正弦波，这样的结果才是正确的波形。4.3模拟乘法器混频电路模拟乘法器能够实现两个信号相乘，在其输出中会出现混频所要求的差频（ωL-ωC），然后利用滤波器取出该频率分量，即完成混频。与晶体管混频器相比，模拟乘法器混频的优点是：输出电流频谱较纯，可以减少接收系统的干扰；允许动态范围较大的信号输入，有利于减少交调、互调干扰。混频器的混频输入输出波形测试原理图如下图8所示。图8模拟乘法器混频电路原理图在仿真软件中构建如上图8模拟乘法器混频电路，启动仿真，观察示波器显示波形，分析实验结果。模拟乘法器混频电路在Multisim平台下的仿真如下图9所示。图9模拟乘法器仿真电路其示波器显示图形如下图10所示。图10模拟乘法器仿真示波器波形五、调频发射5.1调频发射任务与设计要求发射频率在88~108MHz之间（在我们收音机FM频段里）的无线调频发射电路图如下图17所示。图11调频发射原理图本次课程设计的要求有以下三点：1、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、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2N2222代替。3、用Multisim进行仿真并得到仿真结果。5.2调频电路设计原理图12高频电路设计仿真图对上图12的分析如下：上图就是调频无线话筒的电路图，电路非常简洁，没有多余的器件。高频三极管V1和电容C4、C5、C6组成一个电容三点式的振荡器，对于初学者我们暂时不要去琢磨电容三点式的具体工作原理，我们只要知道这种电路结构就是一个高频振荡器就可以。三极管集电极的负载C4、L组成一个谐振器，谐振频率就是调频话筒的发射频率，根据图中元件的参数发射频率可以在88～108MHz之间，正好覆盖调频收音机的接收频率，通过调整L的数值（拉伸或者压缩线圈L）可以方便地改变发射频率，避开调频电台。发射信号通过C7耦合到天线上再发射出去。R4是V1的基极偏置电阻，给三极管提供一定的基极电流，使V1工作在放大区，R5是直流反馈电阻，起到稳定三极管工作点的作用。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。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，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，产生声音失真甚至无法正常工作。特别值得注意的是：C1，C2是极性电容。C3,C6,C8是瓷片电容