中南大学基于Multisim的FM调频电路设计报告(终极)

.PAGE6....课程设计报告题目：基于Multisim的FM调频电路设计学生__学生__系别：信息科学与工程学院专业：通信届别：2013届指导目录目录1课程设计的任务与要求31.1课程设计的任务31.2课程设计的要求31.3课程设计的研究基础32基于变容二极管的FM调制系统方案制定42.1方案提出42.2方案论证5调频的概念5变容二极管直接调频电路工作原理63实现FM调频的原理框图124实验结果与分析124.1调频仿真124.2误差分析和单元电路测试：144.3实验结果：155实验特点与实验思考176总结17附录一参考文献18附录二元件清单19..1课程设计的任务与要求1.1课程设计的任务通过本次课程设计,掌握通信电子电路中利用变容二极管进行FM调制的方法。在硬件电路上采用变容二极管进行直接调频和基于Mulitisim软件进行仿真和测试,并进行分析。1.2课程设计的要求本课程设计主要研究FM调制系统的理论设计和基于Mulitisim软件仿真。<1>设计要求：用变容二极管设计一FM调频电路,其中变容二极管两端电压Vq=4V时,Cq=75pF,Q处的斜率为12.5pF/V。<2>主要技术指标：中心频率10.7MHz调制信号：1KHz,频偏：20KHz1.3课程设计的研究基础《通信电子电路》中第七章的主要学习内容是,无线电通信系统中发射和接收设备中单元电路的形式及工作原理等。在无线电发射机中,如果需要发射低频调制信号〔如由语音信号转换而来的电信号,都要经过调制才能进行发送传输。所谓调制是指用低频调制信号去改变高频振荡波,使其随低频调制信号的变化规律〔幅度、频率或相位相应变化的过程。由这些经过调制后的已调波携带低频信号的信息到空间进行传输,完成信号的发射。从频谱的角度来看,调制是将低频调制信号的频谱从低频端搬到高频端的过程。调频电路广泛运用于无线广播、电视节目传播、移动通信、微波和卫星等系统中,频率调制信号比调幅信号抗干扰性强。使载波频率按照调制信号改变的调制方式叫调频。已调波频率变化的大小由调制信号的大小决定,变化的周期由调制信号的频率决定。已调波的振幅保持不变。调频波的波形,就像是个被压缩得不均匀的弹簧,调频波用英文字母FM表示。Multisim是一个能进行电路原理设计、对电路功能进行测试分析的仿真软件。Multisim的功能强大,更适合于对模拟电路、数字电路和通信电路等的仿真与测试。它的元器件库提供数千种电路元器件供仿真选用,提供的虚拟测试仪器仪表种类齐全,还有较为详细的电路分析功能,仿真速度更快。它将实验过程中创建的电路原理图、使用到的仪器、电路测试分析后结果的显示图表等全部集成到同一个电路窗口中,具有直观、方便、实用和安全的优点。2基于变容二极管的FM调制系统方案制定2.1方案提出所谓调频,就是把要传送的信息〔例如语言、音乐作为调制信号去控制载波〔高频振荡信号的瞬时频率,使其按调制信号的规律变化。许多调频发射电路中采用直接调频电路：如无线麦克风发射电路、无线遥控玩具的发射机电路及对讲机电路等。在模拟电路课程的学习中,我们学习过各种振荡器,这些振荡器产生的是频率、幅度不变的单频余弦波。按照调频波的定义,若这些振荡器的频率能够被低频信号直接控制而改变,则振荡器就可输出调频波,相应的称这些电路为直接调频电路。变容二极管是根据PN结的结电容随反向电压大小而变化的原理设计的一种二极管。它的极间结构、伏安特性与一般检波二极管没有多大差别。不同的是在加反向偏压时,变容二管呈现较大的结电容。这个结电容的大小能灵敏地随反向偏压而变化。正是利用了变容二极管这一特性,将变容二极管接到振荡器的振荡回路中,作为可控电容元件,则回路的电容量会随调制信号电压而变化,从而改变振荡频率,达到调频的目的。由于抗干扰能力强、功率利用率高、信息传输保真度高等优点,频率调制广泛应用于各种通信系统和电子设备中。实现调频的方法有直接调频法和间接调频法两类。2.2方案论证2.2.1调频的概念调频就是用调制信号控制载波的振荡频率,使载波的频率随着调制信号变化。已调波称为调频波。调频波的振幅保持不变,调频波的瞬时频率偏离载波频率的量与调制信号的瞬时值成比例。调频系统实现稍复杂,占用的频带远较调幅波为宽,因此必须工作在超短波波段。抗干扰性能好,传输时信号失真小,利用率也较高。使载波频率按照调制信号改变的调制方式叫调频。已调波频率变化的大小由调制信号的大小决定,变化的周期由调制信号的频率决定。已调波的振幅保持不变。调频波的波形,就像是个被压缩得不均匀的弹簧,调频波用英文字母FM表示。2.2.2变容二极管直接调频电路工作原理〔1变容二极管的特性变容二极管是根据PN结的结电容随反向电压改变而变化的原理设计的。在加反向偏压时,变容二管呈现一个较大的结电容。这个结电容的大小能灵敏地随反向偏压而变化。正是利用了变容二极管这一特性,将变容二极管接到振荡器的振荡回路中,作为可控电容元件,则回路的电容量会明显地随调制电压而变化,从而改变振荡频率,达到调频的目的。变容二极管的反向电压与其结电容呈非线性关系。其结电容Cj与反向偏置电压Ur之间有如下关系：<1>式中,UD为PN结的势垒电压,Cj0为Ur=0时的结电容;γ为电容变化系数。〔2调频基本原理Multisim仿真变容二极管调频电路图1是变容二极管调频器的原理电路。整个图形可以分为两个部分,主振电路和调频电路。左边是一个克拉泼电路,其中Rb1和Rb2是偏置电阻,Rc和Re分别为集电极电阻和射极电阻,Q1为一个型号2N2222A的三极管,C1,C2,C3以及L1是振荡电路的主要工作元件,右边是BBY31型变容二极管和它的偏置电路。其中Cc是耦合电容,L2为高频扼流圈,它对高频信号可视为开路。变容二极管是振荡回路的一个组成部分,加在变容二极管上的反向电压为ur=VccVB+uΩ<t>=VQ+uΩ<t><2>式中,VQ=VccVB是加在变容二极管上的直流偏置电压；uΩ<t>为调制信号电压。图2结电容随调制电压变化关系图2<a>是变容二极管的结电容与反向电压Ur的关系曲线。由电路可知,加在变容二极管上的反向电压为直流偏压VQ和调制电压uΩ<t>之和,若设调制电压为单频余弦信号,即uΩ<t>=UΩmcosΩt则反向电压为:ur<t>=VQ+UΩmcosΩt<3>如图2<b>所示。在Ur<t>的控制下,结电容将随时间发生变化,如图2<c>所示。结电容是振荡器振荡回路的一部分,结电容随调制信号变化,回路总电容也随调制信号变化,故振荡频率也将随调制信号变化。只要适当选取变容二极管的特性及工作状态,可以使振荡频率的变化与调制信号近似成线性关系,从而实现调频。为了满足变容二极管两端电压Vq=4V时,Cq=75pF,Q处的斜率为12.5pF/V。故选择变容二极管的型号为BBY31,已测量出其Cj-v曲线如图3所示。图3变容二极管Cj-V曲线〔3电路分析设调制信号为uΩ<t>=UΩmcosΩt,加在二极管上的反向直流偏压为VQ,VQ的取值应保证在未加调制信号时振荡器的振荡频率等于要求的载波频率,同时还应保证在调制信号uΩ<t>的变化范围内保持变容二极管在反向电压下工作。加在变容二极管上的控制电压为ur<t>=VQ+UΩmcosΩt<4>当调制信号电压uΩ<t>=0时,即为载波状态。此时ur<t>=VQ,对应的变容二极管结电容为CjQ:<5>当调制信号电压uΩ<t>=UΩmcosΩt时,<6>代入式<5>,并令m=UΩm/<UD+VQ>为电容调制度,则可得<7>上式表示的是变容二极管的结电容与调制电压的关系。而变容二极管调频器的瞬时频率与调制电压的关系由振荡回路决定。由图1可得,振荡器振荡回路的等效电路,如图4所示。图4振荡回路〔克泼拉等效电路<3>变容二极管作为振荡回路的总电容设C1未接入,Cc较大,即回路的总电容仅是变容二极管的结电容。加在变容二极管上的高频电压很小,可忽略其对变容二极管电容量变化的影响,则瞬时振荡角频率为<8>因为未加调制信号时的载波频率所以<9>根据调频的要求,当变容二极管的结电容作为回路总电容时,实现线性调频的条件是容二极管的电容变化系数γ=2。若变容二极管的电容变化系数γ不等于2,设uΩ<t>=UΩmcosΩt,则,可以在mcost=0处展开成为泰勒级数,得<10>通常m<1,上列级数是收敛的。因此,可以忽略三次方项以上的各项,则从上式可知,对于变容二极管调频器,若使用的变容二极管的变容系数γ≠2,则输出调频波会产生非线性失真和中心频率偏移。其结果如下：a.调频波的最大角频率偏移<11>b.调频波会产生二次谐波失真,二次谐波失真的最大角频率偏移〔12调频波的二次谐波失真系数为<13>c．调频波会产生中心频率偏移,其偏离值为<14>中心角频率的相对偏离值为 <15>综上所述,若要调频的频偏大,就需增大m,这样中心频率偏移量和非线性失真量也增大。在某些应用中,要求的相对频偏较小,而所需要的m也就较小。因此,这时即使γ不等于2,二次谐波失真和中心频率偏移也不大。由此可见,在相对频偏较小的情况下,对变容二极管γ值的要求并不严格<4>变容二极管部分接入振荡回路变容二极管的结电容作为回路总电容的调频电路的中心频率稳定度较差,这是因为中心频率fc决定于变容二极管结电容的稳定性。当温度变化或反向偏压VQ不稳时,会引起结电容的变化,它又会引起中心频率较大变化。为了减小中心频率不稳,提高中心频率稳定度,通常采用部分接入的办法来改善性能变容二极管和Cc串联,再和C1并联,构成振荡回路总电容C∑<16>加调制信号uΩ<t>=UΩmcosΩt后,总回路电容C∑为<17>相应的调频特性方程为<18>从上式知,调频特性取决于回路的总电容C∑,而C∑可以看成一个等效的变容二极管,C∑随调制电压uΩ<t>的变化规律不仅决定于变容二极管的结电容Cj随调制电压uΩ<t>的变化规律,而且还与C1和Cc的大小有关。变容二极管部分接入振荡回路,中心频率稳定度比全部接入振荡回路要高,但最大频偏要减小。3实现FM调频的原理框图直接调频电路的普通LC振荡器中心频率稳定度较低,波形容易失真,而采用克拉泼LC振荡电路的调频器可以解决这个矛盾。其结构原理如图5所示。图5FM原理框图4实验结果与分析4.1调频仿真电路元件的选择和参数计算：振荡电路：首先通过查阅资料可知Q1三极管ICQ应该在1-4mA之间,这样的振荡波形振幅适中而且波形不易失真。故设置ICQ=1.6mA,通过计算可知三极管两端的电压为7.2V。再设置VCC=12V,易求Rc+Re=3kΩ,所以取Rc=1.5kΩ,Re=1.5kΩ。由2N2222A参数表可知,发射结电压为0.45V,ICQ=β*IBQ,且β=230,而我们可以这么认为IB>>IBQ。即IB=37*IBQ=259μA。通过Rb1的电流为259μA,通过Rb2电流为251μA,而基极电压为2.88v,所以Rb1的阻值为35.28kΩ,Rb2的阻值为11.48kΩ。已知克拉泼电路的振荡频率,带入已知参数中心频率f0=10.7MHz。可知L1*C1≈220,通过实际仿真发现电路参数有些许偏差,这时取L1=8μH,C1=20.46pF。电容C2、C3由反馈系数F及电路条件C1<<C2,C1<<C3所决定,若取C2=480pF,由,则取C3=1020pF,取耦合电容Cb=10nF。变容二极管电路：由所给条件找到的变容二极管BBY31,变容管静态反向偏压VQ=－4V,由特性曲线图2.2.3-3变容二极管Cj-V曲线,可得变容管的静态电容CQ=75pF。接入系数p为 ,回路总电容C∑为减小振荡回路高频电压对变容管的影响,p应取小,但p过小又会使频偏达不到指标要求。故先取p=0.2,当VQ=－4V时,对应CQ=75pF,则Cc20.5pF。由设计要求可知,变容二极管的正常工作的反向偏置电压为4V,R1与R2为变容二极管提供静态时的反向直流偏置电压VQ,电阻R3称为隔离电阻,常取R3>>R2,R3>>R1,以减小调制信号VΩ对VQ的影响。已知VQ=4V,若取R2=5k,隔离电阻R3=200kΩ。则R1=10KΩ调制信号电路：调制信号是由函数发生器调制出的1kHz正弦信号频偏△fm要求20KHz<1><2><3><4>可由上述几个公式以及已知参数f0,C1,Cc,Cj以及图3变容二极管Cj-V曲线,易求得频偏为20KHz。4.2误差分析和单元电路测试： 由于设计电路时电路元件存在误差,并且电路的参数设置会产生误差,加上电路设计本身存在某些问题有待进一步改进和完善,各级电路连接在一个时会互相干扰。4.2.1静态工作点Ic测试首先测量电源电流,检查、排除可能出现的严重故障,再进行各级测量,检验数值是否与所设计的相符合。另一方面检查电路板是否存在人为问题。末级高频晶体管集电极电流可以在预先断开的测试点串入用万用表测出,其他各级Ic可以测量各发射极电压算末级Ic,如果过大,输入电阻是否有误。在一定大的Ic下,快速测量其中的点电位,可以帮助分析判断,提高排除故障的速度。4.2.2LC振荡电路调试LC回路的Q值要高是晶体管要工作在放大区满足电容三点式的条件。由于高频振荡电压在发射结上产生的自给偏压作用,所以起振时,三极管UCE小于原来的静态值〔如诸PNP约0.1~0.3V,UBE约小,振荡越强,用万用表可以方便地判断是否起振,然而,振荡效率的调节范围以及波形的是好是坏需要用示波器测量,或频率计测出频率的变化范围。调整振荡频率时,应把可变电容调整到电容最大处。若振幅太小了,可以考虑β是否太小、工作点是否太低、负载是否太大,若发现寄生振荡,要检查β是否过大等存在的问题。诸如不起振或间歇振荡等,要细心分析检查,对症下药以解决问题。4.3实验结果：1.LC振荡回路稳定后的输出波形2.中心频率为10.7MHz利用频率仪测出中心频率在10.7MHz附近波动。以下是仿真结果：图6中心频率3.调制信号为1KHz在示波器中可以看出两个标尺之间的时间为1.009ms,利用f=1/T可以得到T大致等于1KHz。以下是仿真结果：图7调制信号频率频偏为20KHz根据上面电路元件参数的设定可以知道电路的频偏满足要求。5实验特点与实验思考本实验使用传统的变容二极管调频思想,实验电路包括振荡电路、调频电路以及相关的外围电路,实验过程中通过信号源产生调制信号,加载到电路所产生的高频振荡信号上实现调频。本实验由于振荡回路的中心频率和最大频偏相差太大,故实验结果不是特别明显。要进一步更加清晰的观察FM的调频结果,需要重新设定电路的最大频偏和中心频率,再依据电路原理公式重新计算电路元件的参数值。另外本实验是采用示波器进行实验结果的观察,根据通信原理相关的理论知识,可以通过频谱仪观察调频输出的频谱图来分析电路设计的准确性。针对实验的进一步改进可以让电路采用自带的振荡源的方式,减少了电路对信号源的依赖,并且可以在振荡回路部分增加晶体振荡,与LC所组成的振荡回路形成对比；利用LC谐振回路的选频特性对已调频后的信号经过二次选频,最终可以得到良好的调