基于MC1496的低电平调幅器

基于MC1496的低电平调幅器学院：计算机与信息学院专业：通信工程姓名：学号：摘要高频电子线路课程设计是继《通信电子线路》理论学习和实验教学之后又一重要的实践性教学环节。高频课设要求我们掌握和具备电子技术基础知识与单元电路的设计能力之后，能够综合运用高频电子线路知识，进行实际高频系统的设计、安装和调测，利用Protel、Multisim等相关专业软件进行电路设计、仿真，提高综合应用知识的能力、分析解决问题的能力和电子技术实践技能，让我们在实践中了解高频电子通信技术在工业生产领域的应用现状和发展趋势。为今后从事电子技术领域的工程设计打好基础。本次课程设计是将本机振荡经过缓冲级与1K正弦波调制信号加载到由MC1496乘法器设计成的调幅电路上，通过调节电路得到调幅波，最后通过甲类放大对调幅信号进行放大，得到我们要求的包络。【关键词】：振荡器、调幅、功率放大、调制目录摘要IAbstractII1实验要求21.1基本要求21.2发挥部分22对低电平调幅器的整体认识42.1总体认识62.2电路形式选择63调幅器系统各单元的可行性分析103.1主振器103.2缓冲级113.3调幅器电路113.4功率放大器113.5调制信号114调幅器的原理图工作原理分析104.1103.2缓冲级113.3调幅器电路113.4功率放大器113.5调制信号114总结13参考文献14附录1：发射机电路原理图15附录2：元件清单161.实验要求1.1基本要求载波频率在2-6MHz之间任选一频率点；载波频率稳定度优于10-3/分钟，调制度ma=30%～80%可调，调制信号为1kHz正弦波。设计功率放大器，使发射功率（输出负载RL=75上的功率）P0≥10mW。1.2发挥部分自行设计产生正弦波调制信号。2.对低电平调幅器的整体认识2.1总体认识图1.低电平调幅发射机系统框图低电平调幅器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带宽、适合通过天线发射的电磁波。这次我们课设做的调幅器是调幅发射机的一个重要部分，主要包括主振荡器、缓冲级、调制信号、振幅调制和功率放大等模块。主振器的作用是产生2~~6MHz频率稳定的正弦载波。为了提高频率稳定性，我们的主振荡器用的是西勒振荡器，并在它后面加上缓冲级，以削弱后级对主振器的影响。用RC振荡产生调制信号并利用老师提供的uA741放大信号，并将其传送的信息装载到高频振荡(载频)信号上，我们选用常用的MC1496作为乘法器。以实现幅度调制的过程。2.2电路形式选择本课设调幅器主要是由主振器，缓冲级，调制信号发生器，振幅调制器和高频功率放大器等电路组成。在组成电路中，除了主振器、调制器、调制信号是最基本的组成单元，不能缺少外，其他单元电路的选择，主要根据设计指标要求来确定。缓冲级将主振器与其后一级隔离，以减小后级对振荡器频率稳定度及振荡波形的影响。所以，是否选择该单元电路，主要根据电路对稳定性的要求高低。由于我们实验要求，因此我们加入了缓冲级以保证主振级的稳定度。功率放大器是调幅发射系统的末级，它的任务是提供发射系统所需要的输出功率。是否选择该电路，主要根据系统对发射功率的要求。如果由调幅电路输出的功率能满足性能要求的话，就可以不再其后加功率放大电路，否则，就不能省略。3、调幅器系统各单元电路的可行性分析3.1主振器主振器就是高频振荡器，根据载波频率的高低和频率稳定度来确定电路形式。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。在频率稳定度要求不高的情况下，可以采用电容反馈三点式振荡电路，如克拉泼、西勒电路。频率稳定度要求高的情况下，可以采用晶体振荡器，也可以采用单片集成振荡电路。根据课程设计要求，其工作频率为2~6MHz,载波频率稳定度优于10-3/分钟，基于以上要求，可选用最普通的西勒电容三点式振荡器。3.2缓冲级缓冲级我们采用的是射极跟随器，基本原理是利用它的输入电阻高和输出电阻低的特点，在电路中起着阻抗变换的作用。3.3低电平调幅电路：振幅调制器的任务是将所需传送的信息“加载”到高频振荡中，以调幅波的形式传送出去。通常有低电平调幅和高电平调幅两种实现电路。本次可设要求不是很高，输出功率小，采用低电平调幅电路即可适用于本次课设。我们利用老师提供的MC1496模拟乘法器来调幅。这种集成电路的性能好，外围电路结构简单，可实现振幅调制、同步检波、混频、倍频、鉴频等过程，能够产生高质量调幅信号，而且成本很低。3.4功率放大器功率放大器主要有甲类、甲乙类或乙类和丙类功放，根据功放的输出功率和效率来确定选择哪一种。我们课设采用低电平调幅电路的系统，要求输出负载功率为P0>=10mW，输出功率小，并且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，因此选用最基本的甲类放大。3.5调制信号调制信号主要是用于对高频信号的调制作用，老师要求我们产生1KHz的正弦波信号，频率相对比较低，我们主要是运用大二模电课所学的的低频电路原理，采用RC桥式振荡电路，而RC串并联网络接在uA741运算放大器的输出端和同相输入端构成了带有选频作用的正反馈网络，另外Rf、R1接在运算放大器的输出端和反相输入端之间，与集成运放一起构成负反馈放大电路.4．调幅器的原理图、工作原理及其参数计算4.1高频载波发生器电路图：图2高频载波发生器电路如上图所示，振荡器是调幅器的心脏部分，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。根据课设的要求，主振级西勒振荡器，足以满足所需的频率稳定度。此电路中其工作在较低的2~~6MHZ频率，且具有一定的输出电压，而其频率稳定度高，无须进行倍频。偏置电阻决定静态工作点，所以，要先确定振荡器的静态工作电流ICQ。一般小功率振荡器的静态工作电流ICQ为（1～4）mA，设计时可以在此范围内任取一值。根据所选晶体管型号确定电流放大系数的值。为便于调整静态工作点，实际电路中我们用R1固定值的电阻与电位器串联。我们运用Multisim软件进行仿真，刚开始能够出来8M左右的波形，后来我通过调节相应电容C5和电感L1的大小，将振荡频率调节到了4.8左右，以达到老师的要求。频率输出需要调节L2。C3、C4为回路电容，R1、R2为偏置电阻，可以通过调节R2来调节；R20为集电极负载电阻，R5为发射极电阻，C9为旁路电阻，C2为电容去耦电容。高频振荡器的仿真如下图所示：图3高频振荡器输出波形4.2缓冲级图4缓冲级缓冲级我们采用基本的射极跟随器，基本原理是利用它的输入电阻高和输出电阻低的特点，在电路中起着阻抗变换的作用。它的静态工作电流ICQ一般为（3～10）mA，而R9、R10、R21的计算方法，与主振器中偏置电阻值的计算方法相同。为便于电路调整，实际电路中用电位器代替了固定电阻。4.3低电平调幅电路：图5低电平调幅器采用集成模拟乘法器MC1496构成的调幅电路，如上图5所示。电路采用双电源供电方式。载波信号从10脚（UX端）输入，C3为高频旁路电容，使8脚交流接地；调制信号从1脚（UY端）输入，C4为低频旁路电容，使4脚交流接地。调幅信号从12脚单端输出。电阻R6、R7、R8、R9、R10提供静态偏置电阻，保证乘法器内部的各个晶体管工作于放大状态，阻值的选取应使得下列静态偏置电压关系式成立：（2-3）（2-4）根据器件参数要求，5脚静态偏置电流I5应小于4mA，一般取I5=1mA，则（2-5）可见，在确定负电源电压VEE后，由式（2-5）可得电阻R5的值。引脚2与3之间的外接负反馈电阻Re，可调节乘法器的信号增益，扩展调制信号的线性动态范围。其值增大，线性范围增大，但乘法器的增益会减小。电阻R1、R2与电位器RP组成平衡调节电路，改变RP1的值可以使乘法器输出有载波的普通调幅波或抑制载波的双边带调幅波。4.4功率放大器：图6功率放大器根据设计要求与参数计算设计的一级甲类谐振放大器如上图6所示。通过选定基极偏置电阻值等方面使晶体管Q1工作在甲类状态，其中磁芯电感、CAP、C2、R1构成选频回路，通过调节可调电容CAP使调谐回路选出与输入信号源相同的频率，在调谐回路中并联一电阻R，减小回路品质因数从而加宽通频带。4.5调制信号图7RC振荡电路我们的调制信号采用RC桥式振荡电路，如上图所示，RC串并联网络接在uA741运算放大器的输出端和同相输入端构成了带有选频作用的正反馈网络，另外R8、R3、R1接在运算放大器的输出端和反相输入端之间，与集成运放一起构成负反馈放大电路.对于负反馈放大电路，输入信号由同相端输入（即振荡信号由此输入），根据虚短、虚断可求得负反馈闭环电压放大倍数Au=U0/Ui=1+(R3+R8)/R1;振幅起振条件：(R3+R8)>2R1RC桥式振荡电路的稳幅作用是靠电位器R8实现的。通过减小R8的大小，使负反馈增强，输出幅度下降，反之输出幅度增加。达到振荡平衡时，要求R3+R8=2R2。下图为我们用Multisim软件进行仿真的效果图：图8调制信号仿真图5、高频电路的调试5.1主振级调试按设计电路焊接好电路板后，加上电源，用示波器观察输出波形及其频率，通过调节偏置电压，调整晶体管的静态工作点，使振荡管静态电流为3mA左右；适当调整L1，使其输出频率为2~6MHz之间，我们最后的调试频率为4.863MHz，幅度为4.8V的正弦波。图9主振荡器波形图5.2缓冲级调试输入接主振级的输出端，同样用示波器观察其输出，通过调节偏置电阻，改变其Q值，达到电压跟随的作用。图10缓冲级波形图5.3调幅器的调试借用信号发生器产生1KHz的正弦波信号，加载到焊接好的调幅器的调制信号输入端上，同时将缓冲级输出端的本地振荡加加载到载波信号输入端，并加上正负电源，同样用示波器观察输出端的波形。对于调幅器的调试，让我学到了很多知识，对于输入的调制信号和载波信号，我们需要保证它们的电压幅值相近，以保证能够达到MC1496乘法器工作的需求。这一过程，花费了我很长时间。首先断开载波和低频输入，测MC1496第(5)脚上的电压V5，使|V5|/R5=Io=1mA左右；其次是调节P1和P4口的电位器，调节MC1496的静态工作点，然后测量各管脚静态工作点电压，使其值满足MC1496对静态偏置电压的设置要求。在确定电路设计和焊接无错误的情况下，我和队友不断地通过调节输入电压幅值和调节静态工作点，最终实现了普通调幅，看到了完美的调幅波。图11调幅器波形图5.4功率放大器的调试根据题目要求，我们设计的是普通的甲类功放，其工作原理比较简单，因此其调试过程也相对的比较顺利，主要是调节电位器设定静态工作点，保证晶体管工作在线性放大区，并且适当的调节可变电容CAP，达到2-3倍的放大作用。5.5调制信号的调试因为我们先用Multisim软件进行仿真过，先通过增大R8的电阻值，使其满足振幅起振条件：(R3+R8)>2R1，并用示波器观察输出波形，会发现正弦波上下失真，此时需要将RC桥式振荡进行稳幅，这也是靠电位器R8实现的，缓慢的减小R8的大小，同时观察示波器波形，当达到整合出现完整的正弦波的时候停止调试，这时输出的频率可能与要求的1KHz有一点点的误差，我们只需要稍微调节一下桥式电桥中的两个电位器，并保证他们的大小相同，就可以得到1KHz的调制信号。出现的唯一问题就是调制信号的幅值太大，不便于后面的联调。下图为我们调制信号的波形图图12号波形图5.6联调在逐级联调时，我们出现了很多没想到的问题：单独加测试信号调试合格的单元电路，在与前级或下级电路连接后，没有输出或输出信号不正常。这时我们考虑到，各级相连的电路对其输入信号幅度及功率的要求必须满足一定的要求，也就是说，单元电路仅仅有输入信号是不够的，还要保证其输入信号的参数满足本级电路的要求。例如调幅器中的包络产生，要求输入载波的幅度达到几百mV以上，并且调制信号的幅值大小和载波信号相近。因此在单独调试单元电路时，需要用测试仪器（如信号发生器、示波器等）确定电路达到最佳工作状态所需的输入信号幅值及频率参数等。5.7实验数据整理主要技术指标要求达到的数值实侧数值备注载波频率2—6MHz4.945KHz频率稳定度10-3/分钟<10-3/分钟载波幅度无4.905KHz振荡电路发射极静态电压与动态电压无静态电压：3.6V动态电压：5.8V调制指数（AM波）30%～80%可调50%调制信号频率1KHz1.0003KHz输出调幅波幅度2—6MHz1.761MHz5.总结5.1发现与解决问题对于高频电路来说，各部分分布的参数及各种耦合与干扰对高频电路的影响，比低频电路更加明显。因此，理论估算的工作状态与实际电路测试到的状态之间，往往会存在一定的差异。有时，在整机调试过程中元件参数甚至需要较大的修改，才能达到预期的效果。另外，在调试中，我们发现，许多问题并不是由于电路本身的故障引起的，而恰恰是由于我们未能正确使用测试仪器，导致测试结果错误。因此，在调试电路之前，花些时间学习测试设备的使用方法，掌握它对某类被测电路的测试功能和限制条件，对于快速诊断电路故障是非常重要的，往往可以达到事半功倍的效果。同时，不能忽略连接到电路上的测试设备可能对电路性能带来的影响。单元电路的调试，我们出现过上电后，没有信号输出的现象。以主振荡器为例，其问题产生原因有很多，首先要确认硬件电路连接没有问题，之后可以通过测量发射极与基极直流电压进行判断：起振后的射极电压值应大于静态（未振荡时）射极电压值，基极电压大概在5-7V之间，我们将基极偏置电阻之一使用了电位器，以方便调节工作点。在逐级联调时，往往会出现调试合格的单元电路在联调时性能参数发生很大变化的现象，这时，不能盲目更改元件参数。故障原因多是由于单级调试时没有接负载，而与下一级连接后，下一级的等效输入阻抗必然对本级性能产生一定的影响；或是所接负载与实际电路中的负载不等效；或是整机的联调又引入了新的分布参数。因此，整机调试时需仔细分析故障原因。例如，振荡器与下级缓冲级相连后，振荡器的输出电压幅度明显减小或波形失真严重。这是由于缓冲级的输入阻抗不够大，使振荡器等效负载值下降，引起输出信号的变化。可通过调节缓冲级射极电阻，提高缓冲级的输入阻抗加以解决。在逐级联调时，还会出现这样的现象：单独加测试信号调试合格的单元电路，在与前级或下级电路连接后，没有输出或输出信号不正常。这时要考虑，各级相连的电路对其输入信号幅度及功率的要求是否达到，也就是说，单元电路仅仅有输入信号是不够的，还要保证其输入信号的参数满足本级电路的要求。5.2巩固了高频电路知识的该课程设计使我建立调幅器的整体概念，了解了其各单元电路之间的关系及相互影响，能正确设计、计算各个单元电路：主振级、缓冲级、调幅级、调制信号的产生、功率放大等。初步掌握小型调幅器的设计及测试方法。在设计电路时，要首先将总体电路分成若干个子模块，对其进行单独的电路设计与调试；最后将各个子电路组合在一起完整电路中。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，也可根据各种情况分析是哪个子系统出了问题，再单独检查出现问题的系统，可以提高检查与调试的效率。在设计与制作电路板中，虽然之前曾在实验室做过相应的电子设计，接触过Protel，但通过这次课设的进一步学习，很大地弥补了我用protel绘制原理图及PCB的能力，对画图的步骤和方法进行了复习巩固。5.3明白理论联系实际的重要性在设计过程中，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。以后我必将面对更多更加