..東北大學XX分校計算機與通信工程學院綜合課程設計設計題目：調頻發射機專業名稱通信工程班級學號4100828學生姓名孟梅梅指導教師李雅珍設計時間2012.12.17~2013.1.4課程設計任務書專業：通信工程__4100828學生姓名〔簽名：設計題目：調頻發射機一、設計實驗條件計算機與通信工程學院創新實驗室二、設計任務及要求學習Multisim仿真軟件的使用方法,以及鍛煉電路仿真的能力；設計調頻發射機各模塊的電路,正確設計與計算發射機的各單元電路；用Multisim軟件對設計的電路進行仿真,驗證設計是否正確；模擬仿真,輸出結果。設計報告的內容設計題目與設計任務〔設計任務書本次課程設計的題目為調頻發射機的設計。旨在通過調頻發射機電路的設計,建立無線電發射機的整機概念,了解發射機整機各單元電路之間的關系及相互影響,從而能正確設計、計算發射的各單元電路。發射機是日常生活中常見的也是應用非常廣泛的電子器件,研究本課題既可以了解小信號發射機電路,又可以提高對于Multisim的應用能力和運用書本知識的能力。本次課程設計的設計單元主要包括基本放大電路、振蕩電路、調頻波產生電路、倍頻電路、高頻功放電路。前言〔緒論<設計的目的、意義等>頻率調制又稱調頻,它是使高頻載波信號的頻率按調制信號振幅的規律變化,即使瞬時頻率變化的大小與調制信號成線性關系,而振幅保持基本恒定的一種調制方式。調頻發射機首先將音頻信號信號放大,并利用振蕩電路產生高頻載波信號,將調制信號與載波型號輸入調頻波產生電路得到調頻波,再對所產生的調頻信號進行倍頻、功放和一系列的阻抗匹配,完成調頻發射過程。本次課程設計主要通過利用通信原理所學的內容設計調頻發射機電路,然后利用高頻電路所學的知識進行電路實現,最后利用Multisim軟件對設計的電路進行仿真,檢驗電路的正確性。通過此次課程設計不僅能對所學的通信原理和高頻電子線路課程進行活學活用,也提高了大家利用軟件進行電路設計的能力,十分有教學意義。設計主體〔各部分設計內容、分析、結論等信號輸入3.1、總體設計方框圖信號輸入調頻波產生電路調頻波產生電路倍頻放大電路基本放大電路倍頻放大電路基本放大電路調頻信號輸出調頻信號輸出載波產生電路載波產生電路圖1調頻發射機總體設計框圖3.2、調制原理及實現3.2.1、基本放大電路的原理及電路實現音頻放大器的目的是在產生聲音的輸出元件上重建輸入的音頻信號,信號音量和功率級都要理想——如實、有效且失真低。其一種簡單模擬實現方案是采用線性模式的晶體管,得到與輸入電壓成比例的輸出電壓,即A類放大器,是指電流連續地流過所有輸出器件的一種放大器,這種放大器,由于避免了器件開關所產生的非線性,只要偏置和動態范圍控制得當,僅從失真的角度來看,可認為它是一種良好的線性放大。圖2基本放大電路的Multisim原理圖Ql音頻放大管,選用了2SC1815型,β≥150；電阻R1可改變頻率接收的靈敏度,電阻R2、R3為晶體管提供靜態偏置,控制R3的大小可以控制輸入信號的大??；C1為耦合電容,采用了CDll型電解電容。仿真結果：圖3基本放大電路的仿真結果3.2.2、載波產生電路的原理及仿真結果振蕩電路的功能是：在沒有外加輸入信號的情況下,電路自動將直流電源提供的能量轉換為具有一定振幅、一定頻率和一定波形的交變信號輸出。我們可選用三種方法得到需要的高頻載波信號。三種方法如下：[1]方法一：由LC振蕩電路產生LC調頻振蕩器一般由LC正弦波振蕩器與變容二極管調頻電路兩大部分組成。其中,LC正弦波振蕩器用于產生一定頻率的幅度和信號,無須外加輸入信號的控制,就能自動將電能轉換為所需要的交流能量輸出。圖4LC振蕩器電路的Multisim原理圖仿真結果：圖5LC振蕩電路產生高頻載波的仿真結果[2]方法二：由西勒振蕩電路或者克拉潑電路產生高頻載波通常根據載波頻率的高低和頻率穩定度來確定電路形式。在頻率穩定度要求不高的情況下,可以采用電容反饋三點式振蕩電路,如下圖所示的克拉潑、西勒電路?！瞐>西勒振蕩器〔b>克拉潑振蕩器圖6兩種電容反饋三點式振蕩電路原理1西勒振蕩器的Multisim原理圖及仿真結果為：圖7西勒振蕩器的Multisim原理圖及仿真結果2克拉潑振蕩器的Multisim原理圖及仿真結果為：圖8克拉潑振蕩器的Multisim原理圖及仿真結果3.2.3、調頻波產生電路原理及其實現頻率調制原理載波,調制信號；通過FM調制,使得頻率變化量與調制信號的大小成正比。即已調信號的瞬時角頻率已調信號的瞬時相位為實現調頻的方法有：[1]變容二極管直接調頻變容二極管調頻電路由變容二極管及耦合電容組成,R1與R2為變容二極管提供靜態時的反向直流偏置電壓即=[R2/<R1+R2>]。電阻R3稱為隔離電阻,常取R3》R2,R3》R1,以減小調制信號對的影響。C5與高頻扼流圈L2給提供通路,C6起高頻濾波作用。變容二極管通過耦合電容部分接入振蕩回路,有利于主振頻率的穩定性,減小調制失真。圖<1-4>所示的為變容二極管部分接入振蕩回路的等效電路,接入系數及回路總電容分別為：<1-6><1-7>式中,為變容二極管的結電容,它與外加電壓的關系為：<1-8>式中,為變容二極管加零偏壓時的結電容；為變容管PN結內建電差〔硅管=0.7V,鍺管=0.3V；γ變容二極管的電容變化指數,與頻偏的大小有關〔小頻偏：選γ=1的變容二極管可近似實現線性調頻,大頻偏：必須選γ=2的超突變結變容二極管,才能實現較好的線性調頻；ν為變容管兩端所加的反向電壓,ν=+=+。變容二極管的Cj-v特性曲線如圖〔1-2示,設電路工作在線性調制狀態,在靜態工作點Q處,曲線的斜率為<1-9>圖1-1變容二極管部分接入的等效電路圖圖1-3變容二極管的Cj-v特性曲線直接調頻的基本原理是利用調制信號直接控制振蕩器的振蕩頻率,使其反映調制信號變化規律。要用調制信號去控制載波振蕩器的振蕩頻率,就是用調制信號去控制決定載波振蕩器振蕩頻率的元件或電路的參數,從而使載波振蕩器的瞬時頻率按調制信號變化規律線性地改變,就能夠實現直接調頻。直接調頻可用如下方法實現：a.改變振蕩回路的元件參數實現調頻在LC振蕩器中,決定振蕩頻率的主要元件是LC振蕩回路的電感L和電容C。在RC振蕩器中,決定振蕩頻率的主要元件是電阻和電容。因而,根據調頻的特點,用調制信號去控制電感、電容或電阻的數值就能實現調頻。調頻電路中常用的可控電容元件有變容二極管和電抗管電路。常用的可控電感元件是具有鐵氧體磁芯的電感線圈或電抗管電路,而可控電阻元件有二極管和場效應管。b.控制振蕩器的工作狀態實現調頻在微波發射機中,常用速調管振蕩器作為載波振蕩器,其振蕩頻率受控于加在管子反射極上的反射極電壓。因此,只需將調制信號加至反射極即可實現調頻。若載波是由多諧振蕩器產生的方波,則可用調制信號控制積分電容的充放電電流,從而控制其振蕩頻率。變容二極管直接調頻的工作原理圖與Multisim仿真結果為：圖9變容二極管直接調頻的工作原理圖仿真結果為：圖10變容二極管直接調頻電路的Multisim仿真結果變容二極管直接調頻的工作原理圖與Multisim仿真結果為：圖9變容二極管間接調頻的工作原理圖仿真結果為：[2]變容二極管間接調頻不直接針對載波,而是通過后一級的可控的移相網絡。將先進行積分,而后以此積分值進行調相,即得間接調頻。間接調頻實現的原理框圖如圖1-1所示：圖9借助于調相器得到調頻波圖10變容二極管間接調頻電路的Multisim仿真結果[3]鎖相環調頻電路鎖相環路是一種反饋控制電路,簡稱鎖相環〔PLL。鎖相環的特點是：利用外部輸入的參考信號控制環路內部振蕩信號的頻率和相位。因鎖相環可以實現輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤,所以鎖相環通常用于閉環跟蹤電路。鎖相環在工作的過程中,當輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時,輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值,即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住,這就是鎖相環名稱的由來。鎖相環通常由鑒相器〔PD、環路濾波器〔LF和壓控振蕩器〔VCO三部分組成。首先在Multisim軟件中構造鎖相環的仿真模型<圖10>。鎖相環包含三個主要的部分：〔1鑒相環<或相位比較器,記為PD或PC>:是完成相位比較的單元,用來比較輸入信號和基準信號的之間的相位.它的輸出電壓正比于兩個輸入信號之相位差?！?低通濾波器<LPF>:是個線性電路,其作用是濾除鑒相器輸出電壓中的高頻分量,起平滑濾波的作用.通常由電阻、電容或電感等組成,有時也包含運算放大器。〔3壓控振蕩器〔VCO：振蕩頻率受控制電壓控制的振蕩器,而振蕩頻率與控制電壓之間成線性關系。圖中,鑒相器由模擬乘法器A1實現,壓控振蕩器為V3,環路濾波器由R1、C1構成。環路濾波器的輸出通過R2、R3串聯分壓后加到壓控振蕩器的輸人端,直流電源V2用來調整壓控振蕩器的中心頻率。仿真模型中,增加R2、R3及V2的目的就是為了便于調整壓控振蕩器的中心頻率。直接調頻電路的振蕩器中心頻率穩定度較低,而采用晶體振蕩器的調頻電路,其調頻范圍又太窄。采用鎖相環的調頻器可以解決這個矛盾。其結構原理如圖2所示。壓控振蕩器+環路濾波器鑒相器晶體振蕩器壓控振蕩器+環路濾波器鑒相器晶體振蕩器FM波調制信號圖11鎖相環調頻電路原理框圖實現鎖相調頻的條件是調制信號的頻譜要處于低通濾波器通帶之外,也就是說,鎖相環路對慢變化的頻率偏移有響應,使壓控振蕩器的中心頻率鎖定在穩定度很高的晶振頻率上。而隨著輸入調制信號的變化,振蕩頻率可以發生很大偏移。根據圖2建立的仿真電路如圖3所示。圖中,設置壓控振蕩器V1在控制電壓為0時,輸出頻率為O；控制電壓為5V時,輸出頻率為50kHz。這樣,實際上就選定了壓控振蕩器的中心頻率為25kHz,為此設定直流電壓V3為2．5V。調制電壓V4通過電阻R5接到VCO的輸入端,R5實際上是作為調制信號源V4的內阻,這樣可以保證加到VCO輸入端的電壓是低通濾波器的輸出電壓和調制電壓之和,從而滿足了原理圖的要求。本電路中,相加功能也可以通過一個加法器來完成,但電路要變得相對復雜一些。圖12鎖相環調頻仿真電路VCO輸出波形和輸入調制電壓V4的關系如圖4所示。由圖可見,輸出信號頻率隨著輸入信號的變化而變化,從而實現了調頻功能。圖13鎖相環調頻電路仿真圖3.2.4、倍頻電路原理與仿真倍頻器實質上就是一種輸出信號等于輸入信號頻率整數倍的電路,常用的是二倍頻和三倍頻器。倍頻器的主要作用是為了提升載波信號的頻率,使之工作于對應的信道；同時經倍頻處理后,調頻信號的頻偏也可成倍提高,即提高了調頻調制的靈敏度,這樣可降低對調制信號的放大要求。采作倍頻器的另一個好處是：可以使載波主振蕩器與高頻放大器隔離,減小高頻寄生耦合,有利于減少高頻自激現象的產生,提高整機工作穩定性。正弦波二倍頻,可以用乘法器實現。但是乘法器輸出的二倍頻正弦信號幅值要比輸入低1/2,同時,乘法器還輸出1/2輸入幅值的直流信號,使用時要用隔直電路將其消除。本次課程設計我們采用的正是使用乘法器實現二倍頻。二倍頻電路如圖15所示。其仿真波形如圖16所示。圖14二倍頻電路圖15二倍頻仿真電路波形下面的為原正弦波,其頻率為1KHZ,上面的為倍頻后的波形,可見其頻率變為原來的兩倍,幅值變為原來的一半。此外,我們還做了多倍頻電路,電路圖及仿真波形如圖18、19所示圖16多倍頻電路圖17多倍頻仿真波形圖3.3、總的電路設計圖16調頻電路圖18總體設計3.4誤差分析由仿真波形可看到,波形并非是完美的正弦波,還是有點失真的,還有就是中心頻率還是存在一點誤差的,但是本次所設計的電路基本達到了任務書的要求,所設計電路的仿真水平,離設計指標所要求的還一段距離。出現這些原因主要有以下四點：〔1設計電路時選擇元件不同會產生誤差；〔2電路的參數設置會產生誤差；〔3本身電路設計存在問題有待改進；〔4各級電路接在一起時互相干擾。結束語〔設計的收獲、體會等通過這次設計調頻發射機的課程設計,收獲良多,作為通信工程專業的學生,信號的接收調制傳送接收理應是好生掌握的看家本領。但這次最大的收獲便是意識到自己在知識運用上的不扎實。本次課程設計是通信原理的課程設計,基于通信原理的只是調頻發射機的工作原理不難理解與掌握,但功能電路的實現需要利用高頻電路原理與分析中的知識來完成。高頻的學習難度相對較大,利用高頻的只是設計復雜的電路時,一開始感覺很棘手。于是我們小組分工合作,通過在互聯網上查資料,在電子閱覽室搜索相關論文,在閱覽室查找相關書籍,幾天下來,漸漸的對本次課程設計有了一定的把握,提升了自身提出問題解決問題的能力,也在小組合作中體會著集體的力量,期間遇見過種種困難,也不乏抱怨,但始終不曾想過放棄,四五天下來,得到鍛煉的不只是我們的知識水平,實踐能力,還有對待棘手問題的不躁不棄。另外,此次試驗的仿真我們選用了仿真軟件Multisim,上