超外差接收機(jī)中頻放大器電路設(shè)計

1、Abstract超外差接收機(jī)中頻放大器電路設(shè)計摘 要本課題研究超外差接收機(jī)中頻放大器電路。超外差接收機(jī)是使用本地產(chǎn)生一個振蕩波與輸入的頻率信號進(jìn)行混頻，再將這個輸入信號的頻率轉(zhuǎn)換成某一個確定的頻率的方式。這樣的方式可以很大程度上提高遠(yuǎn)程通信接收高頻頻率信號和弱小信號的能力。在1919年，科學(xué)家們利用超外差原理制作出了超外差接收機(jī)。本文就對接收機(jī)的結(jié)構(gòu)以及超外差接收機(jī)中頻放大器電路做了詳細(xì)的討論，對其中一些主要模塊的原理、性能參數(shù)以及設(shè)計仿真等操作都做了相關(guān)的解釋。本文共分為五章：第一章為緒論，著重介紹的是課題的背景意義以及課題目前的研究現(xiàn)狀。第二章對現(xiàn)階段使用較多的幾種接收機(jī)進(jìn)行詳細(xì)的介紹，同

2、時分析了它們的主要結(jié)構(gòu)、工作原理以及對應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)。之后介紹了本課題設(shè)計中所運(yùn)用到的Multisim軟件。最后綜合分析其性能指標(biāo)并結(jié)合本課題的需求，確定使用超外差式接收結(jié)構(gòu)。之后對超外差式接收機(jī)的部分模塊電路進(jìn)行設(shè)計與仿真。第三章則是混頻器的測試和研究。首先對混頻器的工作原理和現(xiàn)有的混頻器結(jié)構(gòu)都做了詳細(xì)描述，通過分析，采用平衡混頻器（模擬乘法混頻器），同時對其中的一些參數(shù)進(jìn)行仿真。第四章為中頻放大器電路的設(shè)計和仿真。根據(jù)課題中要求的參數(shù)，設(shè)計出符合課題的中頻放大器電路。同時使用Multisim軟件對其進(jìn)行仿真操作。第五章為本課題的結(jié)論。本文主要通過對中頻放大器電路的設(shè)計和實現(xiàn)，來確保接收機(jī)系統(tǒng)良

3、好的靈敏度、選擇性以及頻率響應(yīng)特性。在實際的研究設(shè)計過程中，首先必須了解所設(shè)計的器件，并掌握其原理、性能指標(biāo)等，然后才進(jìn)行電路的設(shè)計，最后用Multisim軟件進(jìn)行仿真測試。關(guān)鍵詞：接收機(jī)；超外差接收機(jī)；混頻器；中頻放大器HE SUPERHETERODYNE RECEIVER INTERMEDIATE FREQUENCY AMPLIFIER CIRCUIT DESIGNAbstractThis topic research the superheterodyne receiver intermediate frequency amplifier circuit. Superheterodyne

4、 receiver is the use of local produce shock wave mixing with the input signal, then the frequency of the input signal is converted into a certain frequency method. This method can adapt to the remote communication for the needs of the high frequency signal and weak signal reception. In 1919, scienti

5、sts using the superheterodyne principle into a superheterodyne receiver. In this paper, the structure of receiver and superheterodyne receiver made a detailed discussion of intermediate frequency amplifier circuit, principle, performance parameters of some of the main modules, and design the simulat

6、ion operations such as do the relevant explanation. This paper is divided into five chapters:The first chapter is an introduction part, it mainly introduces is the subject of meaning and the background of the current research status. Chapter ii of the present stage using more kinds of receiver is in

7、troduced in detail. Finally comprehensive analysis of the performance index and with the demand of this topic, determine the use of superheterodyne receiver structure. After used in the design of this subject are introduced to the Multisim software.At the same time the superheterodyne receiver part

8、of the circuit design and simulation. The third chapter is the research and test of mixer. First mixer on the working principle of mixer and the existing structure have made detailed description, through the analysis, using balanced mixer (analog multiplication mixer), at the same time, some of thes

9、e parameters are simulated. The fourth chapter of intermediate frequency amplifier circuit design and simulation. According to the required parameters in subject, intermediate frequency amplifier circuit design conforms to the subject. use Multisim software on its dc, bias circuit and the stability

10、of circuit simulation. The finally chapter is the conclusion of the paper.This article mainly through to the intermediate frequency amplifier circuit design and implementation, to ensure that the receiver sensitivity, selectivity and good frequency response characteristics. In actual design process,

11、 first must understand the design of devices, to understand the principle, performance index, etc., and then to the design of the circuit, then use Multisim software simulation test.Key words : Receiver ; superheterodyne receiver; frequency mixer; intermediate frequency amplifer目錄第一章 緒論11.1 課題背景及其意義

12、11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.3本課題的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)3第2章 接收機(jī)42.1接收機(jī)結(jié)構(gòu)42.1.1超外差接收機(jī)72.1.2 零中頻接收機(jī)72.1.3 低中頻（近零中頻）接收機(jī)82.1.4 寬帶中頻數(shù)字接收機(jī)92.2 接收機(jī)的技術(shù)指標(biāo)92.2.1 增益92.2.2 接收機(jī)的選擇性和線性度92.2.3 接收機(jī)的動態(tài)范圍102.2.4 接收機(jī)的靈敏度和噪聲分析102.3 電路仿真軟件Multisim的應(yīng)用112.3.1 Multisim 10.0的主要功能和特點(diǎn)112.3.2 Multisim 10.0在模擬電子技術(shù)中的應(yīng)用112.4 本課題所用的接收機(jī)結(jié)構(gòu)132.4.1 超外差接收機(jī)132.4.

13、2 超外差接收機(jī)的系統(tǒng)仿真132.5本章小結(jié)17第三章 混頻器193.1 混頻器的構(gòu)成和基本工作原理193.2 平衡混頻器213.2.1 模擬乘法器混頻器213.2.2 創(chuàng)建混頻器仿真電路213.2.3 低通濾波器243.3 本章小結(jié)26第四章 中頻放大器274.1 中頻放大器在無線通信技術(shù)中的應(yīng)用274.2 中頻放大器的分類274.2.1 單調(diào)諧中頻放大器374.2.2 雙調(diào)諧中頻放大器284.2.3 多級中頻放大器294.3 中頻放大器主要技術(shù)要求294.3.1 增益294.3.2 選擇性294.3.3 通頻帶304.3.4 穩(wěn)定性304.4 中頻放大器電路的設(shè)計304.4.1 參數(shù)要求3

14、04.4.2 設(shè)計步驟314.4.3 設(shè)計314.5 本章小結(jié)37第五章 總結(jié)38致謝39參考文獻(xiàn)40計算機(jī)信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書第一章 緒論1.1 課題背景及其意義超外差接收機(jī)是使用本地產(chǎn)生一個振蕩波與輸入的頻率信號進(jìn)行混頻，然后將這個輸入信號的頻率轉(zhuǎn)換成某一個確定的頻率的方式。這樣的方式可以很大程度上提高遠(yuǎn)程通信接收高頻頻率信號和弱小信號的能力。在1919年，科學(xué)家們利用這種超外差原理制作出超外差式接收機(jī)，超外差接收機(jī)的性能比一般放大式的接收機(jī)要好的多，所以直到現(xiàn)在仍然廣泛應(yīng)用在遠(yuǎn)程信號的接收中，并且廣泛應(yīng)用到技術(shù)測量、工業(yè)控制、儀器儀表、計算機(jī)通信等領(lǐng)域，同樣也可以應(yīng)用到復(fù)雜環(huán)境下要

15、求較高的系統(tǒng)中去。如今，通信技術(shù)正在飛速發(fā)展，21世紀(jì)更是電子通信技術(shù)的世紀(jì)，因此對于通信技術(shù)方面的研究也變得更加重要。隨著無線電子產(chǎn)品的增多，無線電通信技術(shù)的運(yùn)用也越來越廣泛。這就更需要我們對無線電通信技術(shù)進(jìn)行研究，使它們得到更多的運(yùn)用。在研究接收機(jī)過程中，我們對接收機(jī)的要求也越來越高，比如接收機(jī)的價格，電路集成度以及工作頻率等等?，F(xiàn)階段常見接收機(jī)類型包括有超外差、低中頻(近零中頻)、零中頻、寬帶數(shù)字中頻接收機(jī)等，其中超外差式接收機(jī)是使用最廣泛的。在超外差式接收機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，從天線端口接收信號后，通過高頻放大器進(jìn)行放大，同時與本地振蕩器發(fā)出的信號一塊兒在混頻器中進(jìn)行混頻，混頻后則產(chǎn)生了所需的

16、中頻信號，最后通過檢波器檢波以及低頻放大，提取所需要的信號。本課題研究的超外差式接收機(jī)可用于較多的無線設(shè)備中，比如有藍(lán)牙技術(shù)和GPS導(dǎo)航技術(shù)，所以也就擁有了比較好的發(fā)展前景。在課題設(shè)計初期，通過查閱書籍文獻(xiàn)，在研究無線通信技術(shù)領(lǐng)域中，由于頻譜資源有限，各類接收機(jī)設(shè)備的頻譜接收都有其固定的頻段。在實際通信技術(shù)的應(yīng)用中，無形中幫助了我們更好的研究。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前，單片射頻收發(fā)機(jī)正在迅速的發(fā)展中，為了解決無線通信技術(shù)應(yīng)用的問題提供了比較有效的幫助。接收機(jī)的發(fā)展應(yīng)用是為了在各種外界因素的影響下仍然可以調(diào)制解調(diào)出有用的信號。然而這樣也提高了對接收機(jī)性能較高的要求，同樣也加大了設(shè)計難度。在無線

17、通信技術(shù)飛速發(fā)展的時代，在這一階段，主要研究低成本、低功耗的接收機(jī)。接收機(jī)的設(shè)計要求是以最低的成本以及低功率來接收和處理信號，同時確保接收機(jī)正常穩(wěn)定的工作。其中射頻接收電路能夠很大程度的降低接收機(jī)系統(tǒng)的成本和接收機(jī)結(jié)構(gòu)的尺寸。近年來，各種不同類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的射頻接收電路相繼被研究出來，其中包括超外差式接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、低中頻接收機(jī)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、數(shù)字中頻接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等等。這些不同類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有著自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。2如今，超外差接收機(jī)原理被運(yùn)用到很多電子產(chǎn)品中，比如藍(lán)牙技術(shù)、GPS導(dǎo)航技術(shù)等，如圖1-1和圖1-2就是藍(lán)牙接收機(jī)和GPS接收機(jī)的基本原理框圖。圖1-1 藍(lán)牙接收機(jī)直接轉(zhuǎn)換

18、的基本結(jié)構(gòu)圖圖1-2 一般的GPS接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖計算機(jī)信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書1.3本課題的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu) 本課題比較詳細(xì)的介紹了現(xiàn)階段的各類接收機(jī)，主要研究超外差接收機(jī)中頻放大器的電路設(shè)計，同時比較全面的介紹了其中的混頻器模塊，并進(jìn)行了設(shè)計和仿真操作，分析各部分電路功能實現(xiàn)的主要步驟和仿真結(jié)果。 論文結(jié)構(gòu)為： 第一章為緒論部分，著重介紹的是課題的背景意義以及課題目前的研究現(xiàn)狀。 第二章就現(xiàn)階段各類具有代表性的接收機(jī)都做了比較詳細(xì)的介紹，并對他們的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理以及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行全面分析。同時介紹了本課題設(shè)計中所運(yùn)用到的Multisim仿真軟件.綜合分析后，確定本課題所采用的超外差式接收機(jī)系

19、統(tǒng)，符合課題要求，同時對超外差接收機(jī)部分電路進(jìn)行設(shè)計并仿真。 第三章為混頻器的研究與測試，對混頻器的工作原理和現(xiàn)有的混頻器結(jié)構(gòu)都做了詳細(xì)描述，同時對其中的一些參數(shù)進(jìn)行仿真。第四章為中頻放大電路的仿真設(shè)計，根據(jù)課題的參數(shù)要求，設(shè)計出符合課題的中頻放大器電路。同時利用Multisim軟件對其進(jìn)行仿真操作。第五章為本課題的結(jié)論。2 第二章 接收機(jī)第二章 接收機(jī)2.1接收機(jī)結(jié)構(gòu) 接收機(jī)的主要任務(wù)就是從已調(diào)制AM波中解調(diào)出之前有用的信號，主要由輸入電路、高頻電路、混頻器電路、中頻放大器電路、檢波器電路、低頻放大器電路、低頻功率放大器電路和揚(yáng)聲器或者耳機(jī)構(gòu)成。原理框圖如圖2-1所示。圖2-1 一般接收機(jī)系

20、統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖輸入電路將很多無線電臺發(fā)出的信號進(jìn)行選取，然后送到混頻器電路?；祛l器電路把輸入信號的頻率轉(zhuǎn)換成中頻頻率，此時頻率幅值的變化是恒定的。高頻信號的輸入頻率，不管它如何變化，只要經(jīng)過混頻之后得到的頻率都是固定不變的。中頻放大器則放大頻率信號的幅度，直到滿足檢波器中所要求的頻率大小為止。接著檢波器將中頻調(diào)幅信號中的音頻信號提取出來，再傳送到低頻放大器里面。低頻放大器通過電壓放大并檢測之前提取出來的音頻信號。最后就是由功率放大器把音頻信號放大，通過揚(yáng)聲器或者耳機(jī)將音頻電信號轉(zhuǎn)變?yōu)槁曇舻倪^程。因為天線接收的高頻信號全部都是通過混頻電路轉(zhuǎn)變成恒定不變的中頻頻率，然后再進(jìn)行放大，所以接收機(jī)系統(tǒng)的靈敏

21、度以及選擇性都比較好，性能也更加穩(wěn)定。2.1.1超外差接收機(jī) 超外差接收機(jī)是使用本地產(chǎn)生的振蕩波與輸入的頻率信號進(jìn)行混頻，再將輸入信號的頻率轉(zhuǎn)換成某一個特定的頻率的方式。該方式可以很大程度上提高遠(yuǎn)程通信的接4計算機(jī)信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書收高頻率信號和弱信號的能力。1919年，科學(xué)家們利用超外差原理制作成超外差接收機(jī)。超外差接收機(jī)的性能優(yōu)于一般放大式的接收機(jī)，所以直到現(xiàn)在仍然廣泛應(yīng)用在遠(yuǎn)程信號的接收中，并且廣泛應(yīng)用到技術(shù)測量、工業(yè)控制、儀器儀表、計算機(jī)通信等領(lǐng)域，同樣也可以應(yīng)用到復(fù)雜環(huán)境下要求較高的系統(tǒng)中去。圖2-2為超外差原理圖，圖2-2 超外差原理圖圖中fL為本地振蕩器的頻率信號，輸入信

22、號是一中心頻率為fc的射頻信號。這兩個信號是由一個混頻器混合，輸出不同的頻率的成分被稱為中頻信號，即fI=fL-fc為中頻頻率。圖2-3給出了混頻過程中的前后波形圖。中頻信號除中心頻率由FC網(wǎng)絡(luò)變換，頻譜結(jié)構(gòu)和輸入信號基本上是相同的，中頻信號實現(xiàn)了線性搬移過程。從而在很大程度上保留了輸入信號的有用的信息，有利于檢波器的檢測。而超外差原理主要是運(yùn)用在超外差接收機(jī)中（如圖2-4）5圖2-3(a) 混頻前后波形圖2-3(b) 中頻放大前后波形 圖2-4 超外差接收機(jī)原理結(jié)構(gòu)框圖8在整個接收機(jī)工作過程中，經(jīng)過遠(yuǎn)距離傳輸后的信號，進(jìn)入到接收機(jī)中的信號就變得非常虛弱，為了滿足檢波器的正常工作，必須要有足夠

23、大的信號。因此就要將信號放大，從而確保整個接收機(jī)的正常工作。在以前的接收機(jī)中，大多都采用高頻放大級，而性能優(yōu)良的超外差接收機(jī)系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。2.1.2 零中頻接收機(jī)目前，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，各種接收機(jī)的集成度也相應(yīng)提高。在這種技術(shù)下，我們研究了零中頻接收機(jī)，它通過使用直接變頻技術(shù)，較大程度上抑制了鏡像頻率的產(chǎn)生，因此被稱為近零中頻接收機(jī)。其原理圖如圖2-5所示。圖2-5 零中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖所示，接收機(jī)在接收到信號后，首先經(jīng)過放大器進(jìn)行放大處理，之后分別進(jìn)入兩條支路和本振信號進(jìn)行混合，以便產(chǎn)生所需要的基帶信號，相互交叉的本振信號便于信號的有效傳輸。在混頻處理過程中，本振信

24、號的頻率與輸入射頻信號的頻率相等，由此可見，混頻器輸出端輸出的則是基帶信號。通過對零中頻接收機(jī)的結(jié)構(gòu)分析，可見其有很多優(yōu)點(diǎn)，但同時也存在一定的缺點(diǎn)，比如直流偏差、本振泄露和噪聲等問題。在零中頻接收機(jī)的生產(chǎn)與應(yīng)用中，我們應(yīng)該努力找到解決這些問題的方法。2.1.3 低中頻（近零中頻）接收機(jī)中頻濾波器在低中頻接收機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中要求較低。其結(jié)構(gòu)原理如圖2-6所示，同超外差接收機(jī)相比較，其顯著優(yōu)點(diǎn)就是低功耗以及高集成度，而與之前分析的零中頻接收機(jī)相比，低中頻接收機(jī)可以解決信號失調(diào)等問題。由此低中頻接收機(jī)得到越來越多的生產(chǎn)和應(yīng)用。7第二章 接收機(jī)同樣的，低中頻接收機(jī)也存在著一些缺點(diǎn)。在低中頻接收機(jī)中，因為鏡

25、頻信號比較大，因此必須像超外差接收機(jī)那樣，考慮其鏡像頻率的抑制的問題。圖2-6低中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖2.1.4 寬帶中頻數(shù)字接收機(jī) 在現(xiàn)階段的無線通信系統(tǒng)中，人們提出了多種全數(shù)字的調(diào)制解調(diào)方式，其中的寬帶中頻數(shù)字接收機(jī)更是成為了研究關(guān)鍵。以其特有的正交解調(diào)技術(shù)而得到更多更廣的用途。其結(jié)構(gòu)原理框圖如圖2-7所示。圖2-7 中頻寬帶數(shù)字接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖 這類接收機(jī)采用寬帶中頻數(shù)字化的工作方式，很大程度上簡化了電路模塊的設(shè)計，8降低了成本。與一般的接收機(jī)相比，寬帶中頻數(shù)字接收機(jī)的高精確度、高穩(wěn)定性和抗干擾能力強(qiáng)等更是突出了其優(yōu)越性。與此同時，在接收機(jī)工作過程中，也存在一些不可避免的問題。比如接收機(jī)的選擇

26、性和靈敏度，很大程度上影響了接收機(jī)接收弱信號的能力，容易丟失部分弱信號。2.2 接收機(jī)的技術(shù)指標(biāo) 2.2.1 增益一般情況下，射頻系統(tǒng)中的增益指的是功率增益，很容易和電壓增益混淆。這就需要我們根據(jù)實際電路進(jìn)行分析。在射頻通信系統(tǒng)中，定義了多種功率，主要有以下幾種：PL：通過負(fù)載獲得的功率；Pin：電路輸入功率；Pavs：信號源的最大功率；Pavn：電路所能提供的最大功率。與之對應(yīng)的，增益也能夠定義為三種類型：一般功率增益GP、變化功率的增益GT以及資用增益GA，其公式分別如下：GP= （2-1） GT= （2-2） GA = （2-3） 而增益平坦度(Gain Flatness )是表示在恒定

27、帶寬范圍內(nèi)增益快速變化的數(shù)值，以分貝（dB）來衡量。2.2.2 接收機(jī)的選擇性和線性度 通常情況下，在接收機(jī)工作中都存在一定的外界干擾，在這種情況下，接收機(jī)仍能夠選擇所需要的信號，我們稱之為接收機(jī)的選擇性。而選擇性往往都是用矩形系數(shù)來表示，比如Kr0.1或Kr0.01。在接收機(jī)系統(tǒng)中，中頻信道的調(diào)諧濾波器影響著接收機(jī)的選擇性。計算機(jī)信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 為了確保接收機(jī)盡可能的接收失真信號，這就必須保證足夠的線性度。良好的選擇性和接收機(jī)的線性度可以提高接收信號的質(zhì)量，保證接收機(jī)持續(xù)穩(wěn)定的工作。2.2.3 接收機(jī)的動態(tài)范圍 在一般的接收機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，動態(tài)范圍是衡量接收機(jī)性能好壞的一個非常重要

28、的指標(biāo)，它表示的是接收機(jī)處理最大信號以及檢測弱信號的能力，也被定義成最大和最小的輸入信號的比值，即： 接收機(jī)的動態(tài)范圍 = （2.4） 在接收機(jī)正常工作過程當(dāng)中，動態(tài)范圍D指的是接收機(jī)容許射頻輸入信號強(qiáng)度的一個范圍，一般定義為： D(dB)=PRF- max PRF-min （2.5） 式中，PRF- max表示最大輸入信號的功率，PRF-min則表示最小可辨別的信號的功率，單位為dBm。在實際的接收機(jī)應(yīng)用中，我們常把接收機(jī)的靈敏度表示為PRF-min，即最小可辨別信號功率。2.2.4 接收機(jī)的靈敏度和噪聲分析在接收機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，一般都采用系統(tǒng)的信噪比來衡量接收機(jī)對信號接收能力的好壞，信噪比即

29、為信號功率和噪聲功率的比。而在端口網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，則使用噪聲系數(shù)作為這一特性的參數(shù)。計算公式為： F = = （2.7） 將上式轉(zhuǎn)變成分貝數(shù)，即 NF=10 1gF在同一時間的最小信號強(qiáng)度，接收機(jī)能夠接收到并且維持接收機(jī)正常的工作被稱為接收器的靈敏度。作為衡量接收機(jī)接收弱信號能力的參數(shù)，靈敏度高低決定了接收機(jī)接收到信號的強(qiáng)弱。112.3 電路仿真軟件Multisim的應(yīng)用2.3.1 Multisim 10.0的主要功能和特點(diǎn)Multisim 軟件是由美國國家儀器公司（NI）的Electronics Workbench 在2007年3月份發(fā)布的。主要包括了PCB設(shè)計和自動布線功能，用于電路板設(shè)計和仿

30、真測試。Multisim 10.0是一個非常方便電子電路的設(shè)計和調(diào)試的軟件。通過改變電路結(jié)構(gòu)中的元器件的參數(shù)，從而使整個電路性能達(dá)到最佳的狀態(tài)，方便我們更準(zhǔn)確的研究與測試。它用軟件的方法模擬了電子線路中各個元器件以及儀器儀表等，大大增強(qiáng)了軟件的仿真和分析能力。從Multisim 7到現(xiàn)在的Multisim 10，軟件基本上都保留了最初版本的操作界面，相比以前的老版本，Multisim 10新增了1200多個元器件、500多個SPICE模塊以及100多個開關(guān)電源模塊，因此增加了仿真電路的規(guī)模以及仿真速度。當(dāng)然，Multisim 10.0配置了多種虛擬測試儀器，比如像計算機(jī)實驗室中常用的萬用表、信

31、號發(fā)生器、示波器和直流、交流電源等。仿真后的結(jié)果也和使用實際儀器時差不多。此外，Multisim 10.0有一個非常完整的電路分析功能， 方便我們能夠更加深入的理解電路的特性。Multisim 10.0還可以允許在仿真電路圖中添加文本框，這樣就方便了我們對電路各個部分的詳細(xì)研究。哪里有疑問，都可以標(biāo)注在文本框中，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，和其他很多仿真軟件一樣，Multisim也必定會幫助我們更好的去研究和分析各種復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)。2.3.2 Multisim 10.0在模擬電子技術(shù)中的應(yīng)用 振蕩電路在模擬電子技術(shù)的研究中變得日益重要起來。當(dāng)在電路結(jié)構(gòu)中加入負(fù)反饋后能夠很大程度上的穩(wěn)定放大倍數(shù)，并

32、且放大性能也得到了提高，而加入正反饋時，電路中的放大功能會變得不夠穩(wěn)定，同時可能會產(chǎn)生自激。所以這就要求我們根據(jù)實際的電路結(jié)構(gòu)，使電路產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦波輸出信號，方便分析。圖 2-8是電容反饋式正弦波振蕩電路。第二章 接收機(jī)圖 2-8電容反饋式正弦波振蕩仿真電路圖 2-9 輸出波形12假設(shè)需要提高電路結(jié)構(gòu)中的振蕩頻率，則必須減小L1值，其中C1和C2具有分壓作用.計算機(jī)信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書2.4 本課題所用的接收機(jī)結(jié)構(gòu)2.4.1 超外差接收機(jī) 本次課題研究的是超外差接收機(jī)中頻放大器電路，采用超外差式結(jié)構(gòu)，如圖2-8所示。射頻信號經(jīng)過遠(yuǎn)距離的傳輸之后，接收設(shè)備所接收到的信號已經(jīng)非常微弱，接收

33、機(jī)前端的接收天線可以感生出毫伏或者微伏的高頻信號，通過高頻放大器之后進(jìn)入混頻器。而混頻器的另一端輸入時接收機(jī)本身產(chǎn)生的一個正弦電壓，我們稱之為本地振蕩信號fL?；祛l器的作用是將接收機(jī)接收的高頻信號轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的中頻信號，同時進(jìn)行中頻放大。由于中頻頻率是固定的，所以中頻放大器電路也是穩(wěn)定的，從而確保了接收機(jī)的靈敏度以及穩(wěn)定的工作性。14圖2-8 超外差接收機(jī)原理框圖2.4.2 超外差接收機(jī)的系統(tǒng)仿真在一般超外差式調(diào)頻接收機(jī)系統(tǒng)中，它可以接收短波或者中波調(diào)幅廣播。具有高第二章 接收機(jī)靈敏度、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。 15調(diào)諧器由三部分構(gòu)成，其中包括高頻放大電路、振蕩器電路和混頻器電路。其作用是將接收機(jī)接收的高

34、頻信號放大轉(zhuǎn)變成中頻信號。圖2-9為調(diào)諧器中混頻電路的設(shè)計以及其仿真圖。圖2-9 混頻電路及其仿真 與一般放大式接收機(jī)相比較，超外差接收機(jī)不僅可以對高頻率信號進(jìn)行放大，同時還可以完成載波頻率的轉(zhuǎn)換以及中頻放大。所以超外差式接收機(jī)的增益和選擇能力較高。圖2-10為中頻放大電路設(shè)計及其仿真。14計算機(jī)信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書圖 2-10 中頻放大電路及其仿真根據(jù)之前的超外差式接收機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖，信號通過中頻放大器之后，進(jìn)入檢波器。而檢波器是用于識別信號的裝置，檢波器通常用于提取有用的信號。圖2-11為檢波電路的設(shè)計及其仿真。15圖 2-11 檢波電路及其仿真 檢波器把中頻調(diào)幅信號中所包含的其他

35、信號過濾出來，然后發(fā)送到低頻放大器。圖2-12為低頻功率放大電路的設(shè)計與仿真。18計算機(jī)信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書圖 2-11 低頻功率放大電路及其仿真2.5本章小結(jié)17本章主要介紹了超外差、零中頻、低（近零）中頻、寬帶數(shù)字中頻接收機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理，并對各種結(jié)構(gòu)接收機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)也作了比較分析，同時還介紹了接收機(jī)的一些第三章 混頻器重要參數(shù)，比如：增益、接收機(jī)的選擇性和線性度、噪聲系數(shù)和靈敏度、動態(tài)范圍等。之后介紹了本課題設(shè)計中所運(yùn)用到的Multisim仿真軟件。最后對本課題所采用的超外差式接收機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析，并對各模塊電路作了介紹，最后通過Multisim軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真。21第三章 混頻器第三章

36、 混頻器19第三章 混頻器在現(xiàn)階段的無線通信技術(shù)研究中，混頻器是一種比較常見的電路組件，在無線通信領(lǐng)域的研究者扮演著非常重要的角色?；祛l器的基本作用就是對頻率進(jìn)行變換，當(dāng)然，在不同的電子器件中，混頻器的作用也是各不相同。比如在信號發(fā)射機(jī)中，混頻器的作用就是改變信號的頻率，中頻信號變成了高頻，有利于信號的傳輸。而在接收機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，混頻器則把接收的高頻信號轉(zhuǎn)變成中頻信號，利于信號在信道中傳輸。而混頻器電路是超外差接式接收機(jī)中的重要組成部分，它可以將高頻信號轉(zhuǎn)換為中頻頻率信號，直接關(guān)系著接收機(jī)的性能?，F(xiàn)階段，各種類型的接收機(jī)大多都采用二極管平衡混頻器或者模擬乘法混頻器。本章介紹了模擬乘法器混頻器，

37、并對其進(jìn)行仿真。3.1 混頻器的構(gòu)成和基本工作原理在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，一般都為了滿足兩種需要從而選擇使用混頻器。一是為了提高電路的性能，二是便于信號頻率在系統(tǒng)工作時的設(shè)定。就后者的應(yīng)用角度來看，利用混頻器能夠?qū)⒁颜{(diào)信號轉(zhuǎn)變?yōu)楹洼斎胄盘枱o關(guān)的載波信號，并在同一時間完成信號的選頻放大功能，最后由檢波器來完成超外差式的接收與解調(diào)。相反的，在發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中，載頻頻率則通過混頻器來改變大小。在頻率合成器中，基本上都是利用混頻器完成頻率的各種運(yùn)算，從而得到易于傳輸?shù)念l率信號。一般情況下，由于非線性器件能夠進(jìn)行頻率的變換，當(dāng)兩個不同頻率的正弦電壓都作用在非線性器件上的時候，輸出信號中就會產(chǎn)生比較多的頻率組合分量

38、，通常被稱為組合頻率分量。在一般的接收機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，為了得到中頻信號，通常都在非線性器件的輸出端接入中頻濾波器。主要用于過濾掉沒有用的頻率分量，以便輸出有用的中頻頻率?？梢?，混頻器由非線性器件、本機(jī)振蕩器以及中頻濾波器三部分組成。如圖3-1所示。27計算機(jī)信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書圖 3-1 混頻器結(jié)構(gòu)20根據(jù)進(jìn)入混頻器中信號大小，混頻器可以分為兩類，一是大信號變頻，二是小信號變頻。在實際應(yīng)用中，混頻器還可以根據(jù)電路中的電源來分為有源或無源混頻器兩種類型。通常，無緣混頻器比較于有源混頻器的一個明顯優(yōu)點(diǎn)就是線性度好，所以其工作頻率較廣。而無源混頻器不存在對增益的轉(zhuǎn)換，工作中受到噪聲的影響較大?；?/p>

39、頻器用于實現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn)換，混頻器的基本工作原理如圖3-2所示，fL為本振信號的輸入端口，主要接收本地振蕩器所產(chǎn)生的信號。而fs為射頻信號的輸入端，主要接受即將進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換的信號。Fif則是信號的輸出端，主要用于輸出變頻之后的信號.第三章 混頻器圖 3-2 混頻器基本原理圖無線電通信技術(shù)的研究中，比較多的研究的是模擬乘法器混頻器，也稱為雙差分平衡混頻器。3.2 平衡混頻器3.2.1 模擬乘法器混頻器模擬乘法器混頻器也被稱為雙差分平衡混頻器，其電路結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。由模擬乘法混頻器構(gòu)成的混頻器可以很大程度的降低輸出信號形成的干擾。在理論的乘法運(yùn)算條件下，相乘之后，得到只含有輸入信號的差頻或和頻的部

40、分，由于實際中的乘法一般都不是理想的，因此在使用的時候，必須根據(jù)電路的整體結(jié)構(gòu)，外界影響，同時結(jié)合接收機(jī)的整體性能來選擇對應(yīng)的乘法器，從而使整個電路的性能得到最大的提升.21圖 3-3 模擬乘法器混頻器框圖3.2.2 創(chuàng)建混頻器仿真電路 通過利用模擬乘法器，在Multisim軟件上創(chuàng)建一個混頻器的仿真電路，如圖3-4所示。電路中的V1、V2、V3和乘法器A1組成普通的單頻調(diào)幅電路，而乘法器A2則是26構(gòu)成了一個混頻器，電阻R1、電容C3和T1組成一個帶通濾波器。其中V4為交流信號源，產(chǎn)生本地振蕩信號，同樣也可以由正弦振蕩電路產(chǎn)生。計算機(jī)信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書圖3-4 模擬乘法器混頻器仿真電

41、路22完成電路的搭建工作之后，單擊運(yùn)行按鈕，同時雙擊示波器XSC1，就得到了混頻器的各輸出波形。如圖3-5所示，其中上面的是乘法器A2的輸出波形，下面的是一個帶通濾波器的輸出信號波形第三章 混頻器 27圖 3- 5 混頻器輸出波形將圖3-4的混頻電路中的示波器XSC1換成頻譜分析儀XSA1，首先得到乘法器A1的輸出信號頻譜，如圖3-6所示。計算機(jī)信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書26計算機(jī)信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書圖 3-6 乘法器A1的輸出信號頻譜 改變頻譜儀在混頻電路中的測試點(diǎn)，從而得到乘法器A2的輸出信號頻譜，如圖3-7所示。28計算機(jī)信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書圖 3-7 乘法器A2的輸出信號頻

42、譜26 按照同樣的方法，我們得到帶通濾波器的輸出信號頻譜，如圖3-8所示。第三章 混頻器圖 3-8 輸出信號頻譜 通過觀察，我們發(fā)現(xiàn)帶通濾波器的輸出信號幅值比乘法器A2的輸出信號幅值要大一些，這是由電路中的變壓器造成的。3.2.3 低通濾波器由于經(jīng)過混頻器的輸出信號中含有一些不需要的信號，因此需要加上一個濾波器 29對輸出信號進(jìn)行濾波，從而得到所需要的中頻頻率信號。圖 3-9 低通濾波器電路25仿真結(jié)果如下 ：圖 3-10 低通濾波器仿真圖從圖中的特性曲線可以看出，輸出的幅值在逐漸變小，可見低通濾波器電路的濾波特性會隨著負(fù)載電阻的變化而變化。3.3 本章小結(jié)本章在最開始就介紹了混頻器的構(gòu)成以及

43、工作原理。并對混頻器的各項參數(shù)性能進(jìn)行了分析介紹。通過Multisim軟件搭建模擬乘法混頻器電路，并對混頻電路的輸出波形和頻譜進(jìn)行了分析比較。最后對低通濾波器電路進(jìn)行了仿真操作。第四章 中頻放大器 29第四章 中頻放大器第四章 中頻放大器4.1 中頻放大器在無線通信技術(shù)中的應(yīng)用 中頻放大器是超外差式接收機(jī)結(jié)構(gòu)中極為重要的部分。它的主要任務(wù)就是放大經(jīng)過混頻之后的中頻頻率信號，從而達(dá)到滿足檢波器正常穩(wěn)定工作所需要的頻率信號。 在我國，中頻放大器的頻率都進(jìn)行了明確的界定，如調(diào)制中頻式接收機(jī)的中頻頻率為465千赫茲，而調(diào)頻式接收機(jī)則為10.7兆赫茲。 在之前的第二章中，我們了解了超外差式接收機(jī)一些主要

44、性能，包括增益、靈敏度、選擇性等，而中頻放大器對這些性能的影響更是至關(guān)重要。在接收機(jī)結(jié)構(gòu)的總體增益中，中頻放大器就占了相當(dāng)大的部分，所以中頻放大器從根本上決定著系統(tǒng)的選擇性。 系統(tǒng)的選擇性表達(dá)式可以這樣表示： A= (4.1) 如果用分貝表示，則為： A（dB）= 10 l g 1+(QL)2 (4.2) 4.2 中頻放大器的分類4.2.1 單調(diào)諧中頻放大器當(dāng)中頻放大器的晶體管集電極端口接入單調(diào)諧回路時，這樣的中頻放大器我們就稱之為單調(diào)諧中頻放大器，它具有電路簡單以及調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。通常情況下，在單調(diào)諧中頻放大器中，它的級間耦合方式一般有三種，包括自耦變壓器式、變壓器式、電容分壓式。如圖4-1

45、所示，其中圖（a）為變壓器式耦合、圖（b）電容分壓式耦合。27 （a） (b)圖 4-1 單調(diào)諧中頻放大器級間耦合4.2.2 雙調(diào)諧中頻放大器 同樣的，在中頻放大器中的晶體管集電極端口接入兩個回路，這樣的中頻放大器我們簡稱為雙調(diào)諧中頻放大器。雙調(diào)諧中頻放大器具有較好的選擇性，當(dāng)接收機(jī)對選擇性或者通頻帶的要求比較高時，雙調(diào)諧中頻放大器就能夠很大程度上的滿足接收機(jī)系統(tǒng)對選擇性的高要求。 在接收機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，一般多采用雙調(diào)諧中頻放大器中的兩種方式，包括電感耦合方式以及電容耦合方式。圖4-2所示為電容耦合方式。圖 4-2 雙調(diào)諧中頻放大器電容耦合方式4.2.3 多級中頻放大器 通常情況下，調(diào)幅接收機(jī)系

46、統(tǒng)結(jié)構(gòu)中多為一級中頻放大器，而在其他一些接收機(jī)結(jié)構(gòu)中，為了使系統(tǒng)得到更穩(wěn)定的增益，從而提高接收機(jī)的靈敏度，我們都才用多級中頻放大器來實現(xiàn)。 多級中頻放大器同樣包括多級單調(diào)諧中頻放大器和多級雙調(diào)諧中頻放大兩種。4.3 中頻放大器主要技術(shù)要求4.3.1 增益 在接收機(jī)系統(tǒng)中，中頻放大器的輸出功率和輸入功率的比值我們稱之為中頻放大器的增益，可定義為：Gp= (4.3) 一樣也能夠表示為中頻放大器的輸出電壓和輸入電壓之比，即： Kp= (4.4) 通常情況下，當(dāng)輸出信號的信噪比不變時，中放增益越高，接收機(jī)系統(tǒng)的靈敏度也就越好。4.3.2 選擇性中頻放大器的選擇性表示接收機(jī)系統(tǒng)從經(jīng)過混頻器的輸出信號中選

47、取出有用的信號，同時排除干擾信號的能力，通常也用矩形系數(shù)來表示。接收機(jī)的選擇性，由中頻放大器的LC諧振電路確定。LC諧振回路通常包括單調(diào)諧和雙調(diào)諧兩種。當(dāng)諧振回路的特性曲線接近理想的特性曲線，此時中頻放大器的選擇性也就越好，并且抑制干擾信號的能力也就越強(qiáng)。如圖4-3所示的是中頻放大器的理想和實際的諧振曲線。計算機(jī)信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書30圖 4-3 中頻放大器理想和實際的諧振曲線4.3.3 通頻帶 中頻放大器的通頻帶寬度由電路中的調(diào)諧回路決定，假使中頻放大器中諧振回路的通頻帶沒有達(dá)到一定的寬度，這時候當(dāng)輸入信號經(jīng)過中頻放大器時，高頻信號將會被減弱，從而導(dǎo)致信號的干擾問題。為了解決這個問題，

48、這就需要中頻放大器要有足夠的通頻帶帶寬。在一般的調(diào)幅式接收機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，中頻放大器的通頻帶帶寬大約是4.5千赫茲到6千赫茲左右。4.3.4 穩(wěn)定性在接收機(jī)系統(tǒng)工作時，中頻放大器的工作溫度以及電源電壓都會發(fā)生變動，一般高質(zhì)量的接收機(jī)在工作時，當(dāng)中頻放大器中的電壓等在一定范圍內(nèi)有規(guī)律的變化時，其增益、選擇性以及通頻帶等基本上無變化，同樣也避免了電路中產(chǎn)生自激的可能。中頻放大器的各項技術(shù)要求都是互相兼顧的，為了更方便和準(zhǔn)確的研究，我們應(yīng)該仔細(xì)選取合適的器件去搭建電路。4.4 中頻放大器電路的設(shè)計4.4.1 參數(shù)要求（1） 中頻頻率：1MHz10MHz（2） 增益：2030dB第四章 中頻放大器（3）

49、 增益平坦度：-1dB4.4.2 設(shè)計步驟（1）提出具體的設(shè)計方案（2）搭建設(shè)計的電路原理圖（3）對電路模塊中各個參數(shù)進(jìn)行仿真。 4.4.3 設(shè)計 本次課題主要設(shè)計中頻放大器電路， 并采用2N2222A通用NPN晶體管，和其他很多晶體管相比，2N2222A晶體管具有較多明顯的優(yōu)點(diǎn)。比如頻率特征較高，導(dǎo)通截止特性也非常明顯。2N2222A晶體管大多用作開關(guān)電路，本次課題中，利用2N2222A晶體管進(jìn)行中頻頻率的放大。（1）通過Multisim軟件分析2N2222A晶體管的特性曲線在Multisim軟件上添加2N2222A晶體管模塊，同時接入IV分析儀，確定其特性曲線。如圖4-4所示。圖 4-4

50、2N2222A晶體管特性曲線的測量 單擊運(yùn)行按鈕，雙擊IV分析儀，就得到了2N2222A晶體管的特性曲線。如圖4-5所示。 31計算機(jī)信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書圖 4-5 2N2222A晶體管特性曲線32第四章 中頻放大器（1） 中頻放大器電路原理圖設(shè)計及其仿真 37第四章 中頻放大器圖 4-6 中頻放大器電路原理圖及仿真電路圖中三級放大管選用2N2222A晶體管，其中R1、R2、R3組成的是直流 35偏置電路，C3為耦合電容，波特圖示儀可以用來觀察中頻放大器的通頻帶，通過調(diào)節(jié)電容電阻的大小可以調(diào)節(jié)通頻帶。仿真波形圖如下：圖 4-7 仿真波形 電壓放大倍數(shù)為K=100，電壓增益即為：G=10

51、lg100=20dB。改變電容C1=10uF，得到仿真波形如圖4-8所示。計算機(jī)信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書圖 4-8 仿真波形 電壓放大倍數(shù)為K=200，增益為G=10 lg200=23dB。36計算機(jī)信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書改變電阻R4=100千歐，得到仿真波形如圖4-9所示.34第四章 中頻放大器圖4-9 仿真波形此時對低頻頻率沒有放大作用。改變電阻R4=0.1千歐，仿真波形如圖4-10所示。35計算機(jī)信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書圖 4-10 仿真波形此時對高頻頻率沒有放大作用。 通過分析比較，體現(xiàn)出了中頻放大器電路先選擇頻率然后再進(jìn)行放大的工作特性。通過接入的波特圖示儀，觀察增益平坦度為-1dB時的頻率變化，如圖4-9所示。36圖 4-9 仿真結(jié)果通過觀察圖4-9的仿真結(jié)果可以知道，在本次設(shè)計的中頻放大器電路中，接近理想的中放諧振曲線，基本上符合了課題的要求。由于時間的原因沒能制作出相對應(yīng)的實物，但是通過本次課題的設(shè)計，我也學(xué)到了很多東西。第四章 中頻放大器 374.5 本章