基于Multisim的調(diào)頻發(fā)射機課程設(shè)計

1、東北大學秦皇島分校計算機與通信工程學院綜合課程設(shè)計設(shè)計題目：調(diào)頻發(fā)射機專業(yè)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(shè)計時間2012.12.172013.1.4課程設(shè)計任務(wù)書專業(yè)： 通信工程學號： 4100828 學生姓名（簽名）：設(shè)計題目：調(diào)頻發(fā)射機一、設(shè)計實驗條件計算機與通信工程學院創(chuàng)新實驗室二、設(shè)計任務(wù)及要求1.學習 multisim仿真軟件的使用方法，以及鍛煉電路仿真的能力；2.設(shè)計調(diào)頻發(fā)射機各模塊的電路，正確設(shè)計與計算發(fā)射機的各單元電路；3.用 multisim軟件對設(shè)計的電路進行仿真，驗證設(shè)計是否正確；4.模擬仿真，輸出結(jié)果。三、設(shè)計報告的內(nèi)容1

2、.設(shè)計題目與設(shè)計任務(wù)（設(shè)計任務(wù)書）本次課程設(shè)計的題目為調(diào)頻發(fā)射機的設(shè)計。旨在通過調(diào)頻發(fā)射機電路的設(shè)計，建立無線電發(fā)射機的整機概念，了解發(fā)射機整機各單元電路之間的關(guān)系及相互影響，從而能正確設(shè)計、計算發(fā)射的各單元電路。發(fā)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(fā)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(shè)計的設(shè)計單元主要包括基本放大電路、振蕩電路、調(diào)頻波產(chǎn)生電路、倍頻電路、高頻功放電路。2.前言（緒論） (設(shè)計的目的、意義等 ) 頻率調(diào)制又稱調(diào)頻，它是使高頻載波信號的頻率按調(diào)制信號振幅的規(guī)律變化，即使瞬時頻率變化的大小與調(diào)制

3、信號成線性關(guān)系，而振幅保持基本恒定的一種調(diào)制方式。調(diào)頻發(fā)射機首先將音頻信號信號放大，并利用振蕩電路產(chǎn)生高頻載波信號，將調(diào)制信號與載波型號輸入調(diào)頻波產(chǎn)生電路得到調(diào)頻波, 再對所產(chǎn)生的調(diào)頻信號進行倍頻、功放和一系列的阻抗匹配, 完成調(diào)頻發(fā)射過程。本次課程設(shè)計主要通過利用通信原理所學的內(nèi)容設(shè)計調(diào)頻發(fā)射機電路，然后利用高頻電路所學的知識進行電路實現(xiàn)，最后利用multisim軟件對設(shè)計的電路進行仿真，檢驗電路的正確性。通過此次課程設(shè)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(shè)計的能力，十分有教學意義。3.設(shè)計主體（各部分設(shè)計內(nèi)容、分析、結(jié)論等）3.1、總體設(shè)計方

4、框圖圖 1調(diào)頻發(fā)射機總體設(shè)計框圖3.2、調(diào)制原理及實現(xiàn)3.2.1、基本放大電路的原理及電路實現(xiàn)音頻放大器的目的是在產(chǎn)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(xiàn)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(xù)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(guān)所產(chǎn)生的非線性，只要偏置和動態(tài)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?；痉糯箅娐份d波產(chǎn)生電路調(diào)頻波產(chǎn)生電路倍頻放大電路信號輸入調(diào)頻信號輸出圖 2 基本放大電路的multisim 原理圖ql音頻放大管，選用了2

5、sc1815型， 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(tài)偏置， 控制 r3的大小可以控制輸入信號的大?。籧1為耦合電容，采用了cdll 型電解電容。仿真結(jié)果：圖 3 基本放大電路的仿真結(jié)果3.2.2、載波產(chǎn)生電路的原理及仿真結(jié)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(zhuǎn)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(chǎn)生lc調(diào)頻振蕩器一般由 lc正弦波振蕩器與變?nèi)荻O管調(diào)頻電路兩大部分組成。其中， lc正弦波振蕩器用于產(chǎn)生一定頻

6、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(zhuǎn)換為所需要的交流能量輸出。圖 4 lc 振蕩器電路的multisim 原理圖仿真結(jié)果：圖 5 lc 振蕩電路產(chǎn)生高頻載波的仿真結(jié)果【2】方法二：由西勒振蕩電路或者克拉潑電路產(chǎn)生高頻載波通常根據(jù)載波頻率的高低和頻率穩(wěn)定度來確定電路形式。在頻率穩(wěn)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。（ a)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(jié)果為：圖 7 西勒振蕩器的multisim原理圖及仿真結(jié)果2）克拉潑振蕩器的multisim原理

7、圖及仿真結(jié)果為：圖 8 克拉潑振蕩器的multisim原理圖及仿真結(jié)果3.2.3、調(diào)頻波產(chǎn)生電路原理及其實現(xiàn)頻率調(diào)制原理載波twutuccmccos)(，調(diào)制信號tu；通過 fm調(diào)制，使得)(tuc頻率變化量與調(diào)制信號tu的大小成正比。即已調(diào)信號的瞬時角頻率tukwtwfc已調(diào)信號的瞬時相位為t dtuktwt dtwttfct)(00實現(xiàn)調(diào)頻的方法有：【1】變?nèi)荻O管直接調(diào)頻變?nèi)荻O管調(diào)頻電路由變?nèi)荻O管cd及耦合電容cc組成,r1 與 r2為變?nèi)荻O管提供靜態(tài)時的反向直流偏置電壓qv即qv=r2/(r1+r2)ccv。 電阻r3稱為隔離電阻，常取 r3 r2,r3r1 ，以減小調(diào)制信號?v

8、對qv的影響。 c5與高頻扼流圈 l2給?v提供通路， c6起高頻濾波作用。變?nèi)荻O管cd通過耦合電容cc部分接入振蕩回路，有利于主振頻率of的穩(wěn)定性，減小調(diào)制失真。 圖(1-4) 所示的為變?nèi)荻O管部分接入振蕩回路的等效電路，接入系數(shù) p 及回路總電容c分別為： (1-6) jcccccpjcjc1cccccc(1-7) 式中，jc為變?nèi)荻O管的結(jié)電容，它與外加電壓的關(guān)系為：rdjjvvcc10 (1-8) 式中，0jc為變?nèi)荻O管加零偏壓時的結(jié)電容；dv為變?nèi)莨?pn結(jié)內(nèi)建電差（硅管dv=0.7v，鍺管dv=0.3v） ； 變?nèi)荻O管的電容變化指數(shù)， 與頻偏的大小有關(guān)（小頻偏：選 =1 的

9、變?nèi)荻O管可近似實現(xiàn)線性調(diào)頻，大頻偏：必須選=2的超突變結(jié)變?nèi)荻O管，才能實現(xiàn)較好的線性調(diào)頻）；為變?nèi)莨軆啥怂拥姆聪螂妷海?qv+?v=qv+tvmcos。變?nèi)荻O管的 c j- v 特性曲線如圖（ 1-2）示，設(shè)電路工作在線性調(diào)制狀態(tài)，在靜態(tài)工作點q處，曲線的斜率為vckc (1-9) 圖 1-1 變?nèi)荻O管部分接入的等效電路圖圖 1-3 變?nèi)荻O管的cj-v特性曲線直接調(diào)頻的基本原理是利用調(diào)制信號直接控制振蕩器的振蕩頻率，使其反映調(diào)制信號變化規(guī)律。要用調(diào)制信號去控制載波振蕩器的振蕩頻率，就是用調(diào)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(shù)，從而使載波振蕩器的瞬時頻率按調(diào)制信號變化

10、規(guī)律線性地改變，就能夠?qū)崿F(xiàn)直接調(diào)頻。直接調(diào)頻可用如下方法實現(xiàn)：a. 改變振蕩回路的元件參數(shù)實現(xiàn)調(diào)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(jù)調(diào)頻的特點，cc cj c1 l1 用調(diào)制信號去控制電感、電容或電阻的數(shù)值就能實現(xiàn)調(diào)頻。調(diào)頻電路中常用的可控電容元件有變?nèi)荻O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(tài)實現(xiàn)調(diào)頻在微波發(fā)射機中，常用速調(diào)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

11、。因此，只需將調(diào)制信號加至反射極即可實現(xiàn)調(diào)頻。若載波是由多諧振蕩器產(chǎn)生的方波，則可用調(diào)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?nèi)荻O管直接調(diào)頻的工作原理圖與multisim仿真結(jié)果為：圖 9 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻的工作原理圖仿真結(jié)果為：圖 10 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路的multisim仿真結(jié)果變?nèi)荻O管直接調(diào)頻的工作原理圖與multisim仿真結(jié)果為：圖 9 變?nèi)荻O管間接調(diào)頻的工作原理圖仿真結(jié)果為：【2】變?nèi)荻O管間接調(diào)頻不直接針對載波，而是通過后一級的可控的移相網(wǎng)絡(luò)。將u先進行積分tdttuk01，而后以此積分值進行調(diào)相，即得間接調(diào)頻。tfccmfmtdtuktwvtu0cos

12、間接調(diào)頻實現(xiàn)的原理框圖如圖 1-1 所示：圖 9 借助于調(diào)相器得到調(diào)頻波圖 10 變?nèi)荻O管間接調(diào)頻電路的multisim仿真結(jié)果【3】鎖相環(huán)調(diào)頻電路鎖相環(huán)路是一種反饋控制電路，簡稱鎖相環(huán)（pll） 。鎖相環(huán)的特點是：利用外部輸入的參考信號控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號的頻率和相位。因鎖相環(huán)可以實現(xiàn)輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤，所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。鎖相環(huán)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(huán)名稱的由來。鎖相環(huán)通常由鑒相器（pd ） 、環(huán)路濾波器（ lf）和壓控振蕩器（ vco ）三部

13、分組成。首先在 multisim 軟件中構(gòu)造鎖相環(huán)的仿真模型( 圖10)。鎖相環(huán)包含三個主要的部分：（1）鑒相環(huán) ( 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。 （2）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(guān)系。圖中，鑒相器由模擬乘法器a1實現(xiàn)，壓控振蕩器為v3，環(huán)路濾波器

14、由 r1 、c1 構(gòu)成。環(huán)路濾波器的輸出通過r2 、r3串聯(lián)分壓后加到壓控振蕩器的輸人端，直流電源v2用來調(diào)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(diào)整壓控振蕩器的中心頻率。直接調(diào)頻電路的振蕩器中心頻率穩(wěn)定度較低，而采用晶體振蕩器的調(diào)頻電路，其調(diào)頻范圍又太窄。采用鎖相環(huán)的調(diào)頻器可以解決這個矛盾。其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。 fm波調(diào)制信號圖 11 鎖相環(huán)調(diào)頻電路原理框圖實現(xiàn)鎖相調(diào)頻的條件是調(diào)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(huán)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(wěn)定晶 體 振蕩器鑒相器環(huán)路濾波器+ 壓 控 振蕩器度很高的晶振

15、頻率上。而隨著輸入調(diào)制信號的變化，振蕩頻率可以發(fā)生很大偏移。根據(jù)圖 2建立的仿真電路如圖 3所示。圖中，設(shè)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(shè)定直流電壓 v3為25v。調(diào)制電壓 v4通過電阻r5接到vco 的輸入端，r5實際上是作為調(diào)制信號源 v4的內(nèi)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(diào)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(huán)調(diào)頻仿真電路vco 輸出波形和輸入調(diào)

16、制電壓v4的關(guān)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(xiàn) 了 調(diào) 頻 功 能 。圖 13 鎖相環(huán)調(diào)頻電路仿真圖3.2.4、倍頻電路原理與仿真倍頻器實質(zhì)上就是一種輸出信號等于輸入信號頻率整數(shù)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(jīng)倍頻處理后，調(diào)頻信號的頻偏也可成倍提高，即提高了調(diào)頻調(diào)制的靈敏度，這樣可降低對調(diào)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(xiàn)象的產(chǎn)生，提高整機工作穩(wěn)定性。正弦波二倍頻

17、, 可以用乘法器實現(xiàn)。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(shè)計我們采用的正是使用乘法器實現(xiàn)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?yōu)樵瓉淼膬杀?，幅值變?yōu)樵瓉淼囊话?。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(shè)計圖 16 調(diào)頻電路圖 18 總體設(shè)計3.4 誤差分析由仿

18、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(shè)計的電路基本達到了任務(wù)書的要求，所設(shè)計電路的仿真水平，離設(shè)計指標所要求的還一段距離。出現(xiàn)這些原因主要有以下四點：（1）設(shè)計電路時選擇元件不同會產(chǎn)生誤差；（2）電路的參數(shù)設(shè)置會產(chǎn)生誤差；（3）本身電路設(shè)計存在問題有待改進；（4）各級電路接在一起時互相干擾。4.結(jié)束語（設(shè)計的收獲、體會等）通過這次設(shè)計調(diào)頻發(fā)射機的課程設(shè)計，收獲良多，作為通信工程專業(yè)的學生，信號的接收調(diào)制傳送接收理應是好生掌握的看家本領(lǐng)。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(shè)計是通信原理的課程設(shè)計，基于通信原理的只是調(diào)頻發(fā)射機的工作原理不難理解與掌握，但功能電路的實現(xiàn)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(shè)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(lián)網(wǎng)上查資料，在電子閱覽室搜索相關(guān)論文，在閱覽室查找相關(guān)書籍，幾天下來，漸漸的對本次課程設(shè)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