高頻電子線路課程設(shè)計(jì)集電極調(diào)幅電路

1、目 錄一背景介紹1二選題概述21集電極振幅調(diào)幅器的工作原理22 集電極電路脈沖的變化情況23 集電極調(diào)幅波形圖34集電極調(diào)幅的靜態(tài)調(diào)制特性4三設(shè)計(jì)要求與任務(wù)5四設(shè)計(jì)思路51調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表示式推導(dǎo)52集電極調(diào)幅電路的工作狀態(tài)分析5五設(shè)計(jì)采用硬件及軟件環(huán)境概述61仿真軟件MULTISIM 14概述61.1仿真軟件概述61.2界面預(yù)覽61.3元器件庫(kù)的說(shuō)明71.4注意事項(xiàng)及可能遇到的問題72元器件說(shuō)明7六設(shè)計(jì)過(guò)程及設(shè)計(jì)電路81集電極振幅調(diào)制設(shè)計(jì)電路82集電極振幅調(diào)制仿真電路93調(diào)制信號(hào)波形和集電極調(diào)幅輸出波形的比較和分析94電路的改進(jìn)104.1此電路的優(yōu)缺點(diǎn)104.2改進(jìn)方案10七結(jié)果12八設(shè)計(jì)心得

2、12參考文獻(xiàn)12一背 景 介 紹調(diào)制器與解調(diào)器是通信設(shè)備中的重要部件。所謂的調(diào)制，就是用調(diào)制信號(hào)去控制載波某個(gè)參數(shù)的過(guò)程。調(diào)制信號(hào)是由原始消息（如聲音、數(shù)據(jù)、圖像等）轉(zhuǎn)變成的低頻或視頻信號(hào)，這些信號(hào)可以是模擬的，也可以是數(shù)字的，通常用u或f(t)表示。未受調(diào)制的高頻振蕩信號(hào)稱為載波，可以是正弦波，也可以是非正弦波；但必須是周期性信號(hào)，用符號(hào)uc和ic表示。受調(diào)制后的振蕩波稱為已調(diào)波，它具有調(diào)制信號(hào)的特征。振幅調(diào)制是由調(diào)制信號(hào)去控制載波的振幅，使之按信號(hào)的變化規(guī)律，嚴(yán)格的講是使高頻振蕩的振幅與調(diào)制信號(hào)呈線性關(guān)系，其他參數(shù)（頻率和相位）不變。使受調(diào)波的幅度隨調(diào)制信號(hào)而變化的電路稱為調(diào)幅器。調(diào)幅器輸

3、出信號(hào)幅度與調(diào)制信號(hào)瞬時(shí)值的關(guān)系曲線叫做調(diào)幅特性。理想的調(diào)幅特性應(yīng)是直線，否則便會(huì)產(chǎn)生失真。調(diào)幅器主要由非線性器件和選擇性電路構(gòu)成。非線性器件實(shí)現(xiàn)頻率變換，產(chǎn)生邊帶和諧波分量；選擇性電路用來(lái)選出所需的頻率分量并濾掉其他成分，如高次諧波等。常用的非線性器件有晶體二極管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管等。選擇性電路大多用諧振回路或帶通濾波器。按照電平的高低，調(diào)幅器可分為高電平調(diào)幅和低電平調(diào)幅。大功率廣播或通信發(fā)射機(jī)多采用高電平調(diào)幅器。這種調(diào)幅器輸出功率大，效率高。載波電話機(jī)和各種電子儀器多采用低電平調(diào)幅器。它們對(duì)輸出功率和效率要求不高，可以選用調(diào)幅特性較好的電路。所謂的集電極調(diào)幅，就是用調(diào)制信號(hào)來(lái)改變高頻功率放大器

4、的集電極直流電源電壓，以實(shí)現(xiàn)調(diào)幅.集電極調(diào)幅的特點(diǎn)：(1)因處于過(guò)壓狀態(tài)，效率高(2) m較大時(shí)，調(diào)幅波非線性失真(3)要求提供較大的驅(qū)動(dòng)功率(4)用于大功率調(diào)幅發(fā)射機(jī)二選 題 概 述1集電極振幅調(diào)幅器的工作原理集電極調(diào)幅是利用低頻調(diào)制信號(hào)去控制晶體管的集電極電壓，通過(guò)集電極電壓的變化，使集電極高頻電流的基波分量隨調(diào)制電壓的規(guī)律變化，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)幅。實(shí)際上，它是一個(gè)集電極電源受調(diào)制信號(hào)控制的諧振功率放大器，屬于高電平調(diào)幅。晶體管處于丙類工作狀態(tài)。要完成無(wú)線電通信，首先必須產(chǎn)生高頻率的載波電流，然后設(shè)法將低頻信號(hào)“掛”到高頻載波上去。本次設(shè)計(jì)要求采用調(diào)幅方式，即改變載波信號(hào)到振幅。它的基本原理是，

5、將要傳送的調(diào)制信號(hào)從低頻率搬移到高頻，實(shí)現(xiàn)頻譜搬移。即載波的頻率和相角不變，載波的振幅按照信號(hào)的變化規(guī)律而變化，高頻振幅變化所形成的包絡(luò)信號(hào)就是原信號(hào)的波形。通過(guò)載波傳輸聲音信號(hào)，主要是為了達(dá)到發(fā)射電磁波的要求。2-1集電極調(diào)幅工作原理圖2 集電極電路脈沖的變化情況線性調(diào)幅時(shí)，由集電極有效電源所提供的集電極電流的直流分量和集電極電流的基波分量與成正比。 調(diào)制信號(hào)電壓加在集電極電路中，與集電極直流電壓VCC串聯(lián)，因此，集電極有效電源電壓為= VCC+u。式中, VCC為集電極固定直流電源電壓。集電極電壓相對(duì)應(yīng)的集電極電流脈沖的變化情形如圖2-2所示：圖2-2同集電極電壓相對(duì)應(yīng)的集電極電流脈沖的變

6、化情形由圖可見，集電極的有效電源電壓隨調(diào)制信號(hào)變化而變化。由于與不變，故為常數(shù)，又不變，因此動(dòng)態(tài)特性曲線的斜率也不變。若電源電壓變化，則動(dòng)態(tài)線隨值的不同，沿VCC平行移動(dòng)。由圖可以看出，在欠壓區(qū)內(nèi)，當(dāng)由變至（臨界）時(shí)，集電極電流脈沖的振幅與通角變化很小，因此分解出的的變化也很小，因而回路上的輸出電壓uAM的變化也很小。這就是說(shuō)在欠壓區(qū)內(nèi)不能產(chǎn)生有效的調(diào)幅作用。3 集電極調(diào)幅波形圖在這種情況下，分解出的隨集電極電壓的變化而變化，集電極回路兩端的高頻電壓也隨而變化。輸出高頻電壓的振幅為×，不變，隨而變化，而是受u控制的，回路兩端輸出的高頻電壓也隨u變化，因而實(shí)現(xiàn)了集電極調(diào)幅。（A）調(diào)制信

7、號(hào)波形 （B）載波信號(hào)波形 （C）已調(diào)信號(hào)波形圖2-3集電極調(diào)幅波形圖4集電極調(diào)幅的靜態(tài)調(diào)制特性當(dāng)沒有加入低頻調(diào)制電壓（即）時(shí)，逐步改變集電極直流電壓的大小，同樣可使電流脈沖發(fā)生變化，分解出的或也會(huì)發(fā)生變化。我們稱集電極高頻電流（或）隨變化的關(guān)系為集電極調(diào)制特性。根據(jù)分析結(jié)果可作出靜態(tài)調(diào)制特性曲線如圖2-4所示。圖2-4 集電極調(diào)幅的靜態(tài)調(diào)制特性靜態(tài)調(diào)制特性曲線不能完全反映實(shí)際的調(diào)制過(guò)程，因?yàn)闆]有加入調(diào)制信號(hào)，輸出電壓中沒有邊頻存在，只有載波頻率，不是調(diào)幅波。通常調(diào)制信號(hào)角頻率要比載波角頻率低得多，因此對(duì)載波來(lái)說(shuō)，調(diào)制信號(hào)的變化是很緩慢的，可以認(rèn)為在載波電壓交變的一周內(nèi)，調(diào)制信號(hào)電壓基本上不變

8、。這樣，靜態(tài)調(diào)制特性曲線仍然能正確反映調(diào)制過(guò)程。我們可以利用它來(lái)確定已調(diào)波包絡(luò)的非線性失真的大小。由圖1-4可知，為了減小非線性失真，當(dāng)加上調(diào)制信號(hào)電壓時(shí)，保證整個(gè)調(diào)制過(guò)程都工作在過(guò)壓狀態(tài)，所以工作點(diǎn)Q應(yīng)選在調(diào)制特性曲線直線段的中央，即處， 為臨界工作狀態(tài)時(shí)的集電極直流電壓。否則，工作點(diǎn)Q偏高或偏低，都會(huì)使已調(diào)波的包絡(luò)產(chǎn)生失真。三設(shè)計(jì)要求與任務(wù)完成集電極調(diào)幅電路的設(shè)計(jì)要求：直流電源24V,載波中心頻率4MHz,調(diào)制信號(hào)頻率1kHz,振幅調(diào)制度0.6；當(dāng)調(diào)制信號(hào)為零時(shí),載波電壓12Vp-p. 四設(shè)計(jì)思路1調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表示式推導(dǎo)根據(jù)振幅調(diào)制信號(hào)的定義，已調(diào)信號(hào)的振幅隨調(diào)制信號(hào)u線性變化。設(shè)調(diào)制信號(hào)

9、為單頻余弦信號(hào)：，載波信號(hào)： 則已調(diào)信號(hào)振幅 式中, 稱為調(diào)制靈敏度，m稱為調(diào)幅度 已調(diào)波： 2集電極調(diào)幅電路的工作狀態(tài)分析集電極調(diào)制特性集電極調(diào)制特性是指僅改變，放大器電流、電壓、功率及效率的變化特性。在、Ub、不變，動(dòng)特性曲線將隨的變化左右平移，當(dāng)由大到小變化時(shí)，功放的工作狀態(tài)由欠壓工作狀態(tài)到臨界，再進(jìn)入到過(guò)壓狀態(tài)，集電極電流從一完整的余弦脈沖變化到凹頂脈沖。因此，高頻功放的集電極調(diào)制特性可用圖3-1所示曲線表示圖4-1 集電極調(diào)幅的靜態(tài)調(diào)制特性要實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制，就必須選擇輸出高頻信號(hào)振幅UO與直流偏置電壓呈線性關(guān)系。只有工作在過(guò)壓區(qū)才能有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)及UO的調(diào)制作用，故集電極調(diào)幅電路應(yīng)工作在

10、過(guò)壓區(qū)。五設(shè)計(jì)采用硬件及軟件環(huán)境概述1仿真軟件Multisim14概述1.1仿真軟件概述Multisim14是美國(guó)NI公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬、數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。有了Multisim 軟件，就相當(dāng)于擁有了一個(gè)設(shè)備齊全的實(shí)驗(yàn)室，可以非常方便的從事電路設(shè)計(jì)、仿真、分析工作。1.2界面預(yù)覽啟動(dòng)Multisim 14 雙擊桌面上的Multisim快捷方式或選擇程序菜單中的Multisim選項(xiàng)，即可進(jìn)入圖5-1 軟件啟動(dòng)界面1.3元器件庫(kù)的說(shuō)明圖 5-2 元器件庫(kù)的說(shuō)明1.4注意事項(xiàng)及

11、可能遇到的問題1.刪除元件、儀器、連線等，一定要在斷開仿真開關(guān)的情況下進(jìn)行；2.電路必須接地；3.分模塊調(diào)試（提高調(diào)試速度），最后綜合調(diào)試；4.要改變示波器背景色，點(diǎn)擊示波器界面的反向按鈕2元器件說(shuō)明表1數(shù)量描述RefDes封裝1DC_POWER, 5.1V V3Generic1CAPACITOR, 99pFC11AC_VOLTAGE, 20Vpk 1kHz 0° V1Generic1AC_VOLTAGE, 6Vpk 4MHz 0° V2Generic1RESISTOR, 5kR23TRANSFORMER, 1P1ST1, T2, T3Generic1POWER_SOURC

12、ES, VCCVCCGeneric1POWER_SOURCES, GROUND0Generic2CAPACITOR, 470µFC2, C31BJT_NPN, 2N2222AQ1GenericTO-18六設(shè)計(jì)過(guò)程及設(shè)計(jì)電路1集電極振幅調(diào)制設(shè)計(jì)電路 圖6-1集電極振幅調(diào)制設(shè)計(jì)電路2集電極振幅調(diào)制仿真電路 圖6-2集電極振幅調(diào)制仿真電路3調(diào)制信號(hào)波形和集電極調(diào)幅輸出波形的比較和分析 圖6-3調(diào)制信號(hào)波形和輸出波形1.輸出波形原理分析載波uc直接加到放大器的基極。調(diào)制信號(hào)u加到集電極電路且與直流電源相串聯(lián)。集電極諧振回路LC調(diào)諧在載頻上。由于u與VCC相串聯(lián)，因此，丙類被調(diào)放大器集電極等效

13、電源將隨u變化，從而導(dǎo)致被調(diào)放大器工作狀態(tài)發(fā)生變化，在過(guò)壓狀態(tài)下，集電極電流的基波分量振幅隨u成正比變化，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)幅。集電極調(diào)幅電路調(diào)制線性好，集電極效率高，廣泛用于輸出功率較大的發(fā)射機(jī)中，但所需調(diào)制信號(hào)功率大。2.輸出波形特點(diǎn)分析調(diào)幅波的振幅變化規(guī)律與調(diào)制信號(hào)波形一致，調(diào)幅度m反映了調(diào)幅的強(qiáng)弱程度。可以看出：一般m值越大調(diào)幅越深：時(shí)，未調(diào)幅時(shí)，最大調(diào)幅(百分之百)時(shí)，過(guò)調(diào)幅，包絡(luò)失真，實(shí)際電路中必須避免4電路的改進(jìn)4.1此電路的優(yōu)缺點(diǎn)1.電路的優(yōu)點(diǎn)所用的元器件較少并能實(shí)現(xiàn)預(yù)定的效果，連線較少實(shí)驗(yàn)電路較為簡(jiǎn)單。2.電路的缺點(diǎn)要使高頻諧振功率放大器正常工作，在其輸入和輸出端還需接有直流饋電電路

14、，為晶體管各級(jí)提供合適的偏置，而我們的電路沒有直流饋電電路除了流入晶體管內(nèi)阻還流入電路其他的部分導(dǎo)致外電路消耗電源功率增大，使損耗增大。在實(shí)際應(yīng)用中，由于基極饋電電路中采用單獨(dú)電源不方便，因此電路不具有實(shí)用性。在電路的輸入，輸出回路沒有采用一定的耦合回路，使輸出功率能不能有效地傳輸?shù)截?fù)載。4.2改進(jìn)方案改進(jìn)后的電路如圖所示： 圖 6-4 改進(jìn)電路圖載波信號(hào)經(jīng)變壓器T1輸入，調(diào)制信號(hào)經(jīng)變壓器T2輸入，調(diào)幅信號(hào)經(jīng)變壓器T3輸出。C3為隔直流電容，濾除載波信號(hào)可能帶有的直流或低頻信號(hào)。C1、R1和T3構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)R1可使電路處于過(guò)壓狀態(tài)。C2為旁路電容，用以避免高頻信號(hào)電流通過(guò)直流電源而產(chǎn)生極

15、間反饋，造成工作不穩(wěn)定。波形如圖所示： 圖 6-5 改進(jìn)后的波形圖七結(jié)果從輸出波形可以看出，完成了集電極調(diào)幅電路的設(shè)計(jì)。直流電源電壓為24V，載波中心頻率4MHz，載波電壓峰值為6V（即峰峰值為12V），調(diào)制信號(hào)頻率1kHz。從圖中可讀出調(diào)幅信號(hào)的最大值約為：Umax=47V調(diào)幅信號(hào)的最小值約為：Umin=12V調(diào)幅度：ma=Umax-UminUmax+Umin=47V-12V47V+12V=0.593滿足設(shè)計(jì)所需要求。八設(shè)計(jì)心得 從最開始的毫無(wú)頭緒，無(wú)從下手，到最后設(shè)計(jì)出電路及仿真的正常運(yùn)行，雖然其中可能有不完美，我還是體會(huì)到了成功的喜悅。通過(guò)這次課設(shè)的鍛煉使我受益匪淺。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到的問題，可以說(shuō)是困難重重，這畢竟第一次做，難免會(huì)遇到過(guò)各種各樣的問題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對(duì)以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。不過(guò)在所遇的問題處理過(guò)程中有成功也有失敗，但這卻實(shí)加強(qiáng)了自己的動(dòng)手能力，最終我還是體會(huì)到了成功的喜悅。此次課程設(shè)計(jì)制作讓我了解有關(guān)電路的原理和設(shè)計(jì)理念：在