中南大學(xué)基于Multisim的FM調(diào)頻電路設(shè)計(jì)報(bào)告(終極)

課程設(shè)計(jì)報(bào)告題

目：基于Multisim的頻電路設(shè)計(jì)學(xué)生姓名

：學(xué)生學(xué)號(hào)

：系

別

：

信息科學(xué)與工程學(xué)院專

業(yè)

：

通信屆

別

：

2013屆指導(dǎo)教師

：

于的FM調(diào)頻電目錄目錄1課3.3.332基的調(diào)定........................................出4證5.5.63實(shí)圖124實(shí)析12調(diào)頻真12誤差：14實(shí)驗(yàn)：155實(shí)考176總.17參考文獻(xiàn)18元件清單192

于的FM調(diào)頻電課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求1.1通過本次課程設(shè)計(jì)，掌握通信電子電路中利用變?nèi)荻O管進(jìn)行調(diào)制的方法。在硬件電路上采用變?nèi)荻O管進(jìn)行直接調(diào)頻和基于軟件進(jìn)行仿真和測(cè)試，并進(jìn)行分析。1.2本課程設(shè)計(jì)主要研究FM調(diào)制系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)和基于軟件仿真。(1)設(shè)計(jì)要求：用變?nèi)荻O管設(shè)計(jì)一調(diào)頻電路，其中變?nèi)荻O管兩端電壓Vq=4V時(shí)，Cq=75pF，Q的斜率為12.5pF/V。(2)主要技術(shù)指標(biāo)：中心頻率調(diào)制信號(hào)：1KHz，頻偏：1.3《通信電子電路》中第七章的主要學(xué)習(xí)內(nèi)容是無線電通信系統(tǒng)中發(fā)射和接收設(shè)備中單元電路的形式及工作原理等。在無線電發(fā)射機(jī)中，如果需要發(fā)射低頻調(diào)制信號(hào)（如由語音信號(hào)轉(zhuǎn)換而來的電信號(hào)要經(jīng)過調(diào)制才能進(jìn)行發(fā)送傳輸。所謂調(diào)制是指用低頻調(diào)制信號(hào)去改變高頻振蕩波，使其隨低頻調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律（幅度、頻率或相位）相應(yīng)變化的過程。由這些經(jīng)過調(diào)制后的已調(diào)波攜帶低頻信號(hào)的信息到空間進(jìn)行傳輸，完成信號(hào)的發(fā)射。從頻譜的角度3

于的FM調(diào)頻電來看，調(diào)制是將低頻調(diào)制信號(hào)的頻譜從低頻端搬到高頻端的過程。調(diào)頻電路廣泛運(yùn)用于無線廣播、電視節(jié)目傳播、移動(dòng)通信、微波和衛(wèi)星等系統(tǒng)中，頻率調(diào)制信號(hào)比調(diào)幅信號(hào)抗干擾性強(qiáng)。使載波頻率按照調(diào)制信號(hào)改變的調(diào)制方式叫調(diào)頻。已調(diào)波頻率變化的大小由調(diào)制信號(hào)的大小決定，變化的周期由調(diào)制信號(hào)的頻率決定。已調(diào)波的振幅保持不變。調(diào)頻波的波形，就像是個(gè)被壓縮得不均勻的彈簧，調(diào)頻波用英文字母FM表示。Multisim是一個(gè)能進(jìn)行電路原理設(shè)計(jì)、對(duì)電路功能進(jìn)行測(cè)試分析的仿真軟件。Multisim的功能強(qiáng)大，更適合于對(duì)模擬電路、數(shù)字電路和通信電路等的仿真與測(cè)試。它的元器件庫提供數(shù)千種電路元器件供仿真選用，提供的虛擬測(cè)試儀器儀表種類齊全，還有較為詳細(xì)的電路分析功能，仿真速度更快。它將實(shí)驗(yàn)過程中創(chuàng)建的電路原理圖、使用到的儀器、電路測(cè)試分析后結(jié)果的顯示圖表等全部集成到同一個(gè)電路窗口中，具有直觀、方便、實(shí)用和安全的優(yōu)點(diǎn)。基于變?nèi)荻O管的FM調(diào)系統(tǒng)方案制定2.1所謂調(diào)頻，就是把要傳送的信息（例如語言、音樂）作為調(diào)制信號(hào)去控制載波（高頻振蕩信號(hào)）的瞬時(shí)頻率，使其按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化。許多調(diào)頻發(fā)射電路中采用直接調(diào)頻電路：如無線麥克風(fēng)發(fā)射電路、無線遙控玩具的發(fā)射機(jī)電路及對(duì)講機(jī)電路等。在模擬電路課程的學(xué)習(xí)中，我們學(xué)習(xí)過各種振4

于的FM調(diào)頻電蕩器，這些振蕩器產(chǎn)生的是頻率、幅度不變的單頻余弦波。按照調(diào)頻波的定義，若這些振蕩器的頻率能夠被低頻信號(hào)直接控制而改變，則振蕩器就可輸出調(diào)頻波，相應(yīng)的稱這些電路為直接調(diào)頻電路。變?nèi)荻O管是根據(jù)結(jié)的結(jié)電容隨反向電壓大小而變化的原理設(shè)計(jì)的一種二極管。它的極間結(jié)構(gòu)、伏安特性與一般檢波二極管沒有多大差別。不同的是在加反向偏壓時(shí)，變?nèi)荻艹尸F(xiàn)較大的結(jié)電容。這個(gè)結(jié)電容的大小能靈敏地隨反向偏壓而變化。正是利用了變?nèi)荻O管這一特性，將變?nèi)荻O管接到振蕩器的振蕩回路中，作為可控電容元件，則回路的電容量會(huì)隨調(diào)制信號(hào)電壓而變化，從而改變振蕩頻率，達(dá)到調(diào)頻的目的。由于抗干擾能力強(qiáng)、功率利用率高、信息傳輸保真度高等優(yōu)點(diǎn)，頻率調(diào)制廣泛應(yīng)用于各種通信系統(tǒng)和電子設(shè)備中。實(shí)現(xiàn)調(diào)頻的方法有直接調(diào)頻法和間接調(diào)頻法兩類。2.2案證調(diào)頻就是用調(diào)制信號(hào)控制載波的振蕩頻率，使載波的頻率隨著調(diào)制信號(hào)變化。已調(diào)波稱為調(diào)頻波。調(diào)頻波的振幅保持不變，調(diào)頻波的瞬時(shí)頻率偏離載波頻率的量與調(diào)制信號(hào)的瞬時(shí)值成比例。調(diào)頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)稍復(fù)雜，占用的頻帶遠(yuǎn)較調(diào)幅波為寬，因此必須工作在超短波波段?？垢蓴_性能好，傳輸時(shí)信號(hào)失真小，利用率也較高。使載波頻率按照調(diào)制信號(hào)改變的調(diào)制方式叫調(diào)頻。已調(diào)波頻率變化的大小由調(diào)制信號(hào)的大小決定，變化的周期由調(diào)制信號(hào)的頻率決定。已調(diào)波的振5

jjr于的FM調(diào)頻電jjr幅保持不變。調(diào)頻波的波形，就像是個(gè)被壓縮得不均勻的彈簧，調(diào)頻波用英文字母FM表示。（1）變?nèi)荻O管的特性變?nèi)荻O管是根據(jù)結(jié)的結(jié)電容隨反向電壓改變而變化的原理設(shè)計(jì)的。在加反向偏壓時(shí)，變?nèi)荻艹尸F(xiàn)一個(gè)較大的結(jié)電容。這個(gè)結(jié)電容的大小能靈敏地隨反向偏壓而變化。正是利用了變?nèi)荻O管這一特性，將變?nèi)荻O管接到振蕩器的振蕩回路中，作為可控電容元件，則回路的電容量會(huì)明顯地隨調(diào)制電壓而變化，從而改變振蕩頻率，達(dá)到調(diào)頻的目的。變?nèi)荻O管的反向電壓與其結(jié)電容呈非線性關(guān)系。其結(jié)電容與反向偏置電壓Ur之間有如下關(guān)系：C

Cu

r

(1)式中，UD為結(jié)的勢(shì)壘電壓，Cj0Ur=0時(shí)的結(jié)電容;γ為電容變化系數(shù)。（2）調(diào)頻基本原理6

rccQΩ于的FM調(diào)rccQΩMultisim真容極調(diào)電圖1是變?nèi)荻O管調(diào)頻器的原理電路。整個(gè)圖形可以分為兩個(gè)部分，主振電路和調(diào)頻電路。左邊是一個(gè)克拉潑電路，其中和Rb2是偏置電阻，Rc和Re分別為集電極電阻和射極電阻，Q1一個(gè)型號(hào)2N2222A的三極管，C1，C2，C3以及L1是振蕩電路的主要工作元件，右邊是型變?nèi)荻O管和它的偏置電路。其中Cc是耦合電容，L2高頻扼流圈，它對(duì)高頻信號(hào)可視為開路。變?nèi)荻O管是振蕩回路的一個(gè)組成部分，加在變?nèi)荻O管上的反向電壓為=V+u(t)=V+(t)(2)式中，VQ=Vcc是加在變?nèi)荻O管上的直流偏置電壓；uΩ(t)為調(diào)制信號(hào)電壓。7

ΩΩmrQΩΩm于的FM調(diào)ΩΩmrQΩΩm圖結(jié)容調(diào)電變關(guān)圖2(a)是變?nèi)荻O管的結(jié)電容與反向電壓的關(guān)系曲線。由電路可知，加在變?nèi)荻O管上的反向電壓為直流偏壓和調(diào)制電壓uΩ(t)之和，若設(shè)調(diào)制電壓為單頻余弦信號(hào)，即(t)=cosΩt則反向電壓為:(V+cos

(3)如圖2(b)所示。在(t)的控制下，結(jié)電容將隨時(shí)間發(fā)生變化，如圖2(c)所示。結(jié)電容是振蕩器振蕩回路的一部分，結(jié)電容隨調(diào)制信號(hào)變化，回路總電容也隨調(diào)制信號(hào)變化，故振蕩頻率也將隨調(diào)制信號(hào)變化。只要適當(dāng)選取變?nèi)荻O管的特性及工作狀態(tài)，可以使振蕩頻率的變化與調(diào)制信號(hào)近似成線性關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。為了滿足變?nèi)荻O管兩端電壓Vq=4V時(shí)，Cq=75pF，Q處的斜率為12.5pF/V。故選擇變?nèi)荻O管的型號(hào)為BBY31，已測(cè)量出其曲線如圖3所示。圖變二管Cj-V曲（3）電路分析設(shè)調(diào)制信號(hào)為(cosΩt，加在二極管上的反向直流偏壓為VQ，VQ的取值應(yīng)保證在未加調(diào)制信號(hào)時(shí)振蕩器的振蕩頻率等于要求的載波頻率，同時(shí)還8

rQΩrQjQjQjj0j0(1DDQjj1c于的rQΩrQjQjQjj0j0(1DDQjj1c應(yīng)保證在調(diào)制信號(hào)uΩ(t)的變化范圍內(nèi)保持變?nèi)荻O管在反向電壓下工作。加在變?nèi)荻O管上的控制電壓為()=V+cosΩt

(4)當(dāng)調(diào)制信號(hào)電壓u(t時(shí)，即為載波狀態(tài)。此時(shí)t)=V，對(duì)應(yīng)的變?nèi)荻O管結(jié)電容為C:C

C

r

(5)當(dāng)調(diào)制信號(hào)電壓uΩ(t)=UΩmcos時(shí)，C

C[1cos]r

[

CUcosD

)]r

(6)代入式(5),并令m=UΩm/(UD+VQ)為電容調(diào)制度，則可得C

C[1]r

(7)上式表示的是變?nèi)荻O管的結(jié)電容與調(diào)制電壓的關(guān)系。而變?nèi)荻O管調(diào)頻器的瞬時(shí)頻率與調(diào)制電壓的關(guān)系由振蕩回路決定。由圖可得，振蕩器振蕩回路的等效電路，如圖4所示。圖振回（潑）效路(3)變?nèi)荻O管作為振蕩回路的總電容設(shè)C未接入,C較大,即回路的總電容僅是變?nèi)荻O管的結(jié)電容。加在變9

1jLCΩΩmr2222rc[1cc于的FM調(diào)頻電1jLCΩΩmr2222rc[1cc容二極管上的高頻電壓很小,可忽略其對(duì)變?nèi)荻O管電容量變化的影響,則瞬時(shí)振蕩角頻率為wt)

LC

(8)因?yàn)槲醇诱{(diào)制信號(hào)時(shí)的載波頻率所以

w()

1jQwt)

LC

11(1)

r

(9)根據(jù)調(diào)頻的要求,當(dāng)變?nèi)荻O管的結(jié)電容作為回路總電容時(shí),實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻的條件是容二極管的電容變化系數(shù)γ=2。若變?nèi)荻O管的電容變化系數(shù)不等于2，設(shè)(t)=cos，則

(1cos)

，可以在mcos處展開成為泰勒級(jí)數(shù),得rrrrr[[cos)mcoscos2

mcos)

(10)通常m<1上列級(jí)數(shù)是收斂的。因此可以忽略三次方項(xiàng)以上的各項(xiàng),則從上式可知,對(duì)于變?nèi)荻O管調(diào)頻器,若使用的變?nèi)荻O管的變?nèi)菹禂?shù)γ≠2,則輸出調(diào)頻波會(huì)產(chǎn)生非線性失真和中心頻率偏移。其結(jié)果如下：rr[wt)wcoscos2!

]rr2r[1cos2cos28

2

2

]rrrrr[1(m2m(28

2

2]a.調(diào)頻波的最大角頻率偏V

r

mw

(11)b.頻波會(huì)產(chǎn)生二次諧波失真,二次諧波失真的最大角頻率偏移10

1jjΩΩm∑cjQ1cjcjQ1cjQ于的FM調(diào)1jjΩΩm∑cjQ1cjcjQ1cjQr

2w

（12調(diào)頻波的二次諧波失真系數(shù)為

f

w

m

(13)c．調(diào)頻波會(huì)產(chǎn)生中心頻率偏移，其偏離值為

w

r

2

w

(14)r中心角頻率的相對(duì)偏離值為8

m

2

(15)綜上所述，若要調(diào)頻的頻偏大，就需增大，這樣中心頻率偏移量和非線性失真量也增大。在某些應(yīng)用中，要求的相對(duì)頻偏較小，而所需要的也就較小。因此，這時(shí)即使γ不等于2，二次諧波失真和中心頻率偏移也不大。由此可見，在相對(duì)頻偏較小的情況下，對(duì)變?nèi)荻O管值的要求并不嚴(yán)格(4)變?nèi)荻O管部分接入振蕩回路變?nèi)荻O管的結(jié)電容作為回路總電容的調(diào)頻電路的中心頻率穩(wěn)定度較差，這是因?yàn)橹行念l率fc決定于變?nèi)荻O管結(jié)電容的穩(wěn)定性。當(dāng)溫度變化或反向偏壓VQ不穩(wěn)時(shí)，會(huì)引起結(jié)電容的變化,又會(huì)引起中心頻率較大變化。為了減小中心頻率不穩(wěn),提高中心頻率穩(wěn)定度，通常采用部分接入的辦法來改善性能變?nèi)荻O管和Cc串聯(lián)，再和C1并聯(lián)，構(gòu)成振蕩回路總電容∑

C

(16)加調(diào)制信號(hào)(tcosΩt后，總回路電容C為CC/cos)rCC/cos)CCCC)r相應(yīng)的調(diào)頻特性方程為

r

(17)11

LC于的FM調(diào)頻電LCwt)

1

L[

1CCC(1)r

]

(18)從上式知，調(diào)頻特性取決于回路的總電容∑，而∑可以看成一個(gè)等效的變?nèi)荻O管，C∑隨調(diào)制電壓uΩ(t)的變化規(guī)律不僅決定于變?nèi)荻O管的結(jié)電容Cj隨調(diào)制電壓uΩ(t)的變化規(guī)律，而且還與C1和Cc的大小有關(guān)。變?nèi)荻O管部分接入振蕩回路，中心頻率穩(wěn)定度比全部接入振蕩回路要高，但最大頻偏要減小。實(shí)現(xiàn)調(diào)頻的原理圖直接調(diào)頻電路的普通LC振蕩器中心頻率穩(wěn)定度較低，波形容易失真，而采用克拉潑LC振蕩電路的調(diào)頻器可以解決這個(gè)矛盾。其結(jié)構(gòu)原理如圖所示。LC振回路（產(chǎn)生載波）

變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路

函數(shù)發(fā)生器（產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)）調(diào)頻輸出圖5FM理圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析4.1電路元件的選擇和參數(shù)計(jì)算：12

于的FM調(diào)頻電1.振蕩電：首先通過查閱資料可知三極管ICQ應(yīng)該在1-4mA間，這樣的振蕩波形振幅適中而且波形不易失真。故設(shè)置，通過計(jì)算可知三極管兩端的電壓為。再設(shè)置VCC=12V，易求Rc+Re=3kΩ，所以取kΩ，Re=1.5kΩ。由2N2222A參數(shù)表可知，發(fā)射結(jié)電壓為0.45Vβ*IBQ，且β=230，而我們可以這么認(rèn)為IB>>IBQ。即IB=37*IBQ=259μA通過Rb1的電流為259μA通過Rb2電流為251，而基極電壓為2.88v，所以Rb1的阻值為35.28kΩ，Rb2的阻值為kΩ。已知克拉潑電路的振蕩頻率

f

12π

，帶入已知參數(shù)中心頻率f0=10.7MHz。可知L1*C1≈220,通過實(shí)際仿真發(fā)現(xiàn)電路參數(shù)有些許偏差，這時(shí)取，C1=20.46pF。電容C2、C3由反饋系數(shù)F及電路條件C1<<C2所決定，若取C2=480pF，由則取C3=1020pF，取耦合電容Cb=10nF。2.變?nèi)荻茈娐?/p>

/C~1/

，由所給條件找到的變?nèi)荻O管，變?nèi)莨莒o態(tài)反向偏壓Q=－4V，由特性曲線圖變?nèi)荻O管Cj-V曲線,可得變?nèi)莨艿撵o態(tài)電容CQ。接入系數(shù)p為

p

j

,回路總電容C∑

C

Cj

j

為減小振蕩回路高頻電壓對(duì)變?nèi)莨艿挠绊懀琾應(yīng)取小，但p過小又會(huì)使頻偏達(dá)不到指標(biāo)要求。故先取，當(dāng)VQ=－4V時(shí)，對(duì)應(yīng)CQ=75pF，則CcpF。由設(shè)計(jì)要求可知，變?nèi)荻O管的正常工作的反向偏置電壓為，R1與R2為變?nèi)荻O管提供靜態(tài)時(shí)的反向直流偏置電壓，電阻R3稱為隔離電阻，常取R3>>R2，R3>>R1，以減小調(diào)制信號(hào)Ω對(duì)VQ影響。已知VQ=4V，若取R2=5k，隔離電阻Ω。則R1=10KΩ13

于的FM調(diào)頻電3.調(diào)制信電路：調(diào)制信號(hào)是由函數(shù)發(fā)生器調(diào)制出的正弦信號(hào)頻eq\o\ac(△,偏)fm要求20KHzm

fQ

(1)CC

CCcjCc

j

(2)p

j

(3)c

j

(4)可由上述幾個(gè)公式以及已知參數(shù)，C1，Cc，Cj以及圖3變?nèi)荻O管Cj-V曲線，易求得頻偏為20KHz。4.2由于設(shè)計(jì)電路時(shí)電路元件存在誤差，并且電路的參數(shù)設(shè)置會(huì)產(chǎn)生誤差，加上電路設(shè)計(jì)本身存在某些問題有待進(jìn)一步改進(jìn)和完善，各級(jí)電路連接在一個(gè)時(shí)會(huì)互相干擾。4.2.1Ic測(cè)首先測(cè)量電源電流，檢查、排除可能出現(xiàn)的嚴(yán)重故障，再進(jìn)行各級(jí)測(cè)量，檢驗(yàn)數(shù)值是否與所設(shè)計(jì)的相符合。另一方面檢查電路板是否存在人為問題。末級(jí)高頻晶體管集電極電流可以在預(yù)先斷開的測(cè)試點(diǎn)串入用萬用表測(cè)出，其他各級(jí)Ic可以測(cè)量各發(fā)射極電壓算末級(jí)，如果過大，輸入電阻是否有誤。在一定大的Ic下，快速測(cè)量其中的點(diǎn)電位，可以幫助分析判斷，提高排除故障的速度。14

于的FM調(diào)頻電4.2.2LC回路的Q值要高是晶體管要工作在放大區(qū)滿足電容三點(diǎn)式的條件。由于高頻振蕩電壓在發(fā)射結(jié)上產(chǎn)生的自給偏壓作用，所以起振時(shí)，三極管UCE小于原來的靜態(tài)值（如諸PNP約0.1~0.3V約小，振蕩越強(qiáng)，用萬用表可以方便地判斷是否起振，然而，振蕩效率的調(diào)節(jié)范圍以及波形的是好是壞需要用示波器測(cè)量，或頻率計(jì)測(cè)出頻率的變化范圍。調(diào)整振蕩頻率時(shí)，應(yīng)把可變電容調(diào)整到電容最大處。若振幅太小了，可以考慮β是否太小、工作點(diǎn)是否太低、負(fù)載是否太大，若發(fā)現(xiàn)寄生振蕩，要檢查β是否過大等存在的問題。諸如不起振或間歇振蕩等，要細(xì)心分析檢查，對(duì)癥下藥以解決問題。4.31.LC振蕩回路穩(wěn)定后的輸出波形2.中心頻率為10.7MHz15

于的FM調(diào)頻電利用頻率儀測(cè)出中心頻率在10.7MHz附近波動(dòng)。以下是仿真結(jié)果：圖心率3.調(diào)制信號(hào)為1KHz在示波器中可以看出兩個(gè)標(biāo)尺之間的時(shí)間為，利用f=1/T可以得到T大致等于1KHz。以下是仿真結(jié)果：圖調(diào)信頻16

于的FM調(diào)頻電4.頻偏為20KHz根據(jù)上面電路元件參數(shù)的設(shè)定可以知道電路的頻偏滿足要求。實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)思考本實(shí)驗(yàn)使用傳統(tǒng)的變?nèi)荻O管調(diào)頻思想，實(shí)驗(yàn)電路包括振蕩電路、調(diào)頻電路以及相關(guān)的外圍電路，實(shí)驗(yàn)過程中通過信號(hào)源產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，加載到電路所產(chǎn)生的高頻振蕩信號(hào)上實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。本實(shí)驗(yàn)由于振蕩回路的中心頻率和最大頻偏相差太大，故實(shí)驗(yàn)結(jié)果不是特別明顯。要進(jìn)一步更加清晰的觀察FM的調(diào)頻結(jié)果，需要重新設(shè)定電路的最大頻偏和中心頻率，再依據(jù)電路原理公式重新計(jì)算電路元件的參數(shù)值。另外本實(shí)驗(yàn)是