中南大學(xué)基于Multisim的FM調(diào)頻電路設(shè)計報告(終極)

.PAGE6....課程設(shè)計報告題目：基于Multisim的FM調(diào)頻電路設(shè)計學(xué)生__學(xué)生__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)目錄目錄1課程設(shè)計的任務(wù)與要求31.1課程設(shè)計的任務(wù)31.2課程設(shè)計的要求31.3課程設(shè)計的研究基礎(chǔ)32基于變?nèi)荻O管的FM調(diào)制系統(tǒng)方案制定42.1方案提出42.2方案論證5調(diào)頻的概念5變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路工作原理63實現(xiàn)FM調(diào)頻的原理框圖124實驗結(jié)果與分析124.1調(diào)頻仿真124.2誤差分析和單元電路測試：144.3實驗結(jié)果：155實驗特點與實驗思考176總結(jié)17附錄一參考文獻(xiàn)18附錄二元件清單19..1課程設(shè)計的任務(wù)與要求1.1課程設(shè)計的任務(wù)通過本次課程設(shè)計,掌握通信電子電路中利用變?nèi)荻O管進(jìn)行FM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Mulitisim軟件進(jìn)行仿真和測試,并進(jìn)行分析。1.2課程設(shè)計的要求本課程設(shè)計主要研究FM調(diào)制系統(tǒng)的理論設(shè)計和基于Mulitisim軟件仿真。<1>設(shè)計要求：用變?nèi)荻O管設(shè)計一FM調(diào)頻電路,其中變?nèi)荻O管兩端電壓Vq=4V時,Cq=75pF,Q處的斜率為12.5pF/V。<2>主要技術(shù)指標(biāo)：中心頻率10.7MHz調(diào)制信號：1KHz,頻偏：20KHz1.3課程設(shè)計的研究基礎(chǔ)《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〔如由語音信號轉(zhuǎn)換而來的電信號,都要經(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)制信號去改變高頻振蕩波,使其隨低頻調(diào)制信號的變化規(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)波攜帶低頻信號的信息到空間進(jìn)行傳輸,完成信號的發(fā)射。從頻譜的角度來看,調(diào)制是將低頻調(diào)制信號的頻譜從低頻端搬到高頻端的過程。調(diào)頻電路廣泛運用于無線廣播、電視節(jié)目傳播、移動通信、微波和衛(wèi)星等系統(tǒng)中,頻率調(diào)制信號比調(diào)幅信號抗干擾性強(qiáng)。使載波頻率按照調(diào)制信號改變的調(diào)制方式叫調(diào)頻。已調(diào)波頻率變化的大小由調(diào)制信號的大小決定,變化的周期由調(diào)制信號的頻率決定。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是一個能進(jìn)行電路原理設(shè)計、對電路功能進(jìn)行測試分析的仿真軟件。Multisim的功能強(qiáng)大,更適合于對模擬電路、數(shù)字電路和通信電路等的仿真與測試。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。它將實驗過程中創(chuàng)建的電路原理圖、使用到的儀器、電路測試分析后結(jié)果的顯示圖表等全部集成到同一個電路窗口中,具有直觀、方便、實用和安全的優(yōu)點。2基于變?nèi)荻O管的FM調(diào)制系統(tǒng)方案制定2.1方案提出所謂調(diào)頻,就是把要傳送的信息〔例如語言、音樂作為調(diào)制信號去控制載波〔高頻振蕩信號的瞬時頻率,使其按調(diào)制信號的規(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)PN結(jié)的結(jié)電容隨反向電壓大小而變化的原理設(shè)計的一種二極管。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,變?nèi)荻艹尸F(xiàn)較大的結(jié)電容。這個結(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,則回路的電容量會隨調(diào)制信號電壓而變化,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,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方案論證2.2.1調(diào)頻的概念調(diào)頻就是用調(diào)制信號控制載波的振蕩頻率,使載波的頻率隨著調(diào)制信號變化。已調(diào)波稱為調(diào)頻波。調(diào)頻波的振幅保持不變,調(diào)頻波的瞬時頻率偏離載波頻率的量與調(diào)制信號的瞬時值成比例。調(diào)頻系統(tǒng)實現(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,傳輸時信號失真小,利用率也較高。使載波頻率按照調(diào)制信號改變的調(diào)制方式叫調(diào)頻。已調(diào)波頻率變化的大小由調(diào)制信號的大小決定,變化的周期由調(diào)制信號的頻率決定。已調(diào)波的振幅保持不變。調(diào)頻波的波形,就像是個被壓縮得不均勻的彈簧,調(diào)頻波用英文字母FM表示。2.2.2變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路工作原理〔1變?nèi)荻O管的特性變?nèi)荻O管是根據(jù)PN結(jié)的結(jié)電容隨反向電壓改變而變化的原理設(shè)計的。在加反向偏壓時,變?nèi)荻艹尸F(xiàn)一個較大的結(jié)電容。這個結(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Cj與反向偏置電壓Ur之間有如下關(guān)系：<1>式中,UD為PN結(jié)的勢壘電壓,Cj0為Ur=0時的結(jié)電容;γ為電容變化系數(shù)?！?調(diào)頻基本原理Multisim仿真變?nèi)荻O管調(diào)頻電路圖1是變?nèi)荻O管調(diào)頻器的原理電路。整個圖形可以分為兩個部分,主振電路和調(diào)頻電路。左邊是一個克拉潑電路,其中Rb1和Rb2是偏置電阻,Rc和Re分別為集電極電阻和射極電阻,Q1為一個型號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BBY31型變?nèi)荻O管和它的偏置電路。其中Cc是耦合電容,L2為高頻扼流圈,它對高頻信號可視為開路。變?nèi)荻O管是振蕩回路的一個組成部分,加在變?nèi)荻O管上的反向電壓為ur=VccVB+uΩ<t>=VQ+uΩ<t><2>式中,VQ=VccVB是加在變?nèi)荻O管上的直流偏置電壓；uΩ<t>為調(diào)制信號電壓。圖2結(jié)電容隨調(diào)制電壓變化關(guān)系圖2<a>是變?nèi)荻O管的結(jié)電容與反向電壓Ur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VQ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,即uΩ<t>=UΩmcosΩt則反向電壓為:ur<t>=VQ+UΩmcosΩt<3>如圖2<b>所示。在Ur<t>的控制下,結(jié)電容將隨時間發(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)制信號變化,回路總電容也隨調(diào)制信號變化,故振蕩頻率也將隨調(diào)制信號變化。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)制信號近似成線性關(guān)系,從而實現(xiàn)調(diào)頻。為了滿足變?nèi)荻O管兩端電壓Vq=4V時,Cq=75pF,Q處的斜率為12.5pF/V。故選擇變?nèi)荻O管的型號為BBY31,已測量出其Cj-v曲線如圖3所示。圖3變?nèi)荻O管Cj-V曲線〔3電路分析設(shè)調(diào)制信號為uΩ<t>=UΩmcosΩt,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)制信號時振蕩器的振蕩頻率等于要求的載波頻率,同時還應(yīng)保證在調(diào)制信號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ur<t>=VQ+UΩmcosΩt<4>當(dāng)調(diào)制信號電壓uΩ<t>=0時,即為載波狀態(tài)。此時ur<t>=VQ,對應(yīng)的變?nèi)荻O管結(jié)電容為CjQ:<5>當(dāng)調(diào)制信號電壓uΩ<t>=UΩmcosΩt時,<6>代入式<5>,并令m=UΩm/<UD+VQ>為電容調(diào)制度,則可得<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)頻器的瞬時頻率與調(diào)制電壓的關(guān)系由振蕩回路決定。由圖1可得,振蕩器振蕩回路的等效電路,如圖4所示。圖4振蕩回路〔克潑拉等效電路<3>變?nèi)荻O管作為振蕩回路的總電容設(shè)C1未接入,Cc較大,即回路的總電容僅是變?nèi)荻O管的結(jié)電容。加在變?nèi)荻O管上的高頻電壓很小,可忽略其對變?nèi)荻O管電容量變化的影響,則瞬時振蕩角頻率為<8>因為未加調(diào)制信號時的載波頻率所以<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,實現(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)γ不等于2,設(shè)uΩ<t>=UΩmcosΩt,則,可以在mcost=0處展開成為泰勒級數(shù),得<10>通常m<1,上列級數(shù)是收斂的。因此,可以忽略三次方項以上的各項,則從上式可知,對于變?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)頻波會產(chǎn)生非線性失真和中心頻率偏移。其結(jié)果如下：a.調(diào)頻波的最大角頻率偏移<11>b.調(diào)頻波會產(chǎn)生二次諧波失真,二次諧波失真的最大角頻率偏移〔12調(diào)頻波的二次諧波失真系數(shù)為<13>c．調(diào)頻波會產(chǎn)生中心頻率偏移,其偏離值為<14>中心角頻率的相對偏離值為 <15>綜上所述,若要調(diào)頻的頻偏大,就需增大m,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,要求的相對頻偏較小,而所需要的m也就較小。因此,這時即使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,在相對頻偏較小的情況下,對變?nèi)荻O管γ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,這是因為中心頻率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,會引起結(jié)電容的變化,它又會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uΩ<t>=UΩmcosΩt后,總回路電容C∑為<17>相應(yīng)的調(diào)頻特性方程為<18>從上式知,調(diào)頻特性取決于回路的總電容C∑,而C∑可以看成一個等效的變?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。3實現(xiàn)FM調(diào)頻的原理框圖直接調(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)頻器可以解決這個矛盾。其結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。圖5FM原理框圖4實驗結(jié)果與分析4.1調(diào)頻仿真電路元件的選擇和參數(shù)計算：振蕩電路：首先通過查閱資料可知Q1三極管ICQ應(yīng)該在1-4mA之間,這樣的振蕩波形振幅適中而且波形不易失真。故設(shè)置ICQ=1.6mA,通過計算可知三極管兩端的電壓為7.2V。再設(shè)置VCC=12V,易求Rc+Re=3kΩ,所以取Rc=1.5kΩ,Re=1.5kΩ。由2N2222A參數(shù)表可知,發(fā)射結(jié)電壓為0.45V,ICQ=β*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251μA,而基極電壓為2.88v,所以Rb1的阻值為35.28kΩ,Rb2的阻值為11.48kΩ。已知克拉潑電路的振蕩頻率,帶入已知參數(shù)中心頻率f0=10.7MHz?？芍狶1*C1≈220,通過實際仿真發(fā)現(xiàn)電路參數(shù)有些許偏差,這時取L1=8μH,C1=20.46pF。電容C2、C3由反饋系數(shù)F及電路條件C1<<C2,C1<<C3所決定,若取C2=480pF,由,則取C3=1020pF,取耦合電容Cb=10nF。變?nèi)荻O管電路：由所給條件找到的變?nèi)荻O管BBY31,變?nèi)莨莒o態(tài)反向偏壓VQ=－4V,由特性曲線圖2.2.3-3變?nèi)荻O管Cj-V曲線,可得變?nèi)莨艿撵o態(tài)電容CQ=75pF。接入系數(shù)p為 ,回路總電容C∑為減小振蕩回路高頻電壓對變?nèi)莨艿挠绊?p應(yīng)取小,但p過小又會使頻偏達(dá)不到指標(biāo)要求。故先取p=0.2,當(dāng)VQ=－4V時,對應(yīng)CQ=75pF,則Cc20.5pF。由設(shè)計要求可知,變?nèi)荻O管的正常工作的反向偏置電壓為4V,R1與R2為變?nèi)荻O管提供靜態(tài)時的反向直流偏置電壓VQ,電阻R3稱為隔離電阻,常取R3>>R2,R3>>R1,以減小調(diào)制信號VΩ對VQ的影響。已知VQ=4V,若取R2=5k,隔離電阻R3=200kΩ。則R1=10KΩ調(diào)制信號電路：調(diào)制信號是由函數(shù)發(fā)生器調(diào)制出的1kHz正弦信號頻偏△fm要求20KHz<1><2><3><4>可由上述幾個公式以及已知參數(shù)f0,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誤差分析和單元電路測試： 由于設(shè)計電路時電路元件存在誤差,并且電路的參數(shù)設(shè)置會產(chǎn)生誤差,加上電路設(shè)計本身存在某些問題有待進(jìn)一步改進(jìn)和完善,各級電路連接在一個時會互相干擾。4.2.1靜態(tài)工作點Ic測試首先測量電源電流,檢查、排除可能出現(xiàn)的嚴(yán)重故障,再進(jìn)行各級測量,檢驗數(shù)值是否與所設(shè)計的相符合。另一方面檢查電路板是否存在人為問題。末級高頻晶體管集電極電流可以在預(yù)先斷開的測試點串入用萬用表測出,其他各級Ic可以測量各發(fā)射極電壓算末級Ic,如果過大,輸入電阻是否有誤。在一定大的Ic下,快速測量其中的點電位,可以幫助分析判斷,提高排除故障的速度。4.2.2LC振蕩電路調(diào)試LC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,三極管UCE小于原來的靜態(tài)值〔如諸PNP約0.1~0.3V,UBE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量,或頻率計測出頻率的變化范圍。調(diào)整振蕩頻率時,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,對癥下藥以解決問題。4.3實驗結(jié)果：1.LC振蕩回路穩(wěn)定后的輸出波形2.中心頻率為10.7MHz利用頻率儀測出中心頻率在10.7MHz附近波動。以下是仿真結(jié)果：圖6中心頻率3.調(diào)制信號為1KHz在示波器中可以看出兩個標(biāo)尺之間的時間為1.009ms,利用f=1/T可以得到T大致等于1KHz。以下是仿真結(jié)果：圖7調(diào)制信號頻率頻偏為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。5實驗特點與實驗思考本實驗使用傳統(tǒng)的變?nèi)荻O管調(diào)頻思想,實驗電路包括振蕩電路、調(diào)頻電路以及相關(guān)的外圍電路,實驗過程中通過信號源產(chǎn)生調(diào)制信號,加載到電路所產(chǎn)生的高頻振蕩信號上實現(xiàn)調(diào)頻。本實驗由于振蕩回路的中心頻率和最大頻偏相差太大,故實驗結(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算電路元件的參數(shù)值。另外本實驗是采用示波器進(jìn)行實驗結(jié)果的觀察,根據(jù)通信原理相關(guān)的理論知識,可以通過頻譜儀觀察調(diào)頻輸出的頻譜圖來分析電路設(shè)計的準(zhǔn)確性。針對實驗的進(jìn)一步改進(jìn)可以讓電路采用自帶的振蕩源的方式,減少了電路對信號源的依賴,并且可以在振蕩回路部分增加晶體振蕩,與LC所組成的振蕩回路形成對比；利用LC諧振回路的選頻特性對已調(diào)頻后的信號經(jīng)過二次選頻,最終可以得到良好的調(diào)