基于Multisim的调频发射机课程设计

东北大学秦皇岛分校计算机与通信工程学院综合课程设计设计题目：调频发射机专业名称通信工程班级学号4100828学生姓名孟梅梅指导教师李雅珍设计时间2012.12.17~2013.1.4课程设计任务书专业：通信工程学号：4100828学生姓名（签名）：设计题目：调频发射机一、设计实验条件计算机与通信工程学院创新实验室二、设计任务及要求1.学习Multisim仿真软件的使用方法，以及锻炼电路仿真的能力；2.设计调频发射机各模块的电路，正确设计与计算发射机的各单元电路；3.用Multisim软件对设计的电路进行仿真，验证设计是否正确；4.模拟仿真，输出结果。三、设计报告的内容1.设计题目与设计任务（设计任务书）本次课程设计的题目为调频发射机的设计。旨在通过调频发射机电路的设计，建立无线电发射机的整机概念，了解发射机整机各单元电路之间的关系及相互影响，从而能正确设计、计算发射的各单元电路。发射机是日常生活中常见的也是应用非常广泛的电子器件，研究本课题既可以了解小信号发射机电路，又可以提高对于Multisim的应用能力和运用书本知识的能力。本次课程设计的设计单元主要包括基本放大电路、振荡电路、调频波产生电路、倍频电路、高频功放电路。2.前言（绪论）(设计的目的、意义等)频率调制又称调频，它是使高频载波信号的频率按调制信号振幅的规律变化，即使瞬时频率变化的大小与调制信号成线性关系，而振幅保持基本恒定的一种调制方式。调频发射机首先将音频信号信号放大，并利用振荡电路产生高频载波信号，将调制信号与载波型号输入调频波产生电路得到调频波,再对所产生的调频信号进行倍频、功放和一系列的阻抗匹配,完成调频发射过程。本次课程设计主要通过利用通信原理所学的内容设计调频发射机电路，然后利用高频电路所学的知识进行电路实现，最后利用Multisim软件对设计的电路进行仿真，检验电路的正确性。通过此次课程设计不仅能对所学的通信原理和高频电子线路课程进行活学活用，也提高了大家利用软件进行电路设计的能力，十分有教学意义。3.设计主体（各部分设计内容、分析、结论等）3.1、总体设计方框图图1调频发射机总体设计框图3.2、调制原理及实现3.2.1、基本放大电路的原理及电路实现音频放大器的目的是在产生声音的输出元件上重建输入的音频信号，信号音量和功率级都要理想——如实、有效且失真低。其一种简单模拟实现方案是采用线性模式的晶体管，得到与输入电压成比例的输出电压，即A类放大器，是指电流连续地流过所有输出器件的一种放大器，这种放大器，由于避免了器件开关所产生的非线性，只要偏置和动态范围控制得当，仅从失真的角度来看，可认为它是一种良好的线性放大。基本放大电路载波产生电路调频波产生电路倍频放大电路信号输入调频信号输出图2基本放大电路的Multisim原理图Ql音频放大管，选用了2SC1815型，β≥150；电阻R1可改变频率接收的灵敏度,电阻R2、R3为晶体管提供静态偏置，控制R3的大小可以控制输入信号的大小；C1为耦合电容，采用了CDll型电解电容。仿真结果：图3基本放大电路的仿真结果3.2.2、载波产生电路的原理及仿真结果振荡电路的功能是：在没有外加输入信号的情况下，电路自动将直流电源提供的能量转换为具有一定振幅、一定频率和一定波形的交变信号输出。我们可选用三种方法得到需要的高频载波信号。三种方法如下：【1】方法一：由LC振荡电路产生LC调频振荡器一般由LC正弦波振荡器与变容二极管调频电路两大部分组成。其中，LC正弦波振荡器用于产生一定频率的幅度和信号，无须外加输入信号的控制，就能自动将电能转换为所需要的交流能量输出。图4LC振荡器电路的Multisim原理图仿真结果：图5LC振荡电路产生高频载波的仿真结果【2】方法二：由西勒振荡电路或者克拉泼电路产生高频载波通常根据载波频率的高低和频率稳定度来确定电路形式。在频率稳定度要求不高的情况下，可以采用电容反馈三点式振荡电路，如下图所示的克拉泼、西勒电路。（a)西勒振荡器（b)克拉泼振荡器图6两种电容反馈三点式振荡电路原理1）西勒振荡器的Multisim原理图及仿真结果为：图7西勒振荡器的Multisim原理图及仿真结果2）克拉泼振荡器的Multisim原理图及仿真结果为：图8克拉泼振荡器的Multisim原理图及仿真结果3.2.3、调频波产生电路原理及其实现频率调制原理载波twUtuccmccos)(，调制信号tu；通过FM调制，使得)(tuc频率变化量与调制信号tu的大小成正比。即已调信号的瞬时角频率tukwtwfc已调信号的瞬时相位为tdtuktwtdtwttfct)(00实现调频的方法有：【1】变容二极管直接调频变容二极管调频电路由变容二极管CD及耦合电容CC组成,R1与R2为变容二极管提供静态时的反向直流偏置电压QV即QV=[R2/(R1+R2)]CCV。电阻R3称为隔离电阻，常取R3》R2,R3》R1，以减小调制信号¸v对QV的影响。C5与高频扼流圈L2给¸v提供通路，C6起高频滤波作用。变容二极管CD通过耦合电容CC部分接入振荡回路，有利于主振频率of的稳定性，减小调制失真。图(1-4)所示的为变容二极管部分接入振荡回路的等效电路，接入系数p及回路总电容C分别为：(1-6)jccCCCpjcjc1CCCCCC(1-7)式中，jC为变容二极管的结电容，它与外加电压的关系为：rDjjVvCC10(1-8)式中，0jC为变容二极管加零偏压时的结电容；DV为变容管PN结内建电差（硅管DV=0.7V，锗管DV=0.3V）；γ变容二极管的电容变化指数，与频偏的大小有关（小频偏：选γ=1的变容二极管可近似实现线性调频，大频偏：必须选γ=2的超突变结变容二极管，才能实现较好的线性调频）；ν为变容管两端所加的反向电压，ν=QV+¸v=QV+tVmcos。变容二极管的Cj-v特性曲线如图（1-2）示，设电路工作在线性调制状态，在静态工作点Q处，曲线的斜率为VCkΔΔC(1-9)图1-1变容二极管部分接入的等效电路图图1-3变容二极管的Cj-v特性曲线直接调频的基本原理是利用调制信号直接控制振荡器的振荡频率，使其反映调制信号变化规律。要用调制信号去控制载波振荡器的振荡频率，就是用调制信号去控制决定载波振荡器振荡频率的元件或电路的参数，从而使载波振荡器的瞬时频率按调制信号变化规律线性地改变，就能够实现直接调频。直接调频可用如下方法实现：a.改变振荡回路的元件参数实现调频在LC振荡器中，决定振荡频率的主要元件是LC振荡回路的电感L和电容C。在RC振荡器中，决定振荡频率的主要元件是电阻和电容。因而，根据调频的特点，CcCjC1L1用调制信号去控制电感、电容或电阻的数值就能实现调频。调频电路中常用的可控电容元件有变容二极管和电抗管电路。常用的可控电感元件是具有铁氧体磁芯的电感线圈或电抗管电路，而可控电阻元件有二极管和场效应管。b.控制振荡器的工作状态实现调频在微波发射机中，常用速调管振荡器作为载波振荡器，其振荡频率受控于加在管子反射极上的反射极电压。因此，只需将调制信号加至反射极即可实现调频。若载波是由多谐振荡器产生的方波，则可用调制信号控制积分电容的充放电电流，从而控制其振荡频率。变容二极管直接调频的工作原理图与Multisim仿真结果为：图9变容二极管直接调频的工作原理图仿真结果为：图10变容二极管直接调频电路的Multisim仿真结果变容二极管直接调频的工作原理图与Multisim仿真结果为：图9变容二极管间接调频的工作原理图仿真结果为：【2】变容二极管间接调频不直接针对载波，而是通过后一级的可控的移相网络。将u先进行积分tdttuk01，而后以此积分值进行调相，即得间接调频。tfccmFMtdtuktwVtu0cos间接调频实现的原理框图如图1-1所示：图9借助于调相器得到调频波图10变容二极管间接调频电路的Multisim仿真结果【3】锁相环调频电路锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环（PLL）。锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。锁相环通常由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成。首先在Multisim软件中构造锁相环的仿真模型(图10)。锁相环包含三个主要的部分：（1）鉴相环(或相位比较器,记为PD或PC):是完成相位比较的单元,用来比较输入信号和基准信号的之间的相位.它的输出电压正比于两个输入信号之相位差。（2）低通滤波器(LPF):是个线性电路,其作用是滤除鉴相器输出电压中的高频分量,起平滑滤波的作用.通常由电阻、电容或电感等组成，有时也包含运算放大器。（3）压控振荡器（VCO）：振荡频率受控制电压控制的振荡器，而振荡频率与控制电压之间成线性关系。图中，鉴相器由模拟乘法器A1实现，压控振荡器为V3，环路滤波器由R1、C1构成。环路滤波器的输出通过R2、R3串联分压后加到压控振荡器的输人端，直流电源V2用来调整压控振荡器的中心频率。仿真模型中，增加R2、R3及V2的目的就是为了便于调整压控振荡器的中心频率。直接调频电路的振荡器中心频率稳定度较低，而采用晶体振荡器的调频电路，其调频范围又太窄。采用锁相环的调频器可以解决这个矛盾。其结构原理如图2所示。FM波调制信号图11锁相环调频电路原理框图实现锁相调频的条件是调制信号的频谱要处于低通滤波器通带之外，也就是说，锁相环路对慢变化的频率偏移有响应，使压控振荡器的中心频率锁定在稳定晶体振荡器鉴相器环路滤波器+压控振荡器度很高的晶振频率上。而随着输入调制信号的变化，振荡频率可以发生很大偏移。根据图2建立的仿真电路如图3所示。图中，设置压控振荡器V1在控制电压为0时，输出频率为O；控制电压为5V时，输出频率为50kHz。这样，实际上就选定了压控振荡器的中心频率为25kHz，为此设定直流电压V3为2．5V。调制电压V4通过电阻R5接到VCO的输入端，R5实际上是作为调制信号源V4的内阻，这样可以保证加到VCO输入端的电压是低通滤波器的输出电压和调制电压之和，从而满足了原理图的要求。本电路中，相加功能也可以通过一个加法器来完成，但电路要变得相对复杂一些。图12锁相环调频仿真电路VCO输出波形和输入调制电压V4的关系如图4所示。由图可见，输出信号频率随着输入信号的变化而变化，从而实现了调频功能。图13锁相环调频电路仿真图3.2.4、倍频电路原理与仿真倍频器实质上就是一种输出信号等于输入信号频率整数倍的电路，常用的是二倍频和三倍频器。倍频器的主要作用是为了提升载波信号的频率，使之工作于对应的信道；同时经倍频处理后，调频信号的频偏也可成倍提高，即提高了调频调制的灵敏度，这样可降低对调制信号的放大要求。采作倍频器的另一个好处是：可以使载波主振荡器与高频放大器隔离，减小高频寄生耦合，有利于减少高频自激现象的产生，提高整机工作稳定性。正弦波二倍频,可以用乘法器实现。但是乘法器输出的二倍频正弦信号幅值要比输入低1/2，同时,乘法器还输出1/2输入幅值的直流信号,使用时要用隔直电路将其消除。本次课程设计我们采用的正是使用乘法器实现二倍频。二倍频电路如图15所示。其仿真波形如图16所示。图14二倍频电路图15二倍频仿真电路波形下面的为原正弦波，其频率为1KHZ，上面的为倍频后的波形，可见其频率变为原来的两倍，幅值变为原来的一半。此外，我们还做了多倍频电路，电路图及仿真波形如图18、19所示图16多倍频电路图17多倍频仿真波形图3.3、总的电路设计图16调频电路图18总体设计3.4误差分析由仿真波形可看到，波形并非是完美的正弦波，还是有点失真的