调频发射系统整机电路设计与仿真

*******************实践教学*******************兰州理工大学计算机与通信学院2010年秋季学期高频电子线路课程设计题目：调频发射系统整机电路设计与仿真专业班级：通信工程（3)班姓名：学号：指导教师：成绩：摘要高频电子线路系统地介绍了通信系统，特别是无线通信系统中的最基本电路及它们的功能，给出了定性及定量分析这些电路性能的方法。这些电路包括了发射机及接收机中的选频放大电路、混频电路、功放电路、振荡电路、调制及解调电路、锁相环电路、及频率合成电路。本课程设计的基本目标是：通过理论和实践教学，要求掌握各个单元电路：输入回路、变频级、中放级、检波级、低放级、功率输出级和AGC电路的设计与参数计算组成，利用Aultisim开发软件完成整机电路设计及仿真，掌握高频单元电路的线路组成、基本工作原理、分析方法、技术要求及一些典型集成电路的实际应用，加深对高频电子线路这门课程的理论的理解，并且具备一定的理论水平和足够的实践技能，为进一步学习通讯技术的专业知识和职业技能打下基础。[关键词]通信系统、电路分析、Multisim仿真、调频发射目录摘要…………………………………………………………………………………Ⅱ1电路介绍…………………………………………………………………………2电路设计…………………………………………………………………………2.1单元电路选择（框图）…………………………………………………2.1.1调频振荡器…………………………………………………………2.1.2缓冲隔离级……………………………………………………………2.1.3高频功率放大器………………………………………………………2.2具体电路选择………………………………………………………………2.3电路说明……………………………………………………………………2.3.1高频振荡调制电路……………………………………………………2.3.2功率放大电路………………………………………………………3电路仿真……………………………………………………………………3.1Multisim10……………………………………………………………………3.2调试……………………………………………………………………………参考文献……………………………………………………………………………致谢…………………………………………………………………………………附录…………………………………………………………………………………1电路介绍1.1电路技术指标（1）单元电路设计：1）设计高频载波信号发生器2）设计直接调频、间接调频等电路组成的调频电路：3）设计变频或倍频电路、丙类谐振功率放大电路。4）整机联调（2）频率调制：1）直接调频2）间接调频tUucmccosFMuuu调制信号进行积分处理，然后以此对高频振荡进行调相，输出的调频波为))(cos(dttuktUmupcFm间接调频时，产生高频信号的振荡器与调相器分开，中心频率的稳定性比直接调频高。3）发挥部分：振荡器调相器积分器1）要求调试并测量主振级电路的性能，包括中心频率及其频率稳定度等2）设计过程中使用仿真软件进行电路仿真2电路设计2.1单元电路选择（框图）图1.1高频无线话筒设计框图2.1.1调频振荡器低频小信号部分只是将调制信号不失真的略作放大，直接调频发射系统中，调频振荡器的电路形式主要有晶体振荡器直接调频，电抗管调频、变容二极管调频。晶体振荡器直接调频电路的优点是提高了振荡器中心频率的稳定性；电抗管调频电路与变容二极管调频电路相比，要复杂一些。考虑到本设计任务要求中心频率的稳定性不高（310/分钟），用LC振荡器就可达到；另外，我们选择了电抗管调频电路。所谓电抗管，就是由一只晶体管或场效应管加上由电抗和电阻元件构成的移相网络组成。它与普通的电抗元件不同，其参量可以随调制信号而变化。电抗管的放大器件可以是电子管、晶体管或场效应晶体管；移相电路也有多种型式（如RC或RL移相网络）,其作用是使放大管T1的输出阻抗Ze=U0/IC具有一个电抗分量Xe，当Xe随而变化时,即可获得调频信号。采用不同的移相电路，等效电抗Xe可以是电容性的,也可是电感性的。电抗管调频器的缺点是:振荡频率稳定度不高；频移也不能太大,阻抗Ze通常还具有电阻分量，这个分量也随而变化,使振荡器产生寄生调幅。电抗管调频部分是一个电容三点式振荡器，其中晶体管Q2、电阻R5、电容C4组成的移相网络即为电抗管，它等效为一个电感，这个等效电感会随着调制信号的变化而发生变化，从而总的电感值发生相应变化，根据公式f=1/[2π*(LC)1/2]可知，频率也随之变化，最终实现低频调制信号对高频载波的频率调制。这种调频器的优点是电路比较简单，能获得较大的频偏；便于做成集成电路。缺点是载频不能很高，频率稳定度较低。2.1.2缓冲隔离级缓冲级通常采用射极跟随器电路。在电路的最初设计阶段，我们小组并没有添加缓冲器，是经过讨论之后，觉得有必要在调频电路和高频放大电路中间加一个缓冲器以减少两级信号之间的相互干扰，增强电路的抗干扰能力。2.1.3高频功率放大器高频放大器属于线性放大器。根据电路所需要的电压增益和选择性，来确定电路形式。一般电路形式有单调谐放大器和双调谐放大器。在对放大器选择性要求不高的场合，可以选用单调谐放大器。为提高放大器的电压增益，可以选择多级放大器级联的电路形式。要使负载（天线）上获得令人满意的发射功率，而且整机效率较高，应选择丙类功率放大器。末级功放的功率增益不能太高，否则电路性能不稳定，容易产生自激。因此要根据发射机各部分的作用，适当地合理分配功率增益。要使负载（天线）上获得令人满意的发射功率，而且整机效率较高，应选择丙类高频功率放大器。2.2具体电路选择XFG1R110k¦¸R210k¦¸R34.7k¦¸R41k¦¸R6180¦¸5.1kΩR8R83.9k¦¸R9510¦¸R1022k¦¸R1110k¦¸C110uF100nFC31nFC430pFC530pFC7C630pF30pFC830pFC930pFC10100uFC22N2369Q22N2369Q3L1103nHL2103nH2N5551Q1267910112N2369Q41213XSC1ABCDGTV112V0116R568k¦¸14358图1.2高频无线话筒原理图（1）C1100nFC2100nFC3100nFC510nFC430pFC630pFC730pFC830pFC910pFC1010pFC11680pFC12680pFC1333uFR12.2k¦¸R22.2k¦¸R322k¦¸R42.2k¦¸R522k¦¸R633¦¸R733¦¸R8200k¦¸Key=A50%XFG1Q12N5551Q22N2369Q32N2369C14100nFL1103nHL2103nHL390nH25101011R910k¦¸712131415V112VXSC1ABCDGT8649XMM1316图1.3高频无线话筒原理图（2）如图1.2、图1.3，我设计了两份无线话筒的电路图，原因是根据图1.2仿真出来的结果不太完美，在查询了相关资料后进行了一部分的改进，也就形成了第二份设计，并取得相当令人满意的效果。此处以图1.1为主进行分析电路。图1.2中，话筒MIC可以采集外界的声音信号，这里我们用的是驻极体小话筒，灵敏度非常高，可以采集微弱的声音，同时这种话筒工作时必须要有直流偏压才能工作，电阻R4可以提供一定的直流偏压，R4的阻值越大，话筒采集声音的灵敏度越弱。电阻越小话筒的灵敏度越高，话筒采集到的交流声音信号通过低频放大后耦合到VT2三极管的基极进行频率调制。三极管VT2采用2N2369和电容C4、C5、C6组成一个电容三点式的振荡器，由三极管VT2(2N2369)集电极的负载C5、L1组成一个谐振器，通过C4正反馈电容形成三点式谐振振荡器原理，谐振频率就是调频话筒的发射频率，实际上是一个以谐振频率为基准的高频振荡器。通过调整图中元件L1的参数可以使发射频率可以在90MHZ左右，正好覆盖调频收音机的接收频率，通过调整L1的数值（拉伸或者压缩线圈L1）可以方便地改变发射频率，避开调频电台。发射信号通过C7耦合到高频放大器，由高频放大器进行谐振放大后再通过天线上再发射出去(实际电路设计中我们在功放之前加了射极跟随器)。由于高频振荡器和高频放大器互相独立使得发射频率和发射功率都十分稳定。C7将频率调制好的载波信号传递到VT3进行高频放大，仔细调整L2的值（拉伸或者压缩线圈L2）可使输出功率最大！距离最远，整个工作电流最小。对比图1.2可以发现，其一是图1.3中去掉了用作缓冲级的设计跟随器部分，原因是图1.2中的缓冲器似乎没有起到相关的作用，在虽然在仿真过程中看到了效果，但实际并没有较好的改善；其二是在天线之前加装了第三个电感L3，与C12构成了串联回路，增进了天线发射效果；其三是在MIC旁用一个电位器替换了原有的偏置电阻，让其值大小可调。如图1.2，其中R1为话筒MIC的偏执电阻，R4为集电极电阻，R5为基极电阻，给Q1提供偏置电流。R6为发射极电阻，用于稳定Q1的直流工作点，Q2,R7,R8,C4,C5,L1,C6,C7组成高频振荡电路，R7给Q2提供基极偏置电流，C5和L1形成振荡回路，通过改变其值可以改变发射频率，C4为反馈电容，R8稳定Q2直流工作点，C7隔直通交，Q3,R9,R10,L2,C10,C11组成高频功率放大电路，R9给Q3提供基极电流，C10，L2放大调谐回路，和振荡回路C5、L1调谐在同一频点是获得最大输出功率，发射距离最远。2.3电路说明2.3.1高频振荡调制电路（图1.2为例）该部分由晶体管VT2、电阻R5电感L1电容C4、C5、C6等组成。其功能是产生高频载波信号并进行调制。L1和C5构成LC谐振回路。该回路具有选频作用，其频率由公式计算得出：kHzf10RC21取R=10KHz，则F810*21C经C3耦合过来的信号加在VT2基极上，通过基极上变化的电压改变be结电容，而实现对载波的调制。由集电极输出经C7耦合到下一级进行功率放大。2.3.2功率放大电路（图1.2为例）电路由R7、VT3、C8、L2、C9、R8组成，该部分电路为自偏压电路，无需给b极加偏置电压，高频信号由C7耦合经自偏压电阻R7加到b上放大，电路工作在C类状态。L2和C8组成选频电路，使其谐振在前一级的工作频率上，C9为输出电容，输出高频信号。3电路仿真3.1Multisim10Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。NIMultisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NIMultisim中完整的器件库，您可以快速创建原理图，并利用工业标准SPICE仿真器仿真电路。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NILabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较仿真数据及实际建模测量。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。Multisim可以进行复杂模拟/数字电路的仿真、简单的PCB板设计、简单的单片机仿真。如图1.3，我用函数发生器产生一个正弦信号加入到话筒输入端，看产生的波形。仿真结果如图3.1-3.6，由于部分原因，参数设置问题只能看到大概的有些频率变化，而不能看到很完美的波形。参考文献[1]曹才开.姚屏.高频电子线路原理与实践[M].湖南:中南大学出版社，2010.3[2]谢自美.电子线路设计实验测试[M].武汉：华中科技大学出版社，2000[3]