高頻電子線路課程設(shè)計報告小功率調(diào)幅發(fā)射機

提供全套畢業(yè)設(shè)計，歡迎咨詢 吉林建筑大學(xué) 電氣與電子信息工程學(xué)院 高頻電子線路課程設(shè)計報告 設(shè)計題目： 小功率調(diào)幅發(fā)射機 專業(yè)班級： 電子信息工程 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計時間： 2014.12.08－2014.12.19 教師評語： 成績 評閱教師 日期 一、 設(shè)計題目： 小功率調(diào)幅發(fā)射機的設(shè)計 二、 設(shè)計目的、內(nèi)容及要求： 2.1 設(shè)計目的 (1)加深對《高頻電子線路》理論知識的進一步理解，進一步鞏固理論知識，能夠建立起無線發(fā)射機的整機概念，學(xué)會分析電路、設(shè)計電路的步驟和方法，深入地貫穿到實踐中。 （2）提高同學(xué)們自學(xué)和獨立工作的實際能力，為今后課程的學(xué)習(xí)和從事相應(yīng)工作打下堅實基礎(chǔ)。 2.2 設(shè)計內(nèi)容及要求 小功率調(diào)幅發(fā)射機的設(shè)計 （1）掌握小功率調(diào)幅發(fā)射機原理； （2）設(shè)計出實現(xiàn)調(diào)幅功能的電路圖； （3）應(yīng)用multisim軟件對所設(shè)計電路進行仿真驗證。 技術(shù)指標：載波頻率f0=1MHz~ 10MHz；低頻調(diào)制信號1KHz正弦信號；調(diào)制系數(shù)Ma=50％5％；負載電阻RA=50Ω。 三、 工作原理： 由振蕩器產(chǎn)生一個固定頻率的載波信號，載波信號經(jīng)緩沖級送至振幅調(diào)制電路，緩沖級將振蕩級與調(diào)制級隔離，減小調(diào)制級對晶體振蕩級的影響，放大級將低頻信號放大至足夠的電壓后送到振幅調(diào)制電路，振幅調(diào)制電路的輸出信號經(jīng)高頻功率放大器，高放級將載頻信號的功率放大到所需的發(fā)射功率。 調(diào)幅發(fā)射機常用于通信系統(tǒng)與其他無線電系統(tǒng)中，在中短波領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛，由于調(diào)幅簡便，占用頻帶窄，設(shè)備簡單等優(yōu)點，因此在發(fā)射機系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。 在實際的廣播發(fā)射系統(tǒng)中，中波調(diào)幅的頻率范圍為535 ～ 1605 千赫，音頻信號中的高音頻率應(yīng)該被限制在 4.5 千赫以下，發(fā)射功率需要達到300W以上才能使空間覆蓋面達到比較好的狀態(tài)，此次設(shè)計需要在實驗室環(huán)境中研究發(fā)射機的工作原理與原件選擇，因此，根據(jù)實驗室條件適當降低技術(shù)指標，載波頻率采用實驗室較為常用的6MHz，單音頻調(diào)制信號選擇1KHz，發(fā)射機功率初步定為1W。 四、 總體方案： 1、調(diào)幅發(fā)射機的設(shè)計方案 發(fā)射機的主要任務(wù)是利用低頻音頻信號對高頻載波進行調(diào)制，將其變?yōu)樵谶m合頻率上具有一定的帶寬，有利于天線發(fā)射的電磁波。根據(jù)設(shè)計要求，載波頻率f0=1MHz~ 10MHz；低頻調(diào)制信號1KHz正弦信號。其總體電路結(jié)構(gòu)可分為主振級，緩沖級，放大級，振幅調(diào)制電路和音頻放大電路 。 2、調(diào)幅發(fā)射機的原理框圖 所謂調(diào)幅，就是按照調(diào)制信號的變化規(guī)律去改變載波的幅度，使輸出信號的頻譜搬移到高頻波段，而輸出信號的振幅攜帶調(diào)制信號的相關(guān)信息。調(diào)幅發(fā)射機的主要任務(wù)是完成有用的低頻信號對高頻載波的幅度調(diào)制,將其變?yōu)樵谀骋恢行念l率上具有一定帶寬、適合通過天線發(fā)射的電磁波。 通常，調(diào)幅發(fā)射機包括三個部分：高頻部分，低頻部分，和調(diào)制部分。 高頻部分一般包括主振蕩器、緩沖放大、倍頻器、中間放大、功放推動級與末級功放。主振器的作用是產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的載波。為了提高頻率穩(wěn)定性，主振級往往采用石英晶體振蕩器或LC振蕩電路，并在它后面加上緩沖級，以削弱后級對主振器的影響。 低頻部分包括話筒、低頻電壓放大級、低頻功率放大級與末級低頻功率放大級。低頻信號通過逐漸放大，在末級功放處獲得所需的功率電平，以便對高頻末級功率放大器進行調(diào)制。 調(diào)制部分即振幅調(diào)制電路，它將要傳送的信息裝載到某一高頻振蕩(載頻)信號上去的過程。 調(diào)幅發(fā)射機的原理框圖如圖1示： 主振蕩 隔離放大 被調(diào)級 低頻信號 低頻功放 調(diào)制器 圖1 調(diào)幅發(fā)射機原理框圖 3、主振級 (1)三點式振蕩器：電容三點式振蕩器的輸出波形比電感三點式振蕩器的輸出波形好。為提高頻率穩(wěn)定度，可采用改進三點式振蕩電路，如克拉波振蕩電路、西勒振蕩電路。 (2)晶體振蕩器：晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度高，振蕩頻率不易受外界因素（溫度濕度、電壓變化等）影響。 頻率穩(wěn)定度是振蕩器的一項十分重要的技術(shù)指標，它表示在一定時間范圍內(nèi)或一定溫度、濕度、電壓、電源等變化范圍內(nèi)振蕩頻率的相對變化程度，振蕩頻率的相對變化量越小，則表明振蕩期的頻率穩(wěn)定度越高。 改善振蕩器頻率穩(wěn)定度，從根本上來說就是力求減小振蕩頻率受溫度、負載、電源等外界因素影響的程度，振蕩回路是決定振蕩頻率的主要部件。因此改善振蕩頻率穩(wěn)定度的最重要措施是提高振蕩回路在外界因素變化時保持頻率不變的能力，這就是所謂的提高振蕩回路的標準性。提高振蕩回路標準性除了采用穩(wěn)定性好和高Q的賄賂電容電感外，還可以采用與正溫度系數(shù)電感作相反變化的具有氟溫度系數(shù)的電容，以實現(xiàn)溫度補償作用。 因此，RC振蕩器不符合要求，可以采用西勒振蕩器或者晶體振蕩器，由于multisim軟件沒有10Mhz晶振，為便于進行仿真，所以這次設(shè)計采用西勒振蕩器。 4、低頻放大器 生活中音頻信號的頻率范圍是300Hz~3400Hz，所以對音頻信號的放大一般采用低頻放大器即可。低頻信號放大器的作用就是放大音頻信號，使其達到調(diào)制電路輸入信號的要求。 低頻信號放大電路可以用三極管來實現(xiàn)，也可以用集成的運算放大器來實現(xiàn)。本次設(shè)計采用LM741的芯片來實現(xiàn)放大功能。 5、振幅調(diào)制 (1)低電平調(diào)幅電路輸出功率小，適用于低功率系統(tǒng)。它的電路形式有多種，如斬波調(diào)幅、平衡調(diào)幅器、模擬乘法器調(diào)幅等，比較常用的是采用模擬乘法器形式制成的集成調(diào)幅電路，即集成模擬乘法器調(diào)幅。這種集成電路的出現(xiàn)，使產(chǎn)生高質(zhì)量調(diào)幅信號的過程變得極為簡單，而且成本很低。 (2)高電平調(diào)幅電路輸出功率大，一般在系統(tǒng)末級直接產(chǎn)生滿足發(fā)射要求的調(diào)幅波。它的電路形式主要有集電極調(diào)幅和基極調(diào)幅兩種。集電極調(diào)幅電路的優(yōu)點是效率高，晶體管獲得充分的應(yīng)用；缺點是需要大功率的調(diào)制信號源?；鶚O調(diào)幅電路的優(yōu)缺點正好與之相反，它的平均集電極效率不高，但所需要的調(diào)制功率很小，有利于調(diào)幅發(fā)射系統(tǒng)整機的小型化。 6、高頻功率放大器 高頻功率放大器是調(diào)幅發(fā)射機的末級，它的任務(wù)是要給出發(fā)射機所需要的輸出功率。本設(shè)計研究的是小功率調(diào)幅發(fā)射系統(tǒng)，通過前面的電路以后，進入功率放大級的是已調(diào)信號。但由于信號的功率太小，發(fā)射出去存在很大衰減，影響信號的傳送，所以要進行功率放大。末極放大可以采用高頻小信號諧振放大器電路。 高頻小信號諧振放大器的主要性能指標有： （1）中心頻率指放大器的工作頻率。它是設(shè)計放大電路時，選擇有源器件、計算諧振回路元器件參數(shù)的依據(jù)。 （2）增益 指放大器對有用信號的放大能力。通常表示為在中心頻率上的電壓增益和功率增益。 電壓增益 功率增益 式中，、分別為放大器中心頻率上的輸出、輸入電壓；、分別為放大器中心頻率上的輸出、輸入功率。 通頻帶 指放大電路增益由最大值下降3dB時所對應(yīng)的頻帶寬度，用表示。它相當于輸入不變時，輸出電壓由最大值下降到0.707倍或功率下降到一半時對應(yīng)的頻帶寬度。 五、 單元電路設(shè)計： 1、 主振級 主振級是調(diào)幅發(fā)射機的核心部件，主要用來產(chǎn)生一個頻率穩(wěn)定、幅度較大、波形失真小的高頻正弦波信號作為載波信號。該電路通常采用晶體管LC正弦波振蕩器。常用的正弦波振蕩器包括電容三點式振蕩器即考畢茲振蕩器、克拉潑振蕩器、西勒振蕩器。 本級用來產(chǎn)生4MHz左右的高頻振蕩載波信號，由于整個發(fā)射機的頻率穩(wěn)定度由主振級決定，因此要求主振級有較高的頻率穩(wěn)定度，同時也要有一定的振蕩功率（或電壓），其輸出波形失真較小。為此，這里我采用西勒振蕩電路，可以滿足要求。 為了解決頻率穩(wěn)定度和振蕩幅度的矛盾，常采用部分接入方式。由前述可知，為了保證振蕩器有一定的穩(wěn)定振幅及容易起振，當靜態(tài)工作點確定后，晶體管內(nèi)部參數(shù)的值就一定，對于小功率晶體管可以近似認為，反饋系數(shù)大小應(yīng)在0.15～0.5范圍內(nèi)選擇。 如圖2西勒振蕩器電路所示、、提供偏置電壓使三極管工作在放大區(qū)，起到濾波作用。 輸出電路的總電容： 振蕩頻率為： 在此西勒振蕩器電路中，由于和L并聯(lián)，，所以變化不會影響回路的接入系數(shù)，如果使固定，可以通過改變來改變振蕩頻率，因此，西勒振蕩器可用作波段振蕩器，適用于較寬波段工作。 圖2 西勒振蕩器 西勒振蕩電路仿真如下： 圖3 載波頻率 圖4西勒振蕩器的輸出波形 4、放大級 這里選用高頻小信號放大器最典型的單元電路如下圖5所示，這里由、構(gòu)成LC單調(diào)諧回路，由LC單調(diào)諧回路作為負載構(gòu)成晶體管調(diào)諧放大器。晶體管基極為正偏，工作在甲類狀態(tài)，負載回路調(diào)諧在輸入信號頻率上，能夠?qū)斎氲母哳l小信號進行反相放大。由LC調(diào)諧回路的作用主要有兩個：一是選頻濾波，選擇放大=工作信號頻率，抑制其他頻率的信號；二是提供晶體管集電極所需的負載電阻，同時進行匹配交換。 設(shè)計的推動級采用高頻小信號諧振放大器電路。由于推動級還起到隔離緩沖的作用，故它的電路一般用諧振放大器加一級射隨器組成。 高頻小信號諧振放大器的主要性能指標有： （1）中心頻率 指放大器的工作頻率。它是設(shè)計放大電路時，選擇有源器件、計算諧振回路元器件參數(shù)的依據(jù)。 （2）增益 指放大器對有用信號的放大能力。通常表示為在中心頻率上的電壓增益和功率增益。 電壓增益 功率增益 式中，、分別為放大器中心頻率上的輸出、輸入電壓；、分別為（3） 通頻帶 指放大電路增益由最大值下降3dB時所對應(yīng)的頻帶寬度，用表示。它相當于輸入不變時，輸出電壓由最大值下降到0.707倍或功率下降到一半時對應(yīng)的頻帶寬度 （4）選擇性 指放大器對通頻帶之外干擾信號的衰減能力。通常有兩種表征方法： 1）用矩形系數(shù)說明鄰近波道選擇性的好壞。 矩形系數(shù)定義為 理想矩形系數(shù)應(yīng)為1，實際矩形系數(shù)均大于1。 2）用抑制比來說明對帶外某一特定干擾頻率信號抑制能力的大小，其定義為中心頻率上功率增益與特定干擾頻率上的功率增益之比。 用分貝表示，則為： 圖5 放大級 圖6 音頻信號與放大 3、音頻放大 音頻放大是將信號放大到調(diào)制電路所需要的調(diào)制電壓，經(jīng)過放大后的信號送入調(diào)制級對高頻載波信號進行調(diào)制，音頻信號源由圖中所示電壓源代替，采用3554BM對輸入的語音信號進行不失真的放大。 圖7音頻放大電路 仿真結(jié)果如圖9所示 圖8 音頻放大級仿真 5、AM調(diào)制電路 調(diào)幅是使高頻載波信號的振幅隨調(diào)制信號的瞬時變化而變化。也就是說，通過用調(diào)制信號來改變高頻信號的幅度大小，使得調(diào)制信號的信息包含入高頻信號之中，通過天線把高頻信號發(fā)射出去。調(diào)幅器可分為高電平調(diào)幅和低電平調(diào)幅：大功率廣播和通信多采用高電平調(diào)平，這種調(diào)幅機輸出功率大、效率高；載波電話機和各種電子儀器多采用低電平調(diào)幅，它們對輸出功率和效率要求不高，可以選用調(diào)幅特性較好的電路中。 常見的調(diào)幅方法主要有乘法器調(diào)幅、開關(guān)型調(diào)幅電路、晶體管調(diào)幅電路，其中晶體管調(diào)幅又分為基極調(diào)幅、集電極調(diào)幅。本課程設(shè)計采用二極管平衡電路進行調(diào)幅，二極管平衡電路也是最簡單的調(diào)制電路。音頻信號和載波信號分別通過變壓器T1、T3輸入到調(diào)制電路，然后經(jīng)二極管進行調(diào)制，最后經(jīng)LC諧振回路輸出調(diào)制結(jié)果。 圖9 二極管平衡調(diào)制電路 調(diào)制電路仿真調(diào)試結(jié)果如下圖所示： 圖10 音頻信號 圖11 高頻載波信號 圖12 調(diào)制信號 六、 系統(tǒng)設(shè)計與仿真分析 調(diào)幅發(fā)射機的主要任務(wù)是完成有用的低頻信號對高頻載波的幅度調(diào)制,將其變?yōu)樵谀骋恢行念l率上具有一定帶寬、適合通過天線發(fā)射的電磁波。由振蕩器產(chǎn)生一個固定頻率的載波信號，載波信號經(jīng)緩沖級送至振幅調(diào)制電路，緩沖級將振蕩級與調(diào)制級隔離，減小調(diào)制級對晶體振蕩級的影響，放大級將低頻信號放大至足夠的電壓后送到振幅調(diào)制電路，振幅調(diào)制電路的輸出信號經(jīng)高頻功率放大器，高放級將載頻信號的功率放大到所需的發(fā)射功率。 將主振級電路、緩沖級電路、放大級電路、AM調(diào)制電路以及音頻放大電路依次連接就構(gòu)成了小功率調(diào)幅發(fā)射機整體電路原理圖（見附錄2）。 小功率調(diào)幅發(fā)射機由主振級產(chǎn)生一個載波信號，由緩沖級將主振級與調(diào)制電路隔離開，以減小調(diào)制電路對振蕩電路的影響，再有放大級將信號放大，送至調(diào)制級，由調(diào)制電路進行調(diào)制。 由于工作頻率的升高，分布參數(shù)及各種耦合與干擾對高頻電路的影響比對低頻電路更加明顯。因此高頻電路的調(diào)試過程與其設(shè)計過程同樣重要。 電路的調(diào)試順序一般從前級單元電路開始，向后逐級進行。即先將各單元電路彼此斷開，從第一級開始調(diào)整單元電路的靜態(tài)工作點，以及交流狀態(tài)下的性能指標；然后與下一級連接，進行逐級聯(lián)調(diào)，直到整機調(diào)試。 在逐級調(diào)試時，還會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象：單獨加測試信號調(diào)試合格的單元電路，在與前級或下級電路連接后，沒有輸出或輸出信號不正常。這時要考慮，各級相連的電路對其輸入信號幅度及功率的要求是否達到，也就是說，單元電路僅僅有輸入信號是不夠的，還要保證其輸入信號的參數(shù)滿足本級電路的要求。例如調(diào)幅接受機中的二極管大信號包絡(luò)檢波器，就要求輸入調(diào)幅波的幅度達到幾百mV以上。在單獨調(diào)試單元電路時，可借助測試儀器（如信號發(fā)生器、示波器等）確定電路達到最佳工作狀態(tài)所需的輸入信號幅值及頻率參數(shù)等。主振級與緩沖級聯(lián)調(diào)時緩沖級輸出電壓明顯減小或波形失真的情況。產(chǎn)生的主要原因是緩沖級的輸入阻抗不夠大，使主振級負載加重。這可通過增大緩沖級的射極電阻來提高緩沖輸入級輸入阻抗，也可通過減小，即減小主振級與緩沖級的耦合來實現(xiàn)。本機振蕩級、緩沖級、放大級以及調(diào)制級聯(lián)調(diào)時，往往會出現(xiàn)過調(diào)幅現(xiàn)象。產(chǎn)生的原因可能是經(jīng)射級跟隨器輸出的本振電壓偏小或者是話音放大級輸出的調(diào)制電壓過大。調(diào)整放大級增益，以滿足調(diào)幅度=50%的技術(shù)指標要求。 總體電路圖的仿真結(jié)果如圖13所示： 圖13 總體仿真圖 七、 總結(jié)與體會 本次課程設(shè)計通過對高頻知識的運用，初次利用Multisim仿真軟件設(shè)計了一個小功率調(diào)幅發(fā)射機。調(diào)幅發(fā)射機的設(shè)計分為四個模塊，主振蕩器模塊、低頻放大模塊、調(diào)制模塊和高頻放大模塊，設(shè)計時先將各部分電路設(shè)計出來，并且單獨進行仿真和調(diào)試，然后再將各模塊連接起來進行調(diào)試并且仿真。 在設(shè)計各個環(huán)節(jié)中都遇到了很多問題：首先，參數(shù)的選定很難，課堂上基本上是分析電路的原理功能和計算電路的性能指標，很少親自選定器件的參數(shù)，從資料或網(wǎng)上得到的數(shù)據(jù)很多都有問題；必須經(jīng)過修正和調(diào)試才能確定出器件的參數(shù)，只有正確的參數(shù)，才能夠設(shè)計出我們所想要的輸出結(jié)果，參數(shù)的正確性可以說決定著設(shè)計成功的50%；其次，有些時候理論上符合要求的電路，仿真后卻得不到相應(yīng)的結(jié)果，尤其是整機聯(lián)接的時候出現(xiàn)了更多問題，也花費了很多時間（其實差不多一半的時間都在進行整機調(diào)試和修正），比如主振級與緩沖級聯(lián)調(diào)時緩沖級輸出電壓明顯減小并且波形失真嚴重，開始的時候，主振級甚至起振不起來，還有就是調(diào)幅失真，問題更加復(fù)雜。當然也正是由于問題的出現(xiàn)，我才學(xué)到了更多的知識，以及設(shè)計的技巧，對Multisim軟件的應(yīng)用也更加熟練了。出現(xiàn)問題的時候，首先思考出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)，然后借助于從圖書館借的幾本書，有時候直接上網(wǎng)查詢，也請教其他同學(xué)，在這個過程中對以前學(xué)的知識有了更深刻的了解，也明白了所學(xué)知識的應(yīng)用范圍，收獲頗豐。這次課程設(shè)計使我不但進一步掌握了高頻電子線路的基礎(chǔ)知識，還學(xué)會了Multisim仿真軟件的基本操作，剛開始接觸到這個題目時還不知怎么下手，繪制原理圖元器件怎么找怎么連接都得請同學(xué)幫助。這次課程設(shè)計真的樣我學(xué)到了很多知識。也讓我懂得一個道理，遇到困難不要退縮，只要你有決心你就能做的到。這次課程設(shè)計培養(yǎng)了我自己分析、應(yīng)用單元電路的能力。也使我更加的看清了自己，明白了凡事要認真，要有耐心，只要你肯做就一定能做到。其次通過這次課程設(shè)計樣也知道了自己學(xué)習(xí)的知識還是很少，致使設(shè)計過程中總出現(xiàn)一些問題。我會在以后更加努力學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)更多知識。 在學(xué)習(xí)中,老師嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、豐富淵博的知識、敏銳的學(xué)術(shù)思維、精益求精的工作態(tài)度以及侮人不倦的師者風(fēng)范是我終生學(xué)習(xí)的楷模，老師們的高深精湛的造詣與嚴謹求實的治學(xué)精神，將永遠激勵著我。這四年中還得到眾多老師的關(guān)心支持和幫助。在此，謹向老師們致以衷心的感謝和崇高的敬意！ 八、 參考文獻 [1]張肅文.高頻電子線路.(第三版) 高教出版社.2009 [2]曾興雯.高頻電路原理與分析.西安：西安電子科技大學(xué)出版社.2002. 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