用Multisim设计调频发射机发射系统.docx
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用Multisim设计调频发射机发射系统
用Multisim设计调频发射机
摘要
2.1.2振荡电路的选择
2.1.3参数的计算
三
四.Multisim的相关介绍
调频发射机的设计报告
摘要
随着科技的发展和人民生活水平的提高，调频发射机也在快速发展，并且在生活中得到广泛应用，它可以用于演讲、教学、玩具、防盗监控等诸多领域。
在生活中，人们通过无线电发射机可以把需要传播出的信息发射出去，接收者可以通过特制的接收机接受信息，最普通的模式是：
广播电台通过无线电发射机发射出广播，收听者通过收音机即可接收到电台广播。
本设计为一简单功能的调频发射机，通过该发射机可以把声音转换为无线电信号发射出去，该信号频率可调，通过普通收音机接收，只要在频率适合时即可收到发射器发送出的无线电信号，并通过扬声器转换出声音。
通过这次实验我们可以更好地巩固和加深对小功率调频发射机工作原理和非线性电子线路的进一步理解。
学会基本的实验技能，提高运用理论知识解决实际问题的能力。
一．设计要求
设计一个调频发射机，通过该发射机可以把声音转换为无线电信号发射出去，该信号频率可调，通过普通收音机接收，只要在频率适合时即可收到发射机发送出的无线电信号。
（1）.确定电路形式，选择各级电路的静态工作点；
（2）.输入信号能够通过电路进行稳定，调频等；
（3）.输出为足够大的高频功率，使其能够发射；
（4）.根据上述要求选定设计方案，画出该系统的系统框图，写出详细的设计过程并利用Multisim软件画出一套完整的设计电路图；
（5）.列出所有的元件清单并写出参考书目。
二．设计的作用、目的
高频电子技术基础的电路课程设计是电子技术基础课程的实践性教学环节，要求学生通过课程设计，要求达到以下目的：
（1）.通过对调频发射机的设计，巩固和加深学生对高频电子电路基本知识的理解；
（2）.通过电路方案的分析、论证和比较，计算和对元器件的选取，来达到初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法的目的。
（3）.使学生掌握Multisim软件的使用方法，以便以后设计电路或进行实践时的使用。
（4）.了解与课题有关的电子电路及元器件的工程技术规范，能按设计任务书的要求，完成设计任务，编写设计说明书，正确地反映设计与实验的成果，正确地绘制电路图等。
（5）.培养学生根据课题需要选学参考书籍，查阅手册，图表和文献资料的自学能力。
通过独立思考，深入研究有关问题，学会自己分析并解决问题的方法。
三.设计的具体实现
1.系统概述
输出功率级
缓冲级
调频震荡级
图1直接调频发射机的总体框图
直接调频发射机的总体框图如图1所示。
它由调频振荡级，缓冲级，和输出功率级组成。
其中调频振荡级主要是产生频率稳定、中心频率符合指标要求的正弦波信号，且其频率受到外加调制信号电压调变；缓冲级主要是对调频振荡信号进行放大，以提供末级所需的激励功率，同时还对前后级起有一定的隔离作用，为避免级功放的工作状态变化而直接影响振荡级的频率稳定度；功放级的任务是确保高效率输出足够大的高频功率，并馈送到天线进行发射。
2.单元电路设计与分析
2.1调频振荡级
调频振荡级主要是产生频率稳定、中心频率符合指标要求的正弦波信号，且其频率受到外加调制信号电压调变。
2.1.1调频波的产生
由于调频发射机的频率受到外加调制信号电压调变，因此，回路中的电抗要能够跟调制信号的改变而改变，应用一可变电抗器件，它的电容量或电感量受调制信号控制，将它接入振荡回路中，就能实现调频。
而最简便、最常用的方法就是利用变容二极管的特性直接产生调频波，因要求的频偏不大，故采用变容
二极管部分接入振荡回路的直接调频方式。
变容二极管Cj通过耦合电容C1并接在LCN回路的两端，形成振荡回路总容的一部分。
因而，振荡回路的总电容C为：
（4-1）
振荡频率为：
加在变容二极管上的反向偏压为：
变容二极管利用PN结的结电容制成，在反偏电压作用下呈现一定的结电容（势垒电容），而且这个结电容能灵敏地随着反偏电压在一定范围内变化，其关系曲线称
～
曲线，如图所示。
由图可见：
未加调制电压时，直流反偏
所对应的结电容为
。
当调制信号为正半周时，变容二极管负极电位升高，即反偏增加时，变容二极管的电容
减小；当调制信号为负半周时，变容二极管负极电位降低，即反偏减小时，
增大，其变化具有一定的非线性，当调制电压较小时，近似为工作在
～
曲线的线性段，
将随调制电压线性变化，当调制电压较大时，曲线的非线性不可忽略，它将给
调频带来一定的非线性失真。
我们再回到图4.1—2，并设调制电压很小，工作在Cj～VR曲线的线性段，暂不考虑高频电压对变容二极管作用。
设图4.1-3用调制信号控制变容二极管结电容
（4-3）
由图4.1—3可见：
变容二极管的电容随υR变化。
即：
（4-4）
可得出此时振荡回路的总电容为
（4-5）
由此可得出振荡回路总电容的变化量为：
（4-6）
由式可见：
它随调制信号的变化规律而变化，式中
的是变容二极管结电容变化的最大幅值。
我们知道：
当回路电容有微量变化
时，振荡频率也会产生
的变化，其关系如下：
（4-7）
式中，是
未调制时的载波频率；
是调制信号为零时的回路总电容，显然
（4-8）
由公式（4-2）可计算出中心频率
：
（4-9）
将（4-8）式代入（4-9）式，可得：
（4-10）
频偏：
（4-11）
振荡频率：
（4-12）
由此可见：
振荡频率随调制电压线性变化，从而实现了调频。
其频偏
与回路的中心频率f0成正比，与结电容变化的最大值Cm成正比，与回路的总电容C0成反比。
2.1.2振荡电路的选择
振荡电路主要是产生频率稳定且中心频率符合指标要求的正弦波信号。
由于是所产生的是固定的中心频率，因而采用频率稳定度较高的克拉拨振荡电路来作振荡级。
其电路原理图如图所示。
克拉泼电路的频率稳定度比电容三点式要好，使得不稳定电容的变化对回路总电容的影响减小。
2.1.3参数的计算
根据前面的介绍，可以设计出如图的振荡电路，其中R4用来提供直流交流负反馈。
设计中D1为变容二极管，我们选用910AT型变容二极管，其容量变化可以从几十PF到100~200PF．因此C7数值接近于Cj的高端值，若假设C7足够大，接近短路，而C8也逐渐增大，从几个PF增加到十几个PF，此时CΣ增大，则振荡频率减小，同时静态调制特性会发生变化，所以综合以上因素，C7,C8的选择对静态调制特性影响比较显著，所以我们选择C7为220PF的电容，C8选择47PF的电容．又因为三极管T1应为甲类工作状态，其静态工作点不应设的太高，工作点太高振荡管工作范围易进入饱和区，输出阻抗的降低将使振荡波形严重失真，但工作点太低将不易起振。
由
，以及Cj的性质，我们选择C2为100PF,C3为220PF,C6为220PF.利用R7,R8对D1变容管加反偏电压，R7,R8可选用为27KΩ。
R1,R2为三极管基极偏置电阻，均选用10KΩ．R4,R5为负反馈电阻，选择较小的电阻即可，我们选用R4为12Ω,R5为１KΩ.
设载波中心频率f=12MHz,由
设C0为C2，C3与C6串联值,
，由于910变容二极管在偏置电压6的情况下Cj较小，大概为十几pf，先不考虑Cj的值，所以并接在L1上的回路总电容为
所以电感L1为
2.2缓冲级
为了使第三级能够达到额定功率必须加大激励即Vbm，因此要求缓冲级有一定的增益，而中心频率是固定的，因此用LC并联回路作负载的小信号放大器电路。
缓冲放大级采用谐振放大，L2和C10谐振在振荡载波频率上。
若通频带太窄或出现自激则可在L2两端并联上适当电阻以降低回路Q值。
该极工作于甲类以保证足够的电压放大。
2.2.1元器件的选择及参数的确定
因为对缓冲级管子的要求是
所以可选用普通的小功率高频晶体管，如2N3904等．另外，
若取流过偏置电阻R9,R10的电流为 I1=10IbQ
则
R10=VbQ/I1,R8=（Vcc-VbQ）/I1
所以选R10,R8均为10KΩ.为了减小缓冲级对振荡级的影响，射随器与振荡级之间采用松耦合，耦合电容C9可选为180pf.
对于谐振回路C10,L2,由
故本次实验取C10为100PF，
所以，缓冲级设计电路为图所示
2.3功率输出级
为了获得较大的功率增益和较高的集电极功率，设计中采用共发射极电路，同时使其工作在丙类状态，组成丙类谐振功率放大器．由设计电路图知L3、C12和C13为匹配网络，与外接负载共同组成并谐回路．为了实现功率输出级在丙类工作，基极偏置电压VB3应设置在功率管的截止区．同时为了加强交流反馈，在T3的发射极串接有小电阻R14．在输出回路中，从结构简单和调节方便考虑，设计采用л型滤波网络，如图
L3，C12，C13构成π型输出，Q3管工作在丙类状态，调节偏置3管的导通角。
导通角越小，效率越高,同时防止T3管产生高频自激而引成回路用来实现阻抗匹配并进行滤波，即将天线阻抗变换为功放管所要求的负载值，并滤除不必要的高次谐波分量。
2.3.1元器件的选择和参数的确定
在选择功率管时要求
综上可知，我们选择9018功率管．
由于要使功放级工作在丙类，就要使
，解得
，为了使功放的效率较大，可以减小Q3管的导通角，这里取R13=11R12，第二级集电极的输出电流已经扩大了几十倍，为防止第三级的输入电流过大而烧坏三极管，需要相应的增大第三级的输入电阻。
取R13=220K，R12=20K，改变R14可调整放大倍数，取较小的反馈电阻有利于提高增益，因为选定
，所以发射极电压VE为0.05V，因此R14可选为100Ω。
由于
且
一般取Qe=8～10
所以
解得：
L3=1.06µH
计算得，C13＝680PF，C12＝220PF.功放级的电路设计如图所示。
2.4调频发射机总原理电路图
其中，C14,C16为滤波电容，选C14为0.1µF，C16为100µF。
C1为基极高频旁路电容，R1,R2为Q1管的偏置电阻。
采用分压式偏置电路既有利于工作点稳定，且振荡建立后有利于振荡幅度的稳定。
调节C7/C8可使调频线性良好。
R7,R8为变容二极管提供直流偏置。
调制音频信号经C17,LC加到变容二极管改变振荡频率实现调频。
振荡电压经电容C9耦合加至Q2缓冲放大级。
Q2缓冲放大级采用谐振放大，L3和C13谐振在振荡载波频率上。
若通频带太窄或出现自激则可在L3两端并联上适当电阻以降低回路Q值。
该级工作于甲类以保证足够的电压放大。
Q3管工作在丙类状态，有较高的效率同时防止Q3管产生高频自激而引起的二次击穿损坏。
调节偏置电阻可改变Q3管的导通角。
L4,C15和C16构成π型输出回路用来实现阻抗匹配并进行滤波，即将天线阻抗变换为功放管所要求的负载值，并滤除不必要的高次谐波分量。
鉴别一台调频广播发射机是否是数字化的最有效办法是看其电路原理，目前市场上调频发射机存在如下三种电路原理的调频发射机：
1、模拟调频发射机：
只能接收模拟音频信号，音频信号放大、限幅及立体声编码都是模拟的；特别是采用VCO（压控震荡器）+PLL（锁相环）产生调频载频信号，调制的过程当然也是采用模拟复合音频信号对VCO的变容二极管进行直接调制。
这种电路就是典型的模拟调频发射机，但可能有LED或LCD数字显示发射机的工作频率，但其全过程都是模拟的。
这种模式简称“VCO+PLL”。
2、半数字化调频发射机：
可以接收数字音频信号（AES/EBU）或模拟音频信号、音频信号处理、立体声编码由DSP（数字信号处理器）来完成，立体声复合信号经D/A转换器转换为模拟立体声复合信号、该信号对VCO进行调频调制。
由此可见，在产生立体声复合信号之前是数字化的，之后与模拟调频发射机无异。
简称“DSP+PLL”。
3、数字调频发射机：
从音频到射频全过程的数字化的调频广播发射机，它运用了软件无线电技术来实现调频广播发射机。
它接收数字音频信号（AES/EBU）或模拟音频信号（送入A/D）、音频信号处理、立体声编码均由DSP（数字信号处理器）来完成，而调频调制过程DSP控制DDS（直接数字频率合成器）来完成，实现了调制过程的数字化。
离散的数字调频波经D/A转换后生产常规调频波供射频放大器放大到指定功率。
简称“DSP+DDS”。
数字调频广播发射机有哪些技术优势？
数字调频发射机与模拟调频广播发射机相比具有如下突出的优势：
1、改善了音质：
由于采用全过程的数字化处理，调频广播的音质可达到接近CD的水平；
2、提高了发射机可靠性：
由于采用大规模集成电路作为主要元件（原件数量少，集成电路自身的可靠性极高），取代了模拟调频发射机的大量分立元件和小规模集成电路，是整机可靠性极大地提高；
3、发射机的功能柔性大：
由于采用了软件无线电技术，所以在保持发射机硬件不变得情况下、只要装入不同的软件就可以生产出不同功能的调频发射机，这特别有利于厂家生产组织、也有利于发射机的升级改造；
4、可实现准确的远程监控和故障诊断：
由于所有原来由硬件实现的功能都已软件化，所以不仅在发射机的LCD显示屏上可以观察到许多模拟发射机不可能观察的内部状态，而且可将这些状态通过通讯接口（RS232/RS485/CAN/TCPIP）在远程进行监控和故障诊断。
5、可实现双路音频输入自动切换功能：
在某些对系统可靠性要求较高的场合，可将数字音频和模拟音频同时输入到数字调频发射机，在其内部可实现以数字音频输入为主的自动音频切换功能，可省去外部的音频应急切换器。
数字调频发射机在国内是一项具有自主知识产权的专利技术。
四.心得体会及建议
经过三周的高频电子课程设计，我不仅学到了很多在课本上学不到的知识，也体会到了实践的重要性。
此次课设中，再次用到了Multisim这个软件，由于较少使用，使用起来还不熟练，于是我特地在图书馆借阅了有关于介绍Multisim的软件的书，加深自己对其的了解和掌握。
通过此次的课程设计，也让我进一步巩固和掌握所学的基础知识，加深了对高频电路的理解和对元器件的使用。
本次实践我从理解它的相关原理，到动手实践画其电路图并在Multisim上仿真出来，再到最后的数据处理及实践报告的撰写，都是我学到了很多。
它让我能够在实践中运用自己学过的知识，并努力探索，解决在实践中遇到的问题。
在此次的课题研究中提高我的动手能力、创新意识及锻炼思维活动。
课程设计使我们可以将抽象的理论知识与实际电路设计联系在一起，掌握初步的电路设计方法。
在掌握了模拟电路设计方法的同时也加深了对课程知识的理解和综合的运用，培养了综合运用理论知识以及专业技能上的提升。
但是，理论知识的不足在这次学习中很明显的体现出来。
这样也好，可以有助于我今后的学习，端正自己的态度，知道了要以书本上的知识为主，实践动手能力为辅，并且把实践与理论结合起来。
总之，此次的社会实践让我知道做事要有耐心，要持之以恒，只有这样，才能把一件事做好，当然，最重要的，是要有一颗热爱学习的心
五．附录
Quantity
Description
RefDes
Package
1
ZENER,RD5.1
D1
IPC-2221A/2222\DO-34
1
OPAMP,LM7131ACM
U1
IPC-7351\SON-8（N08E）
2
OPAMP,LM324AD
U3,U4
IPC-7351\CASE751A
2
BJT_NPN,2N1711
Q1,Q2
Generic\TO-39
2
ZENER,1N4738A
D2,D5
IPC-2221A/2222\DO-41
2
DIODE,1N1202C
D6,D3
Generic\DO-203AA
2
LED_red
LED1,LED2
Ultiboard\LED9R2_5V
2
RELAY,EDR2H1A12
K2,K4
REED\EDRSeriesSMT
2
DIODE,1N4148
D4,D7
IPC-2221A/2222\DO-35
1
FWB,1B4B42
D8
IPC-2221A/2222\12-7A2A
1
TRANSFORMER,TS_AUDIO_100_TO_1
T1
Generic\XFMR_5PIN
1
VOLTAGE_REGULATOR,LM7912CT
U10
Generic\TO-220
1
VOLTAGE_REGULATOR,LM7812CT
U11
Generic\TO-220
1
RESISTOR,2.4kOhm
R1
1
RESISTOR,7.5kOhm
R2
10
RESISTOR,10kOhm
R3,R4,R13,R14,R15,R16,R17,R18,R23,R24
1
RESISTOR,6.8kOhm
R5
4
RESISTOR,100kOhm
R6,R7,R8,R9
3
POTENTIOMETER,10kOhm
R10,R25,R26
1
POWER_SOURCES,GROUND
0
Generic
1
POTENTIOMETER,5kOhm
R11
1
RESISTOR,3.3kOhm
R12
1
POWER_SOURCES,VCC
VCC
Generic
6
VOLTMETER,VOLTMETER_V
U2,U5,U6,U7,U8,U9
Generic
1
POWER_SOURCES,VEE
VEE
Generic
4
RESISTOR,1kOhm
R19,R20,R21,R22
1
AC_VOLTAGE,220mVpk50Hz0_uc100b0
V1
Generic
4
CAPACITOR,100nF
C4,C5,C3,C6
2
CAP_ELECTROLIT,700uF
C1,C2
六.参考文献
1.叶瑜周剑玲主编·《高频电路》·中国矿业大学出版社·2008年11月
2.王连英主编·《基于Multisim10的电子仿真实验与设计》·北京邮电大学出版社·2009年8月
3.薛鹏骞梁秀荣等主编·《电子设计自动化技术设计实用教程》·2007年2月
4.崔建明陈惠英温卫中主编·《电路与电子技术的Multisim10.0仿真》·中国水利水电出版社·2009年11月
5.杨欣王玉凤编著·《电路设计与仿真》·清华大学出版社·2006年4月
6.黄智伟编著·《全国大学生电子设计竞赛系统设计》·北京航空航天大学出版社·2006年12月
7.石伟平徐国庆编著·《模拟电子器件与应用》·华东师范大学出版社·2008年
8.高吉祥主编·《电子技术基础实验与课程设计》·电子工业出版社·2005年2月
9.刘修文等编·《新编电子控制电路300例》·机械工业出版社·2006年4月
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