高频课程设计调相文档格式.docx
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如今,随着消费类电子的兴起和繁荣以及数字电子的发展,广大从事消费类电子设计的厂商都不忘在诸如MP3、智能手机、便携式Video播放器等产品中嵌入FM/PM部分。
传统的角度调制解决方案存在电路体积大、调谐不方便、稳定性欠佳等弊端。
本文介绍了数字角度调制立体声收音机的设计与实现。
其解决了传统的调制方案中体积大、调谐不方便、稳定性不好等这些缺点。
在本文中主要介绍了该设计的硬件电路、软件设计流程、系统测试。
关键词:
收音机,调频/调相,设计原理,电路图
一、设计背景
传输信息是人类生活的重要内容之一。
传输信息的手段很多,利用无线电技术进行信息传输在这些手段中占有极重要的地位。
无线电通信、广播、电视、等,都是利用无线电技术传输各种不同信息的方式。
无线电通信传送语言、电码或其他信号;
无线电广播传送语言、音乐等;
电视传送图像、语言、音乐;
导航是利用一定的无线电信号指引飞机或船舶安全航行,以保证他们能平安到达目的地。
在以上这些信息传递的过程中,都要用到调制与解调。
调制分为线性调制与非线性调制,线性调制即通过改变载波的幅度,以实现调制信号频谱的线性搬移。
如调幅,其最大的优点是:
成本低,带宽窄,因此,通信有效性高。
但抗噪性能低。
为了改善通信系统的可靠性,提出了非线性调制,包括频率调制和相位调制。
它们具有较高的抗造性能,是目前通信系统的主要调制方式。
二、方案选择
1、产生调相信号的电路叫做调相器,对他有4个主要的要求:
1已调波的瞬时初相位与调制信号成比例变化。
2未调制时的载波频率即已调波的中心频率具有一定的稳定度。
3最大相偏与调制频率无关。
4无寄生调幅或寄生调幅尽量小。
2、产生调相的方法主要归纳为两类:
(1)用调制信号直接控制载波的瞬时相偏——直接调相。
(2)先将调制信号微分,然后对载波进行调频,结果得到调相波——间接调相。
3、变容二极管调相的主要优点是能够获得较大的相移,线路简单,并且几乎不需要调制功率,其主要缺点是中心频率的稳定度低。
在满足设计的各项参数的基础上尽量简化电路。
因此本次课程设计采用变容二极管进行直接调相电路设计。
三、调相电路原理分析及设计
3.1、PM调制原理
PM调制是靠信号使初相位发生变化,振幅可保持一定,所以噪声成分易消除。
设载波为
(1.1)
调制波为
(1.2)
用
对式(1.1)表示的载波进行调相,根据定义,载波的瞬时相位
应随
线性地变化,即
(1.3)
式中,
表示未调制时振荡的相位,
表示瞬时相位中与调制信号成正比变化的部分,叫做瞬时相位偏移,简称相偏。
相移以
表示,即
=
(1.4)
的最大值叫做最大相移,或称调相指数。
调相波的调相指数以
(1.5)
式中,
是比例系数,它表示单位调制信号引起的相移的大小,单位是rad/v。
将式(1.3)代入式(1.1),得到调相波的数学表达式为
(1.6)
根据式
(1.7)
可以求出调相波的瞬时频率为
(1.8)
上式右边第二项表示调相波的频移,以
(1.9)
3.2、变容二极管直接相位调制的原理
变容二极管是利用半导体PN结的结电容随反向电压变化这一特性制成的一种半导体二极管,它是一种电压控制可变电抗元件,它的结电容Cj与反向电压VR存在如下关系:
式中,VD为PN结的势垒电压(内建电势差),Cj0为VR为0时的结电容,γ为系数,它的值随半导体的掺杂浓度和PN结的结构不同而异:
对于缓变结,γ=1/3;
突变结:
γ=1/2;
对于超突变结,γ=1~4,最大可达6以上。
图1.1变容二极管的Cj-v特性曲线
变容二极管的Cj-v特性曲线如图1.1所示。
加到变容二极管上的反向电压包括直流偏压V0和调制信号电压
VΩ(t)=VΩcosΩt,(1.10)
即
(1.11)
结电容在vR(t)的控制下随时间的变化而变化。
把受到调制信号控制的变容二级管接入载波振荡器的振荡回路,则振荡回路的频率已收到调制信号的控制。
适当选择调频二极管的特性和工作状态,这样就实现了角度调制。
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
(1.12)
3.3、调制灵敏度
单位调制电压所引起的最大频偏称为调制灵敏度,以Sf表示,单位为kHz/V,即
(1.13)
VΩm为调制信号的幅度;
△fm为变容管的结电容变化△Cj时引起的最大频偏。
因为回路总电容的变化量为
(1.14)
在频偏较小时,△fm与△C∑的关系可采用下面近似公式,即
(1.15)
所以p↑△f↑,△Cj↑△f↑。
调制灵敏度(1.16)
式中,△C∑为回路总电容的变化量;
CQ∑为静态时谐振回路的总电容,即
所以C1↓Sf↑△f↑。
调制灵敏度Sf可以由变容二极管Cj-v特性曲线上VQ处的斜率kc计算。
Sf越大,说明调制信号的控制作用越强,产生的频偏越大。
改变CC的值可以使变容二极管的工作点调节到最佳状态。
附:
变容二极管馈电电路:
变容二极管馈电等效电路:
3.4、仿真软件的选择及其简单介绍
本课程设计的仿真软件为AltiumDesigner6.9,它是完全一体化电子产品开发系统的一个新版本,是业界第一款也是唯一一款完整的板级设计解决方案。
AltiumDesigner6.9是业界手里将设计流程、集成化PCB设计、可编程期间FPGA设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品,一种同时进行PCB和FPGA设计嵌入式设计的解决方案,具有将设计方案从概念转变为最终成品所需的全部功能。
AltiumDesigner6.9以强大的设计输入功能为特点,在FPGA和板级设计中,同时支持原理图输入和HDL硬件描述模式;
同时支持基于VHDL的设计仿真、混合信号电路仿真、布局前后信号完整性分析。
AltiumDesigner6.9的布局布线采用完全规则驱动模式,并且在PCB布线中采用了无网格的SitusTM拓扑逻辑自动布线功能;
同时,将完整的CAM输出功能的编辑结合在一起。
AltiumDesigner6.9具有完美的向下兼容性,以前Protel的所有版本的设计文件和资源都可以拿来继续使用,而且AltiumDesigner6.9的设计文件和资源也可以保存为以前的各种Altium版本的格式,具有较好的向上兼容特性。
3.5、原理框图的设计
3.6、电路图设计与分析
图1.2所示为一个变容二极管调相电路。
有晶体管组成单LC回路调谐放大电路,
组成并联谐振回路;
为耦合电容;
为高频扼流圈,以防止高频载波被调制信号源旁路;
分压后为变容二极管提供静态偏置电压
.放大的载波信号经
耦合输入,调制信号经
耦合接入,调相信号经
耦合输出。
如果将调制电压
先积分后在输入,那么从
耦合输出的信号就是对调制电压
间接调频波。
需要注意的是,在调相时,由于振荡回路中引入了变容二极管,因此频率稳定度对于载波频率有所降低。
一般,其短期频率稳定度达到
数量级,长期频率稳定度达到
数量级。
图1.2实用变容二极管调相电路
其等效电路如下:
图1.3调相电路的等效电路
四、仿真结果
图4调相仿真图
五、系统的测试及误差分析
5.1、测试数据
为了提供晶体管合适稳定的静态工作点和初步实现电路功能,设置测试数据Rb2=20KΩ,Re=500Ω,电感L1=300μH,电容C5=300Pf,C2=2μF,电阻R2=100KΩ,R3=100KΩ,电感L4=500μH,电容C6=0.01μF,C7=1μF。
5.2、误差分析和改善措施
电路可能会没有达到稳定的静态工作点,致使电路调制信号时产生失真或者产生额外的噪声,干扰调制信号。
可能是因为原电路偏置电阻过大导致。
改善措施:
在Rb2上方再并联一个Rb1=50KΩ电阻,目的是使原来的偏置电阻减小,使电路晶体管达到稳定的静态工作点,是电路工作在正常的状态。
六、心得体会
本次课程设计,做得可是费了九牛二虎之力,不过值得庆幸的是,仿真运行结果出来了,并且和预期所想完全符合。
下面,我就简单说说在仿真过程中遇到的问题。
刚开始是,由于对软件的功能,特别是元件库不熟悉,因此,我花了一段时间学习如何相软件库中添加元件库。
当一幅完整的电路图连接好,开始仿真时,问题开始出现了:
最初,参数设置得不对,仿真结果为标准的正弦波;
当修改相应的参数后,错误报表中说变容二极管的分级系数太大,必须限制在0.9,于是,我通过查阅资料,网上求助,终于知道错误的所在。
修改之后,仿真输出的波形幅度发生了变化,这显然不符合调相波的性质——恒包络。
当时,我只知是元器件参数设置出了问题,但具体是哪一个,我并不知道。
没办法,只得一个一个修改。
通过修改,我大致可总结出如下规律:
电阻阻值的变化不会对仿真结果造成太大的影响;
相反地,电感感值越小,对波形输出的衰减也越快,反之,衰减越慢;
对于电容,亦是如此。
于是,我们经过多次调试,找出输出最佳的一组波形作为最终仿真输出波形。
调试的确是一个艰巨的任务,它不但要求有较深厚、扎实的理论基础,而且还需对软件的应用相当熟悉。
因此,通过这次课程设计,我觉得我们所具备的知识太乱了,太肤浅了,很难用于工程实践。
另外,对于每一个细小的问题,如果我们不闻不问,则会影响到整个工作的进展,甚至会导致我们所做的无一用处,功亏一篑。
还有,对我们专业的本科生来说,实际能力的培养至关重要,而这种实际能力的培养单靠课堂教学是远远不够的,必须从课堂走向实践。
这也是一次预演和准备毕业设计工作。
通过课程设计,让我们找出自身状况与实际需要的差距,并在以后的学习期间及时补充相关知识,为求职与正式工作做好充分的知识、能力准备,从而缩短从校园走向社会的心理转型期。
在两个星期的课程设计之后,我觉得不仅实际动手能力有所提高,更重要的是懂得设计流程,从开始设计思路,到实现,到纠正完善,再到最后设计论文的撰写,进一步激发了我们对专业知识的兴趣,并能够结合实际存在的问题在专业领域内进行更深入的学习。
总之,通过这次课程设计,我们获得了很多。
不仅是知识水平的提高,还明白了很多做人的道理,这将是我们投身于社会后的一笔具有重要价值的财富。
参考文献
【1】张肃文《高频电子线路(第五版)》北京:
高等教育出版社,2008年9月
【2】王卫东傅佑麟《高频电子线路》北京:
电子工业出版社,200年6月
【3】吴慎山《高频电子线路》北京:
电子工业出版社,2007年1月
【4】高吉祥《高频电子线路及学习辅导》北京:
电子工业出版社,2005年1月
【5】北京三恒星科技公司《AltiumDesigner6设计教程》北京:
电子工业出版社,20037年2月