基于Multisim的调频电路设计与仿真Word格式.docx
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调制技术就是把基带信号变换成传输信号的技术。
基带信号是原始的电信号，一般是指基本的信号波形，在数字通信中则指相应的电脉冲。
在无线遥测遥控系统和无线电技术中调制就是用基带信号控制高频载波的参数（振幅、频率和相位），使这些参数随基带信号变化。
用来控制高频载波参数的基带信号称为调制信号。
未调制的高频电振荡称为载波（可以是正弦波，也可以是非正弦波，如方波、脉冲序列等）。
被调制信号调制过的高频电振荡称为已调波或已调信号。
已调信号通过信道传送到接收端，在接收端经解调后恢复成原始基带信号。
解调是调制的反变换，是从已调波中提取调制信号的过程。
在无线电通信中常采用双重调制。
第一步用数字信号或模拟信号去调制第一个载波（称为副波）。
或在多路通信中用调制技术实现多路复用（频分多路复用和时分多路复用）。
第二步用已调副载波或多路复用信号再调制一个公共载波，以便进行无线电传输。
第二步调制称为二次调制。
用基带信号调制高频载波，在无线电传输中可以减小天线尺寸，并便于远距离传输。
应用调制技术，还能提高信号的抗干扰能力。
2.2调制的分类
调制方式按照调制信号的性质分为模拟调制和数字调制两类；
按照载波的形式分为连续波调制和脉冲调制两类。
模拟调制有调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）。
数字调制有振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）、移相键控（PSK）和差分移相键控（DPSK）等。
脉冲调制有脉幅调制（PAM）、脉宽调制（PDM）、脉频调制（PFM）、脉位调制（PPM）、脉码调制（PCM）和增量调制（ΔM）。
按照传输特性，调制方式又可分为线性调制和非线性调制。
广义的线性调制，是指已调波中被调参数随调制信号成线性变化的调制过程。
狭义的线性调制,是指把调制信号的频谱搬移到载波频率两侧而成为上、下边带的调制过程。
此时只改变频谱中各分量的频率，但不改变各分量振幅的相对比例，使上边带的频谱结构与调制信号的频谱相同，下边带的频谱结构则是调制信号频谱的镜像。
狭义的线性调制有调幅（AM）、抑制载波的双边带调制（DSB-SC）和单边带调制（SSB）。
（1）模拟调制
模拟调制一般指调制信号和载波都是连续波的调制方式。
它有调幅、调频和调相三种基本形式。
①调幅（AM）：
用调制信号控制载波的振幅，使载波的振幅随着调制信号变化。
已调波称为调幅波。
调幅波的频率仍是载波频率，调幅波包络的形状反映调制信号的波形。
调幅系统实现简单,但抗干扰性差,传输时信号容易失真。
②调频（FM）：
用调制信号控制载波的振荡频率，使载波的频率随着调制信号变化。
已调波称为调频波。
调频波的振幅保持不变，调频波的瞬时频率偏离载波频率的量与调制信号的瞬时值成比例。
调频系统实现稍复杂，占用的频带远较调幅波为宽，因此必须工作在超短波波段。
但抗干扰性能好，传输时信号失真小，设备利用率也较高。
③调相（PM）：
用调制信号控制载波的相位，使载波的相位随着调制信号变化。
已调波称为调相波。
调相波的振幅保持不变，调相波的瞬时相角偏离载波相角的量与调制信号的瞬时值成比例。
在调频时相角也有相应的变化，但这种相角变化并不与调制信号成比例。
在调相时频率也有相应的变化，但这种频率变化并不与调制信号成比例。
在模拟调制过程中已调波的频谱中除了载波分量外在载波频率两旁还各有一个频带，因调制而产生的各频率分量就落在这两个频带之内。
这两个频带统称为边频带或边带。
位于比载波频率高的一侧的边频带，称为上边带。
位于比载波频率低的一侧的边频带，称为下边带。
在单边带通信中可用滤波法、相移法或相移滤波法取得调幅波中一个边带，这种调制方法称为单边带调制（SSB）。
单边带调制常用于有线载波电话和短波无线电多路通信。
在同步通信中可用平衡调制器实现抑制载波的双边带调制（DSB-SC）。
在数字通信中为了提高频带利用率而采用残留边带调制（VSB）,即传输一个边带（在邻近载波的部分也受到一些衰减）和另一个边带的残留部分。
在解调时可以互相补偿而得到完整的基带。
（2）数字调制
一般指调制信号是离散的，而载波是连续波的调制方式。
它有四种基本形式：
振幅键控、移频键控、移相键控和差分移相键控。
①振幅键控（ASK）：
用数字调制信号控制载波的通断。
如在二进制中,发0时不发送载波,发1时发送载波。
有时也把代表多个符号的多电平振幅调制称为振幅键控。
振幅键控实现简单，但抗干扰能力差。
②移频键控（FSK）：
用数字调制信号的正负控制载波的频率。
当数字信号的振幅为正时载波频率为f1，当数字信号的振幅为负时载波频率为f2。
有时也把代表两个以上符号的多进制频率调制称为移频键控。
移频键控能区分通路，但抗干扰能力不如移相键控和差分移相键控。
③移相键控（PSK）：
用数字调制信号的正负控制载波的相位。
当数字信号的振幅为正时，载波起始相位取0；
当数字信号的振幅为负时,载波起始相位取180°
。
有时也把代表两个以上符号的多相制相位调制称为移相键控。
移相键控抗干扰能力强，但在解调时需要有一个正确的参考相位，即需要相干解调。
④差分移相键控（DPSK）：
利用调制信号前后码元之间载波相对相位的变化来传递信息。
第三章调频技术
3.1调频与鉴频的概念
调频就是用调制信号控制载波的振荡频率，使载波的频率随着调制信号变化。
抗干扰性能好，传输时信号失真小，设备利用率也较高。
把含有信息的低频信号从经过传输的调频波中解调出来，还原含有信息的低频信号，称为鉴频。
调频波的波形，就像是个被压缩得不均匀的弹簧，调频波用英文字母FM表示。
3.2间接调频电路
调频波的数学表示式，在调制信号为uΩ（t）时，为
uFM（t）=Ucmcos[ωct+kf
]（3-1）
可见调频波的相位偏移为kf
，与调制信号uΩ（t）的积分成正比。
若将调制信号先通过积分器得
，然后再通过调相器进行调相，即可得到调制信号为
的调相波，即
u（t）=Ucmcos[ωct+kP
]（3-2）
因此，调频可以通过调相间接实现。
通常将这样的调频方式称为间接调频，其原理方框图如图10-1所示。
这样的调频方式采用频率稳定度很高的振荡器（例如石英晶体振荡器）作为载波振荡器，然后在它的后级进行调相，得到的调频波的中心频率稳定度很高。
图3-1
间接调频原理方框图
3.3变容二极管直接调频电路
（1）．变容二极管的特性
变容二极管是根据PN结的结电容随反向电压改变而变化的原理设计的。
在加反向偏压时，变容二管呈现一个较大的结电容。
这个结电容的大小能灵敏地随反向偏压而变化。
正是利用了变容二极管这一特性，将变容二极管接到振荡器的振荡回路中，作为可控电容元件，则回路的电容量会明显地随调制电压而变化，从而改变振荡频率，达到调频的目的。
变容二极管的反向电压与其结电容呈非线性关系。
其结电容Cj与反向偏置电压ur之间有如下关系：
（3-3）
式中，UD为PN结的势垒电压，Cj0为ur=0时的结电容;
γ为电容变化系数。
（2）．调频基本原理
图3-2
变容二极管调频电路
图3-2是变容二极管调频器的原理电路。
图中虚线左边是一个LC正弦波振荡器，右边是变容二极管和它的偏置电路。
其中Cc是藕合电容，ZL为高频扼流圈，它对高频信号可视为开路。
变容二极管是振荡回路的一个组成部分，加在变容二极管上的反向电压为
ur=VccVB+uΩ（t）=VQ+uΩ（t）
（3-4）
式中，VQ=VccVB是加在变容二极管上的直流偏置电压；
uΩ（t）为调制信号电压。
图3-3结电容随调制电压变化关系
图3-3（a）是变容二极管的结电容与反向电压ur的关系曲线。
由电路可知，加在变容二极管上的反向电压为直流偏压VQ和调制电压uΩ（t）之和，若设调制电压为单频余弦信号，即uΩ（t）=UΩmcosΩt则反向电压为:
ur（t）=VQ+UΩmcosΩt
（3-5）
如图3-3（b）所示。
在ur（t）的控制下，结电容将随时间发生变化，如图3-3（c）所示。
结电容是振荡器振荡回路的一部分，结电容随调制信号变化，回路总电容也随调制信号变化，故振荡频率也将随调制信号变化。
只要适当选取变容二极管的特性及工作状态，可以使振荡频率的变化与调制信号近似成线性关系，从而实现调频。
（3）.电路分析
设调制信号为uΩ（t）=UΩmcosΩt，加在二极管上的反向直流偏压为VQ，VQ的取值应保证在未加调制信号时振荡器的振荡频率等于要求的载波频率，同时还应保证在调制信号uΩ（t）的变化范围内保持变容二极管在反向电压下工作。
加在变容二极管上的控制电压为
ur（t）=VQ+UΩmcosΩt（3-6）
相应的变容二极管结电容变化规律为
当调制信号电压uΩ（t）=0时，即为载波状态。
此时ur（t）=VQ，对应的变容二极管结电容为CjQ:
（3-7）
当调制信号电压uΩ（t）=UΩmcosΩt时，
代入式（3-7）,并令m=UΩm/（UD+VQ）为电容调制度，则可得
（3-8）
上式表示的是变容二极管的结电容与调制电压的关系。
而变容二极管调频器的瞬时频率与调制电压的关系由振荡回路决定。
由图3-2可得，振荡器振荡回路的等效电路，如图3-4（a）所示。
图3-4振荡回路等效电路
（1）.变容二极管作为振荡回路的总电容
设C1未接入,Cc较大,即回路的总电容仅是变容二极管的结电容,其等效回路如图3-4（b）所示。
加在变容二极管上的高频电压很小,可忽略其对变容二极管电容量变化的影响,则瞬时振荡角频率为
（3-9）
因为未加调制信号时的载波频率
所以
（3-10）
根据调频的要求,当变容二极管的结电容作为回路总电容时,实现线性调频的条件是容二极管的电容变化系数γ=2。
若变容二极管的电容变化系数γ不等于2，设uΩ（t）=UΩmcosΩt，则
，可以在mcost=0处展开成为泰勒级数,得
（3-11）
通常m<
1，上列级数是收敛的。
因此,可以忽略三次方项以上的各项,则
从上式可知,对于变容二极管调频器,若使用的变容二极管的变容系数γ≠2,则输出调频波会产生非线性失真和中心频率偏移。
其结果如下：
a.调频波的最大角频率偏移
（3-12）
b.
调频波会产生二次谐波失真,二次谐波失真的最大角频率偏移
（3-13）
调频波的二次谐波失真系数为
（3-14）
c．调频波会产生中心频率偏移，其偏离值为
（3-15）
中心角频率的相对偏离值为
（3-16）
综上所述，若要调频的频偏大，就需增大m，这样中心频率偏移量和非线性失真量也增大。
在某些应用中，要求的相对频偏较小，而所需要的m也就较小。
因此，这时即使γ不等于2，二次谐波失真和中心频率偏移也不大。
由此可见，在相对频偏较小的情况下，对变容二极管γ值的要求并不严格。
（2）.变容二极管部分接入振荡回路
变容二极管的结电容作为回路总电容的调频电路的中心频率稳定度较差，这是因为中心频率fc决定于变容二极管结电容的稳定性。
当温度变化或反向偏压VQ不稳时，会引起结电容的变化,它又会引起中心频率较大变化。
为了减小中心频率不稳,提高中心频率稳定度，通常采用部分接入的办法来改善性能。
变容二极管部分接入振荡回路的等效电路如图3-3（a）所示。
变容二极管和Cc串联，再和C1并联，构成振荡回路总电容C∑
（3-17）
加调制信号uΩ（t）=UΩmcosΩt后，总回路电容C∑为
（3-18）
相应的调频特性方程为
（3-19）
从上式知，调频特性取决于回路的总电容C∑，而C∑可以看成一个等效的变容二极管，C∑随调制电压uΩ（t）的变化规律不仅决定于变容二极管的结电容Cj随调制电压uΩ（t）的变化规律，而且还与C1和Cc的大小有关。
变容二极管部分接入振荡回路，中心频率稳定度比全部接入振荡回路要高，但最大频偏要减小。
第四章基于Multisim的调频电路设计与仿真
4-1Multisim软件介绍
电子线路课程设计是针对电子线路课程的要求，对学生进行综合训练，培养学生运用课程中所学到的知识，独立地解决实际问题的能力[1]。
传统方法是先设计电路，然后在面包板或实验箱进行实验调整参数，最后再制版、安装、调试。
传统方法存在技术手段陈旧，教、学、做受到条件的限制，学习效率不高等问题。
将计算机仿真技术与传统方法相结合,可以实现“软件虚拟实验室”，即只要有一台计算机并安装上Multisim10仿真软件，就可以构成一个虚拟的实验工作台[2]。
学生在虚拟环境下完成电子技术课程设计的选择元件、创建电路、计算与调整参数以及观测仿真结果等中心环节。
并且设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便；
设计和实验所用的元器件及测试仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验。
最后进行实物组装、调试，实现了电路设计的优化而保证达到设计要求[3][4]。
Mulitisim10是美国国家仪器有限公司最新推出的一款原理图捕获和交互式仿真软件，是早期的ElectronicWorkbench（EWB）的升级换代的产品，是目前最易用、最直观的仿真软件。
Multisim10仿真软件具有以下主要功能：
①具有丰富的元件库；
②类型齐全的仿真；
③高度集成的操作界面；
④强大的分析功能；
⑤强大的虚拟仪器仪表功能；
⑥具有VHDI／Verilog的设计和仿真功能；
⑦提供多种输入输出接口（可以与其他EDA软件结合使用）；
⑧新增加了对51系列单片机、PIC单片机的支持，可以把单片机的实验直接在计算机上模拟运行，得到高精度的仿真数据，使得大规模可编程逻辑器件的设计和仿真与模拟电路、数字电路的设计和仿真融为一体，突破了原来大规模可编程逻辑器件无法与普遍电路融为一体仿真的局限。
更重要的是，Multisim10使电路原理图的仿真与完成PCB设计的Ultiboard10仿真软件结合起来一起构成新一代的EWB软件，使电子线路的仿真与PCB的制作更为效[5]。
3、NIMultisim10用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”。
NIMultisim10是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。
4、NIMultisim10的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到，因此也很方便的在工程设计中使用。
5、NIMultisim10的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源；
而且还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪等。
6、NIMultisim10具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。
7、NIMultisim10可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工学、模拟电路、数字电、射频电路及微控制器和接口电路等。
可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。
在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。
8、NIMultisim10有丰富的Help功能，其Help系统不仅包括软件本身的操作指南，更要的是包含有元器件的功能解说，Help中这种元器件功能解说有利于使用EWB进行CAI教学。
另外，NIMultisim10还提供了与国内外流行的印刷电路板设计自动化软件Protel及电路仿真软件PSpice之间的文件接口，也能通过Windows的剪贴板把电路图送往文字处理系统中进行编辑排版。
支持VHDL和VerilogHDL语言的电路仿真与设计。
9、利用NIMultisim10可以实现计算机仿真设计与虚拟实验，与传统的电子电路设计与实验方法相比，具有如下特点：
设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便；
设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验；
可方便地对电路参数进行测试和分析；
可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图；
实验中不消耗实际的元器件，实验所需元器件的种类和数量不受限制，实验成本低，实验速度快，效率高；
设计和实验成功的电路可以直接在产品中使用。
10、NIMultisim10易学易用，便于电子信息、通信工程、自动化、电气控制类专业学生自学、便于开展综合性的设计和实验，有利于培养综合分析能力、开发和创新的能力。
11、电源/信号源库包含有接地端、直流电压源（电池）、正弦交流电压源、方波（时钟）电压源、压控方波电压源等多种电源与信号源。
基本器件库包含有电阻、电容等多种元件。
基本器件库中的虚拟元器件的参数是可以任意设置的，非虚拟元器件的参数是固定的，但是可以选择的。
2Multisim10
二极管库包含有二极管、可控硅等多种器件。
二极管库中的虚拟器件的参数是可以任意设置的，非虚拟元器件的参数是固定的，但是是可以选择的。
晶体管库包含有晶体管、FET等多种器件。
晶体管库中的虚拟器件的参数是可以任意设置的，非虚拟元器件的参数是固定的，但是是可以选择的。
模拟集成电路库包含有多种运算放大器。
模拟集成电路库中的虚拟器件的参数是可以任意设置的，非虚拟元器件的参数是固定的，但是是可以选择的。
TTL数字集成电路库包含有74×
×
系列和74LS×
系列等74系列数字电路器件。
CMOS数字集成电路库包含有40×
系列和74HC×
系列多种CMOS数字集成电路系列器件。
数字器件库包含有DSP、FPGA、CPLD、VHDL等多种器件。
数模混合集成电路库包含有ADC/DAC、555定时器等多种数模混合集成电路器件。
指示器件库包含有电压表、电流表、七段数码管等多种器件。
电源器件库包含有三端稳压器、PWM控制器等多种电源器件。
其他器件库包含有晶体、滤波器等多种器件。
键盘显示器库包含有键盘、LCD等多种器件。
机电类器件库包含有开关、继电器等多种机电类器件。
微控制器件库包含有8051、PIC等多种微控制器。
射频元器件库包含有射频晶体管、射频FET、微带线等多种射频元器件。
12、子电路是由用户自己定义的一个电路（相当于一个电路模块），可存放在自定元器件库中供电路设计时反复调用。
利用子电路可使大型的、复杂系统的设计模块化、层次化，从而提高设计效率与设计文档的简洁性、可读性，实现设计的重用，缩短产品的开发周期。
13.multisim的仪器库存放有数字多用表、函数信号发生器、示波器、波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换仪、瓦特表、失真度分析仪、网络分析仪、频谱分析仪11种仪器仪表可供使用，仪器仪表以图标方式存在。
数字多用表（Multimeter）是一种可以用来测量交直流电压、交直流电流、电阻及电路中两点之间分贝损耗，自动调整量程的数字显示的多用表。
函数信号发生器（FunctionGenerator）是可提供正弦波、三角波、方波三种不同波形的信号的电压信号源。
瓦特表（Wattmeter）用来测量电路的功率，交流或者直流均可测量。
示波器（Oscilloscope）用来显示电信号波形的形状、大小、频率等参数的仪器。
波特图仪（BodePlotter）可以用来测量和显示电路的幅频特性与相频特性，类似于扫频仪。
字信号发生器（WordGenerator）是能产生16路（位）同步逻辑信号的一个多路逻辑信号源，用于对数字逻辑电路进行测试。
逻辑分析仪（LogicAnalyzer）用于对数字逻辑信号的高速采集和时序分析，可以同步记录和显示16路数字信号。
失真分析仪（DistortionAnalyzer）是一种用来测量电路信号失真的仪器，multisim提供的失真分析仪频率范围为20Hz～20kHz。
频谱分析仪（SpectrumAnalyzer）用来分析信号的频域特性，multisim提供的频谱分析仪频率范围上限为4GHz。
网络分析仪（NetworkAna
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