二极管单平衡调幅器.docx

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二极管单平衡调幅器

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实践教学

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兰州理工大学

计算机与通信学院

2014年秋季学期

《嵌入式系统》课程设计报告

设计题目：

Linux内核移植与编译

班级：

通信工程12级

（2）班

姓名：

董美玲设计质量（30分）：

学号：

12250217说明书质量（10分）：

同组成员：

狄国晋芮文淑杨丹琪张平娟

指导教师：

马维俊

摘要

调幅发射机的主要任务是完成有用的低频信号对高频载波的调制，将其变为在某一中心频率上具有一定宽度、适合通过天线发射的电磁波。

振幅调制就是由调制信号去控制载波的振幅，使之按调制信号的规律变化，严格地讲，是使高频振荡的振幅与调制信号呈线性关系，其他参数（频率和相位）不变。

本设计的发射机包括高频部分、低频部分、电源部分三个模块。

低频信号采用音频放大器对调制信号进行放大，以便对高频末级功率放大器进行调制；高频部分主要包括主振荡器、缓冲放大、末级功放三部分，主振器采用采用频率稳定度高的差分对管振荡器，并在它后面加上缓冲级，以消弱后级对主振器的影响，经过音频放大后的信号在高频部分的末级功放实现对载波信号的调幅。

关键词调幅发射机

一、前言

通信系统中的发送设备是将信息发送者送来的非电量原始信息（信源）如语音、文字和图像等转变成电信号，再把信号处理成适合于信道传输的信号形式送至信道。

信源信号在通信系统中称为基带信号。

基带信号是频谱在零频附近的宽带信号，这种信号一般具有从零频开始的较宽的频谱，而且在频谱的低端分布较大的能量，所以称为基带信号，这种信号不宜直接在信道中传输。

如果将消息信号对频率较高的载波进行调制，就能使信号的频谱搬移到适合信道的频率范围内进行传输。

例如声音基带信号的频率范围是20Hz～20kHz，这样的基带信号是不能在无线信道上传输的。

即使在某些可以传输直流的有限信道上，为了提高信道的通信容量，基带信号的传输方式也很少采用。

一般是用基带信号去改变某个高频正弦电压（载波）的参数，使载波的振幅、频率或相位随基带信号而变化，这一过程称为调制。

在通信系统中，调制有三个主要作用：

1调制的过程就是一个频谱搬移的过程，将原来不适宜传输的基带信号频谱搬移到适宜传输的某一个频段上，然后传输至信道；2调制的另一个重要作用是实现信道复用，即把多个信号分别安排在不同的频段上同时进行传输，以提高信道容量；3调制可以提高通信系统抗干扰的能力，例如将信号频率搬移，从而离开某一特定干扰频率。

对不同的信道，根据经济技术等因素，可以采用不同的调制方式。

以模拟信号为调制信号，对连续的正（余）弦载波进行调制，亦即载波的参数随着调制信号的作用而变化，这种调制方式称为模拟调制。

而所谓振幅调制就是由调制信号去控制载波的振幅，使之按调制信号的规律变化，严格地讲，是使高频振荡的振幅与调制信号呈线性关系，其他参数（频率和相位）不变，这是使高频振荡的振幅载有消息的调制方式。

调幅发射机目前正广泛应用于无线电广播系统中，本次课程设计完成了小信号调幅发射机从设计到仿真调试的完整设计工作。

二、系统总述

2.1总体设计框图

本振

倍频器

乘法器调制

混频器

功率放大器

低频信号

图1调幅发射整体原理框图

各部分的作用：

本振1：

产生频率为5MHz的载波信号

倍频器：

产生频率为15MHz的载波

高频放大器：

将高频信号放大到调制器所需电压

低频输入：

输入低频信号用于调制

低频放大器：

将低频信号放大到调制器所需电压

幅度调制器：

将低频信号调制到载波上产生调幅信号

混频器和带通滤波器：

将高频信号频率搬移到更高的频率

功率放大器：

对载频信号的功率放大到所需发射功率

2.2总体设计方案

根据设计要求，选用最基本的发射机结构，由主振、倍频、调制、混频及功放五部分构成。

由于晶体稳定性好，Q值很高，频率稳定度也很高。

因此，主振级采用晶体振荡器，满足所需的频率稳定度。

利用丙类功率放大器的原理设计三倍频电路，用于产生所需频率载波。

为了有效抑制载波，选用二极管双平衡调制方式完成调幅过程。

为了有效地发射信号，运用混频器、带通滤波器和丙类功率放大器产生具有所需发射功率的信号。

2.3整机电路工作原理

发射机的主要任务是完成有用的低频信号对高频载波的调制,将其变为在某一中心频率上具有一定带宽、适合通过天线发射的电磁波。

调幅发射机的基本工作原理为：

第一本机振荡产生一个固定频率的中频信号，它的输出送至调制器；话音放大电路将低频信号（例如语音信号）放大至足够的电压送到振幅调制电路，其输出也送至调制器；调制器输出是已经调幅的中频信号，该信号经中频放大后与第二本振信号混频；第二本振是一频率可变的信号源，选第二本振频率fo2是发射载频foc与第一本振fo1之差，混频器输出经带通或低通滤波器滤波，使输出载频foc=fo2+fo1;功率放大器将载频信号的功率放大到所需发射功率，然后经天线输出。

三、设计指标

完成调幅发射系统各单元电路的设计及仿真，并利用multisim开发软件完成整机电路的调试。

设计任务及主要技术指标和要求如下：

工作频率范围：

调幅制一般适用于中、短波广播通信，其工作频率范围为300kHz~30MHz。

发射功率：

一般是指发射机送到天线上的功率。

只有当天线的长度与发射频率的波长可比拟时，天线才能有效地把载波发射出去。

调幅系数：

调幅系数ma是调制信号控制载波电压振幅变化的系数，ma的取值范围为0~1，通常以百分数的形式表示，即0%~100%。

非线性失真（包络失真）：

调制器的调制特性不能跟调制电压线性变化而引起已调波的包络失真为调幅发射机的非线性失真，一般要求小于10%。

线性失真：

保持调制电压振幅不变，改变调制频率引起的调幅度特性变化称为线性失真，

噪声电平：

噪声电平是指没有调制信号时，由噪声产生的调制度与信号最大时间的调幅度比，广播发射机的噪声电平要求小于0.1%，一般通信机的噪声电平要求小于1%。

3.1单元电路设计及仿真

1）设计串联型晶体振荡器电路

2）二极管单平衡调幅电路

3）设计双差分对乘积型混频电路

4）设计二倍频倍频电路

5）设计丙类谐振功率放大电路

3.2调幅发射系统整机电路设计

工作频率f=15MHz，发射功率P0=100mW，调幅度ma=90%，整机效率大于40%

3.3高频实验平台整机联调

四、单元电路设计与仿真

4.1串联型晶体振荡器

串联型晶体振荡器电路如图2所示

图2串联型晶体振荡器电路图

振荡器是无线电发射的心脏部分高频振荡器的主要作用是产生频率稳定的载波,它的频率叫做载频。

由于晶体稳定性好，Q值高，故频率稳定度也高。

因此，主振级（高频振荡器）采用晶体振荡器，满足所需的频率稳定度。

频率稳定度是振荡器的一项十分重要的技术指标，表示一定时间范围内或一定的温度、湿度、电源电压等变化范围内振荡频率的相对变化程度，振荡频率的相对变化量越小，则表明振荡频率稳定度越高。

改善频率稳定度，从根本上来说就是力求减少振荡频率受温度等外界因素影响的程度，振荡回路是决定振荡频率的主要部件。

因此，改善振荡频率稳定度的最重要措施是提高振荡回路在外界因素变化时保持谐振频率不变的能力。

这就是通常所谓的提高振荡回路标准性。

晶体振荡器实际上是压电效应振荡器,石英晶体做谐振材料可以满足温度系数小何低噪声的要求。

串联型晶振利用晶体振荡器在其串联谐振条件处呈现低阻，一旦偏离串联谐振条件处，等效电阻急剧增大的特点，把它接在反馈支路中。

同时，串联型晶体的振荡频率就是晶体谐振器的串联谐振频率。

这种电路的特点是把石英谐振器作为串联谐振电路使用。

L1、C1和C2组成的振荡回路调谐于晶体JT的FB处，在此频率上，晶体呈现很低阻抗，反馈信号很强，振荡电路在FA上细胞质振荡。

对于其他频率，由于晶体的阻抗迅速增加，反馈减弱，不能产生振荡。

所以，振荡频率由晶体控制，稳定性高。

晶体置于由两级共发放大器组成的正反馈电路，可构成适于低频的串联晶体振荡电路。

串联型晶体振荡器的输出波形如图3所示

图3串联型晶体振荡器的仿真图

4.2二极管单平衡调制器

一平衡调制器有一对二极管，多个包括有一个平衡—不平衡的转换器的图形线，图形线分别包含有朝前延伸并连接于二极管的线，至少一组容性短截线设置为靠近于线并且彼此间隔λ／８的距离（λ为所用频率的波长），容性短截线可通过连接金属线与图形线连接用于调整隔离。

一种平衡调制器，其特征在于它包含有：

一对二极管；多根图形线，它包括有一平衡－不平衡变换器，所说的图形线包含有分别延伸并连接于所说的二极管的线；至少一组容性短截线设置靠近所说的图形线，且彼此被间隔成λ／８的距离（λ是所用频率的波长），所说的容性短截线是可通过连接金属线与所说的图形线连接，用于隔离调整。

图4二极管单平衡调幅电路

图5二极管单平衡调幅电路仿真波形

4.3双差分对乘积型混频电路

本课程设计的振幅调制电路为双差分乘法器调制电路，将载波和调制信号作为输入，得到的输出信号为以调波，，这种电路称为调制器。

平衡调制器产生抑制载波的双边带（DSB）信号或单边带（SSB）信号，在通信系统中得到了广泛应用。

乘法器电路及仿真如下：

图9双差分乘法器混频电路图

图10双差分乘法器混频电路仿真图

本图为典型的双差分对构成的乘法器电路，其中Q1，Q2构成了一对差分放大器，载波通过Q3放大从集电极输入，调制信号通过差分对的基极放大对载波进行乘法运算，但条件是Q1Q2要处于其微导通的非线性区域中，这就对输入的调制信号做出了要求，因三极管在常温下的温度当量为26mV，因而只有当调制信号小于这个数值的时候差分对才会工作在非线性区域，才会使差分对基极的信号与集电极的信号作乘法运算。

4.4二倍频倍频电路

本课程设计的倍频电路是三极管倍频电路，用于将输入信号频率成倍增加的电路，它主要用于甚高频无线电发射机或其他电子设备。

由于振荡其频率愈高稳定性愈差，一般采用频率较低的振荡器，以后加若干级倍频器达到所需频率。

利用非线性电路产生高次谐波或者利用频率控制回路都可以构成倍频器。

倍频器也可由一个压控振荡器和控制环路构成。

它的控制电路产生一控制电压，使压控振荡器的振荡频率严格地锁定在输入频率f1的倍乘值f0=nf1上。

倍频器有晶体管倍频器、变容二极管倍频器、阶跃恢复二极管倍频器等。

用其他非线性电阻、电感和电容也能构成倍频器，如铁氧体倍频器等。

非线性电阻构成的倍频器，倍频噪声较大。

这是因为非线性变换过程中产生的大量谐波使输出信号相位不稳定而引起的。

倍频次数越高，倍频噪声就越大，使倍频器的应用受到限制。

在要求倍频噪声较小的设备中，可采用根据锁相环原理构成的锁相环倍频器和同步倍频器。

但是，这类倍频器线路比较复杂，倍频次数一般不太高，而且还可能出现相位失锁等问题。

微波振荡器的频率稳定度不太高，在几十兆赫至百兆赫的晶体振荡器后面加上一级高次倍频器，可以获得具有晶振频率稳定度的微波振荡。

另外，多级倍频器级联起来，可以使倍频次数大大提高。

例如，二倍频器和三倍频器级联可产生六次倍频，m级N倍频器级联，总倍频次数为Nm。

不过，倍频级数增加，倍频噪声也加大，故倍频上限仍受到限制。

本设计采用的是二极管倍频器，这种倍频器的电路与调谐放大器相似，但晶体管工作点通常置于伏安特性的截止区，输出回路则调谐在输入频率的n次谐波上。

由于晶体管仅在输入电压正半周的部分时间内导通，其集电极电流为一含有输入信号基频和各次谐波的脉动电流。

利用调谐于f0=nf1的回路的选频作用，倍频器即可输出所需频率。

为使输出信号幅度足够大，这种倍频器的倍频次数较低，一般n=3～5。

n增大输出幅度将显著减小。

这种倍频器的优点具有一定功率增益。

三极管倍频电路如图11所示：

图7二倍频电路

图11倍频电路

图12倍频电路仿真波形

三极管倍频器利用三极管的非线性器件特性，当一个信号通过时会产生各次谐波分量，利用选频网络，使各个LC回路谐振与一定的工做频率，从而选出我们所需要的频率分量。

电路图中12V直流源提供三极管静态工作点，构成偏置电压，是三极管工作在丙类状态，Ubb=0V，Ube>0；L4为高频扼流圈，为直流通路，阻止交流通过；L1、C5和L2、C4谐振与不需要的谐振频率，对不需要的频率分量相当于短路，滤除掉，C2、L3谐振于信号的5倍频处，对5倍频率有阻抗，从而选出其2倍频分量。

4.5丙类谐振功率放大器

功率放大器用于高效率地供给负载足够大的信号功率，其依靠激励信号对放大管电流的控制，起到把集电极电源的直流功率变换成负载回路的交流功率的作用。

在同样的直流功率的条件下，转换效率越高，输出的交流功率越大。

图4.5.1为丙类谐振功率放大电路原理图。

它的特点是放大器工作于丙类状态，晶体管发射结为负偏置，流过晶体管的电流为失真的脉冲波形，负载为谐振回路。

谐振回路要确保从电流脉冲中取出基波分量，获得正弦电压，还要实现放大器的阻抗匹配。

电路输出功率为100mW，导通角为70%，后级采用变压器耦合，通过天线将信号发射出去。

功率放大器主要有甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电路）、丙类功放，根据功放的输出功率和效率来确定选择哪一种。

采用低电平调幅电路的系统，由于调制器输出信号为调幅波，

其后的功率放大器必须是线性的（如甲类、甲乙类或乙类功放）；而采用高电平调幅电路的系统，则在末级直接产生达到输出功率要求的调幅波，多以丙类放大器作为此时的末级电路。

高频功率放大器是调幅发射机的末级，它的任务是要给出发射机所需要的输出功率。

本设计研究的是调幅发射系统，通常采用丙类功率放大器，如果一级不能满足指标要求，可以选用两级。

一般末级功率放大器工作在临界状态，中间级可以工作在弱过压状态。

丙类功率放大电路如图12所示：

图13丙类放大器原理图

图14丙类放大器仿真效果图

丙类功率放大器的工作状态:

人们根据是否进入器件的截止区,以及进入截止区的深入程度,把放大电路分为甲类、乙类、甲乙类和丙类四中工作状态。

在丙类放大器中，有时需要进入晶体管的饱和区，以获得期望结果。

因此，又根据是否进入器件的饱和区，以及进入饱和区的深入程度，把丙类放大器分为欠压、临界和过压三种工作状态。

由分析得知,丙类放大器的器件是否进入饱和区与电源电压、基极偏置电压、输入新年好幅度以及负载电阻有关，当它们取不同数值时，可使丙类放大器工作于不同状态。

当输入信号幅度较小时，信号的动态范围局限在截止区与放大区，集电极电流为较小的尖顶余弦脉冲，通常称这种工作状态为欠压状态。

随着输入信号幅度的增大,尖顶余弦脉冲的幅度也在增大,当输入信号幅度增大到饱和区边缘时,尖顶余弦脉冲的幅度达到最大值,称这时丙类放大器工作于临界状态。

如果继续增大输入信号幅度，将使信号的动态范围进入饱和区，此时得到的集电极电流的波形，将出现下凹，产生严重失真,这是由于输入信号幅度过大引起的,在饱和乃至深饱和情况下,基极电流变大,基极注入的空穴与发射极进入基区的电子大量复合,使集电极收集到的电子减少,这种状态称为过压状态.

五、整机电路设计图

晶振级与缓冲级联调时缓冲级输出电压明显减小或波形失真的情况。

产生的主要原因是缓冲级的输入阻抗不够大，使晶振级负载加重。

这可通过减小C3，即减小晶振级与缓冲级的耦合来实现。

本机振荡级、缓冲级、话语放大级以及调制级联调时，往往会出现过调幅现象。

产生的原因可能是经射级跟随器输出的本振电压v0偏小或者是话音放大级输出的调制电压vΩ过大。

可以调节使v0=100~150mV，并测量调制器输出的波形。

调整话音放大级增益，以满足调幅度ma=90%的技术指标要求。

功率激励级与功率放大级联调时，往往会出现低频调试、高频自激、输出功率小、波形失真大等现象。

产生的原因可能是级间通过电源产生串扰或是甲类功放与丙类功放的阻抗不匹配，级间相互影响。

这可在每一级单元电路的电源上加低、高频去耦电路，以消除来自电源的串扰，也可以重新调整谐振回路，使回路谐振。

具体电路图如图9

图9整机电路图

七、设计总结

经过这段时间的努力，终于完成了这次课程设计，虽然也存在一些瑕疵，但是总的来说还是不错的，基本上符合课程设计要求。

本次设计通过对《通信电子线路》的学习，使用multisim软件设计了一个完整调幅发射系统。

在设计过程中遇到问题，我先思考找出问题所在，然后在去图书馆或上网查资料，或者是请教同学，在这个过程中对以前学的知识有了更深刻的了解，也明白了所学知识的应用范围，收获不少。

在这次课程设计中，我主要完成了晶体振荡器和二极管双平衡调制器的设计。

在设计过程中，我首先通过查阅各种相关资料，产生基本设计思路，通过计算得出元件参数。

然后在multisim软件中进行仿真。

通过不断改进完善，才得到令人满意的结果。

通过这次课程设计，我学会了把书本的知识和实际的电路联系起来，这就是理论结合实际，虽然在设计电路时磕磕碰碰，但用到的知识反映了书中的核心知识点，我想这对我们以后的学习有很大的促进作用。

设计过程中我也提高了对于multisim软件的实验技巧，在下阶段的学习中我一定会更加努力。

八、参考文献

[1]Multisim11电路设计及仿真应用清华大学出版社2012年7月

[2]高频电路原理与分析曾兴雯、刘乃安西安电子科技大学出版社2006年7月

[3]高频电子线路主编：

宋树祥、周冬梅北京大学出版社2007年2月

[4]通信电子线路主编：

侯丽敏清华大学出版社2008年12月

[5]电子线路设计、实验、测试主编：

谢白美华中理工大学出版社

[6]通信电子线路高如云张企民西安电子科技大学出版社

[7]高频电子线路张肃文高等教育出版社

[8]高频电路设计与制作何中庸科学出版社

附件一：

元器件明细表

元件

个数

电阻

32个

晶体振荡器

1个

电容

25个

电感

3个

高频扼流圈

2个

变压器

4个

二极管

6个

NPN三极管

3个

电源

若干

元器件明细表