高频课设1.docx

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高频课设1

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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

2011年秋季学期

高频电子线路课程设计

题目：

基于Multisim的调频电路设计与仿真

专业班级：

姓名：

学号：

指导老师：

贾科军

成绩：

摘要

信号调制可以将信号的频谱搬移到任意位置，而有利于信号的传送，并且使频谱资源得到充分利用。

调制的实质是使相同频率范围的信号分别依托于不同的频率的载波上，接收机就可以分离出所需的频率信号，不致互相干扰。

而要还原出被调制的信号就需要解调电路。

所以现在调制与解调在高频通信领域有着更为广泛的应用。

由于电路工作原理和信号波形的变化，运用Multisim仿真软件对调制与解调电路进行仿真分析，通过电路参数的改变和相应仿真波形的变化加深对问题的研究。

关键词：

频率调制与解调；Multisim仿真；参数选择

目录

摘要2

绪论4

第一章调频调制技术5

第二章频率的调制与解调6

2.1调频的方法及原理6

2.1.1直接调频原理6

2.1.2变容二极管调频7

2.1.3晶体振荡器直接调频8

2.2FM解调的方法及原理10

2.2.1单失谐回路斜率鉴频器11

2.2.2双失谐回路斜率鉴频器12

第三章Multisim软件对频率调制解调仿真14

3.1Multisim软件介绍14

3.2调制原理及其仿真15

3.2.1产生调频信号的电路要求15

3.2.2产生调频的方法15

3.2.3调频的方法分析15

3.3电路设计原理分析16

3.3.1FM调制原理16

3.3.2变容二极管直接频率调制的原理16

3.4调频原理图17

第四章总结26

参考文献27

绪论

调制就是对信号源的信息进行处理，使其变为合适于信道传输的形式的过程。

一般说来，信号源的信息（也称为信源）含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。

基带信号往往不能作为传输信号，因此必须把基带信号转变为一个相对基带频率非常高的信号以适合于信道传输。

这个信号叫做已调信号，而基带信号叫做调制信号。

调制是通过改变高频载波的幅度,相位或者频率，使其随着基带信号幅度的变化而变化来实现的。

而解调则是将基带信号从载波中提取出来以便预定的接受者（也称为信宿）处理和理解的过程。

调制在整个通信过程中是最基本，最重要的一个处理信号的方法，在通信系统中，对模拟基带信号进行解调的目的就是为了让多个基带信号经过调制后在有线信道上同时传输，同时也为适合于在无线信道中实现频带信号的传输;并且还能增强信号的抗噪声能力。

因此，调制的意义可概括为减小干扰，提高系统抗干扰能力，同时还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。

第一章调频调制技术

实现调频的方法很多，大致可分为两类，一类是直接调频，另一类是间接调频。

直接调频是用调制信号电压直接去控制自激振荡器的振荡频率（实质上是改变振荡器的定频元件），变容二极管调频便属于此类。

间接调频则是利用频率和相位之间的关系，将调制信号进行适当处理（如积分）后，再对高频振荡进行调相，以达到调频的目的。

两种调频法各有优缺点。

直接调频的稳定性较差，但得到的频偏大，线路简单，故应用较广；间接调频稳定性较高，但不易获得较大的频偏。

考虑到电路的复杂度故采用直接调频的方案。

要使信号的能量以电场和磁场的形式向空中发射出去传向远方，需要较高的振荡频率方能使电场和磁场迅速变化；同时信号的波长要与天线的长度相匹配。

语言或音乐信号的频率太低，无法产生迅速变化的电场和磁场；相应地，它们的波长又太大，即使选用它的最高频率20000Hz来计算，其波长仍为15000m，实际上是不可能架设这么长的天线的。

看来要把信号传递出去，必须提高频率，缩短波长。

可是超过20kHz的高频信号，人耳就听不见了。

为了解决这个矛盾，只有采用把音频信号“搭乘”在高频载波上，也就是调制，借助于高频电磁波将低频信号发射出去，传向远方。

调频发射机作为一种简单的通信工具，由于它不需要中转站和地面交换机站支持，就可以进行有效的移动通信，因此深受人们的欢迎。

目前它广泛的用于生产、保安、野外工程等领域的小范围移动通信工程中。

第二章频率的调制与解调

2.1调频的方法及原理

产生调频信号的电路叫做调频器。

对它有四个主要要求：

（1）已调波的瞬时频率与调制信号成比例地变化。

这是基本要求。

（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（视应用场合不同而有不同的要求）。

（3）最大频移与调制频率无关。

（4）无寄生调幅或寄生调幅尽可能小。

产生调频信号的方法很多，归纳起来主要有两类：

第一类是用调制信号直接控制载波的瞬时频率——直接调频。

第二类是先将调制信号积分，然后对载波进行调相，结果得到调频波。

即由调相变调频——间接调频。

2.1.1直接调频原理

直接调频基本原理是用调制信号直接线性地改变载波振荡的瞬时频率。

因此，凡是能直接影响载波振荡瞬时频率的元件或参数，只要能够用调制信号去控制它们，并从而使载波振荡瞬时频率按调制信号变化规律线性地改变，都可以完成直接调频的任务。

如果载波由

自激振荡器产生．则振荡频率主要由谐振回路的电感元件和电容元件所决定。

因此，只要能用调制信号去控制回路的电感或电容，就能达到控制振荡频率的目的。

变容二极管或反向偏置的半导体PN结，可以作为电压控制可变电容元件；具有铁氧体磁芯的电感线圈，可以作为电流控制可变电感元件。

方法是在磁芯上绕一个附加线圈，当这个线圈中的电流改变时，它所产生的磁场随之改变，引起磁芯的磁导率改变（当工作在磁饱和状态时），因而使主线圈的电感量改变，于是振荡频率随之产生变化。

2.1.2变容二极管调频

变容二极管调频的主要优点是能够获得较大的频移（相对于间接调频而言），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稳定度低。

它主要用在移动通信以及自动频率微调系统中。

一、基本原理

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而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，其结电容

与反向电压

存在如下关系：

（2.1.1）

其中，

是未施加反向偏置时的结电容，

是势垒电压，

是所施加的反向偏置电压，

为变容系数。

图2.1（a）表示变容管结电容随反向电压变化的关系曲线。

加到变容管上的反向电压，包括直流偏压

和调制信号电压

，如图2.1（b）所示，即

（2.1.2）

此处假定调制信号为单音频简谐信号。

结电容在

的控制下随时间发生变化，如图2.1（c）所示。

把受到调制信号控制的变容二极管接入载波振荡器的振荡回路．如图2.2所示，则振荡频率亦受到调制信号的控制。

适当选择变容二极管的特性和工作状态，可以使振荡频率的变化近似地与调制信号成线性关系。

这样就实现了调频。

在图2.2中，虚线左边是典型的正弦波振荡器，右边是变容管电路。

图2.2变容二极管调频原理电路

加到变容管上的反向偏压为

（2.1.3）

式中，

是反向直流偏压。

图2.2中，

是变容管与

回路之间的耦合电容，同时起到隔直流的作用；

为对调制信号的旁路电容；

是高频扼流圈，但让调制信号通过。

2.1.3晶体振荡器直接调频

通过振荡器的学习，我们已知，晶体振荡器有两种类型。

一种是工作在石英晶体的串联谐振频率上，晶体等效为一个短路元件，起着选频作用。

另一种是工作于晶体的串联与并联谐振频率之间．晶体等效为一个高品质因数的电感元件，作为振荡回路元件之一。

通常是利用变容二极管控制后一种晶体振荡器的振荡频率来实现调频。

变容二极管接入振荡回路有两种方式。

一种是与石英晶体相串联，另一种是与石英晶体相并联。

无论哪一种接入方式，当变容二极管的结电容发生变化时，都引起晶体的等效电抗发生变化。

在变容二极管与石英晶体相串联的情况下，变容管结电容的变化，主要是使晶体串联谐振频率fq发生变化，从而引起石英晶体的等效电抗的大小变化．如图2.3（a）所示。

当变容二极管与石英晶体相并联时，变容二极管结电容的变化，主要是使晶体的并联谐振频率发生变化，这也会引起晶体的等效电抗的大小发生变化，如图2.3（b）所示，该图是电纳曲线。

总之，如果用调制信号控制变容二极管的结电容，由于石英晶体的等效电抗（我们应用的是处在fq与fp之间的感抗Xq）的大小也受到控制，因而亦使振荡频率受到调制信号的控制，即获得了调频信号，但所产生的最大相对频移很小，约只有10-4数量级。

变容二极管与晶体并联联接方式有一个较大的缺点，就是变容管参数的不稳定性直接严重地影响调频信号中心频率的稳定度。

因而用得比较广泛的还是变容管与石英晶体相串联的方式。

图2.4是对皮尔斯晶体振荡器进行频率调制的典型电路。

图中，C1、C2与石英晶体、变容管组成皮尔斯振荡电路；L1、L2与L3为高频扼流圈；R1、R2与R3是振荡管的偏置电路；C3对调制信号频率短路：

当调制信号使变容管的结电容变化时，晶体振荡器的振荡频率就受到调制。

2.2FM解调的方法及原理

能够完成对调频信号解调的电路称为鉴频器。

它能将调频波进行变换,恢复出原始调制信号的幅度或相位。

鉴频器的输出电压与输入调频波的瞬时频率偏移成正比，其比例系数称做鉴频跨导。

图2.4为鉴频器输出电压V与调频波的频偏

之间的关系曲线，称为鉴频特性曲线。

它的中部接近直线的部分的斜率即为鉴频跨导。

它表示每单位频偏所产生的输出电压的大小。

我们希望鉴频跨导尽可能大。

2.2.1单失谐回路斜率鉴频器

单失谐回路斜率鉴频器电路如图2.5所示。

其工作原理如下：

LC谐振回路中心频率为，

，ω0≠ωc。

如图2.6，ωc失谐在LC单调谐回路幅频特性的上升或下降沿的线性段中点，利用该点附近的一段近似线性的幅频特性，将调频波转变成调幅调频波。

单失谐回路斜率鉴频器的缺点是：

鉴频特性曲线线性鉴频范围小，非线性失真较大。

图2.6单失谐回路斜率鉴频器工作原理

2.2.2双失谐回路斜率鉴频器

双失谐回路斜率鉴频器电路如图2.6所示。

其工作原理如下：

两个LC谐振回路中心频率分别为，

，

ω0≠ωc。

如图2.6，ωc失谐在两个LC单调谐回路幅频特性的上升和下降沿的交点，在该点，两个单失谐回路斜率鉴频器的输出信号为

和

，它们合成了双失谐回路斜率鉴频器的输出信号为

，

、

和

的波形如图2.7所示，鉴频特性曲线如图2.8所示。

第三章Multisim软件对频率调制解调仿真

3.1Multisim软件介绍

3.1.1引言

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。

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。

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。

2Multisim10简介

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。

可以看出Multisim10中的虚拟仪器可以实现自动测量、自动记录、自动数据处理，与传统仪器相比具有很大的优越性，有效地提高了电路设计与实验的效率和水平。

Multisim10仿真软件必将成为电子电路计算机辅助分析和电子教育领域不可缺少的得力工具。

上述实例说明，将计算机仿真软件Multisim10引入电子线路课程设计的教学，不仅能够替代实验室中的多种传统仪器，减少贵重仪器的配备数量，克服了实物操作实验由于场所、器材、安全等方面带来的困难。

更重要的是调动了学生学习的自主性和积极性，训练学生运用信息技术的能力，培养学生的创新意识及创新思维。

3.2调制原理及其仿真

要使信号的能量以电场和磁场的形式向空中发射出去传向远方，需要较高的振荡频率方能使电场和磁场迅速变化；同时信号的波长要与天线的长度相匹配。

语言信号的频率太低，无法产生迅速变化的电场和磁场；相应地，它们的波长又太大，要把信号传递出去，必须提高频率，缩短波长。

为了解决这个矛盾，只有采用把音频信号搭乘在高频载波上，也就是调制，借助于高频电磁波将低频信号发射出去，传向远方。

3.2.1产生调频信号的电路要求

a）以调波的瞬时频率与调制信号成比例变化。

b）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。

c）最大频偏与调制频率无关。

d）无寄生调幅或寄生调幅尽量小。

3.2.2产生调频的方法

a）用调制信号直接控制载波的瞬时频率—直接调频。

b）先将调制信号积分，然后对载波进行调相，结果得到调频波—简介调频。

3.2.3调频的方法分析

变容二极管调频的主要优点是能够获得较大的频移（相对于间接调频而言），线路简单，并且几乎不需要调制功率。

因此本次课程设计采用2CC1C变容二极管直接调频电路设计。

3.3电路设计原理分析

3.3.1FM调制原理

FM调制时靠信号使频率发生变化，振幅保持一定，所以噪声成分易消除。

设载波

，调制波

。

，此时的频率偏移量

为最大频率偏移

最后得到的被调制波

，

随

的变化而变化。

3.3.2变容二极管直接频率调制的原理

图3.1变容二极管直接调频

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原件。

3.4调频原理图

图3.2调频原理图

图3.3输入波形

图3.4调频后波形

3.5失谐回路斜率鉴频法

1.频率检波器（鉴频器）：

调频波的解调电路称为频率检波器，为了消除干扰，通常鉴频器中包含限幅器。

2.鉴频器的主要参数

1）鉴频器的中心频率

鉴频器的中心频率f0对应于鉴频特性曲线原点处的频率。

通常，由于鉴频器在中频放大器之后，故中心频率与中频频率相同。

2）鉴频频宽Bm

鉴频频宽Bm是指鉴频器能够不失真地解调所允许输入信号频率变化的最大范围。

3）鉴频器的线性度

是指鉴频特性在鉴频带宽内的线性特性。

4）鉴频跨导SD

是指鉴频器、在载频处的斜率，它表示单位频偏所能产生的解调输出电压，鉴频跨导又叫做鉴频灵敏度。

公式表示为：

（3.5.1）

鉴频跨导也可以理解为输入频率转换为输出电压的能力或效率，因此又称为鉴频效率。

3本实验采用斜率鉴频法

原理：

利用失谐回路幅频特性倾斜部分对FM波解调的，因此成为斜率鉴频法。

另外由于是利用协调回路的失谐状态，所以又称为失谐回路法。

电路如图所示，有三个协调回路，它们的谐振频率分别满足：

（3.5.2）

原理：

双离谐平衡鉴频器的输出时取两个带通响应之差。

不足：

不容易调整

4.双失谐斜率鉴频器电路图

图3.5双失谐斜率鉴频器

图3.6双离谐鉴频器的鉴频特性

该鉴频器的传输或鉴频特性，如图3.6的实线所示。

其中虚线为两回路的谐振曲线。

从图看出，它可获得较好的线性响应，失真较小，灵敏度也高于单回路鉴频器。

图3.8双离谐鉴频器的鉴频特性

该鉴频器的传输特性或鉴频特性如图，其中虚线为两回路的谐振曲线。

从图看出，它可以获得较好的线性响应，失真较小，灵敏度也高于单回路鉴频器。

4．电路设计及仿真

图示了双失谐回路斜率鉴频器的原理电路图。

主要为两部分：

调频-调幅变换器,包络检波器。

调频-调频变换器是一个双谐振（由LC组成），但这里的调谐与一般调谐放大器不同，即f0>fc或f0

利用谐振回路对不同频率呈现不同的阻抗，从而有不同的电压输出特性。

将等幅的调频波转换为幅度随频率变化的调幅-调频波。

包络检波器用二极管峰值包络检波器将调幅-调频波解调出其包络部分，即恢复调制信号。

图3.9包络检波波形图

图3.10双失谐回路鉴频器输出波形

图3.11双失谐回路斜率鉴频器输出波形

第四章总结

为期2周的课程设计终于接近尾声了。

刚开始想到这个课程涉及的时候，不知道如何下手，只有不停看看课本，研究研究相关的资料。

最后对于各个模块的功能以及其基本原理有了一定的理解后，才开始设计。

万事总是开头难，最初写课程设计的时候，不知道要写些什么在上面，总觉得这个也好，那个也好，还担心写的太少。

综合其原因还是自己掌握的不够好。

而在写课程设计这几天里，对于课本上的有关方面知识得到了巩固和加强。

整个设计过程中，我发现了自己对于课本上的知识有很多的不足，并且对于知识运用不够灵活，对一些器件的功能不是很理解，看到自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力急需提高。

通过这次课程设计，对我而言，知识上的收获固然重要，但精神上的丰收更加可喜，让我知道了学无止境的道理。

也让我不得不佩服专门搞高频线路来发的技术前辈们，他们对我们的付出是多么的巨大。

为了人们的生活更美好他们为我们社会付出多少心血啊！

但是我们每一个人永远不能满足于现有的成就。

人生就像在爬山，一座山峰后面还有更高的山峰在等着你。

因此，我要趁着青春，不停的去翻过更多的山。

参考文献：

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国防工业出版社,2008.

[2]余群.Multisim进行电子电路设计的教学研究[J].成都:

实验科学与技术,2007.

[3]黄智伟.基于NIMultisim的电子电路计算机仿真设计与分析[J].北京:

电子工业出版社2008

[4]高吉祥.高频电子线路.第2版.北京:

电子工业出版社,2007.

[5]沈伟慈.通信电路（第二版）[M].西安.西安电子科技大学出版社,2007.

[6]侯丽敏.通信电子线路[M].北京:

清华大学出版社,2008

[7]顾宝良.通信电子线路[M].北京:

电子工业出版社,2008

[8]王卫东,傅佑麟.高频电子线路[M].北京:

电子工业出版社,2008

[9]罗伟雄.通信电路与系统[M].北京:

北京理工大学出版社,2007

[10]陈启兴.通信电子线路[M].北京:

清华大学出版社,2008

[11]曾兴雯,刘乃安,陈建.通信电子线路[M].北京:

科学出版社,2006

[12]黄丽贤.变容二极管直接调频电路的仿真分析[J].致富时代（下半月）,2010,（9）.

[13]胡昭华，吴佑林.基于Multisim的“高频电子线路”教学研究[J]，电气电子教学学报，32（6）：

116-120