高频课程设计调相.docx

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高频课程设计调相

目录

摘要1

一、设计背景2

二、方案选择2

三、调相电路原理分析及设计3

3.1、PM调制原理3

3.2、变容二极管直接调相原理4

3.3、调制灵敏度5

3.4、仿真软件的选择及其简单介绍6

3.5、原理框图的设计6

3.6、电路图设计与分析7

四、仿真结果8

五、系统的测试及误差分析8

5.1、测试数据8

5.2、误差分析和改善措施8

六、心得体会9

参考文献11

摘要调频（调相）收音机（FM/PMRadio）一直在人们的生活娱乐中占有非常重要的地位。

从老式的晶体管收音机到今天的网络收音机，说明通过广播享受生活一直是人们喜欢的生活方式。

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

表示，即

（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

表示，即

（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：

（1.9）

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