调幅接收机设计 课程设计.docx
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调幅接收机设计课程设计
本科课程设计报告
题目
调幅接收机的设计与制作
1、设计目的（题目来源、设计背景及意义）
信息传递是人类社会生活的重要内容，没有通信，人类社会是不可想象的，从故到今的烽火到亟待的旗语，都是人们寻找快速远距离的通信手段.
近年来，电子工业发展非常惊人，当然这些进步都成了人类生活不可缺少的东西，1937年莫尔斯发明的有线电报开创了利用电传递信息的新时代。
1876年贝尔发明的d电话已成为我们日常生活中通信的重要工具，1918年，调幅无线广播条幅接收机问世，1936年，商业电视广播开播,伴随着人类的文明、社会的进步和科学技术的发展，电信技术也是以一日千里的速度飞速发展，然而无线通信在现在的生活中更是重要，我们常用的手机，无线电话还有各种电器的遥控器等，大到航天小到小孩玩具都离不开发射和接收设备。
调频与调幅是目前应用最广的两种发送接收方式，随着社会发展调幅方式越来越成为现代设备的必要工作方式[1]。
研究关于调幅接收机的设计，过去，全部的调谐系统都是人工操作，即采用机械调谐可变电容器或者调整线圈中的磁芯来活得所需的谐振频率。
这种机械调谐的方法要求机器复杂的机械装置，而且在整个设备中占据相当大的空间。
而目前调频式或调幅式接收机，一般都采用超外差式，它具有灵敏度高、工作稳定、选择性好及失真度小等优点[2]。
本课题的研究目的是提供一种可以便捷调幅，并巩固已学的理论知识，能够使我们建立无线电接收机的整机概念，了解接收机整机各单元电路之间的关系及相互影响，从而能正确设计、计算接收机的各个单元电路：
高频放大级、主振级、中放级、检波级及音频放大器的参数设计、元器件选择、电路的焊装与调试。
初步掌握小型调幅波接收机的调整及测试方法[3]。
2、设计要求（设计任务、实现功能及技术指标）
（1）频率范围
接收机可以接受到的无线电波的频率范围称为接收机的工作频率范围或波段覆盖。
接收机的工作频率必须与发射机的工作频率相对应。
如调幅广播收音机的频率范围为535～1605KHZ，是因为调幅广播收音机的工作范围也为535～1605KHZ。
（2）灵敏度
接收机接收微弱信号的能力称为灵敏度，通常用输入信号电压的大小来表示，接收的输入信号越小，灵敏度越高。
调幅广播收音机的灵敏度一般为50uV。
（3）输出功率
接收机的负载输出的最大不失真（或非线性失真系数为给定值时）功率称为输出功率。
本设计要求功率为大于等于150Mw。
（4）选择性
接收机从各种信号和干扰信号选出所需信号（或衰减不需要的信号）的能力称为选择性，单位用dB（分贝）表示dB数越高，选择性越好。
选择性：
接收机从各种信号和干扰信号选出所需信号（或衰减不需要的信号）的能力称为选择性，单位用dB（分贝）表示dB数越高，选择性越好。
（5）频率特性
接收机的频率响应范围称为频率特性或通频带。
（6）直流电源：
提供静态工作点。
电源电压选的高，对于提高灵敏度和输出功率有利[4]。
3、设计方案（理论分析、设计步骤或方法）
超外差调幅接收机原理
本设计采用超外差式调幅接收机。
超外差调幅接收机组成框图如图3-1所示
图3-1超外差调幅接收机组成框图
图中，高频放大器由一级或多级小信号调谐放大器组成，用来放大电磁波在天线上产生的有用信号；同时，利用放大器中的谐振回路抑制其他频率的干扰信号。
由于谐振放大器的中心频率随所接收信号的频率的不同而变化，因此，高频放大器必须是可调谐的。
混频器是将已调信号不失真地变换为中频已调信号的变换电路，本机振荡器产生的高频震荡信号的频率是载波频率和中频频率之和。
由于载波频率是随接收信号的不同而变化的，所以，本振频率是跟踪载波频率同步变化的，以使得中频信号是固定值。
中频放大器用来放大中频调幅信号，由于中频频率已固定，因此中频放大器的选择性和增益可以设计得很好，并使选择性、放大性等性能得到极大的提高。
检波器滤去高频分量，得到反映信息的调制信号。
最后经过功率放大器向扬声器提供必要的推动功率[5]。
模块的内部功能框图如图3-2所示。
图3-2模块的内部功能框图
图中中频输入信号经隔离电容、匹配网络放大后，由带通滤波器滤除其它杂波，冉经匹配放大，然后通过三级AGC电压控制放大，最后经末级放大隔离输出（直流隔离），使之达到60dB增益的中频输出。
考虑到噪声和纹波的干扰，AGC控制电压加了一级LC滤波网络，各级之间均有隔离电容对直流进行隔离，三级AGC电压放大均由PIN微波二极管整形缓冲，+12V电源加到模块内，各级均有滤波电容对供电电源进行净化，三级AGC放大均备有微调电容以消除信号振荡和调整线性增益[6]。
4、设计内容（应用的技术原理及具体的实现方法）
超外差式接收机主要由输入电路、变频级、中级放大电路、检波电路、低频放大级、功率放大级和喇叭或耳机，即输出部分组成。
4.1输入电路
磁性天线感应来的信号送到谐振回路L1Ca，由于L1Ca谐振回路调谐在欲接收信号的回路上，因此其他的干扰信号将被抑制。
输入回路的设计如图4-1。
图4-1输入回路的设计
输入回路由电感线圈和可变电容构成。
由于本振频率是跟踪载波频率同步变化的，因此该处的可变电容要Ca和后面的可变电容Cb联调。
磁性天线采用5mm×13mm×55mm的中波磁棒，初级用线经0．17毫米的漆包线绕100圈，次级用同规格的线绕10圈。
这样就把磁棒天线接收到的信号耦合到了cd端，继而送到高频放大器BG1的基极。
T1是磁性天线线圈，从天线接收进来的高频信号，通过输入调谐电路的谐振选出需要的电台信号，当改变Ca时，就能收到不同频率的电台信号。
4.2变频级
三极管混频电路实际是利用基极与发射机的二极管特性实现混频，再利用它的放大作用，将选频回路接在集电极。
本机振荡和混频合起来称为变频电路。
变频级的作用是对接收来的高频信号进行变频，将频率变为465KHz的中频信号。
VT1、T2、CB等元件组成本机振荡电路，它的任务是产生一个比输入信号频率高465KHz的等幅高频振荡信号。
由于C1对高频信号相当短路，T1的次级Lcd的电感量又很小，对高频信号提供了通路，所以本机振荡电路是共基极电路，振荡频率由T2、CB控制，CB是双连电容器的另一连，调节它以改变本机振荡频率。
T2是振荡线圈，其初次级绕在同一磁芯上，它们把VT1的集电极输出的放大了的振荡信号以正反馈的形式耦合到振荡回路，本机振荡的电压由T2的初级的抽头引出，通过C2耦合到VT1的发射极上。
混频电路由VTl、T2、T3的初级线圈等组成，是共发射极电路。
其工作过程是：
输入调谐电路接收到的电台信号，通过Tl的次级线圈送到VTl的基极，本机振荡信号又通过C2送到VT1的发射极，两种频率的信号在VT1中进行混频，由于晶体三极管的非线性作用，混合的结果产生各种频率的信号，其中有一种是本机振荡频率和电台频率的差等于465KHz的信号，这就是中频信号。
混频电路的负载是中频变压器，T3的初级线圈和内部电容组成的并联谐振电路，它的谐振频率是465KHz，可以把465KHz的中频信号从多种频率的信号中选择出来，并通过T3的次级线圈耦合到下一级去，而其它信号几乎被滤掉。
C1是高频旁路电容，选103瓷片电容。
变频级电路如图4-2所示：
图4-2变频级电路
经过此变频电路后，输出465KHz的中频信号[7]。
4.3中频放大级
中放电路的作用是将变频级输出的微弱的信号进行放大，便于后面进行检波。
在本中放级电路中，还加入了自动增益控制电路，以控制强台的噪声。
中放级电路设计如图4.2-3所示。
中周T3谐振于465KHz，可将变频后的信号耦合送入中放管VT2中，VT2对信号进行放大。
中频放大后的信号经另一个谐振于465KHz的中周T4送入检波管。
晶体管部分接入使谐振阻抗及Q值只有少量下降，保证了足够的电压放大倍数和选择性指标。
在VT2的基极加有自动增益控制电路。
用检波后的直流分量控制中放的放大倍数：
检波后的AGC控制电压通过120K的电阻R3加到VT2的基极做负反馈，以控制强台的噪声。
其工作过程是：
外信号电压增加导致Vb3减小，影响Ib3增加，则Ic3减小，因此Vc3减小。
通过电阻R3使得Vb2减小，导致Ib2减小，最后Ic2减小，输出信号电压也减小。
中级放大电路如图4-3所示。
图4-3中级放大电路
4.4检波电路
本题的检波电路由检波三极管构成。
由于有前级的中频放大器，信号已经足够大，可以推动检波三极管工作。
检波电路如图4-4所示：
图4-4检波电路
大信号检波后的输出电压有高频分量、直流分量和低频分量。
其中高频分量经旁路电容C5旁路到地；直流分量被C6和可变电阻组成的阻容耦合电路隔开，所以检波器的输出电压只能是低频分量。
这个分量随输入调幅波的包络线规律变化，即调制信号。
检波电流有两项：
直流分量在电阻R3上产生与本级输入电压成比例的电压，作为上级的自动增益控制信号。
音频分量的振幅与载波电压成正比，与输入电压成线性关系，失真很小。
公式为：
（4-4）
4.5低频放大级
此处的低频放大指的是功率放大级的末前级，功能是对低频信号进行放大，也是收音机音量的控制处。
其电路如图4-5所示：
图4-5低频放大级电路图
音频信号通过阻容耦合方式送入VT4。
VT4的工作电流由R5和电位器共同控制，调节电位器R5即为调节音量。
4.6功率放大级
功率放大级的作用是产生足够大的功率，以便推动喇叭工作。
本设计采用乙类推挽功放。
工作在乙类的放大电路，虽然管耗小，有利于提高效率，但存在严重的失真。
如果用两个管子，使之都工作在乙类放大状态，但一个在正半周工作，另一个在副半周工作，同时使这两个输出波形都加在负载上，从而在负载上得到一个完整的波形，这样就能解决效率与失真的矛盾。
因此，采用如上图所示的互补对称电路：
音频信号经VT4放大后由变压器将波形分为两个半周分别交由VT5,VT6推挽放大，放大后的信号通过C9合并在一起，推动后继的扬声器电路。
功率放大级如图4-6所示。
图4-6功率放大级
4.7输出电路部分
输出电路部分包括8欧姆的喇叭，用以显示工作的发光二极管，和3V的直流电源，如图4-7所示。
图4-7输出电路
4.8总电路图
根据课题设计要求，可选调幅接受机原理电路如图4-8所示。
图4-8调幅接受机原理电路
输入电路由C1，C2和L1组成，外来高频调幅信号通过磁性天线送至输入回路，将所需信号通过L1的次级耦合到变频器。
T1为变频管，R1,R2为偏置电阻，L2,C5,C7和C8组成本振回路，变频后产生的465KHZ中频调幅信号，通过中频变压器B1和C6选频耦合送到中频放大器回路[6]。
中频放大电路由两级中放组成。
其中T1,T2为中放管，B1,B2,B3为中频变压器，C6,C11,C15为谐振电容，C10,C14为中和电容。
为保证变频和中放电路工作稳定，偏置电路要用两只硅二极管D3,D4稳压，其值约为1.4V。
经过两级中放的中频调幅信号，经耦合到检波电路。
检波电路由二极管D2,C16,C17,R9组成，检波后的音频电压通过音量电位器R10和耦合电容C18送至音频放大器。
中频放大器采用L4101集成电路。
电源由14脚接入，3脚接地，10脚与大地之间接入退耦电容C20，12脚与地之间接有源滤波退耦电容C21。
信号由第9脚输入，经放大后，由1脚经输出电容C26送至扬声器。
6脚到地之间接入C9和Rf组成的负反馈电路，决定放大倍数的大小。
Rf越小，电路增益越高；反之，Rf越大，增益越小。
13脚和14脚之间接入自举电容C24,C22和C23，以防治产生寄生振荡[8]。
5、调试及测试方法
接收机的调整主要有如下几个方面内容：
（1）三极管静态工作点调整。
它主要是通过改变三极管上偏置电阻的阻止，使三极管静态工作在最佳状态。
（2）中频频率的调整。
它是通过改变中频变压器的电感量，使与它并联的电容器组成的并联谐振电路，其谐振频率为465kHz。
（3）接受频率范围调整。
它是通过改变电波震荡线圈的电感量和本机振荡回路的微调电容器来实现收音机接受的中波频率范围为530~1605kHz。
（4）统调，也称灵敏度调整。
它是通过调整天线线圈在磁棒上的位置和输入回路微调电容使收音机在接收频率范围内始终保持465kHz[9]。
利用Matlab与Sinmulink对调幅接收机进行电路的模拟仿真。
系统中仿真模块参数的设置：
SignalGenerator:
信号发生器，产生基带信号
Waveform:
sine
Amplitude:
0.3
Frequency:
1000
SignalGenerator1:
信号发生器，产生载波信号
Waveform:
sine
Amplitude:
1
Frequency:
1000e3
RandomNumber:
随机噪声发生器，产生高斯正态分布随机信号，这里用来构造高斯白噪声信道
Mean:
0
Variance:
3.4945
AnalogFilterDesign：
模拟滤波器设计，三个模拟滤波器分别用于纯信号，纯噪声以及信号和噪声混合信号的滤波
Designmethod:
Butterworth
Filtertype:
Bandpass
Lowerpassbandedgefrequency（rads/sec）:
2*pi*（1e6-6e3）
Upperpassbandedgefrequency（rads/sec）:
2*pi*（1e6+6e3）
Zero-OrderHold:
零界保持器
Sampletime:
6.23e-8
Variance:
计算向量的方差
选中Runningvariance
dBConversion:
分别对纯信号和混合信号做对数变换
Convertto:
Db
Inputsignal:
Power
Fun:
运算函数
Expression:
u
（1）-u
（2）
Display:
显示SNR的结果
Format:
short
在系统仿真模型图中，用加法器和乘法器实现调幅，为了测量输出信噪比，以参数完全相同的三个滤波器模块分别对纯信号，纯噪声以及信号和噪声混合信号的滤波，最后利用统计模块计算输出信号功率和噪声功率，继而计算输出信噪比[10]。
接受滤波器输出的调幅信号以及发送调幅信号的波形对比仿真结果如下图5-1所示。
图5-1接受滤波器输出的调幅信号以及发送调幅信号的波形及仿真
6、设计结论及心得
无线电信号的接受过程正好和发送过程相反。
在接收处，先用接收天线将收到的电磁波转变为已调波电流，然后从这已调波电流中检出原始的信号。
最后再用听筒或扬声器将检波取出的音频电流转为声能，人就听到了发射机处发送的语言、音乐等信号。
但是，接收天线所收到的电磁波很微弱。
为了提高接收机的灵敏度，可在检波器之前加一级至几级高频小信号放大器，然后再检波。
检波之后，再经过适当的低频放大，最后送到扬声器或耳机中转为声音，这样的接收机叫做直接放大式接收机。
它的缺点是，对于不同的频率，接收机的灵敏度和选择性变化叫剧烈，而且灵敏度因为受到高放不稳定的影响，不能过高
作为一个电子方面的大学生，在今后的工作中难免需要很强的实践动手能力，所以这次课程设计实践对我来说是很值得珍惜的好机会。
这次课程设计，虽然短暂，但却给了我一次自主设计电路的机会。
在设计过程中，以前书本上的内容第一次完完全全的在实际中实现，并且遇到了书本中不曾学到的情况。
7、参考文献
【1】Yang.Y.Yi.J.Woo.Y.Y.andKim.B.OptimumdesignforlinearityandefficiencyofmicrowaveDohertyamplifierusinganewloadmatchingtechnique[M].Microw.J.2001.
【2】赵淑范，张化勋.通信电子线路实验与课程设计.北京:
清华大学出版社,2009.
【3】R.Dye.VisualObject-OrientatedProgramming[M].Dr.DobbsMacintoshJournal.1991.【4】黄玉兰.调幅接收机设计基础与典型应用.北京:
人民邮电出版社,2010.
【5】池保勇，余志平,石秉学.CMOS射频集成电路分析与设计.北京:
清华大学出版社,2006.
【6】王卫东.高频电子电路.北京:
电子工业出版社，2009.
【7】陈艳华，李朝晖，夏玮.ADS应用详解:
调幅电路设计与仿真.北京:
人民邮电出版社,2008.
【8】殷明，朱昌平.LC振荡器设计与调试中三类常见问题[J].实验室研究与探索，2009
【9】钟麟王峰.MATLAB仿真技术与应用教程.国防工业出版社.2003
【10】刘敏魏玲.MATLAB通信仿真与技术应用.国防工业出版社.2001
指导教师意见:
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