调频接收机设计.docx

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调频接收机设计

课程设计调频接收机设计

一·课程设计目的·要求

过本课程设计与调试，提高动手能力，巩固已学的理论知识，能建立无线电调频接收机的整机概念，了解调频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、计算调频接收机的单各元电路：

输入回路、高频放大、混频、中频放大、鉴频及低频功放级。

初步掌握调频接收机的调整及测试方法。

二·主要技术指标

1．工作频率范围

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。

如调频广播收音机的频率范围为88～108MH，是因为调频广播收音机的工作范围也为88～108MHz

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。

调频广播收音机的灵敏度一般为5～30uV。

3．选择性

接收机从各种信号和干扰中选出所需信号（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。

调频收音机的中频干扰应大于50dB。

4．频率特性

接收机的频率响应范围称为频率特性或通频带。

调频机的通频带一般为200KHz。

5．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。

三·调频接收机组成

1.调频接收机的工作原理

一般调频接收机的组成框图如图3-1所示。

其工作原理是：

天线接受到的高频信号，经输入调谐回路选频为f1，再经高频放大级放大进入混频级。

本机振荡器输出的另一高频f2亦进入混频级，则混频级的输出为含有f1、f2、（f1+f2）、（f2-f1）等频率分量的信号。

混频级的输出接调频回路选出中频信号（f2-f1），再经中频放大器放大，获得足够高增益，然后鉴频器解调出低频调制信号，由低频功放级放大。

由于天线接收到的高频信号经过混频成为固定的中频，再加以放大，因此接收机的灵敏度较高，选择性较好，性能也比较稳定。

四.单元电路设计

高频功率放大电路

图4-1高频功率放大电路

高频功率放大电路如图4-1所示,他不仅要放大高频信号，而且还要有一定的选频作用，因此晶体管的负载为LC并联谐振回路。

其具体的工作原理如下：

从天线ANTA1接收到的高频信号经过CA1、CCA1、LA1组成的选频回路，选取信号为fs=10.7MHZ的有用信号，经晶体管QA1进行放大，由CA3、TA1初级组成的调谐回路，进一步滤除无用信号，将有用信号经变压器和CB1耦合进入ICB1（MC3361）.

混频电路

因为中频比外来信号频率低且固定不变，中频放大器容易获得比较大的增益，从而提高收音机的灵敏度。

在较低而又固定的中频上，还可以用较复杂的回路系统或滤波器进行选频。

它们具有接近理想矩形的选择性曲线，因此有较高的邻道选择性。

如果器件仅实现变频，振荡信号由其它器件产生则称之为混频器。

图4-2二极管环形混频电路（a）原理电路

（b）等效电路

A、原理电路及其等效电路：

如图4-2（a）、（b）所示。

 对于图4-2（a）所示电路，通常将信号输入端口称之为R端口，本振电压输入端口称之为L端口，中频输出信号端口称之为I端口。

需要说明的是：

二极管双平衡组件用作双边带调制电路时，由于变压器的低频响应差，调制信号一般必须加到I端口，载波信号加到R端口，所需双边带信号从L端取出。

二极管环形混频器产品已形成完整的系列，它用保证二极管开关工作所需本振功率电平的高低进行分类，其中常用的是Level7，Level17，Level23三种系列，它们所需的本振功率分别为7dBm（5mW），17dBm（50mW）和23dBm（200mW），显然，本振功率电平越高，相应的1dB压缩电平也就越高，混频器的动态范围也就越大。

对应于上述三种系列，1dB压缩电平所对应的最大输入信号功率分别为1dBm（1.25mW）、10dBm（10mW）、15dBm（32mW）。

二极管环形混频器具有工作频带宽（从几十千赫到几千兆赫）、噪声系数低（约6dB）、混频失真小、动态范围大等优点。

二极管环形混频器的主要缺点是没有混频增益，端口之间的隔离度较低，其中L端口到R端口的隔离度一般小于40dB，且随着工作频率的提高而下降。

实验表明，工作频率提高一倍，隔离度下降5dB。

 B、原理分析

  电路工作条件：

二极管伏安特性为过原点斜率等于

的直线；输入电压中，

，

，且

，此时，二极管将在

的控制下轮流工作在导通区和截止区。

  由图4-2（a）知，流过负载

的总电流

为：

当

时，二极管D3、D2导通，D1、D4截止，相应的等效电路为图4-2（c）：

列出的KVL方程为：

所以，流过各二极管的电流为：

（4.2.3）

流过负载的总电流为：

（4.2.4）

当

＜0时，二极管D1、D4导通，D3、D2截止，相的等效电路如图4-2（d）

图4-2（d）

列出的KVL方程为：

流过各二极管的电流为：

（4.2.5）

流过负载的总电流为：

（4.2.6）

在

的整个周期内，流过负载的总电流可以表示为：

（4.2.7）

利用开关函数，可以将上式表示为：

即：

（4.2.8）

由此可见，电流中包含的频率分量为：

中的有用中频分量为

（4.2.9）

电路特点：

若二极管特性一致，变压器中心抽头上、下又完全对称，则环形电路的最重要特点就是各端口之间有良好的隔离。

C、插入损耗

根据定义，由图4-2（a）知，流过输入信号源端的电流为

将式（4.2.4）和（4.2.6）代入上式中得：

所以接在信号源端的等效负载电阻为：

若令

，实现功率匹配，信号源提供的信号功率最大，为

输出端输出的中频电压幅值为

相应的输出中频功率为：

因此，电路的插入损耗为：

实际二极管环形混频器各端口的匹配阻抗均为50Ω。

应用时，各端口都必须接入滤波匹配网络，分别实现混频器与输入信号源、本振信号源、输出负载之间的阻抗匹配。

3.中频放大电路

中频放大电路的任务是把变频得到的中频信号加以放大，然后送到检波器检波。

中频放大电路对超外差收音机的灵敏度、选择性和通频带等性能指标起着极其重要的作用。

下图（a）是LC单调谐中频放大电路，（b）为它的交流等效电路。

图中B1、B2为中频变压器，它们分别与C1、C2组成输入和输出选频网络，同时还起阻抗变换的作用，因此，中频变压器是中放电路的关键元件。

（a）中频放大电路

（b）中频等效电路

中频变压器的初级线圈与电容组成LC并联谐振回路，它谐振于中频465kHz。

由于并联谐振回路对诣振频率的信号阻抗很大，对非谐振频率的信号阻抗较小。

所以中频信号在中频变压器的初级线圈上产生很大的压降，并且耦合到下一级放大，对非谐振频率信号压降很小，几乎被短路（通常说它只能通过中频信号），从而完成选频作用，提高了收音机的选择性。

由LC调谐回路特性知，中频选频回路的通频带B＝f2-f1＝，见下图。

式中QL是回路的有载品质因数。

QL值愈高，选择性愈好，通频带愈窄；反之,通频带愈宽，选择性愈差。

中频变压器的另一作用是阻抗变换。

因为晶体管共射极电路输入阻抗低，输出阻抗高，所以一般用变压器耦合，使前后级之间实现阻抗匹配。

一般收音机采用两级中放，有3个中频变压器（常称中周）。

第一个中频变压器要求有较好的选择性，第二个中频变压器要求有适当的通频带和选择性，第三个中频变压器要求有足够的通频带和电压传输系数，由于各中频变压器的要求不同，匝数比不一样，通常磁帽用不同颜色标志，以示区别，所以不能互换使用。

实际电路中常采用具有中间抽头的并联谐振回路,如图（a）所示。

（b）是它的等效电路，可以看出，它是由两个阻抗性质不同的支路组成。

由于L1、L2都绕在同一磁芯上，实际上是一个自耦变压器。

（a）

（b）

利用变压器的阻抗变换关系，可求得等效谐振电路的谐振阻抗：

ZOB0＝（N1/N1+N2）2ZAB0＝（N1/N）2ZAB0（式中N＝N1＋N2为电感线圈的总匝数）。

即具有抽头并联谐振电路的谐振阻抗ZOB0等于没有抽头的谐振阻抗ZAB0的NI2/N2倍。

由于N1/N＜1，所以ZOB0＜ZAB0，适当选择变比可取得所需求的ZOB0，从而实现阻抗匹配。

    上述中放电路结构简单，回路损耗小，调试方便，所以应用广泛。

4.鉴频电路

实现调频信号解调的鉴频电路可分为三类,第一类是调频-调幅调频变换型。

这种类型是先通过线性网络把等幅调频波变换成振幅与调频波瞬时频率成正比的调幅调频波,然后用振幅检波器进行振幅检波。

第二类是相移乘法鉴频型。

这种类型是将调频波经过移相电路变成调相调频波,其相位的变化正好与调频波瞬时频率的变化成线性关系,然后将调相调频波与原调频波进行相位比较,通过低通滤波器取出解调信号。

因为相位比较器通常用乘法器组成,所以称为相移乘法鉴频。

第三类是脉冲均值型。

这种类型是把调频信号通过过零比较器变换成重复频率与调频信号瞬时频率相等的单极性等幅脉冲序列,然后通过低通滤波器取出脉冲序列的平均值,这就恢复出与瞬时频率变化成正比的信号。

图4-3是双失谐回路鉴频器的原理图。

它是由三个调谐回路组成的调频-调幅调频变换电路和上下对称的两个振幅检波器组成。

初级回路谐振于调频信号的中心频率,其通带较宽。

次级两个回路的谐振频率分别Ｗ01、Ｗ02,并使Ｗ01、Ｗ02与Ｗc成对称失谐。

即:

Ｗ01-Ｗc=Ｗc-Ｗ02。

图4-3双失谐回路鉴频器的原理图

图4-4左边是双失谐回路鉴频器的幅频特性,其中实线表示第一个回路的幅频特性,虚线表示第二个回路的幅频特性,这两个幅频特性对于Ｗc是对称的。

当输入调频信号的频率为Ｗc时,两个次级回路输出电压幅度相等,经检波后输出电压

Ｕ0=Ｕ01-Ｕ02

当输入调频信号的频率由Ｗc向升高的方向偏离时,Ｌ2Ｃ2回路输出电压大,而Ｌ1Ｃ1回路输出电压小,则经检波后Ｕ01<Ｕ02,则

Ｕ0=Ｕ01-Ｕ02<0。

当输入调频波信号的频率由Ｗc向降低方向偏离时,Ｌ1Ｃ1回路输出电压大,Ｌ2Ｃ2回路输出电压小,经检波后Ｕ01>Ｕ02,则Ｕ0=Ｕ01-Ｕ02>0。

其总鉴频特性如图4-4所示（见下页）

图4-4总鉴频特性

五设计和调试过程

1·高频小信号放大器电路设计及仿真

高频小信号谐振放大电路主要由晶体管、负载、输入信号和直流馈电等部分电路组成。

如图5-1所示电路，晶体管基极为正偏，工作在甲类，负载为LC并联谐振回路，调谐在输入信号的频率465kHz上。

该放大电路能够对输入的高频小信号进行反相放大。

在Multisim窗口中，从示波器上观察到输入与输出波形，如图5-2所示。

图5-1高频小信号放大电路

图5-2小信号放大电路输出波形

2混频电路设计及仿真

模拟乘法器能够完成两个信号的相乘，在其输出中都会出现混频所要求的的差额

，然后利用滤波器取出该频率分量，即完成了混频。

模拟乘法器混频器电路如图5-3所示，其输出波形如图5-4所示。

与三极管混频器电路相比较，模拟乘法器混频器的优点是：

输出电流频谱较纯，可以减少接收系统的干扰；允许动态范围的信号输入，有利于减少交调、互调的干扰。

混频器电路

3·中频放大电路

4·鉴频电路

5·低频功率放大电路

模拟混频器仿真输出

中频放大仿真波形

鉴频电路仿真波形

3振荡电路设计及仿真

在Multisim10仿真软件的电路窗口中，创建如图5-5所示的晶体振荡电路，从示波器中观察到输出波形如图5-6所示。

混频器

4.鉴频电路设计及仿真

电路中有两个单失谐回路斜率鉴频器，当等幅的调频波Vs同时加到两个共发射极单失谐回路鉴频器晶体管的基极时，晶体管输出端的并联谐振回路L1、C6和L2、C7的谐振频率分别为f01和f02。

它们对称地处于调频波的载频——中心频率fo的两边。

设f01>f0>f02，这样，当输入信息是调频波时，Q1集电极输出的调频—调幅波形。

它的特点是频率高时幅度大，频率低时幅度小。

Q2的集电极输出的是调频——调幅波形。

它的特点是频率高时幅度小，频率低时幅度大。

A、B两点间输出电压为VC8－VC9。

实验内容

（1）按下开关KA1,KB2,调试好小信号调谐放大电路，调试好高频功率放大单元电路。

（2）连接好发射电路和接收电路（连LE1，LE2,LE3,LE4,LE5,LE6,LA!

LB1）,同时用实验箱所配的天线（一端带夹子的导线）分别将发射单元的天线ANTE1和本实验单元天线ANTA1连好。

（3）在不加调制信号的情况下，接通发射电路和接收电路的电源，调节单元的L84，用示波器探头测量TTB2，当TTB2处有455KHz的信号输出时，说明调频单元的工作频率在10.7MHZ附近。

此时从处加入1KHz，峰峰值为100mv左右的调制信号，则从TTB1处用示波器可观测到输出的解调波。

（4）当从TTB1处观察鉴频输出信号，此时如果波形失真可以微调LB1和微调L84。

注意观察鉴频信号频率与调制信号频率是否一致，幅度大小与调制频偏的关系（调制频率可以通过改变调制信号大小改变）。

如果TTB1处的信号失真，一般要考虑是否调制信号幅度过大以及变容二极管调频产生的调频信号的中心频率偏高10.7MHZ太远。

发射信号波

接收信号波

总结

课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。

此次课程设计主要针对信号接收电路提出自己的设计方案，并利用仿真软件来实现自己的设计电路图。

设计中用到了高频小信号电路，混频电路，晶体振荡电路，鉴频电路等在高频电子线路课程中学到的知识。

由于对所学电路不熟悉，导致在设计的过程中无法画出正确的电路图，算不出电路中元器件的参数，使得在设计过程中绕了许多弯路，做了许多的无用功。

设计过程中查阅了大量的有关高频电子线路设计的书籍，巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的必要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟跟平时的理论还是存在着很大的差异，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

总之，通过这次课程设计之后，我发现自己的不足之处还很多，我下去以后一定把以前所学过的知识重新温故。