调幅发射机的仿真设计.docx

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调幅发射机的仿真设计

专业：

电子信息工程

学号：

高频电子线路

课程设计

题目：

调幅发射模块设计

院（系、部）：

机电工程学院

学生姓名：

指导教师：

2013年月日

学院教务处制

摘要

高频电子线路是通信系统，特别是无线通信系统的基础，是无线通信设备的重要组成部分，其研究对象是通信系统中的发送设备和接受设备的高频“功能”电路功能的基本组成和原理。

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带宽、适合通过天线发射的电磁波。

本设计以高频电子线路为基础，完成了小功率调幅发射机的基本理论设计。

本文详细的设计了系统的本地振荡器、低频放大器、调幅调制电路和功率放大电路，并用multisim软件对单元电路进行了仿真，以及部分电路理论的计算，并结合protel99se完成了总体电路的原理图及PCB设计。

关键词：

高频；multisim；调幅发射；protel

2.1主振荡器模块...............................................................................................................2

2.2振幅调制模块…………………………………………………………………...........2

2.3高频功率放大模块…………………………………………………………………...3

2.4低频放大模块………………………………………………………………………...3

3.1主振荡器模块...............................................................................................................3

3.2振幅调制模块…………………………………………………………………...........6

3.3高频功率放大模块…………………………………………………………………...8

3.4低频放大模块………………………………………………………………………...9

1设计任务及要求

1.1设计任务及技术指标

（1）学会multisim等电子电路仿真软件分析电路、设计电路的方法和步骤；

（2）进一步掌握所学单元电路及在此基础培养自己分析、应用其他单元电路的能力；

（3）了解高频振荡器电路、高频放大器电路、调制器电路、音频放大电路的工作原理；

（4）输出功率P>10W，发射效率

，工作频率f0=11MHz，调幅度ma>0.3，电源电压12V；

（5）画出调幅发射机原理图，方案的确定，晶体振荡器设计计算；

（6）完成PCB版图的制作。

1.2设计要求

本次设计要求我们通过查阅资料等独立完成任务，我们应该对自己所设计东西的原理以及每个模块的设计思想有一定的理解，其次要求认真完成原理图的设计与仿真和报告。

并且通过一个主振器产生一个高频振荡信号（11MHz），经缓冲、放大作为高频载波电压。

然后通过一个振幅调制器把低频电信号（1mV、1000Hz）加载到高频载波电压上产生一个普通调幅波。

最后要对能对调幅波进行功率放大。

完成上述设计任务的基本功能。

给出系统电路原理图（应用Multisim或Protel软件绘制）并完成主要单元电路的功能仿真。

完成完整的课程设计报告。

2方案论证

2.1主振荡器模块

方案一：

RC正弦波振荡器由电阻和电容组成，没有调谐回路，结构简单，易于实现，但不能抑高制次谐波的产生，因此不适合用于高频电路。

方案二：

LC三点式振荡器，包括电容三点式振荡器和电感三点式振荡器。

其中电容三点式振荡器的输出波形比电感三点式振荡器的输出波形好。

为提高频率稳定度，可采用改进三点式振荡电路，如克拉波振荡电路、西勒振荡电路。

方案三：

晶体振荡器，晶体振荡器频率稳定度高，振荡频率不易受外界因素（温度、湿度、电压变化等）影响。

因此，RC振荡器不符合要求，可以采用西勒振荡器或者晶体振荡器，由于晶体振荡器不易受外界因素影响，故本设计选用晶体振荡器作为本振信号源。

2.2振幅调制模块

方案一：

模拟乘法器调幅，模拟乘法器是对两个模拟信号（电压或电流）实现相乘功能的的有源非线性器件。

主要功能是实现两个互不相关信号相乘，即输出信号与两输入信号相乘积成正比。

采用模拟相乘器实现的调制方法是低电平调制，输出功率较小，必须使用高频功率放大器才能达到发射功率的要求。

方案二：

高电平调幅，采用集电极调幅实现的调制方法属于高电平调制，输出功率基本能够满足发射功率要求。

本次设计采用集电极调幅实现的调制方法，与低电平调制相比，高电平调制电路的优点是不必采用效率较低的线性功率大器，直接产生满足发射机输出功率要求的已调波，多采用丙类谐振功率放大器。

集电极调制电路工作在过压状态，用调制信号来改变高频功率放大器的集电极直流电源电压，实现调幅。

它具有调制线性好，集电极效率高，效率不变等优点；但是调制信号功率大。

基极调制电路工作在欠压状态，用调制信号来改变高频功率放大器的基极偏压，以实现调幅。

它的缺点调制过程中效率有变化，平均集电极的效率不是很高；但它的优点在于调制功率很小。

2.3高频功率放大模块

功率放大模块有缓冲级、激励级和功率放大级组成。

因为本次设计要求发射效率

，所以采用丙类功率放大器。

2.4低频放大模块

低频放大是对输入的调制信号进行放大，本设计中采用甲类共射极放大电路作为低频放大部分。

3单元电路设计

3.1主振荡器模块

3.1.1基本原理及参数选择

主振荡器采用石英晶体振荡器，本设计中主振电路由两部分组成：

并联型c-b型（皮尔斯）晶体振荡电路；三极管缓冲放大电路。

c-b型并联晶体振荡器的典型电路如图3-1所示，振荡管的基极对高频接地，晶体接集电极与基极之间，C2和C3位于回路的另外两个电抗元件，振荡器的回路等效电路如图3-2所示，它类似于克拉泼振荡器，由于Cq非常小，因此，晶体振荡器的谐振回路与振荡管之间的耦合电容非常弱，从而使频率稳定度大大提高。

由于晶体的品质因数很高，故其并联谐振阻抗也很高，虽然接入系数很小，但等效到晶体管CE两端的阻抗仍很高，因此放大器的增益高，电路容易满足振幅起振条件。

图3-1c-b型并联晶体振荡器实际线路图图3-2c-b型并联晶体振荡器等效线路

静态工作点的选择：

选ICQ=2mAVCEQ=6Vβ=60，则有

为提高电路的稳定性RE值适当增大，取R4=1KΩ则R3=2KΩ

则

取流过R2的电流为10IBQ

则

（取

=0.6V）

取R2=5.1K，则

取R1=10K，W1为50K的可调电阻。

确定主振回路元器件

当为LC振荡时，f0=11MHz设L=2.2μH

则

则取C6=100P，C2=200P而对于晶体振荡，只并联一可调电容进行微调即可。

3.1.2电路仿真及结果分析

图3-3振荡器电路原理图

通过调节示波器可以观察到振荡器起振时波形如图3-4所示：

图3-4起振时波形

达到振幅稳定时波形如图3-5所示：

图3-5振幅稳定时波形

用频率计测量振荡频率为10.815MHz

图3-6频率计示数

3.2振幅调制模块

3.2.1集电极调幅的工作原理

集电极调幅是利用低频调制电压去控制晶体管的集电极电压，通过集电极电压的变化，使集电极高频电流的基波分量随调制电压的规律变化，从而实现调幅。

实际上，它是一个集电极电源受调制信号控制的谐振功率放大器，属高电平调幅。

调幅管处于丙类工作状态。

设基极激励信号电压（即载波电压）为：

。

则加在基射极间的瞬时电压为

。

调制信号电压υΩ加在集电极电路中，与集电极直流电压VCC串联，因此，集电极有效电源电压为

式中，VCC为集电极固定电源电压；

为调幅指数。

3.2.2设计仿真及结果分析

图3-7集电极调幅电路原理图

用示波器观察仿真效果如图3-8所示：

图3-8调幅波输出波形

为了便于分析计算，调节示波器，使输出波形如下,计算可得：

调幅度ma=1/2*（Vmax-Vmin）/Vo=46%.

图3-9调幅波输出

3.3高频功率放大模块

3.3.1谐振功率放大器的工作原理

LC谐振网络为放大器的并联谐振网络。

谐振网络的谐振频率为信号的中心频率。

作用：

滤波、匹配。

VBB:

基极直流电压作用:

保证三极管工作在丙类状态。

VBB的值应小于放大管的导通电压Uon；通常取VBB≤0。

VCC：

集电极直流电压作用：

给放大管合理的静态偏置，提供直流能量。

功率关系：

直流功率：

PV=VCCICO；输出功率：

PO=Icm1Ucm；放大管功耗：

PT=PV-PO；效率：

η=PO/PV

3.2.2仿真设计及结果分析

仿真电路图：

图3-10高频功放电路原理图

用扫频仪观察谐振曲线如图3-11所示：

图3-11谐振曲线

使用示波器观察到输入输出波形分别如下：

图3-12输入输出波形

使用功率表分别测得输入小信号，直流输入功率，输出功率如下：

图3-13功率表示数

有仿真结果可以计算得以下参数：

输出功率：

Po=11.604W。

直流输入功率：

P==14.734W.集电极损耗功率为：

Pc=P=—Po=3.13W。

效率：

。

通频带：

。

相对通频带：

△f0.7/f0=1.866/11=0.17。

3.4低频放大模块

低频放大模块选择甲类放大电路。

3.4.1静态工作点选择

晶体管Q1组成甲类功率放大器，工作在线性放大状态。

其中RB1、RB2为基极偏置电阻；RE1为直流负反馈电阻，以稳定电路的静态工作点。

RF1为交流负反馈电阻，可以提高放大器的输入阻抗，稳定增益。

电路的静态工作点由下列关系式确定：

式中，RF1一般为几欧至几十欧。

图3-14静态等效图

3.4.4仿真电路如下：

图3-15甲类放大电路原理图

3.4.5仿真结果如下：

由仿真结果知电压增益为A=41。

4电路原理图及PCB版图

4.1电路原理图

图4-1电路原理图

4.2PCB版图

图4-2PCB版图

5总结

5.1技术总结

这次对高频电子线路的课程设计基本上完成了设计任务与要求，但是本设计中还存在很多缺陷与不足。

在振荡器的设计中我发现运用multisim实现晶体振荡器时起振过程很慢，振荡频率较设计要求还存在偏差：

在谐振功放的设计中，谐振电路的中心频率也是存在一定偏差。

在以后的学习或实践中我应该结合实际去思考问题产生的原因，并给出合理解释。

5.2心得体会

通过这次的高频电子线路的课程设计，我深刻的明白了实际设计电路与理论的区别，也清楚的认识到自己所学知识的局限性。

因此在这次课程设计的过程中我们遇到了很多问题。

最后在同组同学和老师的帮助下，我们不断的翻阅有关资料，才能够顺利的解决这次的课程设计，通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的重要性，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，才能真正解决实际问题，从而提高自己的实际动手能力和分析解决问题的能力。

参考文献

[1]李哲英，骆丽.模拟电子线路分析与multisim仿真.北京：

机械工业出版社，2007.

[2]胡烨.Protel99se原理图与PCB设计教程,.北京：

机械工业出版社，2005.

[3]全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编.北京：

北京理工大学出版社，2004.

[4]汤琳宝，何平.电子技术实验教程.北京：

清华大学出版社，2008.

[5]陶国彬，张秀艳，刘红梅.使用电子技术.北京：

北京科学出版社，2008.

[6]张肃文，高频电子线路.北京：

高等教育出版社，2004.