基于Multisim的FM調(diào)頻與鑒頻電路設計與仿真

1、課程設計報告題 目：基于multisim的fm調(diào)頻與鑒 頻電路設計與仿真 學生姓名： * 學生學號： * 系 別： 電氣信息工程學院 專 業(yè)： 通信工程 屆 別： 2014屆 指導教師： * 電氣信息工程學院制2013年3月目錄1課程設計的任務與要求41.1 課程設計的任務41.2 課程設計的要求41.3 課程設計的研究基礎42基于鎖相環(huán)fm調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)方案制定52.1 方案提出52.2 方案論證52.2.1調(diào)頻與鑒頻的概念52.2.2 間接調(diào)頻電路62.2.3變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路73 multisim軟件介紹134實現(xiàn)fm調(diào)頻與鑒頻的電路元件144.1fm的調(diào)制144.2fm的解調(diào)155

2、實驗結(jié)果與分析165.1調(diào)頻仿真165.2鑒頻仿真176總結(jié)18參考文獻20基于multisim的fm調(diào)頻與鑒頻電路設計與仿真學生：* 指導教師：*電氣信息工程學院通信工程專業(yè)摘要：頻率的調(diào)制和解調(diào)是通信電子線路中非常重要且比較關鍵的一部分，調(diào)頻電路在通信電子線路中運用非常廣泛且作用很大,如何學好此部分對我們來說非常重要。本課程設計的內(nèi)容是學習基于multisim的調(diào)頻電路設計與仿真。用multisim仿真軟件進行調(diào)頻電路調(diào)頻和解調(diào)，得到仿真結(jié)果。調(diào)制信號的仿真結(jié)果是彈簧波形圖,解調(diào)信號的仿真結(jié)果是調(diào)制信號波形圖。從仿真結(jié)果中更好地理解頻率的調(diào)制和解調(diào)。abstract: frequency

3、modulation and demodulation is a part of communication electronic circuit is very important and key, frequency modulation circuit is widely applied and plays a great role in the communication electronic circuit, how to learn this part is very important for us. the content of the curriculum design is

4、 the study of design and simulation of frequency modulation circuit based on multisim. fm frequency modulation and demodulation, using multisim simulation software, the simulation results are obtained. simulation of modulation signal is the result of spring waveform, simulation of signal demodulatio

5、n results are modulated waveform. from the simulation results in better understanding of frequency modulation and demodulation.關鍵詞：調(diào)制與解調(diào)；multisim;仿真分析keywords: modulation and demodulation; multisim; simulation analysis and demodulation1課程設計的任務與要求1.1 課程設計的任務通過本次課程設計，掌握通信原理中模擬基帶信號通過fm的調(diào)制與解調(diào)。在硬件電路上采用鎖相

6、環(huán)進行直接調(diào)頻頻和基于mulitisim軟件進行仿真和測試，并進行分析。1.2 課程設計的要求本課程設計課題主要研究fm調(diào)制與解調(diào)模擬系統(tǒng)的理論設計和基于mulitisim軟件仿真。通過此次課程設計，需完成以下幾個任務：1.掌握模擬系統(tǒng)fm調(diào)制與解調(diào)的基本原理；2.掌握模擬系統(tǒng)fm調(diào)制解調(diào)的設計方法；3.掌握應用multisim如何實現(xiàn)fm調(diào)制和解調(diào)的仿真，并記錄仿真結(jié)果。1.3 課程設計的研究基礎高頻電子線路主要的學習內(nèi)容是無線電通信系統(tǒng)中發(fā)射和接收設備中單元電路的形式及工作原理等。在無線電發(fā)射機中，需要發(fā)射的低頻調(diào)制信號（如由語音信號轉(zhuǎn)換而來的電信號）都要經(jīng)過調(diào)制才能發(fā)送傳輸。所謂調(diào)制是指

7、用低頻調(diào)制信號去改變高頻振蕩波，使其隨低頻調(diào)制信號的變化規(guī)律（幅度、頻率或相位）相應變化的過程。由這些經(jīng)過調(diào)制后的已調(diào)波攜帶低頻信號的信息到空間進行傳輸，完成信號的發(fā)射。從頻譜的角度來看，調(diào)制是將低頻調(diào)制信號的頻譜從低頻端搬到高頻端的過程。所謂解調(diào)是在無線電接收機中，從接收到的已調(diào)波信號中恢復出原低頻調(diào)制信號的過程稱之為解調(diào)。從頻譜的角度來看，解調(diào)則是將信號的頻譜從高頻端搬回到低頻端的過程。調(diào)頻電路廣泛運用于無線廣播、電視節(jié)目傳播、移動通信、微波和衛(wèi)星等信系統(tǒng)中，頻率調(diào)制信號比調(diào)幅信號抗干擾性強。使載波頻率按照調(diào)制信號改變的調(diào)制方式叫調(diào)頻。已調(diào)波頻率變化的大小由調(diào)制信號的大小決定，變化的周期由

8、調(diào)制信號的頻率決定。已調(diào)波的振幅保持不變。調(diào)頻波的波形，就像是個被壓縮得不均勻的彈簧，調(diào)頻波用英文字母fm表示。multisim 是一個能進行電路原理設計、對電路功能進行測試分析的仿真軟件。multisim 的功能更強大，更適合于對模擬電路、數(shù)字電路和通信電路等的仿真與測試。它的元器件庫提供數(shù)千種電路元器件供仿真選用，提供的虛擬測試儀器儀表種類齊全，還有較為詳細的電路分析功能，仿真速度更快。它將實驗過程中創(chuàng)建的電路原理圖、使用到的儀器、電路測試分析后結(jié)果的顯示圖表等全部集成到同一個電路窗口中，具有直觀、方便、實用和安全的優(yōu)點。2基于鎖相環(huán)fm調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)方案制定2.1 方案提出許多調(diào)頻發(fā)射電

9、路中采用直接調(diào)頻電路：如無線麥克風發(fā)射電路、無線遙控玩具的發(fā)射機電路及對講機電路等。在模擬電路課程的學習中，我們學習過各種振蕩器，這些振蕩器產(chǎn)生的是頻率、幅度不變的單頻余弦波。按照調(diào)頻波的定義，若這些振蕩器的頻率能夠被低頻信號直接控制而改變，則振蕩器就可輸出調(diào)頻波，相應的稱這些電路為直接調(diào)頻電路。2.2 方案論證2.2.1調(diào)頻與鑒頻的概念調(diào)頻就是用調(diào)制信號控制載波的振蕩頻率，使載波的頻率隨著調(diào)制信號變化。已調(diào)波稱為調(diào)頻波。調(diào)頻波的振幅保持不變，調(diào)頻波的瞬時頻率偏離載波頻率的量與調(diào)制信號的瞬時值成比例。調(diào)頻系統(tǒng)實現(xiàn)稍復雜，占用的頻帶遠較調(diào)幅波為寬，因此必須工作在超短波波段。抗干擾性能好，傳輸時信

10、號失真小，設備利用率也較高。 把含有信息的低頻信號從經(jīng)過傳輸?shù)恼{(diào)頻波中解調(diào)出來，還原含有信息的低頻信號，稱為鑒頻。使載波頻率按照調(diào)制信號改變的調(diào)制方式叫調(diào)頻。已調(diào)波頻率變化的大小由調(diào)制信號的大小決定，變化的周期由調(diào)制信號的頻率決定。已調(diào)波的振幅保持不變。調(diào)頻波的波形，就像是個被壓縮得不均勻的彈簧，調(diào)頻波用英文字母 fm表示。2.2.2 間接調(diào)頻電路調(diào)頻波的數(shù)學表示式，在調(diào)制信號為u(t)時，為ufm(t)=ucmcosct+kf （2.2.2-1）可見調(diào)頻波的相位偏移為kf ，與調(diào)制信號u(t)的積分成正比。若將調(diào)制信號先通過積分器得 ，然后再通過調(diào)相器進行調(diào)相，即可得到調(diào)制信號為 的調(diào)相波，

11、即 u(t)=ucm cosct+kp （2.2.2-2） 因此，調(diào)頻可以通過調(diào)相間接實現(xiàn)。通常將這樣的調(diào)頻方式稱為間接調(diào)頻，其原理方框圖如圖10-1所示。這樣的調(diào)頻方式采用頻率穩(wěn)定度很高的振蕩器(例如石英晶體振蕩器)作為載波振蕩器，然后在它的后級進行調(diào)相，得到的調(diào)頻波的中心頻率穩(wěn)定度很高。載波振蕩器fm已調(diào)信號緩沖級調(diào)相器積分器fm已調(diào)信號基帶信號 圖2.2.2-1 間接調(diào)頻原理方框圖2.2.3變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路（1）變?nèi)荻O管的特性 變?nèi)荻O管是根據(jù)pn結(jié)的結(jié)電容隨反向電壓改變而變化的原理設計的。在加反向偏壓時，變?nèi)荻艹尸F(xiàn)一個較大的結(jié)電容。這個結(jié)電容的大小能靈敏地隨反向偏壓而變化。正

12、是利用了變?nèi)荻O管這一特性，將變?nèi)荻O管接到振蕩器的振蕩回路中，作為可控電容元件，則回路的電容量會明顯地隨調(diào)制電壓而變化，從而改變振蕩頻率，達到調(diào)頻的目的。 變?nèi)荻O管的反向電壓與其結(jié)電容呈非線性關系。其結(jié)電容cj 與反向偏置電壓ur之間有如下關系：(2.2.3-1)   式中，ud 為pn結(jié)的勢壘電壓，cj0 為ur =0時的結(jié)電容;為電容變化系數(shù)。（2）調(diào)頻基本原理圖2.2.3-1變?nèi)荻O管調(diào)頻電路 圖2.2.3-1是變?nèi)荻O管調(diào)頻器的原理電路。圖中虛線左邊是一個lc正弦波振蕩器，右邊是變?nèi)荻O管和它的偏置電路。其中cc是藕合電容，zl為高頻扼流圈，它對高頻信

13、號可視為開路。變?nèi)荻O管是振蕩回路的一個組成部分，加在變?nèi)荻O管上的反向電壓為 ur =vcc-vb+u(t)=vq+u(t) （2.2.3-2) 式中，vq=vcc-vb是加在變?nèi)荻O管上的直流偏置電壓；u(t)為調(diào)制信號電壓。圖2.2.3-2結(jié)電容隨調(diào)制電壓變化關系 圖2.2.3-2 (a)是變?nèi)荻O管的結(jié)電容與反向電壓ur的關系曲線。由電路可知，加在變?nèi)荻O管上的反向電壓為直流偏壓vq和調(diào)制電壓u(t)之和，若設調(diào)制電壓為單頻余弦信號，即u (t)=umcost則反向電壓為: ur (t)= vq+um cost (2.2.3-3)如圖2.2.3-2 (b)所示。在ur (t)的控制下，

14、結(jié)電容將隨時間發(fā)生變化，如圖2.2.3-2 (c)所示。結(jié)電容是振蕩器振蕩回路的一部分，結(jié)電容隨調(diào)制信號變化，回路總電容也隨調(diào)制信號變化，故振蕩頻率也將隨調(diào)制信號變化。只要適當選取變?nèi)荻O管的特性及工作狀態(tài)，可以使振蕩頻率的變化與調(diào)制信號近似成線性關系，從而實現(xiàn)調(diào)頻。（3）電路分析設調(diào)制信號為u(t)=umcost，加在二極管上的反向直流偏壓為 vq，vq的取值應保證在未加調(diào)制信號時振蕩器的振蕩頻率等于要求的載波頻率，同時還應保證在調(diào)制信號u (t)的變化范圍內(nèi)保持變?nèi)荻O管在反向電壓下工作。加在變?nèi)荻O管上的控制電壓為在變?nèi)荻O管上的反向電壓為 ur =vcc-vb+u(t)=vq+u(t)

15、 （2.2.3-2) 式中，vq=vcc-vb是加在變?nèi)荻O管上的直流偏置電壓；u(t)為調(diào)制信號電壓。圖2.2.3-2結(jié)電容隨調(diào)制電壓變化關系 圖2.2.3-2 (a)是變?nèi)荻O管的結(jié)電容與反向電壓ur的關系曲線。由電路可知，加在變?nèi)荻O管上的反向電壓為直流偏壓vq和調(diào)制電壓u(t)之和，若設調(diào)制電壓為單頻余弦信號，即u (t)=umcost則反向電壓為: ur (t)= vq+um cost (2.2.3-3)如圖2.2.3-2 (b)所示。在ur (t)的控制下，結(jié)電容將隨時間發(fā)生變化，如圖2.2.3-2 (c)所示。結(jié)電容是振蕩器振蕩回路的一部分，結(jié)電容隨調(diào)制信號變化，回路總電容也隨調(diào)

16、制信號變化，故振蕩頻率也將隨調(diào)制信號變化。只要適當選取變?nèi)荻O管的特性及工作狀態(tài)，可以使振蕩頻率的變化與調(diào)制信號近似成線性關系，從而實現(xiàn)調(diào)頻。（3）電路分析設調(diào)制信號為u(t)=umcost，加在二極管上的反向直流偏壓為 vq，vq的取值應保證在未加調(diào)制信號時振蕩器的振蕩頻率等于要求的載波頻率，同時還應保證在調(diào)制信號u (t)的變化范圍內(nèi)保持變?nèi)荻O管在反向電壓下工作。加在變?nèi)荻O管上的控制電壓為ur (t)= vq+um cost (2.2.3-4)相應的變?nèi)荻O管結(jié)電容變化規(guī)律為 當調(diào)制信號電壓u(t)=0時，即為載波狀態(tài)。此時ur(t)=vq，對應的變?nèi)荻O管結(jié)電容為cjq: (2.2.

17、3-5)當調(diào)制信號電壓u(t)=um cost時， 代入式(2.2.3-5),并令m= um /(ud+vq)為電容調(diào)制度，則可得 (2.2.3-6)上式表示的是變?nèi)荻O管的結(jié)電容與調(diào)制電壓的關系。而變?nèi)荻O管調(diào)頻器的瞬時頻率與調(diào)制電壓的關系由振蕩回路決定。由圖2.2.3-1可得，振蕩器振蕩回路的等效電路，如圖2.2.3-3 (a)所示。圖2.2.3-3 振蕩回路等效電路(3)變?nèi)荻O管作為振蕩回路的總電容設c1未接入,cc較大,即回路的總電容僅是變?nèi)荻O管的結(jié)電容,其等效回路如圖2.2.3-3 (b)所示。加在變?nèi)荻O管上的高頻電壓很小,可忽略其對變?nèi)荻O管電容量變化的影響,則瞬時振蕩角頻率

18、為 (2.2.3-7)因為未加調(diào)制信號時的載波頻率 所以 （2.2.3-8）根據(jù)調(diào)頻的要求,當變?nèi)荻O管的結(jié)電容作為回路總電容時,實現(xiàn)線性調(diào)頻的條件是容二極管的電容變化系數(shù)=2。若變?nèi)荻O管的電容變化系數(shù)不等于2，設u(t)=um cost ，則 ， 可以在 mcoswt=0處展開成為泰勒級數(shù), 得 (2.2.3-9)通常m<1，上列級數(shù)是收斂的。因此,可以忽略三次方項以上的各項,則從上式可知,對于變?nèi)荻O管調(diào)頻器,若使用的變?nèi)荻O管的變?nèi)菹禂?shù)2,則輸出調(diào)頻波會產(chǎn)生非線性失真和中心頻率偏移。其結(jié)果如下：a.調(diào)頻波的最大角頻率偏移 (2.2.3-10)b.調(diào)頻波會產(chǎn)生二次諧波失真,二次諧波

19、失真的最大角頻率偏移 （2.2.3-11）調(diào)頻波的二次諧波失真系數(shù)為 (2.2.3-12) c調(diào)頻波會產(chǎn)生中心頻率偏移，其偏離值為 (2.2.3-13)中心角頻率的相對偏離值為 (2.2.3-14)綜上所述，若要調(diào)頻的頻偏大，就需增大m，這樣中心頻率偏移量和非線性失真量也增大。在某些應用中，要求的相對頻偏較小，而所需要的m也就較小。因此，這時即使不等于2，二次諧波失真和中心頻率偏移也不大。由此可見，在相對頻偏較小的情況下，對變?nèi)荻O管值的要求并不嚴格(4)變?nèi)荻O管部分接入振蕩回路變?nèi)荻O管的結(jié)電容作為回路總電容的調(diào)頻電路的中心頻率穩(wěn)定度較差，這是因為中心頻率fc決定于變?nèi)荻O管結(jié)電容的穩(wěn)定性

20、。當溫度變化或反向偏壓vq不穩(wěn)時，會引起結(jié)電容的變化,它又會引起中心頻率較大變化。為了減小中心頻率不穩(wěn),提高中心頻率穩(wěn)定度，通常采用部分接入的辦法來改善性能。變?nèi)荻O管部分接入振蕩回路的等效電路如圖3-3（a）所示。變?nèi)荻O管和cc串聯(lián)，再和c1并聯(lián)，構(gòu)成振蕩回路總電容c (2.2.3-15)加調(diào)制信號u(t)=um cost后，總回路電容c為 (2.2.3-16)相應的調(diào)頻特性方程為 (2.2.3-16)從上式知，調(diào)頻特性取決于回路的總電容c，而c可以看成一個等效的變?nèi)荻O管，c隨調(diào)制電壓u(t)的變化規(guī)律不僅決定于變?nèi)荻O管的結(jié)電容cj隨調(diào)制電壓u(t)的變化規(guī)律，而且還與c1和cc的大小

21、有關。變?nèi)荻O管部分接入振蕩回路，中心頻率穩(wěn)定度比全部接入振蕩回路要高，但最大頻偏要減小。3 multisim軟件介紹隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,計算機技術(shù)在電子電路設計中發(fā)揮著越來越大的作用.電子產(chǎn)品的設計開發(fā)手段由傳統(tǒng)的設計方法和簡單的計算機輔助設計(cad)逐步被eda技術(shù)所取代.目前國內(nèi)外常用的eda軟件有ewb、protel、orcad、pspice系列軟件。multisim10仿真軟件就是ewb系列軟件中的一種。電子線路課程設計是針對電子線路課程的要求，對學生進行綜合訓練，培養(yǎng)學生運用課程中所學到的知識，獨立地解決實際問題的能力。傳統(tǒng)方法是先設計電路，然后在面包板或?qū)嶒炏溥M行實驗調(diào)

22、整參數(shù)，最后再制版、安裝、調(diào)試。傳統(tǒng)方法存在技術(shù)手段陳舊，教、學、做受到條件的限制，學習效率不高等問題。multisim10仿真軟件可以構(gòu)成一個虛擬的實驗工作臺2，學生在虛擬環(huán)境下完成電子技術(shù)課程設計的選擇元件、創(chuàng)建電路、計算與調(diào)整參數(shù)以及觀測仿真結(jié)果等中心環(huán)節(jié)。并且設計與實驗可以同步進行，可以邊設計邊實驗，修改調(diào)試方便；設計和實驗所用的元器件及測試儀表齊全，可以完成各種類型的電路設計與實驗。最后進行實物組裝、調(diào)試，實現(xiàn)了電路設計的優(yōu)化而保證達到設計要求。ni multisim 10是美國國家儀器公司（ni，national instruments）最新推出的multisim最新版本。目前美國

23、ni公司的ewb的包含有電路仿真設計的模塊multisim、pcb設計軟件ultiboard、布線引擎ultiroute及通信電路分析與設計模塊commsim 4個部分，能完成從電路的仿真設計到電路版圖生成的全過程。multisim、ultiboard、ultiroute及commsim 4個部分相互獨立，可以分別使用。multisim、ultiboard、ultiroute及commsim 4個部分有增強專業(yè)版（power professional）、專業(yè)版（professional）、個人版（personal）、教育版（education）、學生版（student）和演示版（demo）等多

24、個版本，各版本的功能和價格有著明顯的差異。4實現(xiàn)fm調(diào)頻與鑒頻的電路元件4.1fm的調(diào)制直接調(diào)頻電路的振蕩器中心頻率穩(wěn)定度較低,而采用晶體振蕩器的調(diào)頻電路, 其調(diào)頻范圍又太窄。采用鎖相環(huán)的調(diào)頻器可以解決這個矛盾。其結(jié)構(gòu)原理如圖4-1 所示。晶體振蕩器環(huán)路濾波器調(diào)制信fm已調(diào)信號壓控振蕩器鑒相器圖4-1鎖相環(huán)鑒頻原理框圖實現(xiàn)鎖相調(diào)頻的條件是調(diào)制信號的頻譜要處于低通濾波器通帶之外, 也就是說, 鎖相環(huán)路只對慢變化的頻率偏移有響應, 使壓控振蕩器的中心頻率鎖定在穩(wěn)定度很高的晶振頻率上。而隨著輸入調(diào)制信號的變化, 振蕩頻率可以發(fā)生很大偏移。4.2fm的解調(diào)用鎖相環(huán)可實現(xiàn)調(diào)頻信號的解調(diào), 其原理框圖如圖

25、4-2 所示。為了實現(xiàn)不失真的解調(diào), 要求鎖相環(huán)的捕捉帶必須大于調(diào)頻波的最大頻偏, 環(huán)路帶寬必須大于調(diào)頻波中輸入信號的頻譜寬度。fm已調(diào)信號調(diào)制信號鑒相器環(huán)路濾波器壓控振蕩器 圖4-2鎖相環(huán)鑒頻原理框圖5實驗結(jié)果與分析5.1調(diào)頻仿真根據(jù)圖4-1建立的調(diào)頻仿真電路如圖5-1 所示。圖中,設置壓控振蕩器v1 在控制電壓為0 時, 輸出頻率為0; 控制電壓為5v 時, 輸出頻率為50khz。這樣, 實際上就選定了壓控振蕩器的中心頻率為25khz, 為此設定直流電壓v3 為2. 5v。調(diào)制電壓v4 通過電阻r5 接到v co 的輸入端, r5 實際上是作為調(diào)制信號源v4 的內(nèi)阻, 這樣可以保證加到vc

26、o 輸入端的電壓是低通濾波器的輸出電壓和調(diào)制電壓之和, 從而滿足了原理圖的要求。本電路中, 相加功能也可以通過一個加法器來完成, 但電路要變得相對復雜一些。圖5-1鎖相環(huán)調(diào)頻的仿真電路vco 輸出波形和輸入調(diào)制電壓v4 的關系如圖5-2所示。由圖可見, 輸出信號頻率隨著輸入信號的變化而變化, 從而實現(xiàn)了調(diào)頻功能。圖5-2鎖相環(huán)調(diào)頻實驗波形5.2鑒頻仿真圖5-3相應鎖相鑒頻電路的仿真電路。圖中的壓控振蕩器的設置與鎖相環(huán)調(diào)頻電路相同。為了進一步改善低通濾波器的輸出波形, 在r1、c1 的輸出端, 又串接了一級低通濾波電路(r4、c2 ) 。圖5-3鎖相環(huán)鑒頻的仿真電路由于鎖相環(huán)鑒頻時要求調(diào)制信號要處于低通濾波器的通帶之內(nèi), 因此電阻r