基于Multisim的調(diào)頻發(fā)射機(jī)課程設(shè)計(jì)

1、東北大學(xué)秦皇島分校計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院綜合課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：調(diào)頻發(fā)射機(jī)專業(yè)名稱通信工程班級(jí)學(xué)號(hào)4100828學(xué)生姓名孟梅梅指導(dǎo)教師李雅珍設(shè)計(jì)時(shí)間2012.12.172013.1.4課程設(shè)計(jì)任務(wù)書專業(yè)：通信工程 學(xué)號(hào)： 4100828 學(xué)生姓名（簽名）： 設(shè)計(jì)題目：調(diào)頻發(fā)射機(jī)一、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室二、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1. 學(xué)習(xí)Multisim仿真軟件的使用方法，以及鍛煉電路仿真的能力；2. 設(shè)計(jì)調(diào)頻發(fā)射機(jī)各模塊的電路，正確設(shè)計(jì)與計(jì)算發(fā)射機(jī)的各單元電路；3. 用Multisim軟件對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否正確；4. 模擬仿真，輸出結(jié)果。3、 設(shè)計(jì)報(bào)告的內(nèi)容1. 設(shè)計(jì)

2、題目與設(shè)計(jì)任務(wù)（設(shè)計(jì)任務(wù)書）本次課程設(shè)計(jì)的題目為調(diào)頻發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)。旨在通過(guò)調(diào)頻發(fā)射機(jī)電路的設(shè)計(jì)，建立無(wú)線電發(fā)射機(jī)的整機(jī)概念，了解發(fā)射機(jī)整機(jī)各單元電路之間的關(guān)系及相互影響，從而能正確設(shè)計(jì)、計(jì)算發(fā)射的各單元電路。發(fā)射機(jī)是日常生活中常見的也是應(yīng)用非常廣泛的電子器件，研究本課題既可以了解小信號(hào)發(fā)射機(jī)電路，又可以提高對(duì)于Multisim的應(yīng)用能力和運(yùn)用書本知識(shí)的能力。本次課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)單元主要包括基本放大電路、振蕩電路、調(diào)頻波產(chǎn)生電路、倍頻電路、高頻功放電路。2. 前言（緒論）(設(shè)計(jì)的目的、意義等)頻率調(diào)制又稱調(diào)頻，它是使高頻載波信號(hào)的頻率按調(diào)制信號(hào)振幅的規(guī)律變化，即使瞬時(shí)頻率變化的大小與調(diào)制信號(hào)成線性

3、關(guān)系，而振幅保持基本恒定的一種調(diào)制方式。調(diào)頻發(fā)射機(jī)首先將音頻信號(hào)信號(hào)放大，并利用振蕩電路產(chǎn)生高頻載波信號(hào)，將調(diào)制信號(hào)與載波型號(hào)輸入調(diào)頻波產(chǎn)生電路得到調(diào)頻波,再對(duì)所產(chǎn)生的調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行倍頻、功放和一系列的阻抗匹配,完成調(diào)頻發(fā)射過(guò)程。本次課程設(shè)計(jì)主要通過(guò)利用通信原理所學(xué)的內(nèi)容設(shè)計(jì)調(diào)頻發(fā)射機(jī)電路，然后利用高頻電路所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行電路實(shí)現(xiàn)，最后利用Multisim軟件對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，檢驗(yàn)電路的正確性。通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)不僅能對(duì)所學(xué)的通信原理和高頻電子線路課程進(jìn)行活學(xué)活用，也提高了大家利用軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的能力，十分有教學(xué)意義。3. 設(shè)計(jì)主體（各部分設(shè)計(jì)內(nèi)容、分析、結(jié)論等）信號(hào)輸入3.1、總體設(shè)計(jì)方框圖

4、調(diào)頻波產(chǎn)生電路倍頻放大電路基本放大電路調(diào)頻信號(hào)輸出載波產(chǎn)生電路圖1調(diào)頻發(fā)射機(jī)總體設(shè)計(jì)框圖3.2、調(diào)制原理及實(shí)現(xiàn)3.2.1、基本放大電路的原理及電路實(shí)現(xiàn)音頻放大器的目的是在產(chǎn)生聲音的輸出元件上重建輸入的音頻信號(hào)，信號(hào)音量和功率級(jí)都要理想如實(shí)、有效且失真低。其一種簡(jiǎn)單模擬實(shí)現(xiàn)方案是采用線性模式的晶體管，得到與輸入電壓成比例的輸出電壓，即A類放大器，是指電流連續(xù)地流過(guò)所有輸出器件的一種放大器， 這種放大器，由于避免了器件開關(guān)所產(chǎn)生的非線性，只要偏置和動(dòng)態(tài)范圍控制得當(dāng)，僅從失真的角度來(lái)看，可認(rèn)為它是一種良好的線性放大。圖2 基本放大電路的Multisim原理圖Ql音頻放大管，選用了2SC1815型，

5、150；電阻R1可改變頻率接收的靈敏度,電阻R2、R3為晶體管提供靜態(tài)偏置，控制R3的大小可以控制輸入信號(hào)的大??；C1為耦合電容，采用了CDll型電解電容。仿真結(jié)果：圖3 基本放大電路的仿真結(jié)果3.2.2、載波產(chǎn)生電路的原理及仿真結(jié)果振蕩電路的功能是：在沒有外加輸入信號(hào)的情況下，電路自動(dòng)將直流電源提供的能量轉(zhuǎn)換為具有一定振幅、一定頻率和一定波形的交變信號(hào)輸出。我們可選用三種方法得到需要的高頻載波信號(hào)。三種方法如下：【1】方法一：由LC振蕩電路產(chǎn)生LC調(diào)頻振蕩器一般由LC正弦波振蕩器與變?nèi)荻O管調(diào)頻電路兩大部分組成。其中，LC正弦波振蕩器用于產(chǎn)生一定頻率的幅度和信號(hào)，無(wú)須外加輸入信號(hào)的控制，就能

6、自動(dòng)將電能轉(zhuǎn)換為所需要的交流能量輸出。圖4 LC振蕩器電路的Multisim原理圖仿真結(jié)果：圖5 LC振蕩電路產(chǎn)生高頻載波的仿真結(jié)果【2】方法二：由西勒振蕩電路或者克拉潑電路產(chǎn)生高頻載波通常根據(jù)載波頻率的高低和頻率穩(wěn)定度來(lái)確定電路形式。在頻率穩(wěn)定度要求不高的情況下，可以采用電容反饋三點(diǎn)式振蕩電路，如下圖所示的克拉潑、西勒電路。 （a)西勒振蕩器 （b)克拉潑振蕩器圖6 兩種電容反饋三點(diǎn)式振蕩電路原理1）西勒振蕩器的Multisim原理圖及仿真結(jié)果為：圖7西勒振蕩器的Multisim原理圖及仿真結(jié)果 2）克拉潑振蕩器的Multisim原理圖及仿真結(jié)果為：圖8 克拉潑振蕩器的Multisim原理圖

7、及仿真結(jié)果3.2.3、調(diào)頻波產(chǎn)生電路原理及其實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制原理載波，調(diào)制信號(hào)；通過(guò)FM調(diào)制，使得頻率變化量與調(diào)制信號(hào)的大小成正比。即已調(diào)信號(hào)的瞬時(shí)角頻率已調(diào)信號(hào)的瞬時(shí)相位為實(shí)現(xiàn)調(diào)頻的方法有：【1】變?nèi)荻O管直接調(diào)頻變?nèi)荻O管調(diào)頻電路由變?nèi)荻O管及耦合電容組成,R1與R2為變?nèi)荻O管提供靜態(tài)時(shí)的反向直流偏置電壓 即=R2/(R1+R2) 。電阻R3稱為隔離電阻，常取R3R2,R3R1，以減小調(diào)制信號(hào)對(duì)的影響。C5與高頻扼流圈L2給提供通路，C6起高頻濾波作用。變?nèi)荻O管通過(guò)耦合電容部分接入振蕩回路，有利于主振頻率的穩(wěn)定性，減小調(diào)制失真。圖(1-4)所示的為變?nèi)荻O管部分接入振蕩回路的等效電路，接入

8、系數(shù)及回路總電容分別為： (1-6) (1-7)式中，為變?nèi)荻O管的結(jié)電容，它與外加電壓的關(guān)系為： (1-8) 式中，為變?nèi)荻O管加零偏壓時(shí)的結(jié)電容；為變?nèi)莨躊N結(jié)內(nèi)建電差（硅管=0.7V，鍺管=0.3V）；變?nèi)荻O管的電容變化指數(shù)，與頻偏的大小有關(guān)（小頻偏：選=1的變?nèi)荻O管可近似實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻，大頻偏：必須選=2的超突變結(jié)變?nèi)荻O管，才能實(shí)現(xiàn)較好的線性調(diào)頻）；為變?nèi)莨軆啥怂拥姆聪螂妷海?+=+ 。變?nèi)荻O管的Cj-v 特性曲線如圖（1-2）示，設(shè)電路工作在線性調(diào)制狀態(tài)，在靜態(tài)工作點(diǎn)Q處，曲線的斜率為 (1-9) 圖1-1變?nèi)荻O管部分接入的等效電路圖 圖1-3 變?nèi)荻O管的Cj-v特性曲線

9、直接調(diào)頻的基本原理是利用調(diào)制信號(hào)直接控制振蕩器的振蕩頻率，使其反映調(diào)制信號(hào)變化規(guī)律。要用調(diào)制信號(hào)去控制載波振蕩器的振蕩頻率，就是用調(diào)制信號(hào)去控制決定載波振蕩器振蕩頻率的元件或電路的參數(shù)，從而使載波振蕩器的瞬時(shí)頻率按調(diào)制信號(hào)變化規(guī)律線性地改變，就能夠?qū)崿F(xiàn)直接調(diào)頻。直接調(diào)頻可用如下方法實(shí)現(xiàn)：a.改變振蕩回路的元件參數(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻在LC振蕩器中，決定振蕩頻率的主要元件是LC振蕩回路的電感L和電容C。在RC振蕩器中，決定振蕩頻率的主要元件是電阻和電容。因而，根據(jù)調(diào)頻的特點(diǎn)，用調(diào)制信號(hào)去控制電感、電容或電阻的數(shù)值就能實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。調(diào)頻電路中常用的可控電容元件有變?nèi)荻O管和電抗管電路。常用的可控電感元件是具有鐵氧

10、體磁芯的電感線圈或電抗管電路，而可控電阻元件有二極管和場(chǎng)效應(yīng)管。b.控制振蕩器的工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻在微波發(fā)射機(jī)中，常用速調(diào)管振蕩器作為載波振蕩器，其振蕩頻率受控于加在管子反射極上的反射極電壓。因此，只需將調(diào)制信號(hào)加至反射極即可實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。若載波是由多諧振蕩器產(chǎn)生的方波，則可用調(diào)制信號(hào)控制積分電容的充放電電流，從而控制其振蕩頻率。變?nèi)荻O管直接調(diào)頻的工作原理圖與Multisim仿真結(jié)果為：圖9變?nèi)荻O管直接調(diào)頻的工作原理圖仿真結(jié)果為：圖10變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路的Multisim仿真結(jié)果變?nèi)荻O管直接調(diào)頻的工作原理圖與Multisim仿真結(jié)果為：圖9變?nèi)荻O管間接調(diào)頻的工作原理圖仿真結(jié)果為：【2】變

11、容二極管間接調(diào)頻不直接針對(duì)載波，而是通過(guò)后一級(jí)的可控的移相網(wǎng)絡(luò)。 將先進(jìn)行積分，而后以此積分值進(jìn)行調(diào)相，即得間接調(diào)頻。間接調(diào)頻實(shí)現(xiàn)的原理框圖如圖 1-1所示： 圖9 借助于調(diào)相器得到調(diào)頻波圖10變?nèi)荻O管間接調(diào)頻電路的Multisim仿真結(jié)果【3】鎖相環(huán)調(diào)頻電路鎖相環(huán)路是一種反饋控制電路，簡(jiǎn)稱鎖相環(huán)（PLL）。鎖相環(huán)的特點(diǎn)是：利用外部輸入的參考信號(hào)控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號(hào)的頻率和相位。因鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率對(duì)輸入信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤，所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。鎖相環(huán)在工作的過(guò)程中，當(dāng)輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)的頻率相等時(shí)，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖

12、住，這就是鎖相環(huán)名稱的由來(lái)。鎖相環(huán)通常由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）三部分組成。首先在Multisim軟件中構(gòu)造鎖相環(huán)的仿真模型(圖10)。鎖相環(huán)包含三個(gè)主要的部分：（1）鑒相環(huán)(或相位比較器,記為PD或PC):是完成相位比較的單元,用來(lái)比較輸入信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)的之間的相位.它的輸出電壓正比于兩個(gè)輸入信號(hào)之相位差。（2）低通濾波器(LPF):是個(gè)線性電路,其作用是濾除鑒相器輸出電壓中的高頻分量,起平滑濾波的作用.通常由電阻、電容或電感等組成，有時(shí)也包含運(yùn)算放大器。（3）壓控振蕩器（VCO）：振蕩頻率受控制電壓控制的振蕩器，而振蕩頻率與控制電壓之間成線性關(guān)系。圖中，鑒相

13、器由模擬乘法器A1實(shí)現(xiàn)，壓控振蕩器為V3，環(huán)路濾波器由R1、C1構(gòu)成。環(huán)路濾波器的輸出通過(guò)R2、R3串聯(lián)分壓后加到壓控振蕩器的輸人端，直流電源V2用來(lái)調(diào)整壓控振蕩器的中心頻率。仿真模型中，增加R2、R3及V2的目的就是為了便于調(diào)整壓控振蕩器的中心頻率。 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(gè)矛盾。其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。 壓控振蕩器+環(huán)路濾波器鑒相器晶體振蕩器 FM波 調(diào)制信號(hào)圖11鎖相環(huán)調(diào)頻電路原理框圖實(shí)現(xiàn)鎖相調(diào)頻的條件是調(diào)制信號(hào)的頻譜要處于低通濾波器通帶之外，也就是說(shuō)，鎖相環(huán)路對(duì)慢變化的頻率偏移有響應(yīng)，使壓控振蕩器

14、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(hào)的變化，振蕩頻率可以發(fā)生很大偏移。根據(jù)圖2建立的仿真電路如圖3所示。圖中，設(shè)置壓控振蕩器V1在控制電壓為0時(shí)，輸出頻率為O；控制電壓為5V時(shí)，輸出頻率為50kHz。這樣，實(shí)際上就選定了壓控振蕩器的中心頻率為25kHz，為此設(shè)定直流電壓V3為25V。調(diào)制電壓V4通過(guò)電阻R5接到VCO的輸入端，R5實(shí)際上是作為調(diào)制信號(hào)源V4的內(nèi)阻，這樣可以保證加到VCO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(guò)一個(gè)加法器來(lái)完成，但電路要變得相對(duì)復(fù)雜一些。圖12鎖相環(huán)調(diào)頻仿真電路VCO輸出波形和輸入

15、調(diào)制電壓V4的關(guān)系如圖4所示。由圖可見，輸出信號(hào)頻率隨著輸入信號(hào)的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)了調(diào)頻功能。圖13 鎖相環(huán)調(diào)頻電路仿真圖3.2.4、倍頻電路原理與仿真倍頻器實(shí)質(zhì)上就是一種輸出信號(hào)等于輸入信號(hào)頻率整數(shù)倍的電路，常用的是二倍頻和三倍頻器。倍頻器的主要作用是為了提升載波信號(hào)的頻率，使之工作于對(duì)應(yīng)的信道；同時(shí)經(jīng)倍頻處理后，調(diào)頻信號(hào)的頻偏也可成倍提高，即提高了調(diào)頻調(diào)制的靈敏度，這樣可降低對(duì)調(diào)制信號(hào)的放大要求。采作倍頻器的另一個(gè)好處是：可以使載波主振蕩器與高頻放大器隔離，減小高頻寄生耦合，有利于減少高頻自激現(xiàn)象的產(chǎn)生，提高整機(jī)工作穩(wěn)定性。正弦波二倍頻,可以用乘法器實(shí)現(xiàn)。 但是乘法器輸出的二倍頻正弦信

16、號(hào)幅值要比輸入低1/2，同時(shí),乘法器還輸出1/2輸入幅值的直流信號(hào),使用時(shí)要用隔直電路將其消除。本次課程設(shè)計(jì)我們采用的正是使用乘法器實(shí)現(xiàn)二倍頻。二倍頻電路如圖15所示。其仿真波形如圖16所示。圖14 二倍頻電路圖15 二倍頻仿真電路波形下面的為原正弦波，其頻率為1KHZ，上面的為倍頻后的波形，可見其頻率變?yōu)樵瓉?lái)的兩倍，幅值變?yōu)樵瓉?lái)的一半。此外，我們還做了多倍頻電路，電路圖及仿真波形如圖18、19所示圖16多倍頻電路圖17 多倍頻仿真波形圖3.3、總的電路設(shè)計(jì)圖16 調(diào)頻電路圖18總體設(shè)計(jì)3.4誤差分析由仿真波形可看到，波形并非是完美的正弦波，還是有點(diǎn)失真的，還有就是中心頻率還是存在一點(diǎn)誤差的，

17、 但是本次所設(shè)計(jì)的電路基本達(dá)到了任務(wù)書的要求，所設(shè)計(jì)電路的仿真水平，離設(shè)計(jì)指標(biāo)所要求的還一段距離。出現(xiàn)這些原因主要有以下四點(diǎn)：（1）設(shè)計(jì)電路時(shí)選擇元件不同會(huì)產(chǎn)生誤差；（2）電路的參數(shù)設(shè)置會(huì)產(chǎn)生誤差；（3）本身電路設(shè)計(jì)存在問題有待改進(jìn)；（4）各級(jí)電路接在一起時(shí)互相干擾。4. 結(jié)束語(yǔ)（設(shè)計(jì)的收獲、體會(huì)等）通過(guò)這次設(shè)計(jì)調(diào)頻發(fā)射機(jī)的課程設(shè)計(jì)，收獲良多，作為通信工程專業(yè)的學(xué)生，信號(hào)的接收調(diào)制傳送接收理應(yīng)是好生掌握的看家本領(lǐng)。但這次最大的收獲便是意識(shí)到自己在知識(shí)運(yùn)用上的不扎實(shí)。本次課程設(shè)計(jì)是通信原理的課程設(shè)計(jì)，基于通信原理的只是調(diào)頻發(fā)射機(jī)的工作原理不難理解與掌握，但功能電路的實(shí)現(xiàn)需要利用高頻電路原理與分析

18、中的知識(shí)來(lái)完成。高頻的學(xué)習(xí)難度相對(duì)較大，利用高頻的只是設(shè)計(jì)復(fù)雜的電路時(shí)，一開始感覺很棘手。于是我們小組分工合作，通過(guò)在互聯(lián)網(wǎng)上查資料，在電子閱覽室搜索相關(guān)論文，在閱覽室查找相關(guān)書籍，幾天下來(lái)，漸漸的對(duì)本次課程設(shè)計(jì)有了一定的把握，提升了自身提出問題解決問題的能力，也在小組合作中體會(huì)著集體的力量，期間遇見過(guò)種種困難，也不乏抱怨，但始終不曾想過(guò)放棄，四五天下來(lái)，得到鍛煉的不只是我們的知識(shí)水平，實(shí)踐能力，還有對(duì)待棘手問題的不躁不棄。另外，此次試驗(yàn)的仿真我們選用了仿真軟件Multisim，上個(gè)學(xué)期的電路課程設(shè)計(jì)曾經(jīng)初步接觸過(guò)這個(gè)仿真軟件，此次，對(duì)它強(qiáng)大的仿真功能有了更進(jìn)一步的了解與掌握，繪制電路階段，不斷的查找其元件庫(kù)中元件的詳細(xì)參數(shù)，對(duì)我們所需的元器件有了一定的把握，對(duì)此仿真軟件使用熟練程度也得到了加強(qiáng)。調(diào)制波形的過(guò)程復(fù)雜而棘手，很多時(shí)候自己感覺沒有問題的原理圖卻怎么也得不到理想中的仿真圖，這就需要我們耐心的差錯(cuò)調(diào)制，每一個(gè)正確波形的仿真成功都曾給我們帶來(lái)不小的成就感?？偠灾ㄟ^(guò)這次通信原理的課程設(shè)計(jì)，深切感受到理論應(yīng)用于實(shí)際中的難度，并認(rèn)識(shí)到理論聯(lián)系實(shí)際的重要性。我們做的調(diào)頻發(fā)射機(jī)所應(yīng)用到的理論知識(shí)都是書中經(jīng)典的知識(shí)點(diǎn)，因此對(duì)課本知識(shí)也有了進(jìn)一步的理解，同時(shí)也意識(shí)到自己對(duì)課本知識(shí)理解不夠