丙類倍頻器說明書

丙類倍頻器說明書(總28頁)-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-CompanyOnel-CAL-本頁僅作為文檔封面，使用請直接刪除湖鹵N學(xué)洗《通信電子線路》課程設(shè)計說明書丙類倍頻器學(xué)院：電氣與信息工程學(xué)院學(xué)生姓名：蘇指導(dǎo)教師：張松華職稱副教授專業(yè)：電子信息工程班級：電子1402學(xué)號：10完成時間：2016年12月

湖南工學(xué)院通信電子線路課程設(shè)計課題任務(wù)書學(xué)院：電氣與信息工程學(xué)院專業(yè)：電子信息工程指導(dǎo)教師張松華學(xué)生姓名課題名稱丙類倍頻器內(nèi)容及任務(wù)1、目標(biāo)：熟悉丙類倍頻器的結(jié)構(gòu)，原理，掌握電路設(shè)計和實物制作方法。cV=+12VP＞500mW2、內(nèi)容：已知條件：電源電壓cc。設(shè)計一個輸出功率。＞，利用產(chǎn)生一個輸出頻率f~"MHz，效率門＞75%的丙類倍頻器。3、要求：制作實際電路并成功調(diào)試，編寫設(shè)計計算說明書。主要參考資料1、胡宴如.高頻電子線路[M].北京：高等教育出版社，20122、謝自美.電子線路設(shè)計?實驗?測試（第三版）[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006.3、康華光.《電子技術(shù)基礎(chǔ)》模擬部分[M].北京：高等教育出版社,20064、張肅文，陸兆熊.高頻電子線路[M].北京：高等教育出版社，19925、路勇.電子電路實驗及仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，20046、陳松，金鴻.電子設(shè)計自動化技術(shù)Multisim2001&Protel99se[M].南京：東南大學(xué)出版社，2001教研室*意見教研室主任：（簽字）年月曰本設(shè)計介紹了丙類倍頻器的工作原理，與丙類功率放大器近似相同。主要是采用一些簡單的電子元件組合而成，即它是由放大電路和諧振回路組成。利用三極管的放大作用和LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)，選出合適的頻率信號，并且調(diào)諧在三次諧波頻率上，對于無用的頻率信號進行濾除，減少失真。設(shè)計過程中，先在Multisim12電路仿真軟件上進行了電路仿真，然后結(jié)合實際情況，繪制原理圖，購買元器件畫PCB電路圖，最后進行了實物制作和調(diào)試。調(diào)試結(jié)果，輸出信號的頻率是輸入信號的三倍，且輸出功率大于500mW，集電極效率大于75%，并且電路工作在丙類狀態(tài)，說明設(shè)計成功。關(guān)鍵詞：丙類倍頻器；LC諧振回路；S9018TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1緒論1\o"CurrentDocument"設(shè)計課題的研究意義1\o"CurrentDocument"設(shè)計課題任務(wù)及要求說明1\o"CurrentDocument"方案介紹1\o"CurrentDocument"主要性能指標(biāo)2\o"CurrentDocument"工作原理說明2\o"CurrentDocument"2丙類倍頻器電路的設(shè)計4\o"CurrentDocument"丙類倍頻器的原理分析及總電路框圖4\o"CurrentDocument"丙類倍頻器的單元電路分析及參數(shù)計算7\o"CurrentDocument"3丙類倍頻器的仿真9\o"CurrentDocument"Multisim仿真軟件簡介9\o"CurrentDocument"仿真電路的建立10\o"CurrentDocument"仿真結(jié)果分析10\o"CurrentDocument"4丙類倍頻器的結(jié)果及誤差分析13\o"CurrentDocument"實物操作說明13\o"CurrentDocument"調(diào)試數(shù)據(jù)13\o"CurrentDocument"誤差分析14\o"CurrentDocument"設(shè)計結(jié)論14\o"CurrentDocument"5設(shè)計總結(jié)與體會15\o"CurrentDocument"參考文獻17致謝18附錄19附錄A電路原理圖和PCB圖19附錄B電路實物圖20\o"CurrentDocument"附錄C元器件清單211緒論設(shè)計課題的研究意義在無線電發(fā)射機、頻率合成器等電子設(shè)備中的中間級,常需要通過倍頻器使輸出信號的頻率比輸入信號頻率成整數(shù)倍增加，不僅使工作頻率提高，在調(diào)頻系統(tǒng)中還可以擴大頻偏。采用倍頻器一是可以降低電子設(shè)備的主振頻率,對提高設(shè)備的頻率穩(wěn)定度有利。因為振蕩器的頻率越高，頻率穩(wěn)定度就越差，一般主振器頻率不宜超過5MHz。因此，當(dāng)發(fā)射機頻率高于5MHZ時，通常采用倍頻器。二是在通信機的主振器工作波段不擴展的條件下，可利用倍頻器擴展發(fā)射機輸出級的工作波段。例如,主振器工作在?3)MHz,在其后采用放大倍頻級，該級在波段開關(guān)控制下，既能工作在放大狀態(tài)，又能工作在二倍頻或四倍頻狀態(tài)。這樣，隨波段開關(guān)的改變，發(fā)射機輸出級就可獲得?3)MK(3?6)MK和(6?12)MHZ三個波段的輸出。三是在調(diào)頻和調(diào)相發(fā)射機中，采用倍頻器可加大頻移或相移，即可加深調(diào)制深度。倍頻器的種類有多種，本次課設(shè)是利用晶體管的非線性電阻效應(yīng)，基于丙類放大器工作原理的丙類倍頻器，效率高、失真小。本課題將就丙類倍頻器的工作原理、參數(shù)計算、元件選取、電路仿真、電路調(diào)試等做詳細(xì)的介紹和說明。設(shè)計課題任務(wù)及要求說明設(shè)計任務(wù)提供電源電壓匕廣+12V，設(shè)計一個輸出功率Po-5007nW，利用示波器產(chǎn)生一個輸出頻率f0澆12MHz，效率門〉75%的丙類倍頻器。設(shè)計要求制作實際電路和仿真電路并成功調(diào)試。方案介紹丙類倍頻器設(shè)計是利用晶體管的非線性電阻效應(yīng)，基于丙類放大器工作原理。丙類放大器晶體管集電級電流脈沖中含有豐富的諧波分量，如果集電極調(diào)諧回路諧振在二次或三次諧波頻率上，放大器就主要有二次或三次諧波電

壓輸出。這樣丙類放大器就成了二倍頻器或三倍頻器。在本次設(shè)計當(dāng)中，需要的是三倍頻器，原理框圖如圖所示：圖1圖1丙類倍頻器原理框圖主要性能指標(biāo)（一）變頻增益三倍頻器輸出電壓振幅Vim與高頻輸入信號電壓振幅Vsm之比，成為變頻電壓增益或變頻放大倍數(shù)，表示如下：A二匕m變頻電壓增益區(qū)Vom另一種表示方法為A=pc更高頻輸出信號功率尸高頻輸入信號功率尸’s顯然，變頻增益更高高對提高接收機的靈敏度有利。（二）失真和干擾失真有頻率失真和非線性失真。由于非線性還會產(chǎn)生組合頻率、交叉調(diào)制與互相調(diào)制、阻塞和易倒混頻干擾。這些是三倍頻器產(chǎn)生的特有干擾。（三）選擇性接收有用信號，排除干擾信號的能力決定于高頻輸出回路的選擇性是否良好。（四）噪聲系數(shù)三倍頻器的噪聲系數(shù)對接收設(shè)備的總噪聲系數(shù)影響很大，應(yīng)盡量低。這就要求很好的選擇所用器件和工作點電流。工作原理說明丙類倍頻器與丙類諧振功率放大器的工作原理基本相同。不同之處在于丙類倍頻器的集電極諧振回路是對輸入頻率'的n倍頻諧振，而對基波和其它諧波失諧，因而c中的n次諧振通過諧振回路獲得最大電壓，而基波和其它諧波被濾除。本次設(shè)計的三倍頻器的諧振回路的fo為3孔，所以，回路可以選出三次諧波、輸出頻率為3fi的電壓信號，并濾除基波和其它諧波信號。2丙類倍頻器電路的設(shè)計丙類倍頻器的原理分析及總電路框圖基極電路的電壓有以下關(guān)系:丙類倍頻器與丙類諧振功率放大器的工作原理基本相同，只是在輸出諧振回路上調(diào)諧于輸入頻率的諧波頻率，因而集電極上呈現(xiàn)的交變電壓的頻率為輸入頻率的倍頻。如圖2所示，v=v+V=Vcoswt+V(1)基極電路的電壓有以下關(guān)系:參看圖3,可知ic為:coswt+V-V),Vcoswt>V-V(2)集電極電流流通角七滿足:因而有:Vcos9=V-VbmcthBBV-V

=arccosbbVbm（3）將式因而有:Vcos9=V-VbmcthBBV-V

=arccosbbVbm（3）將式（3）代入式（2）得:i=gV(coswt-cos9),|wt-2k叫<9

ccbmcc(4)集電極電流ic的最大值為:i=gV(1-cos9)ccbmc（5）利用傅里葉級數(shù)分解，ic可表示為：cos(wt)-cos9r小、，/c、，r/c、c=Ia(9)+1a(9)coswt++1a(9)1-cos9Cm0cCm1cCmncccCmaxcosnwt由圖定。由式（6）3可以看出，七為余弦電流脈沖，其形狀可由Is和9°兩個參數(shù)確（6）可知集電極電流包含豐富的諧波分量。由于圖1中集電極經(jīng)過FI——、|i|—van-vcc圖2丙類頻器電路原理圖t3圖3集電極電流和基極輸入電壓關(guān)系

圖4余弦脈沖電流分解系數(shù)曲線倍頻器的集電極效率可表示為：式中n為倍數(shù)，從式（7）可知需適當(dāng)選取6c的值，使氣^也盡可能大，不同的倍頻次數(shù)最佳流通角也是不同的。最佳^值可用1200/「計算。由余弦脈沖分解系數(shù)可知，無論導(dǎo)通角6為何值，a「均小于a1，即在其他情況相同條件下，丙類倍頻器的輸出功率和效率將遠(yuǎn)低于丙類放大器，且隨著次數(shù)n的增大而迅速降低。為了提高倍頻器的輸出功率和效率，要選擇適當(dāng)?shù)膶?dǎo)通角6。由圖4可得，該電路最佳導(dǎo)通角6為40°?？傠娐房驁D如圖5所示：

圖5總電路圖丙類倍頻器的單元電路分析及參數(shù)計算小信號放大電路小信號放大模塊按晶體管連接方法可區(qū)分：共基極、共發(fā)射極和共集電極放大器。丙類倍頻器設(shè)計采用的是共射極放大電路，基極輸入，集電極輸出，電壓、電流、功率均放大。從圖6小信號放大模塊可知，這部分的作用的是對所接受到的微弱信號通過晶體管進行信號放大。三極管選用了放大倍數(shù)在100-200倍之間的BC547A，在實物制作時用了差不多放大倍數(shù)的S9018。R2、R3和可調(diào)電阻［串聯(lián)的射極電阻決定了晶體管的靜態(tài)工作點。而且改變〔的大小可以改變放大器的增益，實現(xiàn)電阻可調(diào)，靜態(tài)工作點可調(diào)，使三極管工作在放大區(qū)。電路如圖6所示；圖6小信號放大模塊單元電路元器件參數(shù)說明：為了便于分析，應(yīng)用等效電源電路，對圖6的基極電路的直流供電電路進行變換并簡化。如圖7所示;圖7輸入簡化電路在圖7中，V=V?R2R=Ri*R2V=12VBBccR+R，bR+R，CC1212根據(jù)經(jīng)驗值，取R2二,R3二，為使靜態(tài)工作點可調(diào)，加入可調(diào)電阻R4，所得到的Vbb"4V左右，使三極管可正常工作。L1和C3為前置濾波器，取L1=10mH,C3=47uF。注意在電路不工作時，可以改變晶體管靜態(tài)工作點及參數(shù)。本振的輸出電壓不能太低，又要使三極管工作在非線性區(qū)，故選IV。諧振回路諧振回路由電感和電容構(gòu)成，它們的連接方式不一樣，形成的諧振回路也不一樣。串聯(lián)為串聯(lián)諧振回路，并聯(lián)為并聯(lián)諧振回路。設(shè)計中采用的是并聯(lián)諧振回路它具有選擇信號及阻抗變換，兩個或更多個諧振回路串聯(lián)可以構(gòu)成帶通濾波器。并聯(lián)諧振回路的諧振頻率為：f0=1如LC。本次課題仿真設(shè)計選用LC并聯(lián)諧振回路，但在考慮到LC回路在現(xiàn)實中不方便調(diào)諧，故而實物制作時我們選用了10MHz的中周代替。電路如圖8所示；——1C447pFtBC&ITJSi圖8諧振回路單元元器件參數(shù)說明：由于要選出三倍頻，RC回路的振蕩頻率為3w，故3wl=,(lc3wc(8)通過計算得出，諧振回路中電容C二，電感L=10uH。諧振回路可調(diào)諧在頻率為12MHz。電容C4的目的是隔直通交，所以選取C4=47uf。3丙類倍頻器的仿真Multisim仿真軟件簡介Multisim是一個完成原理電路設(shè)計、電路功能測試的虛擬仿真軟件。它的元器件庫提供數(shù)千種電路元器件供實驗選用，同時可以新建或擴充已有的元器件庫。Multisim有較先進的電路分析功能，可以設(shè)計、測試和演示各種電子電路，可以對被仿真的電路中的元器件設(shè)置各種故障。在進行仿真的同時，軟件還可以存儲測試點所有數(shù)據(jù)。它具有以下突出的特點：設(shè)計與實驗可以同步進行，可以邊設(shè)計邊實驗，修改調(diào)試方便；設(shè)計和實驗用的元器件，可以完成各種類型的電路設(shè)計與實驗；

可以方便的對電路參數(shù)進行測試和分析；可直接打印輸出實驗數(shù)據(jù)、測試參數(shù)、曲線和電路原理圖；實驗中不消耗實際的元器件，種類和數(shù)量不受限制，速度快，效率高；設(shè)計和實驗成功的電路可直接在產(chǎn)品中使用。仿真電路的建立使用Multisim建立電路模型，設(shè)計一個輸入信號為4MHz的正弦波，輸出為12MHz的丙類倍頻電路。根據(jù)丙類倍頻器電路原理，在Multisim軟件平臺選取相應(yīng)的元器件，并選好參數(shù)。設(shè)計的仿真原理圖如圖9所示：C347pFR7—1圖9丙類倍頻器仿真原理圖C347pFR7—1仿真結(jié)果分析設(shè)置好電路以后，開始仿真。仿真結(jié)果分析：電感L2和電容C5均設(shè)計為可調(diào)的電感電容。在仿真過程中，改變可調(diào)電容的大小，觀察頻譜儀XSC1使輸出信號頻率的最大值在12MHz處。當(dāng)輸入端的正弦波信號源V1為4MHz時，通過計算L2和C5構(gòu)成的并聯(lián)諧振回路應(yīng)調(diào)諧在三倍頻12MHz。因為最佳導(dǎo)通角9=400，所以有cos9=0.766，a(6)=0.147，a(6)=0.165。選用的三極管BC547A的參數(shù)ft=300MHz，在fb=4MHz時計算的電流放由于軟件本身存在一些問題，導(dǎo)致波形有點失真但不影響測量結(jié)果，通過測量得知，仿真輸入波形的周期為，如圖10所示；輸出波形的周期為，如圖11所示。由圖可知：輸入信號的振幅Vbm=1.4V，假設(shè)基極體電阻r^=20。，所以：IbmV(1-cos0)r'bb(9)16.38mAI=&I=1228.5mA=1.228AI=aI=0.2026A因為Ucm=5.5V，所以：p=21U=0.557W>500mW(10)(11)(12)1?S(0)?Ucm>75%Vcc—■2a(0)0(13)由此可知，設(shè)計的丙類倍頻器可以進行三倍頻，達(dá)到設(shè)計要求。小波辜-XSC1TL[f±12SST2-T1謹(jǐn)生:|o~virgin■*a：LI5a.l2QiiK3M.A(J2nfl25l.2fl2nsLAOlM1.A05\J.523eV1.?1DU901.92?m'l-6D7.273nWn/3rr：wci呻『_X年匹JP#Q|國T1質(zhì)如II日堆Ihb醐AIB：2加rv丫翰位玨ttSjM叵匚I主玉IEF^~I迎?-水平：圖10丙類倍頻器波形圖一X標(biāo)度；IMilS^lv一孔.蕓：Ng虹藝：2枷vS：f1am0(1X袖?由冊0Y袖由㈱:W■■袖七^『杳）：0.2^-：[qV寸］沿m6色施1變院IE首流*交充0宜旅1單點1正常1自幼1〒圖11丙類倍頻器波形圖4丙類倍頻器的結(jié)果及誤差分析實物操作說明由于中周的限制，只能使用實驗室的數(shù)字信號發(fā)生器給丙類倍頻器提供的高頻信號，接入輸入端J1，使用直流穩(wěn)壓源提供+12V電壓接J3端口，示波器接電路的輸出端J4，觀察波形和頻率。調(diào)試數(shù)據(jù)將數(shù)字信號發(fā)生器調(diào)節(jié)在，100mv，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R4使三極管正常工作，此時基極電壓為4V左右。此時觀察示波器，輸入信號為正弦波，頻率約為，如圖12所示；輸出波形如圖13所示：1—r將數(shù)字信號發(fā)生器調(diào)節(jié)在，100mv，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R4使三極管正常工作，此時基極電壓為4V左右。此時觀察示波器，輸入信號為正弦波，頻率約為，如圖12所示；輸出波形如圖13所示：1—r,干吁番伊I7I，StopMPos：O.OOjji5■IIII|i■ITif_MeasuretF頻率9.62MHz■平均值-4QWML返回rt周期104.00ns峰峰值10.40mV-上升時間280.00ns均方根L79mV信源下降時間14.00nsGH2—J正脈寬4,00ns頂端值5.20mVij負(fù)脈寬12,00ns底端值-43QmV1電壓類t過沖Qg中間值O.OOmV預(yù)沖4g最大值5.20mV正占空比25.0^最小值-5,20mV時間類負(fù)占空比730M幅度10.30mV胡右余魏1DhlOff■glOOmVM50.0nsMathO-FfBCH2/(LOOaV圖12輸出結(jié)果圖誤差分析設(shè)計要求中，要求提供電源電壓匕廣+12V，設(shè)計一個輸出功率Po-500fnW，利用波形發(fā)生器產(chǎn)生一個輸出頻率f^注12MHz，效率門〉75%的丙類倍頻器。因為實際電路使用的是10MHz的中周，當(dāng)輸入為，輸出約為，存在誤差。分析導(dǎo)致誤差的原因如下：實物的實際值與理論值有一定的差距。實際買來的電阻、電容與仿真要求的值有也差異。性能指標(biāo)參數(shù)的測量方法存在一定的誤差。在調(diào)試過程中，我們通過直接觀察波形的幅度與相位的大小來確定電路是否倍頻。而實際輸出信號的周期并不穩(wěn)定。從而導(dǎo)致測量誤差。實驗儀器設(shè)備的老化等也會導(dǎo)致電路調(diào)試過程出現(xiàn)誤差。設(shè)計結(jié)論由以上調(diào)試結(jié)果可知，經(jīng)過電路設(shè)計，仿真設(shè)計，得出能夠?qū)崿F(xiàn)三倍頻的丙類倍頻器，輸出功率Po-500mW，效率n>75%。當(dāng)輸入信號為f廣，輸出信號fo約為10MHz左右，且不穩(wěn)定。可知實際制作與仿真之間存在較大的誤差。但能夠達(dá)到設(shè)計要求。5設(shè)計總結(jié)與體會通過長達(dá)兩周的自我學(xué)習(xí)和嘗試，終于完成了本次課程設(shè)計。丙類倍頻器是較簡單的課題，但對于初次接觸高頻課程設(shè)計的人來說，這是一個不小的挑戰(zhàn)。在設(shè)計的前期，需要查閱了大量的資料，對丙類倍頻器有了一個大概的認(rèn)識，對丙類倍頻器的工作原理也有一定的分析和研究。丙類倍頻器主要由兩部分組成，放大環(huán)節(jié)和倍頻環(huán)節(jié)。放大環(huán)節(jié)就是小信號放大電路，倍頻環(huán)節(jié)就是在丙類功率放大器的基礎(chǔ)上，通過諧振回路選出合適的諧波分量。本次課程設(shè)計讓我對書本內(nèi)的所學(xué)知識得到了更深的認(rèn)識，使我掌握的更為牢固了。不僅如此，也學(xué)到了很多書本外的知識，需自己查閱資料來完成任務(wù)，使得我的自學(xué)能力以及對知識的自我理解能力得到了提升。在設(shè)計的過程中，首先我們先查閱資料，相當(dāng)于一個學(xué)習(xí)的過程。通過所查閱的資料，我們研究原理、進行仿真、比較方案及選定方案，在這個過程中，我們所掌握的知識成為了關(guān)鍵，一開始選了個較為復(fù)雜的電路，結(jié)果無法實現(xiàn)，最后又對書本知識進行了復(fù)習(xí)和深究，同時在老師的指導(dǎo)下，選出了一個簡單可行的方案。選出方案后，我們就去購買元器件了，制作實物。按照仿真電路圖制作出來的實物卻有很多問題。進行調(diào)試時，輸出波形不穩(wěn)定，頻率也不對。在老師的悉心指導(dǎo)下，我們知道了因為在LC諧振回路難以調(diào)試，只能用中周代替。最后在我們組成員的共同努力之下，終于成功做出了丙類倍頻器。本次設(shè)計仿真成功而完全按照仿真數(shù)據(jù)完成的實物卻無法成功