高频电子线路课程设计--AM波调制解调电路设计.docx

目录摘要2方案论证3单元电路设计3问题及解决方案13元器件清单13心得体会13参考文献15摘要:本次课程设计，我组以AM波调制解调电路设计为课题，借助MUItiSim仿真软件，运用调幅方式达到信号的调制、解调的要求。设计思路即运用电容三端式反馈振荡器产生高频交流电信号作为载波，通过基极调幅电路将调制信号附加在高频载波上调制，得到已调信号发送出去，然后经过包络检波电路解调和LC式集中选择性滤波器滤波，输出低频调制信号，最后通过三极管放大，输出最终信号。每个通信系统都必须有发送设备，传输媒质，接收设备，本次设计主要完成其中主要的调制解调过程。一、方案论证1、高频振荡器方案一：采用互感耦合振荡器产生高频振荡，互感耦合振荡器有三种形式，调集电路，调基电路和调发电路，这是根据振荡回路在集电极电路、基极电路和发射极电路来区分的。优点是在调整反馈时，基本上不影响振荡频率。但是，它们的工作频率不宜过高，一般用于中、短波波段。方案二：采用电感反馈式三端振荡器产生高频振荡，优点容易起振，改变回路电容时，基本不影响电路的反馈系数。工作频率较高时，波形失真较大。方案三：采用电容反馈式三端振荡器产生高频振荡，优点是输出波形较好，适用于较高的工作频率。由于设计指标采用IMHZ的载波，属于高频范围，因此经过比较，振荡器部分选用方案三。2、调幅电路方,一：采用平方律调幅，主要利用电子器件的非线性特性进行调制，这种方法得到的调幅度不大。方案二：采用残留边带调幅，优点是节约频带和发射功率，但是调制与解调都比较复杂。方案三：采用基极调幅，就是用调制信号电压来改变高频功率放大器的基极偏压，以实现调幅。优点是所需的调制功率很小，但平均集电极效率不高。综合实用性、实现难易程度等多方面因素，调幅电路选择方案三。3、解调电路方案一：采用同步检波，它的特点是必须加一个频率和相位都与被拟制的载波相同的电压。过程比较复杂。方案二：采用包络检波，主要采用二极管的单向导电特性和检波负载RC的充放电过程。使用的器材简单，电路也简单易懂，对于比较适合用于AM检波。因此，经过比较，选择方案二。4、漉波器方案一：采用石英晶体滤波器，优点是QQ值极高，但滤波器的通带宽度不大。方案二:采用LC集中式选择性滤波器，电路简单易懂，比较适合用于简单的滤波。因此，经过比较，选择方案二。5、低频放大经过比较选择，最后选择用三极管的放射电路，输出频带较窄，常用于低频电压放大电路的单元电路。二、单元电路设计：（-）整体概念和总框图a）调制是在发送端将所要传送的信号（频率较低）“附加”在高频振荡上，再由天线发射出去。其中高频振荡波上携带信号的“运教工具”，即载波。本次设计采用高电平基极调幅电路。b）检波是在接收端经过解调，把载波所携带的信号取出来，得到原有信号的过程。包络检波器即还原所得的信号，与高频调幅信号的包络变化规律一致。c）系统分为高频振荡、基极调幅、包络检波、滤波和低频放大五个部分。系统整体框图如图1：低频信号A载波调制信号图1整体框图（-）单元电路设计原理及电路图：1、振荡电路振荡器是能自动地将直流电源能量转换为一定波形的交变振荡信号能量的转换电路。其中反馈式振荡器是在放大器电路中加入正反馈，当正反馈足够大时，放大器产生振荡，成为振荡器。振荡器起振条件要求AF>1,振荡器平衡条件为:AF=L它说明在平衡状态时其闭环增益等于Io在起振时A>1F,当振幅增大到一定的程度后，由于晶体管工作状态由放大区进入饱和区，放大倍数A迅速下降，直至AF=L此时开始产生谐振。假设由于某种因素使AFG,此时振幅就会自动衰减，使A与1/F逐渐相等。本设计中振荡部分采用电容反馈振荡器。由于反馈主要是通过电容，所以可以削弱高次谐波的反馈，使振荡产生的波形得到改善，且频率稳定度高，又适于较高频段工作。振荡电路如图1_1：图IT振荡电路图参数计算：LC振荡器由基本放大器、选频网络和正反馈网络三个部分组成。为了维持振荡，放大器的环路增益应该等于1,即AF=I,因为在谐振频率上振荡器的反馈系数为C3/C2,所以维持振荡所需的电压增益应该是F=CC2.电容三点式振荡器的谐振频率为fo=l2L（C3C2/C3+C2）1/2为使振荡频率为IMHz,故设置参数为Cz=IOnF、C3=3nF、L=IOuH,经过计算f°=1.06MHZ,基本满足要求。为满足三极管的工作及起振条件，设置参数V2=12VR3=10K,R4=3K>R5=2K、R6=1K、C4=20uFo通过仿真实验，可得到仿真波形（如图1-2）可测出f。频率数据（如图1-3）,可知f=L017MHz,输出振幅约为3V,与理论计算的结果相差不大，与所需的频率相近。Oscilloscope-XSCl图1-2振荡器输出波形图1-3振荡器频率2、基极调幅采用高电平调幅中的基极调幅电路。高电平调幅是在功率电平高的极中完成调幅过程。其中基极调幅是调制信号电压来改变高频功率放大器的基极偏压，以实现调幅，图中放大器的有效偏压等于基极端输入电压，它随调制信号波形而变化。在欠压状态下，集电极电流的基波分量Lml随基极电压成正比变化。集电极的回路输出高频电压振幅将随调制信号的波形而变化，因此基极调幅电路必须总是工作于欠压状态。调幅电路图如图2-1,其中调制信号振幅为IV,频率为IKHZ,高频载波振幅为3V,频率为IMHZ。图2-1高电平基极调幅电路图参数计算：设静态工作点：为使三极管工作在放大区，即在欠压状态，可取R1=2K,R2=lKo为使回路的频率为IMHz,由f0=l2(C1*L)1/2,可取Cl=250pF,L取两端电感IOOuF的变压器。已调波输出波形如图2-2:3、解调电路本次设计采用包络检波电路，主要是利用二极管的单向导电特性和检波负载RC的充放电过程。原理图如图3-1,其中，C为负载电容，它的值应选取得在高频时，其阻抗远小于并联的电路电阻，可视为短路，而在调制频率时，其阻抗则远大于并联电路电阻，可视为开路。此时输入的高频信号电压%较大。由于负载电容C的高频阻抗很小，因此高频电压大部分加到二极管D上。在高频信号正半周，二极管导电，并对电容器C充电，使电容器上的电压V。在很短时间内就接近高频电压的最大值。这个电压建立后通过信号源电路,又反向地加到二极管D的两端。二极管导通与否，由电容器C上的电压Vo和输入信号电压H共同决定。当高频电压由最大值下降到小于电容器上的电压时，二极管截止，电容器就会通过负载电阻R放电。由于放电时间常数RC远大于高频电压的周期，故放电很慢。当电容器上的电压下降不多时，高频第二个正半周的电压又超过二极管上的负压，使二极管导通。为防止产生负峰切割失真，考虑了耦合电容C和低放输入电阻Ri。包络检波电路原理图如图3-1:*：；图3-1包络检波电路图参数计算：检波器输出是在一个直流电压上叠加了一个高频交流信号，即：v0(t)=V0+v(t)为了有效地将检波后的低频信号耦合到下一级电路，要求lCc=Ri,直流分量的大小近似为输入载波的振幅，即：V0V询为防止失真：(1)为使不产生惰性失真，必须满足。.R(X=L5因此可取C3=100nF,R6=lKo(2)为使不产生负峰切割失真，必须满足m<u(R+ri2)=RQR(mi=0.6),因此若取R=2KQ,可取R=IKQ。(3)为使不产生频率失真，必须满足1/(QminC5)«ri2因此可取C5=20uFo解调后信号频谱如图3-2:图3-2解调频谱解调后信号的中心频率为1.005KHz,基本达到预期效果。下图为已调波与输出调制信号波形对比，如图3-3和图3-4：#Oscilloscopc-XSCl图3-3已调波波形图铲Oscilloscope-XSC23-4调制信号波形图4、LC集中式选择性滤波器它由六节单节滤波器组成，Zl为每单节串联电容阻抗，Z2为并联阻抗。则该滤波器的传通条件为0Z4Z2-l,即在通带内，要求阻抗Zl和Zz异号，并且4Z?|>Zl,当f>f2时，Zl和Z2同号，都是容性，因此是阻带。当f<f<f2时，Zi和Z2异号，且满足4Z2>z1,故在此范围内为通带。当时，虽然Zl与Zz异号，但4Z2<ZJ,因而是阻带。多节滤波器是由单节组成的。在通带内无衰减，即衰减数为零；在阻带内，衰减常数迅速增大，意味着f>f2与f<6的频率分量受到很大衰减。与f2为截止频率，中心频率f=(flf2)iz%滤波器的通带宽度为Af=f2-fl滤波器电路如图4-1：图4TLC集中式选择性滤波器电路图参数计算：Cl=C2=C3=C4=C5=20uF>C6=C7=C8=C9=CIO=Cll=253nF>L1=L2=L3=L4=L5=L6=1OOmH,所以f2=l2CLiz2=1KHZ,通频带为OHz-IKHzo5、低频放大器低频放大器的主要任务是向负载提供较大的信号功率，故功率放大器应具有以下几个主要特点：输出功率要足够大；效率要高；非线性失真要小。低频放大器原理图如图5-1：图5-1低频放大电路图参数计算：设置静态工作点Q：VCC=12V,UBQ=R6(R6+R1)IEQ=(UBQ-UBEQ)/R4UCEQ=VCC-ICQ(R2+R4)IBQ=EQ/(l+a),其中a为放大倍数因此，可选择R1=15K,R6=5K,R2=12K,R4=6K,R5=20K,Cl=C2=C3=luFo输入波形为IKHz,振幅为ImV的正弦波，据仿真得到振幅为200mV的IKHz的正弦波,放大倍数A=2000接入总电路中，得到的放大波形如下面总仿真波形结果图中的图6-5.()设计总电路图(如图2):XSC2图2调制解调设计总电路图各部分仿真波形输出：1、总电路中输出的高频振荡波形如图6T2、吻0scilloscope-ZSC4图6-1总电路中的振荡波形图总电路中输出的已调波波形如图6-2：图6-2总电路中输出的已调波波形图3、总电路中包络检波输出波形如图6-3图6-3总电路中包络检波输出波形图4、总电路中LC集中选择性滤波器输出波形如图6-4图6-4总电路中LC集中选择性滤波器输出波形图5、总电路中低频信号放大输出波形如图6-5soJChannMJkATn99*$Cale00WDZ$ol«mM>v_Wfi下二JEXpostMn-YpostioofUwl577Fj55JAejACOd-1GCC1的9.|No.Ato*HonP图6-5总电路中低频信号放大输出波形图6、输出频谱如图6-6三、问题及解决方案问题：1、关于元器件型号的选择问题：参考书上给出的元器件在仿真软件上找不到，而软件中的元件库太过庞大，想找到理想中的元器件如同大海捞针，不知如何选择。解决方法：我们尝试在网上下载有关元件的详细参数，但是由于所下载的资料大多是英文的，给阅读和理解带来很大的困难；此外我们还采用了最笨的方法解决这个问题，那就是试探法，经过查找和试探，最终勉强解决了这个问题。2、关于各模块间的级联问题：在模块连接中由于输入输出负载发生了变化，使得各部分波形发生了不同程度上的失真。解决方案：在容易发生级联影响的模块间改用变压器耦合，基本解决此类问题，也可在模块间采用射极跟随器隔离缓冲。3、包络检波部分的两个二极管反向会有什么影响？答：造成输出波形反向，与原输出波形相位相差180度。四、元器件清单：1、三极管：2N2222A两支、2N2218A一支；2、二极管：1N6096两支；3、电源：+12V电源一个;4、变压器：单边电感分别为IOUH和IOoUH的1：1变压器各一个；5、电容、电感、电阻若干。五、心得体会：这次高频电路课程设计的难度远远超出我们最初的想象。从开始构想、查找搜集资料到方案选定、各个模块的实现、细化，直到趋于完善，其中我们遇到了重重困难。我们逐渐意识到所谓设计，并不是书本知识的生搬硬套，而是知识的灵活应用，理论与实际的密切结合，是精密的计算，全面的考虑，更是团队的合作与努力。经过这次课程设计，我们学到了知识，积累了经验，对于高频电子电路有了更深的理解，同时也发现了自身存在的很多不足。在设计过程中，我们深切地感受到科学的广袤无垠和独特魅力，尤其是我们正在学习的电子信息领域。书山有路勤为径，学海无涯苦作舟，在科学的道路上我们还有很长的路要走，但我们争取一步一个脚印，把每一步都迈得漂亮！六、参考文献：1 .高频电子线路，张肃文，高等教育出版社，1993年2 .电子线路设计，罗杰、谢自美，电子工业出版社，2008年3 .电子电路设计与制作，晶体管技术编辑部【日工2005年4 .高频电路，清华大学通信教研组，人民邮电出版社，1980年5 .电子电路设计与实践，姚福安，山东科学技术出版社，2003年6 .实用电子系统设计基础，姜威，北京理工大学出版社，2008年1月7 .电子创新与实践，王松武，国防工业出版社，2005年8 .电子工程世界网，http