毕业设计（论文）调幅发射机仿真与分析.doc

毕业设计（论文）题 目调幅发射器的仿真与分析 系 （院）专 业班 级学生姓名学 号指导教师职 称六月十八日独创声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果由本人承担。作者签名:年六月十八日 毕业设计（论文）使用授权声明本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。（保密论文在解密后遵守此规定） 作者签名:年六月十八日引言进入21世纪，科学技术发展日新月异，信息技术发展更是迅猛，信息技术产品的更新速度像火箭一般，每一刻都在发生变化。信息的传播对于我们日常生活越来越重要，信息传播技术也因此得到迅猛发展。无线技术作为一种重要的信息传播技术，技术的创新和发展十分活跃，各种技术的相互独立发展和有机的融合促进了人类社会的大发展。现在移动通讯、卫星通信、导航、遥感测距等几十种无线电的业务深入我们的生活，深入到社会生活的方方面面，我们日常生活中的电视、通信、交通，以及航空航天、气象都体现了无线电技术的广阔应用。科技的发展推动了经济全球化的进程，也促进了全世界的信息交流。随着科技的发展，人与人之间的距离越来越近，全世界的人在一起交流信息，共建地球村需要超远距离的信息传播技术，调幅技术将会获得很大应用前景，更快的传播信息，最大可能的降低信号的失真是未来调幅技术的发展方向。在调幅技术的基础上衍生出多种通信技术，对调幅技术的研究可以对加深对通信技术的总体认识，能够更加清醒的认识通讯技术的未来。调幅发射机是调幅技术的基础硬件设备，在各种无线电通讯系统中应用广泛，在中短波领域更是被广泛的应用。在发射机中因为调幅容易，相比较其他的发射机所需要的带宽资源较低，而且配套设备并不复杂，所以成为一种常用的发射技术。摘要无线电调幅发射机在各种无线电通讯系统中应用广泛，在中短波通信广播领域更是被广泛的应用。调幅发射机相对其他发射机有很多优势，在发射机中因为调幅容易，相比较其他的发射机所需要的带宽资源较低，而且配套设备并不复杂，所以成为一种常用的无线电发射技术。本课题的设计目的是设计一个简易的无线电调幅发射机，并使该系统包含高频振荡器、调制器、放大器等基础单元，并对该系统电路、每个部分的电路仿真，并且测试。这次利用Multisim软件设计仿真并分析无线电调幅发射机电路。Multisim软件能够帮我们更好更快的的设计出我们需要的电路，并能很好的仿真出图形和数据，进行有效的数据管理。Multisim等设计仿真软件有效的提高了研发人员在电子、机械制造等行业的产品设计效率和质量，利用这些软件帮助开发人员进行产品开发已经成为一种趋势和必然，为了提高我们的实际操作能力我们应该学会并熟练掌握这些设计软件。第一章 设计的意义和要求1.1调幅发射机初步了解无线电调幅发射机相对其他发射机有很多优势，在发射机中因为调幅容易，相比较其他的发射机所需要的带宽资源较低，而且配套设备并不复杂，所以成为一种常用的信息传递技术。现在，各种先进的通讯技术快速发展，日新月异，通信行业的竞争日趋激烈，各种技术层出不穷，但是无线电调幅发射机仍然具有它的优势。本次毕业设计是以在校所学理论知识为基础，在Multisim软件辅助下设计并仿真一个无线电调幅发射机，提高我们实际操作能力。无线电调幅发射机是由主振级产生载波信号，在调制级被调制信号改变振幅，在这个过程中需要传递的信号（即调制信号）加入到高频载波信号中去，然后发射传播出去，达到传递信息的目的。1.2设计的背景上个世纪初调幅技术在美国开始，蔓延向了全世界，成为一种时尚的高效的信息传送技术，取代了狼烟，快马，信鸽等古老的通讯方式。上世纪20年代调幅技术产生，最先在美国发展起来，并迅速成为一种流行的信息传播技术，促进信息的大发展，无线广播成为大众了解实时国家和世界政治军事和商业信息的最好工具，并随之从美国蔓延到全世界，欧洲、美洲、亚洲、非洲、大洋洲建立起一座座广播信号塔，公共场所和家家户户装备了收音机，足不出户就可以了解全世界信息。在之后的近百年里，科学的发展使得各种信息传播技术层出不穷，日新月异，但无线电调幅发射技术仍然是一种最广泛，最普遍的大众信息传播工具。我国发展调幅广播的历史可追朔到上世纪的民国时期，至今已有近百年。中国最早的广播电台是美国人建的，之后东北军支持刘翰建立中国人自己的广播电台，新中国成立后无线广播系统是由中央人民广播电台和各级地方广播电台共同组成的。改革开放以来。来我国的条幅广播事业得到巨大发展，我国是AM广播的大国，随着我国基础设施建设和信息通讯的发展，在一些偏远地区还将继续扩大AM广播的规模,促进对边远山区的帮扶和改造。我国的调幅广播发展数十年，基础设施规模庞大，不容易由调频覆盖，所以未来对调幅广播的发展和改进仍然十分重要。1.3设计的意义对无线电调幅发射机的仿真与分析，加强我们对书本上的理论知识的理解，提高我们的实际操作能力和设计及计算能力；使我们认识了解发射机各单元和系统整体之间的关系，对无线电调幅发射机概念有一个整体的全面的认识，掌握无线电调幅发射机以及各个单元电路的计算和设计方法。同时，我们通过设计和仿真无线电调幅发射机掌握他的调整和测试办法，我们对课堂上所学的理论知识印象更加深刻了，应用更加熟练了，增强动手实践能力和设计本领。这些可以帮助我们不断的提升和升华自己，毕业设计可以打下良好的研发设计基础，有利于进入电子产品设计行业发展。1.4设计内容与要求利用Multisim软件设计一个简单的无线电调幅发射机。首先充分了解自己课题，根据自己课题的需要查阅文献和网络资料，之后根据课题设计电路要求设计的系统包括高频振荡器、放大器、调制器等基础单元，特别是电路元件的选取及参数的选择。并利用Multisim的仿真性能对设计的电路进行单元及级联性能测试。主要技术指标：l 中心频率： f=6 MHzl 调幅波功率： P0max 200mWl 调制系数： Ma=l 频率稳定度：第二章 总体设计方案2.1无线电调幅发射机的系统设计发射机就是可以将信号按一定频率发射出去的装置，调幅发射机的主要是让需要传送的低频信号调制高频信号，让它成为拥有固定带宽和稳定频率可用天线发射出的电磁波信号。无线电调幅发射机主要由三部分组成:电源部分、高频部分和音频部分。为了对高频末级功率放大器进行调制，低频信号通过递次放大，直到在末级功放处得到获得所需的功率电平。调制器就是末级低频功率放大级，就是因为在这一级上进行调制。把需要传递的信号装载到高频振荡(载频)信号上去的过程叫做调制。故末级高频功率放大级则成为受调放大器。话筒、低频电压放大级、低频功率放大级与末级低频功率放大级共同构成了低频部分。主振器是用来产生产生具有稳定频率的载波。石英晶体振荡器可以有效的提高频率的稳定性所以通常为了提高频率稳定性都会采用石英晶体振荡器，为了削弱后级对主振器的影响，会在它的后面加上缓冲级。主振荡器、缓冲放大、中间放大、倍频器、功放推动级与末级功放共同构成了高频部分。无线电调幅发射机一般由主振级、缓冲级、中间放大级、音频放大、AM调制、倍频器和输出网络组成。根据我们的设计要求，载波频率为6MHz ，为了使输出的载波的频率满足要求，经过仔细选择主振级采用西勒振荡电路即可满足要求，不再需要倍频器。系统原理图如下图2.1所示：图2-1 无线电调幅发射机的系统设计框图振荡级：产生载波信号频率为6MHz。缓冲级：将主振级与调制级隔离开来，削弱后级对主振器的影响。音频放大级：将原始信号电压增大，直到满足调制级所需的调制电压。功放以及调幅级：增大载波的输出功率，将话音信号调制到载波上，产生调制波。输出网络级：对调制后的信号波的功率放大，通过天线将已调高频载波电流以电磁波的形式发射出去。第三章 各部分的具体设计3.1主振级调幅发射机的最重要的部件是主振级，主振级用来产载波信号，要求幅度相对较大、波形失真较小并且具有频率稳的高频正弦波信号。现在学术上研究的载波的频率高达几百兆赫，我们进行实验设计时，因为没有足够的设备等，只能在实验条件下进行，所以我们选择的载波信号在几十MHz之内。我们需要载波信号频率稳定度相对较高并且波形失真度比较小，主振级必须谨慎选择。主振级的选择有以下几种方案，分别是三点式LC正弦波振荡器、石英晶体振荡器和 RC正弦波振荡器。方案一：LC三点式正弦波振荡电路（如克拉波振荡电路、西勒振荡电路），三点式振荡电路有电容和电感之分，相比较而言，电容三点式的波形比较稳定，电感三点式也有所不如，并且频率发生变化不会改变电抗的性质，所以电容三点式形式被广泛应用于振荡器。LC回路由于受到标准性和品质等原因的限制，其频率稳定度通常只能达到10-4数量，如果要选择普通的电容三点式振荡电路，频率稳定度就不能有太高的要求。方案二：石英晶体振荡器的频率稳定度相对而言很高，在适合的配套电路的配合下，频率稳定度可到10-11数量级，而且，石英晶体振荡器其工作稳定，波形失真度很小，故而，用石英晶体振荡器作为主振级，那么电路的频稳度会很高，在要求较高的电路中多选用石英晶体振荡器。方案三：RC正弦波振荡器，他的主要组成部分是电阻和电容。高频振荡器一般不会选择RC正弦波振荡器，主要是因为他的电路中不具有谐振回路。我们这次设计需要高频振荡载波信号为6 MHz，主振级决定了发射机的整体频率稳定度，所以我们需要主振级相对较高的频率稳定度，于此同时还要有一定的振荡功率（或电压），并且要求他具有失真小的输出波形。综合考虑我最终选择使用西勒振荡电路，它可以满足我实验设计的要求。我们采取部分接入方式可以有效解决频率稳定度与振荡幅度之间矛盾。为了使振荡器有一定的稳定振幅及容易起振，所以在确定静态工作点之后，晶体管内部参数数值就一定，这对小功率晶体管而言，可以认为 ，反馈系数大小应在0.150.5范围内选择。如图3.1.1西勒振荡器电路所示、 提供偏置电压使三极管工作在放大区， 起到滤波作用。输出电路的总电容：振荡频率为：在此西勒振荡器电路中，因为 和L并联，所以 变化不会影响回路的接入系数，如果使 固定，可以通过改变 来改变振荡频率，因此，西勒振荡器可用作波段振荡器，适用于较宽波段工作。图3.1.1 西勒振荡器西勒振荡电路仿真如下：图3.1.2 载波频率图3.1.3 西勒振荡器的输出波形3.2 缓冲级缓冲级可以有效降低后级对主振级的影响，稳定振荡电路振荡频率。在进行级联电路测试时，缓冲级会出现输出电压明显减小或波形失真的情况，主振级与缓冲级的连接导致的。对于这种问题，我们可以提高缓冲输入级输入阻抗，即增大缓冲级的射极电阻R4来实现；还可以通过减小晶振级与缓冲级的耦合来实现，即减小C2；负载R5也可以较大的影响缓冲的输出波形。图3.2.1 缓冲级电路图3.2.2 缓冲级的输出波形3.3 放大级在放大级我们用的是高频放大器很常见的单元电路，晶体管调谐放大器的负载是LC单调谐回路，而LC单调谐回路由、组成。LC调谐回路在本级作用很重要，一方面他给晶体管集电极提供了需要的负载电阻，同时进行匹配交换；另一方面LC调谐回路选择频率并进行滤波，只对=工作信号的频率进行放大，对于其他的信号进行抑制。晶体管负载回路调谐在输入信号频率 上，能够可以对输入的高频小信号进行反相的放大，晶体管基极为正偏，工作在甲类状态。我选用了高频信号谐振放大电路作为推动级。在这里推动级的电路通常由谐振放大器加一级射随器组成，他在这里还有隔离缓冲的作用。对于高频信号谐振放大电路的主要性能指标中心频率：即放大器的工作频率，中心频率是非常重要的数据参数，在计算谐振回路各元件和选择有源器件等器件时的主要考量标准和依据增益：即放大器放大和增幅有用信号的能力，一般表现为对中心频率的功率电压两方面的增益。是放大器中心频率上的输出电压，放大器中心频率上的输入电压；是放大器中心频率上的输出功率，是放大器中心频率上的输入功率。功率增益电压增益通频带：即放大器增益由MAX下降3dB时相对应的频带宽度，通常用表示。它相当于功率下降为一半时或者输入不变时，输出电压由最大值下降到0.707倍时所对应的频带宽度。选择性：通频带之外干扰信号会对有用信号造成干扰，放大器对干扰信号的衰减能力就是选择性。一般用矩形系数表明邻近波道选择性的优劣，理想情况下矩形系数应为1，实际问题中矩形系数均大于1。矩形系数定义为图3.3.1 放大级图3.3.2 音频信号与放大3.4 音频放大我的这次设计中，音频信号用如图3.4.1所示的电压源代替，采用3354BM运算放大器进行功率放大。图3.4.1 音频放大电路本级输出波形如下图所示：图3.4.2 音频放大输出波形3.5 AM调制电路调幅是无线电调幅发射机最重要的一环，在这一级发射机将有用的信号加载到载波上，在调幅发射机则是用调制信号改变高频载波信号的振幅来完成的。在这里，在调制信号改变高频载波信号的振幅的过程中，让调制信号带的信息加载到高频信号中，然后将调制后的高频信号发射出去。调幅器按电平高低可分为低电平调幅器和高电平调幅器，像手机等小型的电子设备因为对输出功率和效率要求不高，大多会使用低电平调幅，低电平调幅适用于调幅特性较好的电路中；大型的广播和通信设备因为需要的输出功率大、效率高，一般采用高电平调平。调幅方法有很多种，通常有乘法器调幅电路、晶体管调幅电路以及开关型调幅电路电路，而基极调幅、集电极调幅都是晶体管调幅常见的分类。在我的这次设计，根据实际条件综合考虑，我选用的调幅方式是二极管平衡电路调幅，这种调制电路在所有调制电路相对很简单，而且现有条件实现方便。由下图可见音频信号通过变压器T1输入到调制电路，载波信号通过变压器T3进入调制电路，之后经过二极管平衡电路进行调制，调制完成后通过LC谐振回路输出结果调制电路仿真调试结果如下图所示：图3.5.2 音频信号图3.5.3 高频载波信号图3.5.4 调制信号第四章 发射机的整体电路以及调试4.1 整体电路图4-1-1调幅发射机的整体电路4.2 调试并仿真从主振级出发，一级接一级进行调试，一直到每个单元都基本符合要求的情况下再进行下一步级联，最终调试结果如图：图4.2.1 仿真调试结果4.3 整机调试故障分析晶振级与缓冲级联调试时缓冲级输出电压明显减小或波形失真的情况。故障产生的要因可能是晶振级负载加重，究其原因是缓冲级的输入阻抗太小。我们可以提高缓冲输入级输入阻抗，即增大缓冲级的射极电阻RP1来实现；还可以通过减小晶振级与缓冲级的耦合来实现，即减小C4；负载R5也可以较大的影响缓冲的输出波形。本机振荡级、缓冲级、话语放大级以及调制级联调时，往往会出现过调幅现象。产生的原因可能是经射级跟随器输出的本振电压v0偏小或者是话音放大级输出的调制电压v过大。调整话音放大级增益，以满足调幅度ma=50%的技术指标要求。第五章 设计总结通过这段时间的努力和老师的认真指导，我终于完成了这次毕业设计。完成后感觉很辛苦也很高兴，有点成功的喜悦。本次设计的目的就是使用Multisim软件设计并仿真无线电调幅发射机。在选定了课题之后，我通过查阅文献和重温所学的本专业理论知识对课题有了一个大体的认识，然后在头脑中形成了初步的设计思路，并在与导师的交流中完善设计思路。之后，在无线电调幅发射机总体有了设计方案之后，我开始分开设计每一部分，一部分一部分的完成电路设计并进行单元电路调试，最后将各个单元电路进行级联调试和仿真，最后完成设计报告。在这一整个过程中，我遇到了很多问题，因为理论知识掌握的并不很牢固，实际操作能力也欠缺，有很多问题都严重阻碍了总体进程，在导师和同学的帮助下我才克服了一个又一个困难完成这次毕业设计。之前在课堂上计算和分析电路的性能指标，很少亲自设计电路和选择元器件的参数，之前都是在理论状况下去思考问题，没有去考虑实际因素的影响。在这次设计中，很多的因素都在影响着电路的运行结果，要去不断的调试和排除故障，尤其是在整机级联测试时，庞大的电路一点点错误就会导致整体的巨大问题，在座的时候尽管仔细再仔细，仍避免不了出现问题，有的时候怎么看电路怎么对就是不出结果，还好导师会再需要的时候提供帮助。通过这次的毕业设计我对课堂上学到的理论知识的理解更加深刻了，同时也个更加熟练的掌握了Multisim软件的使用，对于本专业的认识也更加深刻，收获十分丰富。感谢首先，在此感谢我的指导老师在这次毕业设计中对我仔细认真的指导。我在这次设计中有很多的问题自己难以克服，多亏了老师的指导才能使我摆脱困境，顺利完成毕业设计。再感谢滨州学院光电工程系老师4年来对我的教导，让我学会了很多知识，加深了我对电子信息科学与技术这门专业的认识和了解，增强了我的专业知识。再感谢4年来和我一起学习的同学们，再和大家一起学习中，我收获良多。最后向对本文审阅，评议的老师致以诚挚的感谢。