大学课程设计报告调幅发射系统.doc

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1、摘要小功率调幅发射机常用于通信系统和其它无线电系统中，特别是在中短波广播通信的领域里更是得到了广泛应用。本次课程设计主要设计了调幅发射系统，设计中我们结合了Multisim软件来对小功率调幅发射机电路的设计与调试方法进行了验证，其中Multisim软件能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理，而且在实验室我们通过高频实验台对调幅发射与接收系统进行了调试。发射机的主要任务是完成有用的低频信号对高频载波的调制，将其变为在某一中心频率上具有一定带宽、适合通过天线发射的电磁波。通常，发射机包括三个部分：高频部分，低频部分，和电源部分。高频部分一般包括主振荡器、缓

2、冲放大、倍频器、中间放大、功放推动级与末级功放。主振器的作用是产生频率稳定的载波。低频部分包括话筒、低频电压放大级、低频功率放大级与末级低频功率放大级。关键词：小功率调幅发射机、振荡电路、调制电路、功率放大器目录摘要I一前言1二设计指标12.1设计要求12.2性能指标1三系统总述2四.单元电路设计与仿真44.1.主振级电路44.2倍频电路54.3调制电路74.4上混频模块94.5功率放大电路11五整机电路原理图13六高频实验平台整机联调146.1调幅发射机连接图1462调幅发射与接收完整系统的联调146.3整机联调及其常见故障分析156.4整机联调实验结果16七设计总结17八参考文献：18一前

3、言高频电子线路课程设计的任务是在学生掌握和具备电子技术基础知识与单元电路的设计能力之后，通过课程设计，使学生加强对通信电子线路的理解，掌握文献资料检索设计方案论证比较，以及设计参数计算等能力环节，利用multisim等相关软件进行电路设计，进一步提高分析解决实际问题的能力，提高解决通信电子电路问题的实际本领，真正实现由课本知识向实际能力的转化，让学生了解高频电子通信技术在工业生产领域的应用现状和发展趋势。为今后从事电子技术领域的工程设计打好基础。二设计指标2.1设计要求1单元电路设计及仿真1）设计三点式振荡器、晶体振荡器和差分式振荡器等高频信号发生电路2）设计二极管单、双平衡调制器设计单（双）

4、差分对构成的乘法器调制电路设计三极管基极调幅、集电极调幅等调制电路3）设计上混频电路4）设计三极管倍频和锁相环倍频等倍频电路5）设计丙类谐振功率放大电路2. 调幅发射系统整机电路设计3. 高频实验平台整机联调2.2性能指标工作频率范围：调幅制一般适用于中，短波广播通信，调幅发射机的工作频率一般在中频（0.3-3MHZ）和高频（3-30MHZ）范围内。根据设计要求，设计一个小功率调幅发射机，其工作频率为7MHz，输出载波频率为0.5W。本机输出的最大功率(Po)max=(1+ma)2Po=4Po40.5W=2W。设输出变压器的效率h=0.8，则末级功率放大器管最大输出功率为(Po)max=2W/

5、0.8=2.5 W,取功率放大器管功率增益为Ap13 dB(20倍)，则末级的最大激励功率应为125mW,而振荡器输出功率较小，一般为几十毫瓦即可。对于小型发射机，电源电压一般为915 V，所以取标准电源12 V。三系统总述无线电通信的主要特点是利用电磁波的空间的传播来传递消息，例如将一个地方的语言消息传送到另一个地方。这个任务是由无线电发射设备、无线电接收设备和发射天线和接收天线等来完成的。这些设备和传播的空间，就构成了通常所说的无线电通信系统。发射机的主要任务是完成有用的低频信号对高频载波的调制，将其变为在某一中心频率上具有一定带宽、适合通过天线发射的电磁波。通常，发射机包括三个部分：高频

6、部分，低频部分，和电源部分。高频部分一般包括主振荡器、缓冲放大、倍频器、中间放大、功放推动级与末级功放。主振器的作用是产生频率稳定的载波。低频部分包括话筒、低频电压放大级、低频功率放大级与末级低频功率放大级。低频信号通过逐渐放大，在末级功放处获得所需的功率电平，以便对高频末级功率放大器进行调制。因此，末级低频功率放大级也叫调制器。调制是将要传送的信息装载到某一高频振荡(载频)信号上去的过程。所以末级高频功率放大级则成为受调放大器。一般调幅发射机的组成框图如图1所示，其工作原理是：第一本机振荡产生一个固定频率的中频信号，它的输出送至调制器；话音放大电路放大来自话筒的信号，其输出也送至调制器；调制

7、器输出是已调制中频信号，该信号经中频放大后与第二本振信号混频；第二本振是一频率可变的信号源，一般选第二本振频率f02是第一本振f1与发射载频f0c之和，混频器输出经带通或低通滤波器滤波，是输出载频fc=f02-f01;功放级将载频信号的功率放大到所需发射功率。 图1调幅发射机组成框图根据调幅发射机的工作原理，本设计调幅发射机的组成框图如图2所示: 图2 设计调幅发射机组成框图本地振荡器：用来产生最初的高频振荡，通常振荡功率是很小的，由于整个发射机的频率稳定度有它决定，因此要求它具有准确而稳定的频率。倍频器：将频率较低的信号通过倍频变换成频率较高的信号。幅度振荡器：用来产生调幅波，即将调制信号调

8、制到高频振荡频率上。混频器：是实现将放大的信号和本振电路模块产生的信号一起输入经过混频电路进行变频，并能选出中频信号（fi=fo+fs）；功率放大器：主要作用是在激励信号的频率上，产生足够大的功率送到天线上去，同时滤除不需要的频率（高次谐波），以免造成对其他电台的干扰。四.单元电路设计与仿真4.1.主振级电路晶体振荡器电路如图3所示: 图3 晶体振荡器电路图振荡器是无线电发射的心脏部分高频振荡器的主要作用是产生频率稳定的载波,它的频率叫做载频。由于晶体稳定性好，Q值高，故频率稳定度也高。因此，主振级(高频振荡器)采用晶体振荡器，满足所需的频率稳定度。频率稳定度是振荡器的一项十分重要的技术指标，

9、表示一定时间范围内或一定的温度、湿度、电源电压等变化范围内振荡频率的相对变化程度，振荡频率的相对变化量越小，则表明振荡频率稳定度越高。改善频率稳定度，从根本上来说就是力求减少振荡频率受温度等外界因素影响的程度，振荡回路是决定振荡频率的主要部件。因此，改善振荡频率稳定度的最重要措施是提高振荡回路在外界因素变化时保持谐振频率不变的能力。这就是通常所谓的提高振荡回路标准性。晶体振荡器实际上是压电效应振荡器,石英晶体做谐振材料可以满足温度系数小何低噪声的要求。本设计采用的是并联型晶体振荡电路（皮尔斯振荡电路），其中R1和R2构成分压式偏置电路，L1为高频扼流圈，C1为旁路电容，C5为耦合电容，晶体在振

10、荡器中起的是高Q电感的作用。晶体振荡器输出波形如图4所示: 图4 晶体振荡器仿真波形图4.2倍频电路利用非线性电路产生高次谐波或者利用频率控制回路都可以构成倍频器。倍频器也可由一个压控振荡器和控制环路构成。它的控制电路产生一控制电压，使压控振荡器的振荡频率严格地锁定在输入频率 f1的倍乘值f0=nf1上 。倍频器有晶体管倍频器、变容二极管倍频器、阶跃恢复二极管倍频器等。用其他非线性电阻、电感和电容也能构成倍频器，如铁氧体倍频器等。非线性电阻构成的倍频器，倍频噪声较大。这是因为非线性变换过程中产生的大量谐波使输出信号相位不稳定而引起的。倍频次数越高，倍频噪声就越大，使倍频器的应用受到限制。在要求

11、倍频噪声较小的设备中，可采用根据锁相环原理构成的锁相环倍频器和同步倍频器。但是，这类倍频器线路比较复杂，倍频次数一般不太高，而且还可能出现相位失锁等问题。微波振荡器的频率稳定度不太高，在几十兆赫至百兆赫的晶体振荡器后面加上一级高次倍频器，可以获得具有晶振频率稳定度的微波振荡。另外，多级倍频器级联起来，可以使倍频次数大大提高。例如，二倍频器和三倍频器级联可产生六次倍频，m级N倍频器级联，总倍频次数为Nm。不过，倍频级数增加，倍频噪声也加大，故倍频上限仍受到限制。本设计采用的是三极管倍频器，这种倍频器的电路与调谐放大器相似，但晶体管工作点通常置于伏安特性的截止区，输出回路则调谐在输入频率的n次谐波

12、上。由于晶体管仅在输入电压正半周的部分时间内导通，其集电极电流为一含有输入信号基频和各次谐波的脉动电流。利用调谐于f0=nf1的回路的选频作用，倍频器即可输出所需频率。为使输出信号幅度足够大，这种倍频器的倍频次数较低，一般n=35。n增大输出幅度将显著减小。这种倍频器的优点具有一定功率增益。三极管倍频电路如图5所示：图5 倍频电路 图6倍频电路仿真波形4.3调制电路 由电磁场理论知道，只有频率较高的振荡才能被天线有效的辐射。但是人的讲话声音变化为相应的电信号频率较低，不适于直接从天线上辐射。因此，为了传递消息，就必须将要传递的消息“记载”到高频振荡上去，这一“记载”过程称为调制。调制过程就是用

13、被传递的低频信号去控制高频振荡信号是高频输出信号的参数相应于低频信号变化而变化，从而实现低频信号搬移到高频段，被高频信号携带传播的目的。本设计采用二极管单平衡调制器电路，电路如图7所示。 振幅调制就是用低频调制信号去控制高频载波信号的振幅，使载波的振幅随调制信号成正比的变化。经过振幅调制的高频载波称为振幅调制波（简称调幅波）。调幅波有普通调幅波（AM）、抑制载波的双边带调幅波（DSB）和抑制载波的单边带调幅波（SSB）三种。本设计采用二极管单平衡调制器电路。其常规调制的原理框图如图8所示：图7 二极管单平衡调制电路 图8 常规调制的原理框图调幅波的表达式、波形：设调制信号为单一频率的余弦波：

14、载波信号为：由原理框图得AM调幅波为：， 其中 ，：调制指数或调幅度，它表示载波振幅受调制信号控制程度，：为调制电路决定的比例常数。二极管单平衡调制器电路仿真波形如图9所示： 图9 二极管单平衡调制器电路仿真波形4.4上混频模块在高速无线通信系统中，信号必须进行上变频或者下变频后才能进行信号传播和处理。这种变频步骤在传统上称为混频。是接收和发射信号链必不可少的过程。于是，混频器和调制器就成为射频系统的基本构件。随着无线通信标准的不断演进，查看这些构建的特征并了解混频器如何影响总体系统性能至关重要。在所有的无线设计中，混频器和调制器都支持变频并实现通信。他们确定整个信号链的基本规格。他们的接收信

15、号链具有最高功率，对来自发射通路中的数模转换器（DAC）的信号上进行变频，并实现数字预失真（DPD）系统，从而影响整个通信系统的性能。最简单的混频器就是一个乘法器。音频混频器只增加信号。射频混频器实际上增加输入信号已产生新频率输出信号。射频调制器和解调器本质上就混频器，这些器件获取基带输入信号并输出射频调制信号（反之亦然）由于影响混频器的因素同时也会影响调制器，因此本课设主要从混频器的角度进行考虑。接收器一般采用上变频来实现高频RF信号的处理，发射器则将低频基带信号转换成高速射频。混频器所有部分都像负载和源一样。上混频电路如图10所示:图10上混频电路图11上混频电路仿真波形一般来讲，大多数混

16、频器的变频损耗介于4.5与dB。这取决于混频器类型以及混频器不平衡、平衡-不平衡变换器不匹配和二极管串联电阻等所有额外的损耗。宽频带混频器更容易产生较高的变频损耗。因为他们需要在整个输入带宽上维持平衡。变频增益会影响总系统自动增益控制（AGC）规划。4.5功率放大电路功率放大器主要有甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电路）、丙类功放，根据功放的输出功率和效率来确定选择哪一种。采用低电平调幅电路的系统，由于调制器输出信号为调幅波，其后的功率放大器必须是线性的（如甲类、甲乙类或乙类功放）；而采用高电平调幅电路的系统，则在末级直接产生达到输出功率要求的调幅波，多以丙类放大器作为此时的末级电路。高频功率放大

17、器是调幅发射机的末级，它的任务是要给出发射机所需要的输出功率。本设计研究的是调幅发射系统，通常采用丙类功率放大器，如果一级不能满足指标要求，可以选用两级。一般末级功率放大器工作在临界状态，中间级可以工作在弱过压状态。丙类功率放大电路如图12所示：图12 丙类功率放大器电路图13 丙类功放电路仿真图丙类功率放大器的工作状态:人们根据是否进入器件的截止区,以及进入截止区的深入程度,把放大电路分为甲类、乙类、甲乙类和丙类四中工作状态。在丙类放大器中，有时需要进入晶体管的饱和区，以获得期望结果。因此，又根据是否进入器件的饱和区，以及进入饱和区的深入程度，把丙类放大器分为欠压、临界和过压三种工作状态。由

18、分析得知,丙类放大器的器件是否进入饱和区与电源电压、基极偏置电压、输入新年好幅度以及负载电阻有关，当它们取不同数值时，可使丙类放大器工作于不同状态。 当输入信号幅度较小时，信号的动态范围局限在截止区与放大区，集电极电流为较小的尖顶余弦脉冲，通常称这种工作状态为欠压状态。随着输入信号幅度的增大,尖顶余弦脉冲的幅度也在增大,当输入信号幅度增大到饱和区边缘时,尖顶余弦脉冲的幅度达到最大值,称这时丙类放大器工作于临界状态。如果继续增大输入信号幅度，将使信号的动态范围进入饱和区，此时得到的集电极电流的波形，将出现下凹，产生严重失真,这是由于输入信号幅度过大引起的,在饱和乃至深饱和情况下,基极电流变大,基

19、极注入的空穴与发射极进入基区的电子大量复合,使集电极收集到的电子减少,这种状态称为过压状态.五整机电路原理图图14 整机电路图六高频实验平台整机联调6.1调幅发射机连接图图15 调幅发射联机调试方框图图中高频信号源相当于主振器,低频信号源相当于调制器。实验步骤：（1）将高频信号源频率设置为6.3MHZ，低频信号源频率设置为1KHZ；（2）用示波器测试各模块输入输出波形，并调整各模块可调元件使输出达最佳状态；（3）改变高频信号源输出幅度和低频信号源输出幅度，观看各测量波形的变化。（4）按图15连接图插好所需模块，用铆孔线将各模块输入输出连接好，接通各模块电源；62调幅发射与接收完整系统的联调在发

20、射方：高频信号源作为载波，其频率设置为6.3MHZ。音频信号源可以是语言、音乐，也可以是固定的单音频。高频信号与音频信号经幅度调制后变为调幅波，然后送往高频功放，经高频功放放大后，通过天线发射出去。在接收方：天线上接收到的发方发出的信号，然后送往小信号调谐放大器（调谐回路谐振放大器模块），小信号调谐放大器的频率应与发方频率一致，接收到的信号经放大后送往混频，混频器采用晶体三极管混频或集成乘法器混频模块，送往混频器的本振信号可以用LC振荡器，也可以采用晶体振荡器，其频率设置为8.8MHZ。经混频后输出约2.5MHZ的调幅波。中放即为中频放大器模块，其谐振频率为2.5MHZ。图中检波、低放、AGC

21、为同一模块，即二极管检波与AGC模块。AGC可接可不接，需要时用连接线与中放相连。经检波后输出与发端音频信号源相一致的波形，低放输出的信号送往底板低频信号源部分功放输入端，通过该部分的扬声器发出声音。其声音大小可通过“功放调节”电位来调节。6.3整机联调及其常见故障分析晶振级与缓冲级联调时缓冲级输出电压明显减小或波形失真的情况。产生的主要原因是缓冲级的输入阻抗不够大，使晶振级负载加重。这可通过增大缓冲级的射极电阻RP1来提高缓冲输入级输入阻抗，也可通过减小C4，即减小晶振级与缓冲级的耦合来实现。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

22、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。可以调节RP2使v0=100150mV，并测量调制器输出的波形。调整话音放大级增益，以满足调幅度ma=50%的技术指标要求。功率激励级与功率放大级联调时，往往会出现低频调试、高频自激、输出功率小、波形失真大等现象。产生的原因可能是级间通过电源产生串扰或是甲类功放与丙类功放的阻抗不匹配，级间相互影响。这可在每一级单元电路的电源上加低、高频去耦电路，以消除来自电源的串扰，也可以重新调整谐振回路，使回路谐振。6.4整机联调实验结果七设计总结历时两周的通信电子线路就这样在忙碌中结束了,回看整个设计过程,有艰辛也有成功后的喜悦,最大的感触是通过这

23、次课程设计，我收获了很多。这次课设让我加强了对通信电子线路的理解，而且让我分析解决实际问题的能力也有所提高，能基本将课本知识向实际能力进行转化；通过典型电路的设计与仿真，加深了对基本原理的了解，增强了我的实践能力。最重要的是这一次是由小组合作完成整个系统的，让我深深体会到了团队合作的重要，以及和队员沟通的必要性。这次设计中我主要负责的是二极管单平衡调制电路和晶体振荡器的设计，在仿真过程中查阅了很多资料，对电路也有了初步认识，可是在实际仿真过程中依旧出现了很多棘手的问题，比如晶体振荡衰减严重不稳定的问题，二极管单平衡调制器波形失真的问题等等，主要是对电路的认识不透彻，导致元件型号选择错误以及参数

24、设置不合适，最后经过老师的帮助和队友集体的分析调试才得以成功。通过这次设计我知道了自己的不足，基础知识不够扎实，而且不能将所学过的专业知识构成完整体系，没有系统的概念，不能将所学知识正确的运用于实践中，在以后的学习中我会极力克服这些问题，寻找一些实践的机会将所学知识应用于实际中，加深对理论知识的理解与应用。八参考文献：1 Multisim11 电路设计及仿真应用 清华大学出版社 2012年7月2 高频电路原理与分析 西安电子科技大学出版社。曾兴雯，刘乃安 2006年7月3 通信电子线路 主编：候丽敏 清华大学出版社 2008年12月4 电子线路设计、实验、测试 主编：谢自美 华中理工大学出版社5 高频电子线路实验平台说明书 南京润众科技有限公司