高频课程设计.doc

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1、目录第一章 设计意义2第二章 调频与解调概述32.1 调频的方法及原理32.1.1 变容二极管调频32.1.2 晶体振荡器直接调频52.2 FM解调的方法及原理72.2.1 单失谐回路斜率鉴频器82.2.2 双失谐回路斜率鉴频器9第三章 仿真软件Multisim简介11第四章 设计及仿真过程144.1 总体方案144.2调频电路设计及仿真结果分析154.3解调电路设计及仿真结果分析16总结19参考文献20致谢21摘要调制和解调电路是通信设备中重要组成部分。用待传输的低频信号去控制高频载波参数电路称为调制电路，解调是调制的逆过程，从高频已调信号中还原出原调制信号称为解调电路。本设计完成了一个采用

2、变容二极管调频来实现调制以及斜率鉴频器解调的电路。本文首先介绍了频率的调制解调方法和原理，然后详细的给出了其设计过程，并应用Multisim软件对频率调制解调电路进行了仿真分析。实验结果表明：该电路能够完成一个信号的频率调制解调，但它与理论波形相比存在一个较小的失真。 关键词 频率调制解调；Multisim；仿真第一章 设计意义通信电子线路主要的学习内容是无线电通信系统中发射和接收设备中单元电路的形式及工作原理等。在无线电发射机中，需要发射的低频调制信号（如由语音信号转换而来的电信号）都要经过调制才能发送传输。所谓调制是指用低频调制信号去改变高频振荡波，使其随低频调制信号的变化规律（幅度、频率

3、或相位）相应变化的过程。由这些经过调制后的已调波携带低频信号的信息到空间进行传输，完成信号的发射。从频谱的角度来看，调制是将低频调制信号的频谱从低频端搬到高频端的过程。而在无线电接收机中，从接收到的已调波信号中恢复出原低频调制信号的过程称之为解调。从频谱的角度来看，解调则是将信号的频谱从高频端搬回到低频端的过程。上述提到的载波、已调波、调制（包括调幅、调频、调相）和解调等概念很抽象枯燥，作为学生的我感到不好理解，犹如在听“天书”。学生若对概念理解不好，则难以掌握无线电通信的基本原理，对通信系统的信号流程也难以理解，学习目的无法实现。通过动手设计及仿真可以使学生更形象的掌握调制、解调、频谱搬移等

4、概念，对通信过程有更深入的理解。第二章 调频与解调概述2.1 调频的方法及原理产生调频信号的电路叫做调频器。对它有四个主要要求：(1)已调波的瞬时频率与调制信号成比例地变化。这是基本要求。(2)未调制时的载波频率，即已调波的中心频率具有一定的稳定度(视应用场合不同而有不同的要求)。(3)最大频移与调制频率无关。(4)无寄生调幅或寄生调幅尽可能小。产生调频信号的方法很多，归纳起来主要有两类：第一类是用调制信号直接控制载波的瞬时频率直接调频。第二类是先将调制信号积分，然后对载波进行调相，结果得到调频波。即由调相变调频间接调频。直接调频基本原理是用调制信号直接线性地改变载波振荡的瞬时频率。因此，凡是

5、能直接影响载波振荡瞬时频率的元件或参数，只要能够用调制信号去控制它们，并从而使载波振荡瞬时频率按调制信号变化规律线性地改变，都可以完成直接调频的任务。如果载波由自激振荡器产生则振荡频率主要由谐振回路的电感元件和电容元件所决定。因此，只要能用调制信号去控制回路的电感或电容，就能达到控制振荡频率的目的。变容二极管或反向偏置的半导体PN结，可以作为电压控制可变电容元件；具有铁氧体磁芯的电感线圈，可以作为电流控制可变电感元件。方法是在磁芯上绕一个附加线圈，当这个线圈中的电流改变时，它所产生的磁场随之改变，引起磁芯的磁导率改变(当工作在磁饱和状态时)，因而使主线圈的电感量改变，于是振荡频率随之产生变化。

6、 2.1.1 变容二极管调频变容二极管调频的主要优点是能够获得较大的频移(相对于间接调频而言)，线路简单，并且几乎不需要调制功率。其主要缺点是中心频率稳定度低。它主要用在移动通信以及自动频率微调系统中。变容二极管是利用半导体PN结的结电容随反向电压变化这一特性而制成的一种半导体二极管。它是一种电压控制可变电抗元件，其结电容与反向电压存在如下关系： （2.1.1） 其中，是未施加反向偏置时的结电容，是势垒电压，是所施加的反向偏置电压，为变容系数。图2.1(a)表示变容管结电容随反向电压变化的关系曲线。加到变容管上的反向电压，包括直流偏压和调制信号电压，如图2.1 (b)所示，即 （2.1.2）

7、此处假定调制信号为单音频简谐信号。结电容在的控制下随时间发生变化，如图2.1(c)所示。图2.1 用调制信号控制变容二极管结电容把受到调制信号控制的变容二极管接入载波振荡器的振荡回路如图2.2所示，则振荡频率亦受到调制信号的控制。适当选择变容二极管的特性和工作状态，可以使振荡频率的变化近似地与调制信号成线性关系。这样就实现了调频。在图2.2中，虚线左边是典型的正弦波振荡器，右边是变容管电路。图2.2 变容二极管调频原理电路加到变容管上的反向偏压为 （2.1.3）式中，是反向直流偏压。图2.2中，是变容管与回路之间的耦合电容，同时起到隔直流的作用；为对调制信号的旁路电容；是高频扼流圈，但让调制信

8、号通过。 2.1.2 晶体振荡器直接调频通过振荡器的学习，我们已知，晶体振荡器有两种类型。一种是工作在石英晶体的串联谐振频率上，晶体等效为一个短路元件，起着选频作用。另一种是工作于晶体的串联与并联谐振频率之间晶体等效为一个高品质因数的电感元件，作为振荡回路元件之一。通常是利用变容二极管控制后一种晶体振荡器的振荡频率来实现调频。变容二极管接入振荡回路有两种方式。一种是与石英晶体相串联，另一种是与石英晶体相并联。无论哪一种接入方式，当变容二极管的结电容发生变化时，都引起晶体的等效电抗发生变化。在变容二极管与石英晶体相串联的情况下，变容管结电容的变化，主要是使晶体串联谐振频率fq发生变化，从而引起石

9、英晶体的等效电抗的大小变化如图2.3(a)所示。当变容二极管与石英晶体相并联时，变容二极管结电容的变化，主要是使晶体的并联谐振频率发生变化，这也会引起晶体的等效电抗的大小发生变化，如图2.3(b)所示，该图是电纳曲线。总之，如果用调制信号控制变容二极管的结电容，由于石英晶体的等效电抗(我们应用的是处在fq与fp之间的感抗Xq)的大小也受到控制，因而亦使振荡频率受到调制信号的控制，即获得了调频信号，但所产生的最大相对频移很小，约只有10-4数量级。图2.3 变容管与晶体的两种联接方式及其电抗曲线变容二极管与晶体并联联接方式有一个较大的缺点，就是变容管参数的不稳定性直接严重地影响调频信号中心频率的

10、稳定度。因而用得比较广泛的还是变容管与石英晶体相串联的方式。图2.4是对皮尔斯晶体振荡器进行频率调制的典型电路。图中，C1、C2与石英晶体、变容管组成皮尔斯振荡电路； L1、L2与L3为高频扼流圈；R1、R2与R3是振荡管的偏置电路；C3对调制信号频率短路：当调制信号使变容管的结电容变化时，晶体振荡器的振荡频率就受到调制。图2.3 晶体振荡器直接调频电路2.2 FM解调的方法及原理图2.4 鉴频特性曲线 能够完成对调频信号解调的电路称为鉴频器。它能将调频波进行变换, 恢复出原始调制信号的幅度或相位。鉴频器的输出电压与输入调频波的瞬时频率偏移成正比，其比例系数称做鉴频跨导。图2.4为鉴频器输出电

11、压V与调频波的频偏之间的关系曲线，称为鉴频特性曲线。它的中部接近直线的部分的斜率即为鉴频跨导。它表示每单位频偏所产生的输出电压的大小。我们希望鉴频跨导尽可能大。2.2.1 单失谐回路斜率鉴频器单失谐回路斜率鉴频器电路如图2.5所示。 图2.5 单失谐回路斜率鉴频器电路图其工作原理如下：LC谐振回路中心频率为，0c。如图2.6，c失谐在 LC 单调谐回路幅频特性的上升或下降沿的线性段中点， 利用该点附近的一段近似线性的幅频特性，将调频波转变成调幅调频波。 单失谐回路斜率鉴频器的缺点是：鉴频特性曲线线性鉴频范围小，非线性失真较大。图2.6 单失谐回路斜率鉴频器工作原理 2.2.2 双失谐回路斜率鉴

12、频器双失谐回路斜率鉴频器电路如图2.6所示。 图2.6 双失谐回路斜率鉴频器电路图其工作原理如下： 图2.7 双失谐回路斜率鉴频器工作原理两个LC谐振回路中心频率分别为，0c。如图2.6，c失谐在两个LC 单调谐回路幅频特性的上升和下降沿的交点， 在该点，两个单失谐回路斜率鉴频器的输出信号为和，它们合成了双失谐回路斜率鉴频器的输出信号为，、和的波形如图2.7所示，鉴频特性曲线如图2.8所示。 图2.8 双失谐回路斜率鉴频器鉴频特性曲线第三章 仿真软件Multisim简介Multisim 11.0是加拿大 Interactive Image Technologies公司 2010 年推出的 Mu

13、ltisim 最新版本。可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及部分微机接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路。它有丰富的元件库，为用户提供元器件模型的扩充和技术 ；虚拟测试仪器仪表种类齐全，其操作方法与实际仪器十分相似 ；具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等 18 种电路分析方法，基本上能满足一般电子电路的分析设计的要求 ；提供了多种输入输

14、出接口，Multisim2001 可以与国内外流行的印刷电路板设计自动化软件Protel及电路仿真软件Pspice之间的文件接口，也能通过Windows 电路图送往文字处理系统中进行编辑排版，同时还支持VHDL和Verilog HDL语言的电路仿真与设计。Multisim 11.0 把所有的元件分成13类库，再加上放置分层模块、总线、登录网站共同组成元件工具栏。Multisim 11.0提供了18种仪表，仪表工具栏通常位于电路窗口的右边，也可以用鼠标将其拖至菜单的下方，呈水平状。Multisim 10具有以下特点:(1)Multisim 11.0是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。

15、其元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到，因此可以很方便地在工程设计中使用。(2)Multisim 11.0 的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、信号发生器、双通道示波器、直流电源；还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图示仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真度测量仪、频谱分析仪和网络分析仪等。(3) Multisim 11.0 具有较详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声和失真分析、离散傅里叶分析、电

16、路零极点分析、交直流灵敏度分析等，以帮助设计人员分析电路的性能。(4) Multisim11.0可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及部分微机接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的过程中还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据。Multisim11.0是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。它用软件的方法模拟电子线路元器件和仪器仪表，实现了“软件即元器件”和“软件即仪器”。 Multi

17、sim10是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件，该软件为电子工程师提供了一个电路设计与仿真平台，不仅与国际著名的模拟电路仿真软件spice兼容，而且具有较强的 VHDL和 Verilog设计与仿真功能。它具有界面形象、直观易懂、采用图形方式创建电路的特点；它丰富的元件库中提供了超过16000个组件，全部采用世纪模型，确保了仿真结果的真实性和实用性；它采用开放式的库管理模式，能自动地生成模拟和数字组件模型，这对新器件的补充十分有利。multisim10.0的虚拟测试仪器种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、信号发生器、双通道示波器、直流、交流电源；还有一般实验室少有或没有的仪器，

18、如波特图示仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真度测试仪、频谱分析仪和网络分析仪等。Multisim11.0具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。MultiSim（电子工作平台）软件，是一种在电子技术界广为应用的优秀计算机仿真设计软件，被誉为“计算机里的电子实验室”。其特点是图形界面易操作，易学、易用，快捷方便、真实、准确。使用MultiSim可实现大部分硬件电路实验的功能。最突出的特点是用户界面友好，各类器

19、件和集成芯片丰富，尤其是其直观的虚拟仪表是MultiSim软件的一大特色。它采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取。Multisim11.0 可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及微机接口电路等；可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和数据。第四章 设计及仿真过程4.1 总

20、体方案在本次设计频率的调制电路采用的是变容二极管直接调频，变容二极管调频的主要优点是能够获得较大的频移(相对于间接调频而言)，线路简单，并且几乎不需要调制功率。其主要缺点是中心频率稳定度低。它主要用在移动通信以及自动频率微调系统中。所以，经过一些讨论，我们采用的是变容二极管直接调频电路，以便在软件中更易画出，进行仿真，节省时间，提高效率。图4.1 变容二极管直接调频原理图其中图中的可变电抗就是变容二极管。本次设计的解调电路采用的是单失谐LC谐振回路斜率鉴频器电路。单失谐LC谐振回路斜率鉴频器电路简单，所以我们采用单失谐LC谐振回路斜率鉴频器电路。图4.2 斜率鉴频器原理图4.2调频电路设计及仿

21、真结果分析频率调制电路采用的是变容二极管直接调频的方法，在本次课程设计中用的是BBY31二极管。在这次设计中的频率调制电路图如图4.3。图4.3 变容二极管直接调频电路图4.3中V1为变容二极管直接调频电路电源，我选取了V1为5V。选取V3作为模拟调制信号，其中的参数是电压为3V，频率为300KHZ。我们选取V2作为变容二极管的直流偏置电源，其中V2为5V。在本次设计中，选取BBY31作为本次设计中的变容二极管。其中BBY31的主要参数是电流参数：IF=20mA电压参数：UR=30V，其他参数：Cd(C1V=16.5pF/C28V=2pF)、Cd/Cd(8.3)XSC1显示变容二极管调频电路调

22、制信号波形图4.4 变容二极管调频电路调制信号波形通过理论的分析，可以得到输出的调频波。实际的电路输出波形通过Multisim11软件提供的示波器可以观察出，如图4.4。在图4.4中上半部分的波形是变容二极管调频电路的FM波的波形，下半部分是经过调制电路后输出的调制波形。XSC1单失谐LC谐振回路斜率鉴频器电路解调出信号波形4.3解调电路设计及仿真结果分析 频率解调电路采用的是单失谐LC谐振回路斜率鉴频器电路，在这次设计中频率解调电路如图4.5。图4.5 单失谐LC谐振回路斜率鉴频器该电路利用失谐的LC 谐振回路实现斜率鉴频。其中, V1 是输入调频波, 幅值为2V, 中心频率为1MHz, 调

23、制信号频率为70kHz, L 1, C1 是频幅变换电路, D1, C2, R2 组成包络检波电路，它利用LC谐振回路构成的频幅变换网络将调频信号变换为FM 调制信号,然后利用包络检波电路恢复出原调制信号。失谐LC谐振回路斜率鉴频器输出波形如图4.6所示。 观察图4.6可看到解调输出波形有失真，分析其失真原因有以下几点：（1）在FM新号的输出端口有少许的载频泄漏，对解调出的波形产生干扰，从而产生少许失真。（2）在信号传递过程中，频率和相位偏移都会影响波形的质量，从而产生失真。（3）在第六章中的角度调制与解调介绍了单失谐回路斜率鉴频器要保持良好的线性区域，要求鉴频的频带宽度大于输入调频波频偏的两

24、倍，并留有一定余量。而在设计中的电路参数的选择使鉴频频带宽度不在其范围内，从而产生失真。图4.6 失谐LC谐振回路斜率鉴频器输出波形总结两周的课程设计接近了尾声，这次设计是以个人为单位完成的。设计的目的在于通过理论与实际的结合，提高观察、分析和解决问题的实际工作能力。作为整个学习体系的有机组成部分，课程设计虽然安排在两周进行，但并不具有绝对独立的意义。它的一个重要的功能，在于运用学习成果，检验学习成果。运用学习成果，把课堂上学到的系统化的理论知识，尝试性地应用于实际设计工作，并从理论的高度对设计工作的现代化提出一些针对性的建议和设想。检验学习成果，看一看课堂学习与实际工作到底有多大距离，并通过

25、综合分析，找出学习中存在的不足，以便完善学习计划，改变学习内容与方法提供实践依据。对我们通信专业的学生来说，实际能力的培养十分重要，而这种实际能力的培养单靠课堂教学是远远不够的，必须从课堂走向实践。通过课程设计，让我们找出自身状况与实际需要的差距，并在以后的学习期间几时补充相关的知识。本次课设要求使用Multisim软件进行电路仿真，此前未真正接触过电路仿真软件，这是这次课程设计中遇到的第一个困难，首先，我们从它的功能开始慢慢熟悉。在一天天的慢慢学习中，自己也摸索出了软件的应用方法以及注意的地方，在画电路图时熟悉了软件的用法，知道了如何插入原件、如何设置原件的参数、如何删除和移动原件、如何接线

26、、如何完成调试运行，所有的这些我都是在这两周的课设中慢慢总结的。在这次设计中遇到许多的困难，最终在不断的查找资料，以及老实细心的指导完成了此次课程设计。总而言之，通过这次课程设计，我获得了很多。参考文献 1 侯丽敏. 通信电子线路 . 北京：清华大学出版社，2008 2 蔡玉惠. 基于Multisim 8的幅度调制与解调电路的教学仿真分析 J. 职业与教育.2008, (8):46-473 田胜军. 基于Multisim2001 的高频电路分析与仿真J.现代电子技术.2006，（8）：100-1024 郑步生,吴渭. Multisim2001 电路设计及仿真入门与应用M . 北京：电子工业出版

27、社,2002. 5 吴晓荣. Multisim 在电子技术实验教学中应用的研究J .天津师范大学学报(自然科学版) ,2001 ,21 (2)：41 44 6 连桂仁. Multisim2001 在高频电路中的应用J .医疗装备,2004 ,17 (11) :36 7 张肃文. 高频电子线路M . 北京：高等教育出版社,1993 8 曾兴雯.高频电路原理与分析M. 西安：西安电子科技大学出版社，2002 9 胡昭华，吴佑林. 基于Multisim的“高频电子线路” 教学研究J，电气电子教学学报，32（6）：116-120致谢本次课程设计能顺利完成，得益于老师和同学们的帮助。首先我要感谢我的指导老师陈老师和贾老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次课程设计的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多我以前学习中遇到的不懂的问题，让我能把这次设计做得更加完善。在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。其次，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计上的难题。