高频电子线路课程论文.doc

1、 高频电子线路课程设计报告院 系： 信息科学与技术学院 设计题目： 专业班级： 学 号： 姓 名： 指导教师： 设计日期： 摘要-摘 要信息传输对人的生活的重要性是不言而喻的。从古老的光、信鸽到有线电报、电话通信，不久后，人们发现了电磁波从而导致了无线电的发明。一个导体如果载有高频电流，就有电磁能向空间发射，高频电流成为载波。我们将声音、图象等信号控制载波电流，则信息就能包含在载波中被发送出去，在接受端将接收到的电磁波还原检波，取出其中的有效信号，就完成了无线电通信。关键词: 本地振荡器；高频载波；乘法模拟调制器；同步检波；低通滤波器Abstract-AbstractThe informati

2、on transmission is very important for our life. From ancient light, pigeons to cable telegraph, telephone.Soon after, people found the electromagnetic wave which leads to the invention of the radio. If a conductor carries high frequency current, it launches electromagnetic energy to space, and high

3、frequency current become carrier.Sound, image and signal can control carrier current,so the information can be included in the carrier and sent out. The receiver will receive the electromagnetic wave and take out the valid signal.Thus,radio communications completed.Keywords: Oscillator; High frequen

4、cy; Carrier; Multiplication simulation modulator; Synchronous detection海南大学课程考察论文 目录-目 录1 引 言-12 设计概述-22.1 设计任务-22.2 技术指标-23 系统工作原理-33.1 系统框图与波形-33.2 调制单元-43.3 同步检波单元-43.4. 低通滤波部分-54 方案分析-64.1 本地振荡电路分析-64.2 乘法器方案分析- 94.3 低通滤波器方案分析-115 电路性能指标测试- 151.1 本地振荡器-151.2 调频部分-171.3 解调部分-201.4 二阶低频滤波放大器- 236

5、总电路原理图-257 疑惑与改进 -268 心得体会-31元器件清单- 32致谢- 33参考文献- 341 引言附录：用信号发生器产生载波的调制解调系统1 引 言传输信息是人类生活的重要内容之一。在利用无线电技术传输信号时，需要用到调幅和解调。调幅，英文是Amplitude Modulation(AM)。调幅是使高频载波信号的振幅随调制信号的瞬时变化而变化。也就是说，通过用调制信号来改变高频信号的幅度大小，使得调制信号的信息包含入高频信号之中，通过天线把高频信号发射出去，然后就把调制信号也传播出去了。解调过程正好相反，在接收处，先用接收天线将收到的电磁波转变为已调波电流，然后从已调波电流中检出

6、原始的信号。在接收调幅信号时，解调也叫做检波。调制与解调都是频谱变换的过程，必须用非线性元件才能完成。工程实际中，人们通常将调制解调过程看做两个信号相乘的过程，一般都采用集成模拟乘法器来实现，这比采用分立器件电路简单，且性能优越。2 设计概述2 设计概述2.1 设计任务要求设计一个简易的本地振荡器和振幅调制解调器，通过本地振荡器产生高频载波信号和调制信号经乘法器后，将调制信号搬移到了高频处，输出抑制载波的双边带调幅波；然后将已调信号和载波信号经乘法器后，则已调信号搬移 到了低频和更高频处，再经过低通滤波器，即可恢复调制信号。2.2 技术指标振幅调制的载波采用本地振荡器产生，或由高频信号发生器输

7、出幅值为 30mV，频率为 500KHz。振幅调制器的设计采用乘法器产生抑制载波的双边带调幅波。低频信号利用已有的信号发生器，输出 50mV，20KHz 的正弦波信号。高频信号发生器产生与载波信号频率、相位一样的高频信号，进行同步检波。低通滤波器滤除 20KHz 以外的频率。本机振荡器产生高频载波信号。3 系统工作原理3 系统工作原理3.1 系统框图与波形还原基带信号调制信号 v混频调制单元同步检波单元低通滤波器载波信号 v0图 3.1.1 系统框图本地振荡器3 系统工作原理图 3.1.2 各类信号波形3.2 调制单元利用模拟乘法器调幅得到抑制载波的双边带信号（DSB）。图 3.2.1 调制过

8、程若要得到抑制载波的双边带信号，低频调制信号不能有直流成分，即低频调制信号为 ，频率为 。外加高频载波信号()cosvtVtof，频率为 。()cosovtVf两者进入混频调制单元（乘法混频器）后，产生抑制载波的双边带调制信号（DSB 波） （ 为常数），1()cos()cos()2vtKVttK得到 、 两种频率的波，频宽为 。oo0.72f3.3 同步检波单元图 3.3.1 同步检波（解调）过程3 系统工作原理图 3.3.2 3 种信号的频谱将 输入同步检波单元，作为该单元的本地载波信号，将已调波()vt输入同步检波单元。由于同步检波单元也由乘法混频器构成，又因为t该单元的本地载波信号与已

9、调波的载波信号相同，故相位差 ，所以0输出信号，由111()coscos(2)cos(2)244TOOOvtKVtKVtKVt此可知， 中含有 三种频率的波。()Tt,sosff3.4. 低通滤波部分低频滤波器功能为滤除 附近的高频信号，保留 低频信号，由于2o经过低频滤波器，信号将得到衰减，所以在滤波器后面应该加一个放大器，组成低频滤波放大器。最后，经低通滤波单元输出低频基带信号 1()cos2TOvtKVt4 方案分析4 方案分析4.1 本地振荡电路分析方案一：利用现有信号发生器产生 500KHz 的高频载波信号。方案二：利用本地振荡器产生 500KHz 的等幅振荡，用来作为调制解调系统中

10、的高频载波。这里采用的是电容反馈三点式振荡器。三点式振荡器是指 LC 回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组成的一种振荡器。本实验的三点式振荡器电路采用电容与互感耦合的方式，输出本振信号。LC 回路中与发射级相连接的两个电抗元件必须为同性质的，另外一个电抗元件必须为异性质的，这是三点式电路组成的相位判据，或者称为三点式电路的组成法则。与发射极相连的两个电抗元件同为电容的三点式电路，称为电容三点式电路。与发射极相连的两个电抗元件同为电感的三点式电路，称为电感三点式电路。本实验采用电容三点式电路，原理图如 4.1.1 所示：图 4.1.1 电容反馈三点式振荡器原理图电路元器件参数：，12,8

11、,31RKRK31.5LuH04CpFnCF4 方案分析理论参数计算：如图 4.1.1 所示， 为直流偏置电阻， 为基极偏置谐波电1,23R1C容， 为反馈电容， 为集电极耦合电容。2,3C4C电容 对交流等效短路，直流电压 对交流等效短路接地，电142V阻 被交流等效短路，由此可画出交流等效电路图如图 4.1.2 所示：,R图 4.1.2 电容反馈三点式振荡器交流等效图21CF反 馈 系 数 150.63.2sf MHzL本 振 频 率 电路图 4.1.1 的仿真结果如下所示：4 方案分析图 4.1.3 电容反馈三点式振荡器的仿真波形图由示波器记录可知：本振信号频率 ，幅值 ，故，0.5sf

12、MHz10sV本振信号 。6()10cos(3.4)(ovttV相对于理论值而言，本振信号频率变低，原因可能是电抗元器件消耗所致。当将这个本地振荡电路同时接入两个乘法器时，会发现，振荡速度下降，不易起振，电压波形产生失真，幅值极巨下降，频率也不稳定，产生了很多干扰频率。这说明本地振荡电路受负载的影响极大。通常设计振荡器时对振荡器的选取有很多要求，要求振荡器的振荡频率和幅度精度高，稳定性好，易起振；本振频率中有锁相环，数字分频、数字鉴相器等电路，保证极高的稳定度，否则产生本振频率漂移；本证 振电路多采用体积小、可靠性高的单片大规模集成数字频率合成器等。可以看出，本地振荡器的要求很高，稳定性很难保

13、证。在选用器件时要注意特性，采取适当的稳频措施使振荡器产生稳定的正弦波。为了减少负载的影响，增加稳定度，可在本振单元后面增加互感抽头。但若振荡器只加 1 组互感抽头电路，而不加放大器，直接接入乘法器中，仿真的结果是电压值迅速下降，幅值由原来的 10V 迅速衰减为 700uV左右。输入的信号太小，经过调制解调系统就不容易辨别。测试电路和测试结果结果如图 4.1.4 和图 4.1.5 所示。4 方案分析图 4.1.4 增加互感抽头的振荡器测试电路图 4.1.5 增加互感抽头的振荡器的仿真波形图从图中可以发现，信号衰减到只有 700uV 左右。再观察解调后的示波器和频谱仪，发现并没有图像，这是因为输

14、入高频载波信号太小，小于量程范围。4 方案分析故，在增加 1 组互感抽头电路之后，我又在其后增加了 1 个一阶有源高通滤波放大器，来减少负载对前端电路的影响，稳定频率，并且能将高频小信号的幅值根据需要放大。经过仿真，频率稳定在 500KHz，幅值变为 30mV 左右，符合高频载波的要求。所以，方案二也可以使用。4.2 乘法器方案分析方案一：应用差分对模拟乘法器。这种电路有缺点：温度漂移不能抵消，同时，信号时单端输入，使用上有时感到不便。方案二：应用双差分对模拟乘法器。 如图 4.2.1 所示，T1、T2 和 T3、T4 组成差分对放大器，T5、T6 为上述两对放大器的电流源，受 控制，T7 则

15、作为 T5 和 T6 的电流源，并用2vT8 和 T7 组成镜像电流源，以抑制 T1 至 T6 诸管的温度漂移。同时 信号2v也是对称双端输入，这样就克服了差分对模拟乘法器电路的上述缺点，因此选用方案二。输出电压 （ 为常数，以下雷同）。312vK令 ，即得：1cos,cosmmVtt3212s()s()moovKtt当模拟乘法器作为振幅调制器时，它的输出 即为已调信号，亦即3v实现了振幅调制。 接高频载波信号， 接低频调制信号。1v2当模拟乘法器作为振幅解调器时，它的输出 即为解调出的低频基3v带信号，亦即实现了解调。 接本地振荡信号， 接已调波信号。1v24 方案分析图 4.2.1 双差分

16、对模拟乘法器原理图4.3 低通滤波器方案分析方案一：采用晶体管 FMMT5179 构成的低频放大器电路作为该单元的主要组成部分。该类型晶体管的频率特性曲线如下图所示：图 4.3.1 晶体管 FMMT5179 的大致频率特性曲线4 方案分析纵轴代表放大倍数，横轴代表频率，该晶体管对低频信号具有放大作用，且随着频率的升高，放大倍数越来越小，故对于 的2o频率没有放大作用。在该电路如图 4.3.2 所示，左右两端各加一个选频网络，其固有频率皆为 20KHz，用于过滤高频信号，保留低频调制信号。所以，由此组成的单元电路既能滤出低频信号，也能放大低频信号。低频滤波放大单元输出的信号为： 1()cos2T

17、vtKVt图 4.3.2 低频滤波放大电路原理图4 方案分析理论参数运算： 126.34LuH120CuF谐振频率为 fc= 19.8cf Kz但这个电路存在缺陷，因为选频网络有一端接地，这等价于对后级放大器又加了一个 的电源，干扰了解调信号。而且选频网络是带通滤0kHz波，频带较宽，也不能起到很好的选频作用。又因为 FMMT5179 仅适用于振幅 的小信号放大，对输入信号的幅值有要求，不便系统的推广26mV与使用。故方案一作废。方案二：改用运放为低频放大部分，即减弱了对输入信号的要求，同时，运放对于信号的输出也有一定的稳定作用。通过改进之后，最终的低频滤波放大电路如图 4.3.3 所示。低频

18、滤波器功能为滤除 附近的高频2o信号，保留 低频信号，则有 。该单元采用二阶 RC1()cos2TOvtKVt电路低通有源网络，其阻带衰减特性的斜率为40dB10oct，克服了一阶低通滤波器阻带衰减太慢的缺点。运放对低频信号具有放大作用，信号进入二阶滤波器，高频部分均从两个电容流入接地线，剩下的波形便是基带信号。图 4.3.3 改进后的低频滤波放大电路4 方案分析该电路通带放大倍数与 和 的比值有关，当 时，网络的传1R212C递函数为 ，用 jw 取代 S 且取 。221()()3(fASC1fRC放大倍数为 21fR理论参数运算：1260Rk1230CpF12ffRk放大倍数 ，通带截止频

19、率 ，即1fRA10.4cfKHzC输出低于 20.4KHz 的低频信号。 经过仿真测试，得到如图 4.3.4 所示波形。图 4.3.4 低频滤波放大输出波形4 方案分析XSC2 中通道 A 显示的是滤波之后放大之前的信号，通道 B 显示的是输出 V0 的信号。两者周期相同，都约为 50 ，即频率 。虽然us20fKHz两者波形一样，但每 Div 的数值不一样，很显然，通道 B 的比例是通道 A的两倍，输出放大器的幅值是 100mv,输入放大器的幅值是 50mv。所以此电路的放大倍数是 。2A经过比较应选择方案二，用二阶 RC 电路低频有源滤波放大器得到到 20KHz 的低频基带信号。5 电路

20、性能指标测试5 电路性能指标测试1.本地振荡器1）本地振荡电路图 5.1.1 本地振荡电路增加互感抽头电路，负载等效到本振电路的电阻明显变小，同时，增加了有源高通滤波放大电路电路，滤去了直流等不必要的分量，“净化”了本振信号，并且使得衰减后微弱的小信号幅值得以放大。放大器的参数：放大倍数为 36710RA2）振荡频率图 5.1.2 输入耦合互感前的振荡频率5 电路性能指标测试3）输出波形与频谱仿真波形与频谱仪曲线如下所示：图 5.1.3 振荡器输出电压波形 图 5.1.4 振荡器的仿真频谱图从仿真波形可以看出，输出电压幅值增加到 30mV。从频谱图可以看出，输出信号频率稳定在 500KHz，满

21、足高频载波的频率，又有本振信号幅值为 30mV。则高频载波信号为 36()01cos(.410)(ovt tV5 电路性能指标测试2.调制部分图 5.1.1 模拟乘法器调制电路调制部分由一个乘法器组成，分别接高频载波信号（500kHz,30mv 的正弦波）和低频调制信号（20kHz，50mv 的正弦波信号）。1） 载波信号（即为本振信号）图 5.1.2 载波信号波形5 电路性能指标测试2）调制信号图 5.1.3 调制信号波形3）已调信号波形与频谱仿真测试图 5.1.4 已调信号波形5 电路性能指标测试本课设中，输入信号幅值 ，频率 ，即输入信号0Vm20fkHz。同时，由上文可知，外加高频载波

22、信号4()0.5cos(12.60)(vt t，故，可得已调波信号：.3.o 6464()cs(3.142.510)cos(3.102.51)2vtKt t由仿真图可得： 。因为书中没有注明乘法器表达式0DSBVm中 的值，故将 代入可得， ，312vK14 310.5102K即 .图 5.1.5 已调信号频谱上图可见已调波形未出现失真，波形完整。而频谱出现两个峰值，左峰值为 ，右峰值为 ，分别为480KHz和520KHz ，由于存在谐波的ww影响，峰值间存在过度带。5 电路性能指标测试2解调部分如下图5.2.1，解调利用了与调制部分一样的乘法器，利用同步检波，v3接频率、相位都与载波信号完全

23、相同的高频信号，这里和调制乘法器一样，直接接入本地振荡器的输出端。图 5.2.1 模拟乘法器解调电路5 电路性能指标测试载波信号 ()cosovtVt已调波信号 1()cos()2oKtt两者相乘，即得： ()cs()cs()cs1o+o2cs2cs11oo2 1cscs(2)cos(2)44T ovtVtttKttVVtKt KVt 代入以上所得值，即： 4641()3.05.3cos(12.50)21)413.05.3cos(2.1402.5(Tvt ttV1）本地载波（仍为本振信号）图 5.2.2 载波信号波形5 电路性能指标测试2）解调信号图 5.2.3 解调后输出波形注：若用信号发生

24、器产生载波信号，则解调后的波形与图 5.2.3，详情请看附录。图 5.2.4 解调后的频谱由于存在诸多谐波分量，波形图看上去杂乱无章，但是包络波形仍然与调幅波相似。由于载波与调制信号较小，故输出波形与预期的“片状波形”有一定的差距，但从频谱图中观察，结果大致正确。同步检波单元的输出包含了5 电路性能指标测试低频 信号，高频 信号，即20KHz、980KHz和1020KHz，但还是在2o500KHz附近出现了“毛刺”干扰，可能是由于乘法器未调零所致。3二阶低通滤波放大器图 5.3.1 低频滤波放大电路理论参数计算将之前计算的理论值带入，则检出的低频波为： 41()3.05.3cos(12.560

25、)(2TvtKtV其中的K值是因为低频滤波网络带来幅度的变化从而产生一个比列系数。信号进入二阶滤波器，高频部分均从两容流入接地线，剩下的波形便是基带信号，滤除了谐波成分，频率为20KHz，幅度为100mv的基带信号。仿真测试如图5.3.2和图5.3.3,它们分别显示了输出基带信号的波形图和频谱图。5 电路性能指标测试仿真测试如图5.3.2和图5.3.3,它们分别显示了输出基带信号的波形图和频谱图。图 5.3.2 输出基带信号波形（通道 B）图 5.33 输出基带信号频谱频谱图只存在一个峰值，即为基带信号的频率20KHz，在频率接近零的地方突起可能是由于直流分量导致的。6 总电路原理图6 总电路原理图