1、兰 州 理 工 大 学 课 程 设 计 报 告目 录前言 .1一 、绪论 .21.基本原理 .2二、频率的调制 .32.1 调频的方法及原理 31）直接调频原理 .32）晶体振荡器直接调频 3三、基于 Multisim 的调频电路设计与分析 53.1 Multisim 软件介绍 .53.2 基于 Multisim 的频率的调制仿真分析 63.2.1 单元电路设计及分析 61）石英晶体振荡器直接调频 62）丙类谐振功率放大 73）倍频器 .94）二极管单平衡混频电路 10四、整机电路设计 .12五、设计总结 .13参考文献 .14致谢 .15兰 州 理 工 大 学 课 程 设 计 报 告前 言着
2、全球经济一体化的发展，世界通信行业也是日新月异，发展迅猛之快，更新速度之极，给与我们巨大的挑战和机遇。 “通信电子线路”是学习通信的基础课程， “高频电子线路”具有很强的理论性和实践性。频率的调制是通信电子线路的重要组成部分。此部分在学习的过程当中具有有一定的困难。为了更好的学习，采用计算机辅助分析方法。本课程设计是基于 Multisim 的调频电路的设计和仿真。兰 州 理 工 大 学 课 程 设 计 报 告一 、绪论1.基本原理高频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
3、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。调频电路广泛运用于无线广播、电视节目传播、移动通信、微波和卫星等通信系统中，频率调制信号比调幅信号抗干扰性强。使载波频率按照调制信号改变的调制方式叫调频。已调波频率变化的大小由调制信号的大小决定，变化的周期由调制信号的频率决定。已调波的振幅保持不变。调频波的波形，就像是个被压缩得不均匀的弹簧，调频波用英文字母FM表示。Mult
4、isim 是一个能进行电路原理设计、对电路功能进行测试分析的仿真软件。Multisim 的功能更强大，更适合于对模拟电路、数字电路和通信电路等的仿真与测试。它的元器件库提供数千种电路元器件供仿真选用，提供的虚拟测试仪器仪表种类齐全，还有较为详细的电路分析功能，仿真速度更快。它将实验过程中创建的电路原理图、使用到的仪器、电路测试分析后结果的显示图表等全部集成到同一个电路窗口中，具有直观、方便、实用和安全的优点。兰 州 理 工 大 学 课 程 设 计 报 告二、频率的调制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
5、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。1）直接调频原理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
6、 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LC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。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
7、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兰 州 理 工 大 学 课 程 设 计 报 告发生变化。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
8、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。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，C 1、C 2 与石英晶体、变容
9、管组成皮尔斯振荡电路； L1、L 2 与 L3 为高频扼流圈；R 1、R 2 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图 2.3 变容管与晶体的两种联接方式及其电抗曲线兰 州 理 工 大 学 课 程 设 计 报 告三、基于 Multisim 的调频电路设计与分析3.1 Multisim 软件介绍随着电子信息产业的飞速发展,计算机技术在电子电路设计中发挥着越来越大的作用.电子产品的设计开发手段由传统的设计方法和简单的计算机辅助设计(CAD)逐步被EDA技术所取代.目前国内外常用的EDA软件有EWB、Protel、Orc
10、ad、Pspice系列软件。Multisim10仿真软件就是EWB系列软件中的一种。电子线路课程设计是针对电子线路课程的要求，对学生进行综合训练，培养学生运用课程中所学到的知识，独立地解决实际问题的能力 1。传统方法是先设计电路，然后在面包板或实验箱进行实验调整参数，最后再制版、安装、调试。传统方法存在技术手段陈旧，教、学、做受到条件的限制，学习效率不高等问题。Multisim10仿真软件可以构成一个虚拟的实验工作台 2，学生在虚拟环境下完成电子技术课程设计的选择元件、创建电路、计算与调整参数以及观测仿真结果等中心环节。并且设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便；设计和实验所用
11、的元器件及测试仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验。最后进行实物组装、调试，实现了电路设计的优化而保证达到设计要求 34。NI Multisim 10 是美国国家仪器公司（NI，National Instruments）最新推出的Multisim 最新版本。目前美国 NI 公司的 EWB 的包含有电路仿真设计的模块 Multisim、PCB 设计软件Ultiboard、布线引擎 Ultiroute 及通信电路分析与设计模块 Commsim 4 个部分，能完成从电路的仿真设计到电路版图生成的全过程。Multisim、Ultiboard、Ultiroute 及 Commsim 4 个部分相互
12、独立，可以分别使用。Multisim、Ultiboard、Ultiroute 及 Commsim 4 个部分有增强专业版（Power Professional） 、专业版（ Professional） 、个人版（Personal） 、教育版（Education） 、学生版（Student）和演示版（Demo ）等多个版本，各版本的功能和价格有着明显的差异。兰 州 理 工 大 学 课 程 设 计 报 告3.2 基于 Multisim 的频率的调制仿真分析3.2.1 单元电路设计及分析1）石英晶体振荡器直接调频图 3.1 是我们设计的中心频率为 36MHZ 的晶体直接调频的实际电路。C6,L2 谐
13、振在36MHZ 频率上，对 11MHZ 可视为短路，V3 与 C4， C5 及晶振构成电容三点式振荡器，12MHZ 晶体等效为电感，音频电压经 V1 放大后，加在变容二极管 V2 两端。改变其电容实现调频。R3,R4 为变容二极管提供反向偏压，C3 用来微调中心频率，由于 C6，L2 谐振在36MHZ 频率，所以本电路在完成晶体调频的同时，兼有三倍频功能，输出中心频率为36MHZ 的调频信号，增加了频偏。仿真波形如图 3.2 所示。图 3.1 晶体振荡器直接调频实际电路兰 州 理 工 大 学 课 程 设 计 报 告图 3.2 晶体振荡器直接调频仿真波形2）丙类谐振功率放大高频功率放大器是一种能
14、量转换器件，它是将电源供给的直流能量转换为高频交流输出。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件，它也是一种以谐振电路做负载的放大器。而在此电路中我们采用的是丙类调谐功率放大器，如图3.3所示。由于丙类调谐功率放大器采用的是反相偏置，在静态时，管子处于截止状态。只有当激励信号 bu足够大，超过反偏压 bE及晶体管起始导通电压 iu之和时，管子才导通。这样，管子只有在一个周期的一小部分内导通。所以集电极电流是周期性的余弦脉冲。放大器输出波形如图3.4 所示。 兰 州 理 工 大 学 课 程 设 计 报 告图 3.3 功率放大电路图 3.4 功率放大电路仿真波形兰 州 理 工 大 学 课 程
15、设 计 报 告3）倍频器倍频器是一种将输入信号频率成整数倍（2倍、3倍、n 倍）增加的电路。它主要用于甚高频无线电发射机或其它电子设备。倍频器实质上就是一种输出信号等于输入信号频率整数倍的电路，常用的是二倍频和三倍频器。其电路图如图 3.5 所示。图 3.5 倍频输出电路采用倍频器的主要原因有：(1)降低设备的主振频率。由于振荡器频率愈高稳定性愈差，一般采用频率较低而稳定度较高的晶体振荡器，以后加若干级倍频器达到所需频率。故工作频率高，要求稳定性又严格的通信设备和电子仪器就需要倍频。(2)对于调相或调频发射机，利用倍频器可以加大相移或频移，即可增加调制度。(3)可以提高发射机的工作频率稳定性。
16、则仿真结果如图 3.6 所示。兰 州 理 工 大 学 课 程 设 计 报 告图 3.6 倍频输出电路仿真波形4）二极管单平衡混频电路单平衡混频器特点：本振功率较高，动态范围较大，本振隔离较好，对 RF 的偶次产物有抑制作用。图 3.7 二极管单平衡混频电路兰 州 理 工 大 学 课 程 设 计 报 告图 3.8 二极管单平衡混频电路仿真波形兰 州 理 工 大 学 课 程 设 计 报 告四、整机电路设计图中音频信号可由低频信号源提供，音频信号可以是语音，也可以是音乐信号，也可以是函数发生器产生的低频信号。通过晶体振荡器进行直接调频，再通过三极管进行倍频放大，输出信号通过二极管单平衡混频器，最后进
17、入进入丙类谐振功率放大。图 5.1 整机电路兰 州 理 工 大 学 课 程 设 计 报 告五、设计总结这次课程设计为时 2 周，两周的时间非常短暂，课设题目下来后我明确任务，去图书馆查阅文献资料，寻找有关的书籍作为参考。然后熟悉软件，进行系统分析设计，完成有关的系统流程图及其模型。完成上述两个步骤后开始进行单元电路的设计及整机调试，然后撰写设计说明书。之后进行答辩。本次的课程设计过程当中，我深深体会到平时学习的不足以及动手能力的缺乏。课设要求用 Multisim 软件仿真出来，我再寻找电路图的过程中遇到一些困难，要么是电路图有问题，要么是调不出来。调频波形应为弹簧波而我却只能跳出正弦波形。老师
18、鼓励学生做实物图，我就去尝试了一下，发现自己动手能力不足，经验也不丰富，关于电阻的认识及电容的读写。做实物的过程，是学习的过程，能教会很多，也能体会到很多。在这次课程设计中我学到了很多,我学会了独自完成一件事情所需要的毅力和勇气及坚持，当你做完之后会有一种成就感。过程中学会与人沟通，锻炼了自己从外界获取信息的能力。懂得做一件事情前所需要做各种准备工作，才能在接下来的问题中越来越轻松自如。兰 州 理 工 大 学 课 程 设 计 报 告参考文献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
19、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兰 州 理 工 大 学 课 程 设 计 报 告致谢这次课程设计的完成过程当中，教会了我很多，我也思考了一些事情。为时两周的课程设计当中遇到了一些困难，锻炼了能力。因为我们是个人做个人的内容，所以我得独自去找一些资料，同时也会向同学搜集一些，当中我学会了怎样去搜集资料，怎样与人沟通，怎样与外界进行交流。搜集完之后我开始仿真，但因为元器件参数的问题或者电路的问题以及调节的不合适都会仿真不出合理的结果。我得各种情况各种分析，我知道自己的事情得自己去完成，去独自思考，要勇于承受孤独，才能干成一件事情，光靠别人是永远的不会成功。这次除了进行软件仿真之外，在老师的鼓励和引导下，我尝试着去做实物，关于硬件方面的知识我知之甚少，所以我和同学买了元器件之后就去尝试做，虽然结果没有出来应有的效果，但我感觉很值得，因为做实物锻炼了我的动手能力，也学到了硬件方面的一些知识。这次课程设计过程中我们得到了老师的悉心指导，同时也得到了学院的大力支持，在此一并表示衷心的感谢！
