基于Multisim的調(diào)頻發(fā)射機(jī)課程設(shè)計

1、東北大學(xué)秦皇島分校計算機(jī)與通信工程學(xué)院綜合課程設(shè)計設(shè)計題目：調(diào)頻發(fā)射機(jī)專業(yè)名稱通信工程班級學(xué)號4100828學(xué)生姓名孟梅梅指導(dǎo)教師李雅珍設(shè)計時間2012.12.172013.1.4課程設(shè)計任務(wù)書專業(yè)：通信工程 學(xué)號： 4100828 學(xué)生姓名（簽名）： 設(shè)計題目：調(diào)頻發(fā)射機(jī)一、設(shè)計實驗條件計算機(jī)與通信工程學(xué)院創(chuàng)新實驗室二、設(shè)計任務(wù)及要求1. 學(xué)習(xí)Multisim仿真軟件的使用方法，以及鍛煉電路仿真的能力；2. 設(shè)計調(diào)頻發(fā)射機(jī)各模塊的電路，正確設(shè)計與計算發(fā)射機(jī)的各單元電路；3. 用Multisim軟件對設(shè)計的電路進(jìn)行仿真，驗證設(shè)計是否正確；4. 模擬仿真，輸出結(jié)果。3、 設(shè)計報告的內(nèi)容1. 設(shè)計

2、題目與設(shè)計任務(wù)（設(shè)計任務(wù)書）本次課程設(shè)計的題目為調(diào)頻發(fā)射機(jī)的設(shè)計。旨在通過調(diào)頻發(fā)射機(jī)電路的設(shè)計，建立無線電發(fā)射機(jī)的整機(jī)概念，了解發(fā)射機(jī)整機(jī)各單元電路之間的關(guān)系及相互影響，從而能正確設(shè)計、計算發(fā)射的各單元電路。發(fā)射機(jī)是日常生活中常見的也是應(yīng)用非常廣泛的電子器件，研究本課題既可以了解小信號發(fā)射機(jī)電路，又可以提高對于Multisim的應(yīng)用能力和運用書本知識的能力。本次課程設(shè)計的設(shè)計單元主要包括基本放大電路、振蕩電路、調(diào)頻波產(chǎn)生電路、倍頻電路、高頻功放電路。2. 前言（緒論）(設(shè)計的目的、意義等)頻率調(diào)制又稱調(diào)頻，它是使高頻載波信號的頻率按調(diào)制信號振幅的規(guī)律變化，即使瞬時頻率變化的大小與調(diào)制信號成線性

3、關(guān)系，而振幅保持基本恒定的一種調(diào)制方式。調(diào)頻發(fā)射機(jī)首先將音頻信號信號放大，并利用振蕩電路產(chǎn)生高頻載波信號，將調(diào)制信號與載波型號輸入調(diào)頻波產(chǎn)生電路得到調(diào)頻波,再對所產(chǎn)生的調(diào)頻信號進(jìn)行倍頻、功放和一系列的阻抗匹配,完成調(diào)頻發(fā)射過程。本次課程設(shè)計主要通過利用通信原理所學(xué)的內(nèi)容設(shè)計調(diào)頻發(fā)射機(jī)電路，然后利用高頻電路所學(xué)的知識進(jìn)行電路實現(xiàn)，最后利用Multisim軟件對設(shè)計的電路進(jìn)行仿真，檢驗電路的正確性。通過此次課程設(shè)計不僅能對所學(xué)的通信原理和高頻電子線路課程進(jìn)行活學(xué)活用，也提高了大家利用軟件進(jìn)行電路設(shè)計的能力，十分有教學(xué)意義。3. 設(shè)計主體（各部分設(shè)計內(nèi)容、分析、結(jié)論等）信號輸入3.1、總體設(shè)計方框圖

4、調(diào)頻波產(chǎn)生電路倍頻放大電路基本放大電路調(diào)頻信號輸出載波產(chǎn)生電路圖1調(diào)頻發(fā)射機(jī)總體設(shè)計框圖3.2、調(diào)制原理及實現(xiàn)3.2.1、基本放大電路的原理及電路實現(xiàn)音頻放大器的目的是在產(chǎn)生聲音的輸出元件上重建輸入的音頻信號，信號音量和功率級都要理想如實、有效且失真低。其一種簡單模擬實現(xiàn)方案是采用線性模式的晶體管，得到與輸入電壓成比例的輸出電壓，即A類放大器，是指電流連續(xù)地流過所有輸出器件的一種放大器， 這種放大器，由于避免了器件開關(guān)所產(chǎn)生的非線性，只要偏置和動態(tài)范圍控制得當(dāng)，僅從失真的角度來看，可認(rèn)為它是一種良好的線性放大。圖2 基本放大電路的Multisim原理圖Ql音頻放大管，選用了2SC1815型，

5、150；電阻R1可改變頻率接收的靈敏度,電阻R2、R3為晶體管提供靜態(tài)偏置，控制R3的大小可以控制輸入信號的大??；C1為耦合電容，采用了CDll型電解電容。仿真結(jié)果：圖3 基本放大電路的仿真結(jié)果3.2.2、載波產(chǎn)生電路的原理及仿真結(jié)果振蕩電路的功能是：在沒有外加輸入信號的情況下，電路自動將直流電源提供的能量轉(zhuǎn)換為具有一定振幅、一定頻率和一定波形的交變信號輸出。我們可選用三種方法得到需要的高頻載波信號。三種方法如下：【1】方法一：由LC振蕩電路產(chǎn)生LC調(diào)頻振蕩器一般由LC正弦波振蕩器與變?nèi)荻O管調(diào)頻電路兩大部分組成。其中，LC正弦波振蕩器用于產(chǎn)生一定頻率的幅度和信號，無須外加輸入信號的控制，就能

6、自動將電能轉(zhuǎn)換為所需要的交流能量輸出。圖4 LC振蕩器電路的Multisim原理圖仿真結(jié)果：圖5 LC振蕩電路產(chǎn)生高頻載波的仿真結(jié)果【2】方法二：由西勒振蕩電路或者克拉潑電路產(chǎn)生高頻載波通常根據(jù)載波頻率的高低和頻率穩(wěn)定度來確定電路形式。在頻率穩(wěn)定度要求不高的情況下，可以采用電容反饋三點式振蕩電路，如下圖所示的克拉潑、西勒電路。 （a)西勒振蕩器 （b)克拉潑振蕩器圖6 兩種電容反饋三點式振蕩電路原理1）西勒振蕩器的Multisim原理圖及仿真結(jié)果為：圖7西勒振蕩器的Multisim原理圖及仿真結(jié)果 2）克拉潑振蕩器的Multisim原理圖及仿真結(jié)果為：圖8 克拉潑振蕩器的Multisim原理圖

7、及仿真結(jié)果3.2.3、調(diào)頻波產(chǎn)生電路原理及其實現(xiàn)頻率調(diào)制原理載波，調(diào)制信號；通過FM調(diào)制，使得頻率變化量與調(diào)制信號的大小成正比。即已調(diào)信號的瞬時角頻率已調(diào)信號的瞬時相位為實現(xiàn)調(diào)頻的方法有：【1】變?nèi)荻O管直接調(diào)頻變?nèi)荻O管調(diào)頻電路由變?nèi)荻O管及耦合電容組成,R1與R2為變?nèi)荻O管提供靜態(tài)時的反向直流偏置電壓 即=R2/(R1+R2) 。電阻R3稱為隔離電阻，常取R3R2,R3R1，以減小調(diào)制信號對的影響。C5與高頻扼流圈L2給提供通路，C6起高頻濾波作用。變?nèi)荻O管通過耦合電容部分接入振蕩回路，有利于主振頻率的穩(wěn)定性，減小調(diào)制失真。圖(1-4)所示的為變?nèi)荻O管部分接入振蕩回路的等效電路，接入

8、系數(shù)及回路總電容分別為： (1-6) (1-7)式中，為變?nèi)荻O管的結(jié)電容，它與外加電壓的關(guān)系為： (1-8) 式中，為變?nèi)荻O管加零偏壓時的結(jié)電容；為變?nèi)莨躊N結(jié)內(nèi)建電差（硅管=0.7V，鍺管=0.3V）；變?nèi)荻O管的電容變化指數(shù)，與頻偏的大小有關(guān)（小頻偏：選=1的變?nèi)荻O管可近似實現(xiàn)線性調(diào)頻，大頻偏：必須選=2的超突變結(jié)變?nèi)荻O管，才能實現(xiàn)較好的線性調(diào)頻）；為變?nèi)莨軆啥怂拥姆聪螂妷海?+=+ 。變?nèi)荻O管的Cj-v 特性曲線如圖（1-2）示，設(shè)電路工作在線性調(diào)制狀態(tài)，在靜態(tài)工作點Q處，曲線的斜率為 (1-9) 圖1-1變?nèi)荻O管部分接入的等效電路圖 圖1-3 變?nèi)荻O管的Cj-v特性曲線

9、直接調(diào)頻的基本原理是利用調(diào)制信號直接控制振蕩器的振蕩頻率，使其反映調(diào)制信號變化規(guī)律。要用調(diào)制信號去控制載波振蕩器的振蕩頻率，就是用調(diào)制信號去控制決定載波振蕩器振蕩頻率的元件或電路的參數(shù)，從而使載波振蕩器的瞬時頻率按調(diào)制信號變化規(guī)律線性地改變，就能夠?qū)崿F(xiàn)直接調(diào)頻。直接調(diào)頻可用如下方法實現(xiàn)：a.改變振蕩回路的元件參數(shù)實現(xiàn)調(diào)頻在LC振蕩器中，決定振蕩頻率的主要元件是LC振蕩回路的電感L和電容C。在RC振蕩器中，決定振蕩頻率的主要元件是電阻和電容。因而，根據(jù)調(diào)頻的特點，用調(diào)制信號去控制電感、電容或電阻的數(shù)值就能實現(xiàn)調(diào)頻。調(diào)頻電路中常用的可控電容元件有變?nèi)荻O管和電抗管電路。常用的可控電感元件是具有鐵氧

10、體磁芯的電感線圈或電抗管電路，而可控電阻元件有二極管和場效應(yīng)管。b.控制振蕩器的工作狀態(tài)實現(xiàn)調(diào)頻在微波發(fā)射機(jī)中，常用速調(diào)管振蕩器作為載波振蕩器，其振蕩頻率受控于加在管子反射極上的反射極電壓。因此，只需將調(diào)制信號加至反射極即可實現(xiàn)調(diào)頻。若載波是由多諧振蕩器產(chǎn)生的方波，則可用調(diào)制信號控制積分電容的充放電電流，從而控制其振蕩頻率。變?nèi)荻O管直接調(diào)頻的工作原理圖與Multisim仿真結(jié)果為：圖9變?nèi)荻O管直接調(diào)頻的工作原理圖仿真結(jié)果為：圖10變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路的Multisim仿真結(jié)果變?nèi)荻O管直接調(diào)頻的工作原理圖與Multisim仿真結(jié)果為：圖9變?nèi)荻O管間接調(diào)頻的工作原理圖仿真結(jié)果為：【2】變

11、容二極管間接調(diào)頻不直接針對載波，而是通過后一級的可控的移相網(wǎng)絡(luò)。 將先進(jìn)行積分，而后以此積分值進(jìn)行調(diào)相，即得間接調(diào)頻。間接調(diào)頻實現(xiàn)的原理框圖如圖 1-1所示： 圖9 借助于調(diào)相器得到調(diào)頻波圖10變?nèi)荻O管間接調(diào)頻電路的Multisim仿真結(jié)果【3】鎖相環(huán)調(diào)頻電路鎖相環(huán)路是一種反饋控制電路，簡稱鎖相環(huán)（PLL）。鎖相環(huán)的特點是：利用外部輸入的參考信號控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號的頻率和相位。因鎖相環(huán)可以實現(xiàn)輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤，所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。鎖相環(huán)在工作的過程中，當(dāng)輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖

12、住，這就是鎖相環(huán)名稱的由來。鎖相環(huán)通常由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）三部分組成。首先在Multisim軟件中構(gòu)造鎖相環(huán)的仿真模型(圖10)。鎖相環(huán)包含三個主要的部分：（1）鑒相環(huán)(或相位比較器,記為PD或PC):是完成相位比較的單元,用來比較輸入信號和基準(zhǔn)信號的之間的相位.它的輸出電壓正比于兩個輸入信號之相位差。（2）低通濾波器(LPF):是個線性電路,其作用是濾除鑒相器輸出電壓中的高頻分量,起平滑濾波的作用.通常由電阻、電容或電感等組成，有時也包含運算放大器。（3）壓控振蕩器（VCO）：振蕩頻率受控制電壓控制的振蕩器，而振蕩頻率與控制電壓之間成線性關(guān)系。圖中，鑒相

13、器由模擬乘法器A1實現(xiàn)，壓控振蕩器為V3，環(huán)路濾波器由R1、C1構(gòu)成。環(huán)路濾波器的輸出通過R2、R3串聯(lián)分壓后加到壓控振蕩器的輸人端，直流電源V2用來調(diào)整壓控振蕩器的中心頻率。仿真模型中，增加R2、R3及V2的目的就是為了便于調(diào)整壓控振蕩器的中心頻率。 直接調(diào)頻電路的振蕩器中心頻率穩(wěn)定度較低，而采用晶體振蕩器的調(diào)頻電路，其調(diào)頻范圍又太窄。采用鎖相環(huán)的調(diào)頻器可以解決這個矛盾。其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。 壓控振蕩器+環(huán)路濾波器鑒相器晶體振蕩器 FM波 調(diào)制信號圖11鎖相環(huán)調(diào)頻電路原理框圖實現(xiàn)鎖相調(diào)頻的條件是調(diào)制信號的頻譜要處于低通濾波器通帶之外，也就是說，鎖相環(huán)路對慢變化的頻率偏移有響應(yīng)，使壓控振蕩器

14、的中心頻率鎖定在穩(wěn)定度很高的晶振頻率上。而隨著輸入調(diào)制信號的變化，振蕩頻率可以發(fā)生很大偏移。根據(jù)圖2建立的仿真電路如圖3所示。圖中，設(shè)置壓控振蕩器V1在控制電壓為0時，輸出頻率為O；控制電壓為5V時，輸出頻率為50kHz。這樣，實際上就選定了壓控振蕩器的中心頻率為25kHz，為此設(shè)定直流電壓V3為25V。調(diào)制電壓V4通過電阻R5接到VCO的輸入端，R5實際上是作為調(diào)制信號源V4的內(nèi)阻，這樣可以保證加到VCO輸入端的電壓是低通濾波器的輸出電壓和調(diào)制電壓之和，從而滿足了原理圖的要求。本電路中，相加功能也可以通過一個加法器來完成，但電路要變得相對復(fù)雜一些。圖12鎖相環(huán)調(diào)頻仿真電路VCO輸出波形和輸入

15、調(diào)制電壓V4的關(guān)系如圖4所示。由圖可見，輸出信號頻率隨著輸入信號的變化而變化，從而實現(xiàn)了調(diào)頻功能。圖13 鎖相環(huán)調(diào)頻電路仿真圖3.2.4、倍頻電路原理與仿真倍頻器實質(zhì)上就是一種輸出信號等于輸入信號頻率整數(shù)倍的電路，常用的是二倍頻和三倍頻器。倍頻器的主要作用是為了提升載波信號的頻率，使之工作于對應(yīng)的信道；同時經(jīng)倍頻處理后，調(diào)頻信號的頻偏也可成倍提高，即提高了調(diào)頻調(diào)制的靈敏度，這樣可降低對調(diào)制信號的放大要求。采作倍頻器的另一個好處是：可以使載波主振蕩器與高頻放大器隔離，減小高頻寄生耦合，有利于減少高頻自激現(xiàn)象的產(chǎn)生，提高整機(jī)工作穩(wěn)定性。正弦波二倍頻,可以用乘法器實現(xiàn)。 但是乘法器輸出的二倍頻正弦信

16、號幅值要比輸入低1/2，同時,乘法器還輸出1/2輸入幅值的直流信號,使用時要用隔直電路將其消除。本次課程設(shè)計我們采用的正是使用乘法器實現(xiàn)二倍頻。二倍頻電路如圖15所示。其仿真波形如圖16所示。圖14 二倍頻電路圖15 二倍頻仿真電路波形下面的為原正弦波，其頻率為1KHZ，上面的為倍頻后的波形，可見其頻率變?yōu)樵瓉淼膬杀叮底優(yōu)樵瓉淼囊话?。此外，我們還做了多倍頻電路，電路圖及仿真波形如圖18、19所示圖16多倍頻電路圖17 多倍頻仿真波形圖3.3、總的電路設(shè)計圖16 調(diào)頻電路圖18總體設(shè)計3.4誤差分析由仿真波形可看到，波形并非是完美的正弦波，還是有點失真的，還有就是中心頻率還是存在一點誤差的，

17、 但是本次所設(shè)計的電路基本達(dá)到了任務(wù)書的要求，所設(shè)計電路的仿真水平，離設(shè)計指標(biāo)所要求的還一段距離。出現(xiàn)這些原因主要有以下四點：（1）設(shè)計電路時選擇元件不同會產(chǎn)生誤差；（2）電路的參數(shù)設(shè)置會產(chǎn)生誤差；（3）本身電路設(shè)計存在問題有待改進(jìn)；（4）各級電路接在一起時互相干擾。4. 結(jié)束語（設(shè)計的收獲、體會等）通過這次設(shè)計調(diào)頻發(fā)射機(jī)的課程設(shè)計，收獲良多，作為通信工程專業(yè)的學(xué)生，信號的接收調(diào)制傳送接收理應(yīng)是好生掌握的看家本領(lǐng)。但這次最大的收獲便是意識到自己在知識運用上的不扎實。本次課程設(shè)計是通信原理的課程設(shè)計，基于通信原理的只是調(diào)頻發(fā)射機(jī)的工作原理不難理解與掌握，但功能電路的實現(xiàn)需要利用高頻電路原理與分析

18、中的知識來完成。高頻的學(xué)習(xí)難度相對較大，利用高頻的只是設(shè)計復(fù)雜的電路時，一開始感覺很棘手。于是我們小組分工合作，通過在互聯(lián)網(wǎng)上查資料，在電子閱覽室搜索相關(guān)論文，在閱覽室查找相關(guān)書籍，幾天下來，漸漸的對本次課程設(shè)計有了一定的把握，提升了自身提出問題解決問題的能力，也在小組合作中體會著集體的力量，期間遇見過種種困難，也不乏抱怨，但始終不曾想過放棄，四五天下來，得到鍛煉的不只是我們的知識水平，實踐能力，還有對待棘手問題的不躁不棄。另外，此次試驗的仿真我們選用了仿真軟件Multisim，上個學(xué)期的電路課程設(shè)計曾經(jīng)初步接觸過這個仿真軟件，此次，對它強大的仿真功能有了更進(jìn)一步的了解與掌握，繪制電路階段，不斷的查找其元件庫中元件的詳細(xì)參數(shù)，對我們所需的元器件有了一定的把握，對此仿真軟件使用熟練程度也得到了加強。調(diào)制波形的過程復(fù)雜而棘手，很多時候自己感覺沒有問題的原理圖卻怎么也得不到理想中的仿真圖，這就需要我們耐心的差錯調(diào)制，每一個正確波形的仿真成功都曾給我們帶來不小的成就感?？偠灾ㄟ^這次通信原理的課程設(shè)計，深切感受到理論應(yīng)用于實際中的難度，并認(rèn)識到理論聯(lián)系實際的重要性。我們做的調(diào)頻發(fā)射機(jī)所應(yīng)用到的理論知識都是書中經(jīng)典的知識點，因此對課本知識也有了進(jìn)一步的理解，同時也意識到自己對課本知識理解不夠