中南大學基于Multisim的FM調(diào)頻電路設計報告(終極)

課程設計報告題

目：基于Multisim的頻電路設計學生姓名

：學生學號

：系

別

：

信息科學與工程學院專

業(yè)

：

通信屆

別

：

2013屆指導教師

：

于的FM調(diào)頻電目錄目錄1課3.3.332基的調(diào)定........................................出4證5.5.63實圖124實析12調(diào)頻真12誤差：14實驗：155實考176總.17參考文獻18元件清單192

于的FM調(diào)頻電課程設計的任務與要求1.1通過本次課程設計，掌握通信電子電路中利用變?nèi)荻O管進行調(diào)制的方法。在硬件電路上采用變?nèi)荻O管進行直接調(diào)頻和基于軟件進行仿真和測試，并進行分析。1.2本課程設計主要研究FM調(diào)制系統(tǒng)的理論設計和基于軟件仿真。(1)設計要求：用變?nèi)荻O管設計一調(diào)頻電路，其中變?nèi)荻O管兩端電壓Vq=4V時，Cq=75pF，Q的斜率為12.5pF/V。(2)主要技術指標：中心頻率調(diào)制信號：1KHz，頻偏：1.3《通信電子電路》中第七章的主要學習內(nèi)容是無線電通信系統(tǒng)中發(fā)射和接收設備中單元電路的形式及工作原理等。在無線電發(fā)射機中，如果需要發(fā)射低頻調(diào)制信號（如由語音信號轉(zhuǎn)換而來的電信號要經(jīng)過調(diào)制才能進行發(fā)送傳輸。所謂調(diào)制是指用低頻調(diào)制信號去改變高頻振蕩波，使其隨低頻調(diào)制信號的變化規(guī)律（幅度、頻率或相位）相應變化的過程。由這些經(jīng)過調(diào)制后的已調(diào)波攜帶低頻信號的信息到空間進行傳輸，完成信號的發(fā)射。從頻譜的角度3

于的FM調(diào)頻電來看，調(diào)制是將低頻調(diào)制信號的頻譜從低頻端搬到高頻端的過程。調(diào)頻電路廣泛運用于無線廣播、電視節(jié)目傳播、移動通信、微波和衛(wèi)星等系統(tǒng)中，頻率調(diào)制信號比調(diào)幅信號抗干擾性強。使載波頻率按照調(diào)制信號改變的調(diào)制方式叫調(diào)頻。已調(diào)波頻率變化的大小由調(diào)制信號的大小決定，變化的周期由調(diào)制信號的頻率決定。已調(diào)波的振幅保持不變。調(diào)頻波的波形，就像是個被壓縮得不均勻的彈簧，調(diào)頻波用英文字母FM表示。Multisim是一個能進行電路原理設計、對電路功能進行測試分析的仿真軟件。Multisim的功能強大，更適合于對模擬電路、數(shù)字電路和通信電路等的仿真與測試。它的元器件庫提供數(shù)千種電路元器件供仿真選用，提供的虛擬測試儀器儀表種類齊全，還有較為詳細的電路分析功能，仿真速度更快。它將實驗過程中創(chuàng)建的電路原理圖、使用到的儀器、電路測試分析后結(jié)果的顯示圖表等全部集成到同一個電路窗口中，具有直觀、方便、實用和安全的優(yōu)點?；谧?nèi)荻O管的FM調(diào)系統(tǒng)方案制定2.1所謂調(diào)頻，就是把要傳送的信息（例如語言、音樂）作為調(diào)制信號去控制載波（高頻振蕩信號）的瞬時頻率，使其按調(diào)制信號的規(guī)律變化。許多調(diào)頻發(fā)射電路中采用直接調(diào)頻電路：如無線麥克風發(fā)射電路、無線遙控玩具的發(fā)射機電路及對講機電路等。在模擬電路課程的學習中，我們學習過各種振4

于的FM調(diào)頻電蕩器，這些振蕩器產(chǎn)生的是頻率、幅度不變的單頻余弦波。按照調(diào)頻波的定義，若這些振蕩器的頻率能夠被低頻信號直接控制而改變，則振蕩器就可輸出調(diào)頻波，相應的稱這些電路為直接調(diào)頻電路。變?nèi)荻O管是根據(jù)結(jié)的結(jié)電容隨反向電壓大小而變化的原理設計的一種二極管。它的極間結(jié)構(gòu)、伏安特性與一般檢波二極管沒有多大差別。不同的是在加反向偏壓時，變?nèi)荻艹尸F(xiàn)較大的結(jié)電容。這個結(jié)電容的大小能靈敏地隨反向偏壓而變化。正是利用了變?nèi)荻O管這一特性，將變?nèi)荻O管接到振蕩器的振蕩回路中，作為可控電容元件，則回路的電容量會隨調(diào)制信號電壓而變化，從而改變振蕩頻率，達到調(diào)頻的目的。由于抗干擾能力強、功率利用率高、信息傳輸保真度高等優(yōu)點，頻率調(diào)制廣泛應用于各種通信系統(tǒng)和電子設備中。實現(xiàn)調(diào)頻的方法有直接調(diào)頻法和間接調(diào)頻法兩類。2.2案證調(diào)頻就是用調(diào)制信號控制載波的振蕩頻率，使載波的頻率隨著調(diào)制信號變化。已調(diào)波稱為調(diào)頻波。調(diào)頻波的振幅保持不變，調(diào)頻波的瞬時頻率偏離載波頻率的量與調(diào)制信號的瞬時值成比例。調(diào)頻系統(tǒng)實現(xiàn)稍復雜，占用的頻帶遠較調(diào)幅波為寬，因此必須工作在超短波波段。抗干擾性能好，傳輸時信號失真小，利用率也較高。使載波頻率按照調(diào)制信號改變的調(diào)制方式叫調(diào)頻。已調(diào)波頻率變化的大小由調(diào)制信號的大小決定，變化的周期由調(diào)制信號的頻率決定。已調(diào)波的振5

jjr于的FM調(diào)頻電jjr幅保持不變。調(diào)頻波的波形，就像是個被壓縮得不均勻的彈簧，調(diào)頻波用英文字母FM表示。（1）變?nèi)荻O管的特性變?nèi)荻O管是根據(jù)結(jié)的結(jié)電容隨反向電壓改變而變化的原理設計的。在加反向偏壓時，變?nèi)荻艹尸F(xiàn)一個較大的結(jié)電容。這個結(jié)電容的大小能靈敏地隨反向偏壓而變化。正是利用了變?nèi)荻O管這一特性，將變?nèi)荻O管接到振蕩器的振蕩回路中，作為可控電容元件，則回路的電容量會明顯地隨調(diào)制電壓而變化，從而改變振蕩頻率，達到調(diào)頻的目的。變?nèi)荻O管的反向電壓與其結(jié)電容呈非線性關系。其結(jié)電容與反向偏置電壓Ur之間有如下關系：C

Cu

r

(1)式中，UD為結(jié)的勢壘電壓，Cj0Ur=0時的結(jié)電容;γ為電容變化系數(shù)。（2）調(diào)頻基本原理6

rccQΩ于的FM調(diào)rccQΩMultisim真容極調(diào)電圖1是變?nèi)荻O管調(diào)頻器的原理電路。整個圖形可以分為兩個部分，主振電路和調(diào)頻電路。左邊是一個克拉潑電路，其中和Rb2是偏置電阻，Rc和Re分別為集電極電阻和射極電阻，Q1一個型號2N2222A的三極管，C1，C2，C3以及L1是振蕩電路的主要工作元件，右邊是型變?nèi)荻O管和它的偏置電路。其中Cc是耦合電容，L2高頻扼流圈，它對高頻信號可視為開路。變?nèi)荻O管是振蕩回路的一個組成部分，加在變?nèi)荻O管上的反向電壓為=V+u(t)=V+(t)(2)式中，VQ=Vcc是加在變?nèi)荻O管上的直流偏置電壓；uΩ(t)為調(diào)制信號電壓。7

ΩΩmrQΩΩm于的FM調(diào)ΩΩmrQΩΩm圖結(jié)容調(diào)電變關圖2(a)是變?nèi)荻O管的結(jié)電容與反向電壓的關系曲線。由電路可知，加在變?nèi)荻O管上的反向電壓為直流偏壓和調(diào)制電壓uΩ(t)之和，若設調(diào)制電壓為單頻余弦信號，即(t)=cosΩt則反向電壓為:(V+cos

(3)如圖2(b)所示。在(t)的控制下，結(jié)電容將隨時間發(fā)生變化，如圖2(c)所示。結(jié)電容是振蕩器振蕩回路的一部分，結(jié)電容隨調(diào)制信號變化，回路總電容也隨調(diào)制信號變化，故振蕩頻率也將隨調(diào)制信號變化。只要適當選取變?nèi)荻O管的特性及工作狀態(tài)，可以使振蕩頻率的變化與調(diào)制信號近似成線性關系，從而實現(xiàn)調(diào)頻。為了滿足變?nèi)荻O管兩端電壓Vq=4V時，Cq=75pF，Q處的斜率為12.5pF/V。故選擇變?nèi)荻O管的型號為BBY31，已測量出其曲線如圖3所示。圖變二管Cj-V曲（3）電路分析設調(diào)制信號為(cosΩt，加在二極管上的反向直流偏壓為VQ，VQ的取值應保證在未加調(diào)制信號時振蕩器的振蕩頻率等于要求的載波頻率，同時還8

rQΩrQjQjQjj0j0(1DDQjj1c于的rQΩrQjQjQjj0j0(1DDQjj1c應保證在調(diào)制信號uΩ(t)的變化范圍內(nèi)保持變?nèi)荻O管在反向電壓下工作。加在變?nèi)荻O管上的控制電壓為()=V+cosΩt

(4)當調(diào)制信號電壓u(t時，即為載波狀態(tài)。此時t)=V，對應的變?nèi)荻O管結(jié)電容為C:C

C

r

(5)當調(diào)制信號電壓uΩ(t)=UΩmcos時，C

C[1cos]r

[

CUcosD

)]r

(6)代入式(5),并令m=UΩm/(UD+VQ)為電容調(diào)制度，則可得C

C[1]r

(7)上式表示的是變?nèi)荻O管的結(jié)電容與調(diào)制電壓的關系。而變?nèi)荻O管調(diào)頻器的瞬時頻率與調(diào)制電壓的關系由振蕩回路決定。由圖可得，振蕩器振蕩回路的等效電路，如圖4所示。圖振回（潑）效路(3)變?nèi)荻O管作為振蕩回路的總電容設C未接入,C較大,即回路的總電容僅是變?nèi)荻O管的結(jié)電容。加在變9

1jLCΩΩmr2222rc[1cc于的FM調(diào)頻電1jLCΩΩmr2222rc[1cc容二極管上的高頻電壓很小,可忽略其對變?nèi)荻O管電容量變化的影響,則瞬時振蕩角頻率為wt)

LC

(8)因為未加調(diào)制信號時的載波頻率所以

w()

1jQwt)

LC

11(1)

r

(9)根據(jù)調(diào)頻的要求,當變?nèi)荻O管的結(jié)電容作為回路總電容時,實現(xiàn)線性調(diào)頻的條件是容二極管的電容變化系數(shù)γ=2。若變?nèi)荻O管的電容變化系數(shù)不等于2，設(t)=cos，則

(1cos)

，可以在mcos處展開成為泰勒級數(shù),得rrrrr[[cos)mcoscos2

mcos)

(10)通常m<1上列級數(shù)是收斂的。因此可以忽略三次方項以上的各項,則從上式可知,對于變?nèi)荻O管調(diào)頻器,若使用的變?nèi)荻O管的變?nèi)菹禂?shù)γ≠2,則輸出調(diào)頻波會產(chǎn)生非線性失真和中心頻率偏移。其結(jié)果如下：rr[wt)wcoscos2!

]rr2r[1cos2cos28

2

2

]rrrrr[1(m2m(28

2

2]a.調(diào)頻波的最大角頻率偏V

r

mw

(11)b.頻波會產(chǎn)生二次諧波失真,二次諧波失真的最大角頻率偏移10

1jjΩΩm∑cjQ1cjcjQ1cjQ于的FM調(diào)1jjΩΩm∑cjQ1cjcjQ1cjQr

2w

（12調(diào)頻波的二次諧波失真系數(shù)為

f

w

m

(13)c．調(diào)頻波會產(chǎn)生中心頻率偏移，其偏離值為

w

r

2

w

(14)r中心角頻率的相對偏離值為8

m

2

(15)綜上所述，若要調(diào)頻的頻偏大，就需增大，這樣中心頻率偏移量和非線性失真量也增大。在某些應用中，要求的相對頻偏較小，而所需要的也就較小。因此，這時即使γ不等于2，二次諧波失真和中心頻率偏移也不大。由此可見，在相對頻偏較小的情況下，對變?nèi)荻O管值的要求并不嚴格(4)變?nèi)荻O管部分接入振蕩回路變?nèi)荻O管的結(jié)電容作為回路總電容的調(diào)頻電路的中心頻率穩(wěn)定度較差，這是因為中心頻率fc決定于變?nèi)荻O管結(jié)電容的穩(wěn)定性。當溫度變化或反向偏壓VQ不穩(wěn)時，會引起結(jié)電容的變化,又會引起中心頻率較大變化。為了減小中心頻率不穩(wěn),提高中心頻率穩(wěn)定度，通常采用部分接入的辦法來改善性能變?nèi)荻O管和Cc串聯(lián)，再和C1并聯(lián)，構(gòu)成振蕩回路總電容∑

C

(16)加調(diào)制信號(tcosΩt后，總回路電容C為CC/cos)rCC/cos)CCCC)r相應的調(diào)頻特性方程為

r

(17)11

LC于的FM調(diào)頻電LCwt)

1

L[

1CCC(1)r

]

(18)從上式知，調(diào)頻特性取決于回路的總電容∑，而∑可以看成一個等效的變?nèi)荻O管，C∑隨調(diào)制電壓uΩ(t)的變化規(guī)律不僅決定于變?nèi)荻O管的結(jié)電容Cj隨調(diào)制電壓uΩ(t)的變化規(guī)律，而且還與C1和Cc的大小有關。變?nèi)荻O管部分接入振蕩回路，中心頻率穩(wěn)定度比全部接入振蕩回路要高，但最大頻偏要減小。實現(xiàn)調(diào)頻的原理圖直接調(diào)頻電路的普通LC振蕩器中心頻率穩(wěn)定度較低，波形容易失真，而采用克拉潑LC振蕩電路的調(diào)頻器可以解決這個矛盾。其結(jié)構(gòu)原理如圖所示。LC振回路（產(chǎn)生載波）

變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路

函數(shù)發(fā)生器（產(chǎn)生調(diào)制信號）調(diào)頻輸出圖5FM理圖實驗結(jié)果與分析4.1電路元件的選擇和參數(shù)計算：12

于的FM調(diào)頻電1.振蕩電：首先通過查閱資料可知三極管ICQ應該在1-4mA間，這樣的振蕩波形振幅適中而且波形不易失真。故設置，通過計算可知三極管兩端的電壓為。再設置VCC=12V，易求Rc+Re=3kΩ，所以取kΩ，Re=1.5kΩ。由2N2222A參數(shù)表可知，發(fā)射結(jié)電壓為0.45Vβ*IBQ，且β=230，而我們可以這么認為IB>>IBQ。即IB=37*IBQ=259μA通過Rb1的電流為259μA通過Rb2電流為251，而基極電壓為2.88v，所以Rb1的阻值為35.28kΩ，Rb2的阻值為kΩ。已知克拉潑電路的振蕩頻率

f

12π

，帶入已知參數(shù)中心頻率f0=10.7MHz?？芍狶1*C1≈220,通過實際仿真發(fā)現(xiàn)電路參數(shù)有些許偏差，這時取，C1=20.46pF。電容C2、C3由反饋系數(shù)F及電路條件C1<<C2所決定，若取C2=480pF，由則取C3=1020pF，取耦合電容Cb=10nF。2.變?nèi)荻茈娐?/p>

/C~1/

，由所給條件找到的變?nèi)荻O管，變?nèi)莨莒o態(tài)反向偏壓Q=－4V，由特性曲線圖變?nèi)荻O管Cj-V曲線,可得變?nèi)莨艿撵o態(tài)電容CQ。接入系數(shù)p為

p

j

,回路總電容C∑

C

Cj

j

為減小振蕩回路高頻電壓對變?nèi)莨艿挠绊?，p應取小，但p過小又會使頻偏達不到指標要求。故先取，當VQ=－4V時，對應CQ=75pF，則CcpF。由設計要求可知，變?nèi)荻O管的正常工作的反向偏置電壓為，R1與R2為變?nèi)荻O管提供靜態(tài)時的反向直流偏置電壓，電阻R3稱為隔離電阻，常取R3>>R2，R3>>R1，以減小調(diào)制信號Ω對VQ影響。已知VQ=4V，若取R2=5k，隔離電阻Ω。則R1=10KΩ13

于的FM調(diào)頻電3.調(diào)制信電路：調(diào)制信號是由函數(shù)發(fā)生器調(diào)制出的正弦信號頻eq\o\ac(△,偏)fm要求20KHzm

fQ

(1)CC

CCcjCc

j

(2)p

j

(3)c

j

(4)可由上述幾個公式以及已知參數(shù)，C1，Cc，Cj以及圖3變?nèi)荻O管Cj-V曲線，易求得頻偏為20KHz。4.2由于設計電路時電路元件存在誤差，并且電路的參數(shù)設置會產(chǎn)生誤差，加上電路設計本身存在某些問題有待進一步改進和完善，各級電路連接在一個時會互相干擾。4.2.1Ic測首先測量電源電流，檢查、排除可能出現(xiàn)的嚴重故障，再進行各級測量，檢驗數(shù)值是否與所設計的相符合。另一方面檢查電路板是否存在人為問題。末級高頻晶體管集電極電流可以在預先斷開的測試點串入用萬用表測出，其他各級Ic可以測量各發(fā)射極電壓算末級，如果過大，輸入電阻是否有誤。在一定大的Ic下，快速測量其中的點電位，可以幫助分析判斷，提高排除故障的速度。14

于的FM調(diào)頻電4.2.2LC回路的Q值要高是晶體管要工作在放大區(qū)滿足電容三點式的條件。由于高頻振蕩電壓在發(fā)射結(jié)上產(chǎn)生的自給偏壓作用，所以起振時，三極管UCE小于原來的靜態(tài)值（如諸PNP約0.1~0.3V約小，振蕩越強，用萬用表可以方便地判斷是否起振，然而，振蕩效率的調(diào)節(jié)范圍以及波形的是好是壞需要用示波器測量，或頻率計測出頻率的變化范圍。調(diào)整振蕩頻率時，應把可變電容調(diào)整到電容最大處。若振幅太小了，可以考慮β是否太小、工作點是否太低、負載是否太大，若發(fā)現(xiàn)寄生振蕩，要檢查β是否過大等存在的問題。諸如不起振或間歇振蕩等，要細心分析檢查，對癥下藥以解決問題。4.31.LC振蕩回路穩(wěn)定后的輸出波形2.中心頻率為10.7MHz15

于的FM調(diào)頻電利用頻率儀測出中心頻率在10.7MHz附近波動。以下是仿真結(jié)果：圖心率3.調(diào)制信號為1KHz在示波器中可以看出兩個標尺之間的時間為，利用f=1/T可以得到T大致等于1KHz。以下是仿真結(jié)果：圖調(diào)信頻16

于的FM調(diào)頻電4.頻偏為20KHz根據(jù)上面電路元件參數(shù)的設定可以知道電路的頻偏滿足要求。實驗特點與實驗思考本實驗使用傳統(tǒng)的變?nèi)荻O管調(diào)頻思想，實驗電路包括振蕩電路、調(diào)頻電路以及相關的外圍電路，實驗過程中通過信號源產(chǎn)生調(diào)制信號，加載到電路所產(chǎn)生的高頻振蕩信號上實現(xiàn)調(diào)頻。本實驗由于振蕩回路的中心頻率和最大頻偏相差太大，故實驗結(jié)果不是特別明顯。要進一步更加清晰的觀察FM的調(diào)頻結(jié)果，需要重新設定電路的最大頻偏和中心頻率，再依據(jù)電路原理公式重新計算電路元件的參數(shù)值。另外本實驗是