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合工大通信电子线路课程设计报告

35
2020年4月19日
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通信电子线路课程设计
设计报告

学院： 计算机与信息学院
姓名：
学号：
班级： 通信工程14-2班
指导老师： 刘正琼

目录
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设计课题一 LC正弦波振荡器的设计
1. 设计内容和主要技术指标要求
l 设计内容：设计一个LC正弦波振荡器
l 已知条件：Vcc=+12V 三极管9013 负载 RL =1kΩ
l 主要技术指标要求：
 谐振频率ƒ0 = 5MHz
‚ 频率稳定度≤5×10–4/小时
ƒ 输出峰峰值Uop-p≥1V
2. 设计方案选择
l 方案选择
 电感三点式振荡器

优点：由于和之间有互感存在，因此容易起振。其次是频率易调（调C）。
缺点：与电三点式振荡器相比，其输出波形差。这是因为反馈支路为感性支路，对高次谐波呈现高阻抗，波形失真较大。其次是当工作频率较高时，由于和上的分布电容和晶体管的极间电容均并联于与两端，这样，反馈系数F随频率变化而变化。工作频率愈高，分布参数的影响也愈严重，甚至可能使F减小到满足不了起振条件。因此，优先选择的还是电容反馈振荡器。
‚ 电容三点式振荡器

优点：高次谐波成分小，输出波形好，其次振荡频率能够做得很高，因而本电路适用于较高的工作频率。
缺点:频率不易调（调L,调节范围小），调或来改变震荡频率时，反馈系数也将改变。但只要在L两端并上一个可变电容器，并令与为固定电容，则在调整频率时，基本上不会影响反馈系数。
ƒ 克拉波振荡器

优点：频率可调，ω0=1LC3，调节C3可改变ω0,其次C3改变F不受影响，f0与CieCoe无关，故比较稳定。
缺点：频率不能太高，波段范围不宽，波段覆盖系数一般约为1.2~1.3，波段内输出幅度不平稳，实际中常见于固定频率振荡器。
西勒振荡器

优点：振荡频率能够很高，且在波段内振幅比较稳定，调谐范围比较宽，克拉波电路中是改变C3来调节频率，而C3的改变会影响接入系数P,从而可能停振。但西勒电路中，改变C4来调节频率，而C4的改变不会影响接入系数P。
… 最终选择方案
经过对以上的几种电路的分析，能够看出：
电感三点式振荡器：容易起振，调频方便，但波形失真较大；
电容三点式振荡器：波形好，频率稳定性好，但调频不方便；
克拉泼振荡器：调频方便但可调范围小；
西勒振荡器：频率稳定性高，振幅稳定，调频方便。
因此，在本设计中拟采用并联改进型的西勒电路振荡器。
l 设计电路图

l 工作原理
振荡器是不需外信号激励、自身将直流电能转换为交流电能的装置。LC振荡器是一种能量转换器，由晶体管等有源器件和具有选频作用的无源网络及反馈网络组成。正弦波振荡器的原理框图如下：
放大电路
选频网络
正反馈网络
输出

振荡器原理框图
放大器的增益: A=V0/Vi 
反馈系数:F=Vf/V0
振幅起振条件:AF>1
相位起振条件:φA+φF=2nπ+ 
振幅平衡条件:AF=1
相位平衡条件: φA+φF=2nπ+
西勒电路是一种改进型的电容反馈振荡器，是在克拉泼电路上改进的来的，有效的改进了克拉泼电路可调范围小的缺点。其基本电路图如下：

Rb1、Rb2、Re提供直流偏压；Cb作为耦合电容，直流开路，交流短路；L、C1、C2、C3、C4组成谐振回路，作为晶体管放大器的负载阻抗。反馈信号从电容C2两端取得，送回放大器的基极b上。C3≪C1,C3≪C2,C4是可调电容，与C3同一数量级，∁∑=11C1'+1C2'+1C3+C4≈C3+C4，振荡频率f0=12πL∁∑=12πL(C3+C4), f0与CieCoe无关，故比较稳定。
3．电路参数计算、元器件选择
l 偏置电阻值的计算与选择
偏置电阻决定静态工作点，因此，要先确定振荡器的静态工作电流ICQ。一般小功率振荡器的静态工作电流ICQ为（1～4）mA，取ICQ=2 mA，在实验室取得的三极管的β值用万用表测得为237。则：
一般取VE=0.2VCC，实验中VCC=12V,则VE=0.2VCC=0.2×12=2.4V,则Re=VEIE≈VEICQ=2.4V2mA=1.2kΩ；
由Re+RC=VCC-VCEQICQ,一般取VCEQ=VCC2=6V,确定Rc=VCC-VCEQICQ-Re=12-62-1.2=1.8kΩ;
由流过Rb2的电流IB2=10IBQ=10ICQ/β,VEQ=ICQ∙Re,确定Rb2=VBQIB2=VEQ+VBEIB2=2.4+0.710×2mA237=3.1V0.08mA=38.75kΩ;
由VBQ=Rb2Rb1+Rb2∙Vcc,确定Rb1=Rb2(VCCVBQ-1)=38.75×123.1-1=111.25kΩ；
综上，Re=1.2kΩ，Rc=1.8kΩ，Rb1=111.25kΩ，Rb2=38.75kΩ
根据以上计算出的各电阻值，我选取了最接近的标称电阻值，为了便于调整静态工作点，在实际电路中Rb1用固定值的电阻与电位器串联。
实际使用的标称电阻值为Re=1.2kΩ，Rc=1.8kΩ，Rb1=100kΩ电位器+51kΩ电阻，Rb2=33kΩ
l 振荡回路元件值的计算
根据西勒振荡器的原理，C3≪C1,C3≪C2，回路的振荡频率f0主要由C3、C4和L决定，即f0=12πL(C3+C4),一般谐振回路的电感L与电容∁∑值之间的关系为L∁∑=105~106，其中∁∑≈C3+C4。反馈系数,F=C1C1+C2=18~12,为了便于起振，取C1=C2=1000pF,取C3=C4=100pF，由f0=12πL(C3+C4)，得到L=14×π2×f02×(C3+C4)≈5μH。
综上，C1=C2=1000pF，C3=C4=100pF，L=5μH。
实际使用的标称值为C1=C2=1000pF，C3=200 pF，C4为可变电容， L=4.7μH。
l 旁路电容值的选取
一般应使旁路电容Cb的容抗为与其并联的电阻值的1/20～1/10。可是，当与其并联的电阻值较大时，应当使Cb的容抗为几十欧姆甚至几欧姆。这里选取标称值Cb=0.01μF。
4. 电路的安装和调试
l 主要技术指标测量
静态工作点
电极
射极e
基极b
集电极c
电压值/V
1.93
2.57
8.58
谐振频率f0

实验实际测得谐振频率f0=4.99MHz,接近于所设计的标称频率，满足频率的要求。
ƒ 输出峰峰值Uop-p

在未接负载时，输出峰峰值为4.18V，为减小接入负载的影响，与负载串联一15pF的电容后与电感并联，接入负载后输出峰峰值有所减小，后调节滑动变阻器获得满足要求的输出峰峰值，在示波器上测得其输出峰峰值Uop-p=2.44V>1V,满足幅度要求。
„ 频率稳定度
在一分钟内，用频率计测得实际工作频率最大偏离标称频率的数值如下图：

频率稳定度=∆fmaxfc|∆t=|f-fc|maxfc=|4.99783-5|5=4.34×10-4<5×10-4,满足频率稳定度的要求。
l 调试中的所遇到的问题以及解决方法(调整电路参数直至满足要求)
问题：在没有接负载的情况下，示波器上没有显示出正弦波，没有起振。
解决方法：在设计电路时，计算出的上拉电阻值是111.25kΩ，可是在实验室并没有相对应的电阻，于是我用100kΩ电阻与10kΩ电阻进行串联，可是输出没有显示出正弦波，说明没有起振，说明可能是没有设置合适的静态工作点，将上拉电阻设为固定值不能够调整静态工作点，于是我将上拉电阻换为51kΩ固定电阻与100kΩ电位器的串联，适当调节电位器后，示波器上有了符合要求的输出波形。
问题：在接入负载后，振荡器不能够起振，示波器上没有显示正弦波。
解决方法：在没有接入负载时振荡器的负载为无穷大，在接入负载后，负载从无穷大减小，电导增大，增益A减小，AF减小，若小于1则停振，在西勒振荡器与负载之间串联一个15pF的小电容之后，减小了负载对振荡器的影响，振荡器能够起振，适当调节电位器，输出峰峰值满足要求。
附录：LC振荡器的定制电路图和PCB图及元件明细表
l LC振荡器定制电路图

l LC振荡器PCB图

l 元件明细表
标志符
元件参数/型号
元件类型
Re
1.2kΩ
电阻
Rc
1.8kΩ
电阻
Rb1
100kΩ
电位器
Rb1
51kΩ
电阻
Rb2
33kΩ
电阻
RL
1kΩ
电阻
C1
1000pF
电容
C2
1000pF
电容
C3
200 pF
电容
C4
>5pF
可变电容
C5
15 pF
电容
Cb
0.01μF
电容
L
4.7μH
电感
T
9013
三极管

设计课题二 AM和DSB调制电路的设计
1. 设计内容和主要技术指标要求
l 设计内容：设计一个由MC1496构成的调幅器
l 主要技术指标：
载波频率f0=5MHz
载波幅度峰峰值Ucp-p=2.4V
调制信号频率F =1kHz
调制信号幅度峰峰值UΩp-p=1.5V
输出峰峰值Uop-p>0.3V
l 已知条件：Vcc=+12V VEE=-8V MC1496 负载R L=1kΩ
2. 设计方案选择
l 设计电路图

l 工作原理

振幅调制就是使载波信号的振幅随调制信号的变化规律而变化的技术。一般载波信号为高频信号，调制信号为低频信号。设载波信号表示式为vct=Vcmcosωct, 调制信号的表示式为vΩt=VΩmcosΩt，则调幅信号的表示式为 vo（t）=Vcm1+mcosΩtcosωct=Vcmcosωct+12mVcmcosωc+Ωt+12mVcmcosωc-Ωt,式中，m为调幅系数,m=VΩm/Vcm; Vcmcosωct为载波信号；12mVcmcosωc+Ωt为上边带信号；
12mVcmcosωc-Ωt为下边带信号。它们的波形及频谱如下图所示：

调幅波波形 调幅波频谱
由图可见，调幅波中载波分量占有很大比重，因此，信息传输效率较低，称这种调制为有载波调制。为提高信息传输效率，广泛采用抑制载波的双边带或单边带振幅调制。双边带调幅波的表示式为v0t=12mVcmcosωc+Ωt+12mVcmcosωc-Ωt=mVcmcosωctcosΩt。
由MC1496构成的振幅调制电路如下图所示：

其中，载波信号vc经高频耦合电容C2从脚输入，C3为高频旁路电容，使脚交流接地；调制信号vΩ经低频耦合电容C1从脚输入，C4为低频旁路电容，使脚交流接地。调幅信号vo从脚单端输出。脚与脚间接入负反馈电阻RE，以扩展调制信号vΩ的线性动态范围；RE增大，线性范围增大，但乘法器的增益随之减小。
3. 电路参数计算及元器件选择
l 静态偏置电压的设置
静态偏置电压的设置应保证各个晶体管工作在放大状态，即晶体管的集-基间的电压应大于或等于2V，小于或等于最大允许工作电压。对于所设计的电路，在应用时，静态偏置电压应满足下列关系：
V8=V10 V1=V4 V6=V12
15V≥(V6-V8)≥2V15V≥(V8-V1)≥2.7V15V≥(V1-V5)≥2.7V
电阻R6、R7、R8及 Rc1、Rc2提供静态偏置电压，保证乘法器内部的各个晶体管工作在放大状态，因此阻值的选取应满足静态偏置电压的关系。静态时（），测量器件各引脚的电压如下：
引脚

电压/V
6.0
6.0
0.0
0.0
8.6
8.6
-0.7
-0.7
-6.8
0.0
-8.0
R1、R2与电位器RP组成平衡调节电路，改变RP的值能够使乘法器实现抑制载波的振幅调制或有载波的振幅调制。
l 静态偏置电流的确定
静态偏置电流主要由恒流源的值确定。当器件为单电源工作时，脚接地，脚经过电阻接正电源（的典型值为+12V），由于是的镜像电流，因此改变能够调节的大小，即

当器件为双电源工作时，脚接负电源（一般接-8V），脚经过电阻接地，因此，改变也能够调节的大小，即

MC1496构成的振幅调制器电路如设计电路图所示。采用双电源供电方式，因此脚的偏置电阻接地，由上式可计算静态偏置电流
由上式可计算静态偏置电流I5或I0，即
I5=I0=-VEE-0.7VR5+500Ω=1mA
根据MC1496的性能参数，器件的静态电流应小于4mA。一般取I0≈I5=1mA左右。器件的总耗散功率可由下式估算：

PD应小于器件的最大允许耗散功率33mA。
4. 电路的安装和调试
l 主要技术指标测量
当输出为普通调幅波时
vc频率为5MHz,幅度峰峰值为2.1VvΩ频率为1kHz,幅度峰峰值为1.5V 输出vo峰峰值为500mV>300mV

当输出为双边带调幅波时
vc频率为5MHz,幅度峰峰值为2.1VvΩ频率为1kHz,幅度峰峰值为1.5V 输出vo峰峰值为328mV>300mV

l 调试中的所遇到的问题以及解决方法
问题：电路连接完成后，加入调制信号以及载波信号后示波器上没有显示输出
解决方法：一开始以为是电路搭建错了，于是对照参考书将面包板上的电路又检查了一遍，可是再三检查也没有发现连错，后我又检查了各个电阻的阻值，又更换了几个元器件，再次连接示波器还是没有输出，然后又用万用表测量了每一个引脚的电压值，与书上的理论的电压值相对照，结果发现除了脚与脚的电压值没有问题以外，其它引脚的电压值全部与理论值相差很多，最后怀疑可能是芯片的问题，结果换了芯片后示波器上就有了输出，每个引脚的电压也都正确了，输出的峰峰值也能够达到指标要求。
附录：AM和DSB调制电路的定制电路图和PCB图及元件明细表
l AM和DSB调制电路的定制电路图

l AM和DSB调制电路的PCB图

l 元件明细表
元件参数
标志符
元件类型
C1
20uF
电解电容
C4
20uF
电解电容
C2
0.1uF
电容
C3
0.1uF
电容
C5
0.1uF
电容
RP
10kΩ
电位器
R1
750Ω
电阻
R2
750Ω
电阻
R3
51Ω
电阻
R4
51Ω
电阻
R5
6.8kΩ
电阻
R6
1kΩ
电阻
R7
51Ω
电阻
R8
1kΩ
电阻
RC1
3.3kΩ
电阻
RC2
3.3kΩ
电阻
Re
1kΩ
电阻

级联调试
1. 设计内容和主要技术指标要求
将第一级电路与第二级电路级联，加入相应的调制信号，示波器上输出调幅波（AM或DSB），输出峰峰值均大于0.3V。
2. 设计方案选择
设计电路电路图

3. 电路的安装和调试
l 主要技术指标测量
当输出为普通调幅波时
vΩ频率为1kHz,幅度峰峰值为700mV，输出vo峰峰值为316mV>300mV,符合指标要求

当输出为双边带调幅波时
vΩ频率为1kHz,幅度峰峰值为1.5V，调滑动变阻器，输出vo峰峰值为312mV>300mV（vΩ幅度峰峰值仍为700mV时，DSB峰峰值未达到300mV，后增大vΩ幅度峰峰值到1.5V时，DSB峰峰值大于300mV）

l 调试中的所遇到的问题以及解决方法
问题：输出的调幅波出现上下不对称的波形
解决方法：在同学的建议下，我在输出调幅波的之前加一个LC滤波电路，由电容电感并联而成，频率为5MHz,实际使用的电容电感及其连接如下图所示：

附录：级联的定制电路图和PCB图及元件明细表
l 级联的定制电路图

l 级联的PCB图

l 元件明细表
标志符
元件参数
元件类型
Re
1.2kΩ
电阻
Rc
1.8kΩ
电阻
Rb1
100kΩ
电位器
Rb1
51kΩ
电阻
Rb2
33kΩ
电阻
RL
1kΩ
电阻
C1
1000pF
电容
C2
1000pF
电容
C3
200 pF
电容
C4
>5pF
可变电容
C5
15 pF
电容
Cb
0.01μF
电容
L
4.7μH
电感
T
9013
三极管
C1
20uF
电解电容
C4
20uF
电解电容
C2
0.1uF
电容
C3
0.1uF
电容
C5
0.1uF
电容
C6
100pF
电容
L
10uH
电感
RP
10kΩ
电位器
R1
750Ω
电阻
R2
750Ω
电阻
R3
51Ω
电阻
R4
51Ω
电阻
R5
6.8kΩ
电阻
R6
1kΩ
电阻
R7
51Ω
电阻
R8
1kΩ
电阻
RC1
3.3kΩ
电阻
RC2
3.3kΩ
电阻
Re
1kΩ
电阻

课程设计的收获及心得体会
这次的高频课程设计过程还是有些坎坷的，可是却也让我收获了很多。特别是学会了如何去分析问题和解决问题，更是对之前学的课本知识的巩固。
在课程设计第一天我们了解了课程设计能够自选的设计课题，第一天我确定了我要做的课题，电路前一级是LC正弦波振荡器，后一级是调幅波电路，将二者进行级联，第二级电路我参考了谢自美主编的电子线路实验指导书，第一级电路我进行了相应的参数计算，在计算电阻阻值时需要用到的β值用100带入，算出了各个电阻值，可是到了实验室后用万用表测得的我的三极管实际的β值是237，于是我又重新计算了我所需要的电阻的阻值，在设计的电路的阻值上进行了相应的改动。在设计放大器的上拉电阻时，我用了接近于我计算的阻值的固定电阻，后发现这样就不便于调节静态工作点，于是我将上拉电阻换成了固定阻值的电阻与一电位器的串联，这样电路的调试就方便多了，特别是对于输出峰峰值的调试。实际完成电路后，所用的元器件与我所计算的元器件的参数还是有一些差别的，特别是要达到我所设计的频率值，这需要不断进行调试，最终才能完成指标要求。
在振荡器接入负载后，可能原来不接负载能够起振的电路变得无法起振，后来在老师的提示下，我在负载与振荡器间接了一小电容，电路又能够起振了，问题顺利得到了解决。
在第二级电路搭建完成后，我对第二级电路单独进行了测试，可是示波器上并没有出现调幅波，一开始以为是电路搭建错了，于是对照参考书将面包板上的电路又检查了一遍，可是再三检查也没有发现连错，示波器上依然没有任何显示，后又怀疑可能是元器件用错了，又用万用表检查了各个电阻的阻值，又更换了几个新的电阻、电容等，再次连接示波器还是没有输出，最后又在同学的建议下用万用表测量了每一个引脚的电压值，与书上的理论的电压值相对照，结果发现除了脚与脚的电压值没有问题以外，其它引脚的电压值全部与理论值相差很多，最后怀疑可能是芯片的问题，结果换了芯片后示波器上就有了输出，每个引脚的电压也都正确了，输出的峰峰值也能够达到指标要求。芯片坏了是确实没有想到，最后万不得已换了芯片，没有想到就出现了调幅波，因为芯片的问题耗费了很多时间去调试检查，耽误了许多的时间。
这次的课程设计让我们更好的复习巩固并运用了上学期学习的通信电子线路的知识，在遇到问题时，之前学习的高频知识就显得尤为重要，理论联系实际，问题总是能够迎刃而解，在实践中不断学习，在学习中不断进步。

参考文献
1. 谢自美 主编 . 电子线路设计 • 实验 • 测试 （第三版） . 华中科技大学出版社
2. 赵淑范 董鹏中 主编 . 通信电子线路实验与课程设计 . 清华大学出版社
3．阳昌汉 主编 . 高频电子线路 . 哈尔滨工程大学出版社