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哈工大通信专业高频课程设计高频发射机和超外差接收机

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2020年4月19日
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高频电子线路课程设计

学 院：电子与信息工程学院
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高频电子线路课程设计…………………………………………………1
一 问题重述与分析 3
1.1 调幅发射机分析………………………………………………….....3
1.2 超外差接收机分析………………………………………...……..…3
二 中波电台发射系统的设计 4
2.1 模块电路设计与仿真 4
2.1.1正弦波振荡器及缓冲电路及仿真 4
2.1.2高频小信号放大电路及仿真 8
2.1.3.振幅调制电路及仿真 9
2.1.4功率放大电路及仿真 11
2.2整体电路设计及仿真…………………………………………..11
三 中波电台接收系统设计……………………………………………12
3.1混频器电路及仿真……………………………………………..12
3.2 检波电路及仿真……………………………………………….14
3.3 低频功率放大器及仿真……………………………………….15
四 心得与体会 17
五 参考文献 18

一：问题重述与分析
本次设计中的两个系统，第一个是中波电台发射系统，设计目的是要求掌握最基本的小功率调幅发射系统的设计与安装调试。本设计中试用是基本调幅发射机。第二个是中波电台接收系统，设计目的是要求掌握最基本的超外差接收机的设计与调试。
1.1调幅发射机系统
系统框图如下图
图一：调幅发射机系统框图
本设计将声电变换部分，及其之后的前置放大器，低频放大器都省略，用一个低频的正弦波交流电源表示，输出部分的天线模块也用规定的输出负载代替。
现在结合题目所给性能指标进行分析：
载波频率535-1605KHz ，载波频率稳定度不低于10-3：正弦波振荡器产生的正弦波信号频率为535 KHz到1605KHz，当震荡波形不稳定时，最大波动频率范围与频率之比的数量级应该小于10-3 。
输出负载51Ω ：输出部分，即电路最终端的输出负载为51。
总的输出功率50mW ：即输出负载上的交流功率，调幅指数30％~80％ ：设A为调幅波形的峰峰值，B为谷谷值，则由调幅指数计算公式有。在振幅调制电路中可经过更改调制信号振幅和外加直流电源实现此指标。
调制频率500Hz~10kHz ：调制信号频率，由输入信号的频率来决定。
1.2 超外差调幅接收系统
系统框图如下

图二
天线接收到信号后输入到输入回路进行初步处理，此为输入部分。输入信号与正弦波振荡器产生的等幅振荡信号经过混频器产生固定频率的中频信号。经过一系列处理之后由扬声器输出声音。实际计算中为方便将输出部分视为功率放大电路。
现在结合题目所给性能指标进行分析：
载波频率535-1605KHz：正弦波振荡器产生波形的频率为535-1605KHz，经过有关知识设计电路即可。
中频频率465KHz：混频器输出信号频率为465KHz，混频器实际上是将两个输入信号频率进行相减，因此本性能指标说明良品率相减后得到频率为465KHz的信号。
输出功率0.25W：输出模块，即低频功率放大器输出功率为0.25W。
负载电阻8Ω：输入模块的输出电阻，由电路相关知识进行计算可匹配该指标
灵敏度1mV：灵敏度用来表征网络特性对元件参数变化的敏感程度，网络函数H或网络响应R(统一用T来表示) 对某元件相关参数(p能够是元件参数或影响元件参数的温度、湿度、压力等)变化率称为网络函数对该参数的绝对灵敏度，记作：
。
在仿真软件中有灵敏度测试，能够直接使用对电路进行分析。

二：中波电台发射系统设计
2.1模块电路设计
2.1.1可调式正弦波振荡器及缓冲电路设计与仿真
已知条件：取+12V，晶体管2N2222，，导通电压。
主要技术指标：载波频率535-1605KHz，载波频率稳定度不低于10-3。
（1）LC振荡器的设计
1.确定电路形式，设置静态工作点
在本设计中，由于中心频率不高，而对频率稳定度要求较高。在我们所学的多种振荡器中，在不要求使用晶体振荡器的情况下，唯有高精度的西勒振荡器满足要求。因此所需的LC振荡器按照西勒振荡器设计。振荡器的静态工作点取。电路图如下：

图三：西勒振荡器
①估算：的取值对于振荡电路的直流和交流的工作状态都有很大影响，根据经验可得，一般值为（0.6~1），因此这里取，由此：

②估算：与，还有二极管D对分压，其中假设，可得：

③估算，：为了保证在确定静态工作点的时候能实现直流偏置，能够取，
因此： ，
因此： ，
取标称值。
而 ，
虽然数据都很明确，但在电路仿真时为了防止由元件误差引起的失真，这里使用和变阻器代替，变阻器一般接在50%处。
④旁路电容的估算：一般对电路起旁路交流的作用，因此要求在一定频率下电容的阻抗要远小于。本设计的工作频率假定为1.6MHz，此时应该使电容阻抗为几十欧姆一下。
选取标称值，对应容抗满足要求。
2.估计振荡回路元件值
假定所需要的频率确定值为1.6MHz，频率计算公式为：；对于西勒振荡器而言，当满足，时，能够认为。
在实验尝试中发现，当较大时，由电容不稳定引起的频率失真较小，为了得到较好的频率稳定度，假设，
则：
选取标称值。但在实验尝试中发现，由于电路中其它电阻、电容干扰或是设计时粗略等效的原因，使得当时，才能实现中心频率为1.6MHz的要求。
因此，可变电容。为实现载波频率535-1605KHz的要求，可变电容可调范围设置为0~400pF。
电容，由反馈系数及电路条件，决定。若取，F取到，则。
（2）射极跟随器的设计
为了减弱外加负载对振荡器振荡波形、幅度以及频率的影响，本设计在振荡器后加上射极跟随器作为缓冲器。射极跟随器的特点是输入阻抗高，输出阻抗低，电压放大倍数为1。
1.确定电路形式
由于传输信号是高频正弦波，射极跟随器的主要作用在于使自身输入阻抗高，且工作稳定，以增大频率稳定度。本设计选择固定分压偏置，具有稳定静态工作点的偏置电路。如下图所示：

图四：射极跟随器
2.估算元件参数
假定，
则：

由，可知，

选取，，取隔直电容，。
因此，总的电路图如下所示：

图五：振荡器和射极跟随器仿真电路图
运用multisim软件仿真，得到的波形如下：

图六 震荡波形图
输出电压为220mv，频率为1.603MHz。经过20组数据的对比，得到频率稳定度低于，该仿真电路可行。
2.1.2高频小信号放大电路及仿真
在振荡器及射极跟随器之后，应当接一个高频小信号放大电路，将所获得的的正弦波放大。本实验假定电感，电容，三极管都为理想的元器件，共发射极输入电容=0 ，共发射极输出电容=0。
（1）直流偏置电路的计算：
假设，，则
，

因此，，。隔直电容，。
（2）谐振电路的确定
因为放大电路的谐振电路的中心频率与振荡器的中心频率是一致的，因此能够直接采用振荡器的谐振网络，数据如下：
，，可变电容，调节范围：0~200pF
（3）放大倍数的确定
先确定正向电压传导系数：

总电导为。其中，理想三极管输出电导=0，理想电感的电导值=0，谐振电导假设为
则
电压放大增益：=21.8dB
输出端的隔直电容。
整体电路图如下所示：

图七：高频小信号放大器
在加上一个有效值为280mV，频率为1.6MHz的正弦波之后，能够发现此时电路的电压增益只有20，与理论值相差很多；当换上一有效值只有28mV的正弦波后，电压增益变大，变为100左右；电压有效值越小，电压增益越接近理论值。能够得到结论，此电路可用，理论上的电压增益是一个最大值，还要考虑到大信号时电路的失真状况，需要实际操作来获得想要的效果。
2.1.3 振幅调制电路的设计与仿真
已知条件：输出负载51Ω，总的输出功率50mW，调幅指数30％~80％。调制频率500Hz~10kHz。
常见振幅调制有集电极调制，基极调制，模拟乘法器等方式，本设计采用乘法器仿真。提供的集成乘法器元件有XCC，MC1496.但在multisim软件仿真中没有所要求的型号，因此用软件中所提供的MULTIPLIER元件代替，下面是乘法器的原理图：

图八；乘法器内部结构原理图
其中为输入，为输出，上下接直流电源。令为载波信号输入（连接高频小信号电路输出），为调制信号输入（外加输入）。为调幅信号输出。
设计的AM振幅调制电路如下：

图九：乘法器外围电路
假设载波信号幅度，频率；调制信号幅度，即电压有效值为3V，频率；外加直流电压为。两者经过上述乘法器后得到的信号为：

仿真结果如下：

图十：乘法器模拟结果
再用仿真结果进行验证时，我们发现：。调幅指数与理论值相近，说明仿真电路可行。
当电路发生变化时，只要调节与，使两者之间的商满足30％~80％即可。同时，我们也发现，当输入电压为振幅时，输出的电压，此时，在负载上的功率就已经大于50mW。
2.1.4功率放大电路及仿真
在上述乘法器设计和小信号放大电路设计中，能够看到只要小信号放大器输出端电压有效值满足条件，则负载上总的输出功率即为50mW。可是在射极跟随器后末端的输出电压，经过高频小信号放大器后，其电压很轻易的就能超过1.824V，因此本设计不再涉及功率放大，以免不符性能指标。

2.2整体电路设计及仿真
技术指标：载波频率535-1605KHz，载波频率稳定度不低于10-3，输出负载51Ω，总的输出功率50mW，调幅指数30％~80％。调制频率500Hz~10kHz。
为了实现输出功率为50mW的要求，必须将射极跟随器末端电压调小，或将高频小信号放大器放大倍数降低。在仿真实验尝试的过程中，发现降低射极跟随器输出电压就相当于改变LC振荡器输出电压，这相较闻言比较困难；而降低经过调节高频小信号放大电路中谐振电阻的数值，会使频率变得不稳。因此，本设计在射极跟随器和高频小信号放大器之间连接一个电阻，这样的连接方式也使得最后总输出电压更稳定。
整体电路设计图如下：

图十一：中波电台发射系统仿真电路图
仿真输出波形图如下：

图十二：中波电台发射系统仿真波形图
电路输出到乘法器的载波频率为1.605MHz。根据二十组频率数据的出，最大频率1.606MHz，最小频率1.604MHz，频率稳定度。
输出负载51Ω，总的输出电压有效值为1.60V，波动范围为，由此得到的输出功率为。
调幅指数。调制频率10kHz。

三:中波电台接收系统的设计
3.1混频器电路
3.1.1混频器电路设计
混频器的作用是能将接收到的信号转化为另一种频率的信号输出，其原理在于能将接收到的信号与本振产生的信号混频，相关公式为：

两个不同频率的信号相称，为调幅信号频率量，为本振频率量，产生和差频。这种产生频率的方式就和乘法器是一样的。若将混合后的频率进过低通滤波器，两者之间和频被滤过，两者差频即为输出的频率。
本设计中混频器采用三极管变频器来实现，混频原理图如下：

图十三：三极管变频器
输入部分有两块，第一部分是AM信号，假设信号在传输中中衰减，又经过小信号放大器等，使得载波幅度变为20mV，载波频率不变，为1.605MHz，调制信号频率为10KHz，调制指数为39.27%。本机振荡信号的振荡机原理与发射机相近，故不再设计，直接加一个交流信号来模拟，频率定为2.07MHz。
（1）静态工作点的设置
静态工作点的工作位置能够与上述中高频小信号电路中的静态工作点一致，即
，，。隔直电容，。
（2）其它元件参数的计算
为防止交流信号进入直流电源，在集电极处接一电感。输出端需要一个谐振选频网络，已知所需频率为465KHz，则令电感L=20，电容C=5.86。整体电路图如下所示：

图十三：混频器电路图
3.1.1混频器电路仿真
按照上述电路连接，在输出端用示波器观察波形，可见波形如下：

图十三：混频器波形图
用频率计测量，测得输出频率为465.4KHz，满足要求。

3.2检波电路
3.2.1 检波电路设计
本设计省略混频器与检波器间的中频放大部分，将输出信号直接加在检波器两端，直接观察检波电路效果。
在设计检波电路时，需要考虑如下要求：

因此本设计取，，，。同时，在实验尝试中我能够发现，三极管的导通电压对实验得到的波形幅度有影响，若将导通电压抵消后，能够得到更符合输入AM波振幅振动的波形，因此本设计在电路中接入一个0.6V的直流电阻。整个电路图如下：

图十三：检波器电路图
3.2.1 检波电路仿真
将示波器接在输出负载和输入电源的两端，波形图如下：

图十三：检波器仿真结果
有仿真结果可知：输出波形与输入AM波振幅波形相似，电路可用。
3.3低频电压放大电路
3.3.1 低频电压放大电路设计
从检波器出来的波形波形已经是一个频率为10KHz的正弦波信号，而设计要求中要求输出功率0.25W，负载电阻8Ω，经过二者能够算出输出的电压值和电流值应为U=1.4V，I=177mA。
本设计采用的仿真集成运算放大器型号为TDA2030，查阅网上的技术手册，可知其典型电路如下：

图十四：集成运算放大器原理图
按照上图搭建运算电路，根据参考资料更改部分参数得如下电路：

图十五：集成运算放大器仿真电路图
为了使输出电压电流可调节在输出端加入一个可调电阻，变化范围在0到100之间。输出用正弦信号代替，频率为10KHz。
3.3.2 低频电压放大电路仿真
在输出端连接示波器观察波形。波形如下：

图十六：
输出电压有效值为1.333V，输出电流有效值为166.6mA
满足题设技术指标，经过频率计测量，频率为10KHz，灵敏度1mV，满足题目要求。

四：心得体会
在本次课程设计中，我真正认识到了自己设计一个具有可行性系统的困难。就算是最为简单的发射机和接收机都花费了很多时间才能真正做得出来。同时，我也很开心的认识到自己确实学到了很多知识，比如LC振荡器，射极跟随器，高频小信号放大器，AM调制电路组成的发射机；又如混频电路，检波器，低压小信号放大器等为核心的接收机。在设计每个电路时，都需要翻阅很多资料，需要和自身平时上课的知识，以及实验尝试中的经验相结合，才能做到真正的设计。学以致用，最大的收获就是认识了这一点吧。
作为电子信息类的大学生，我也希望学校在今后的教学过程中能增加此类实践性的环节，不只是用电脑仿真软件实现，也能真正的用实际电路做出来。我能认识到，实际电路的制作一定能带给我们全新的体会。
如果我们不再用试卷评成绩，反而将课程设计作为给成绩的参照的话，我觉得我们一定能把知识掌握的更加牢固。

五：参考文献
[1]阳昌汉.高频电子线路.高等教育出版社,
[2]杨翠娥.高频电子线路实验与课程设计.哈尔滨工程大学出版社,
[3]胡宴如.高频电子线路实验与仿真.高等教育出版社,
[4]无名.调幅发射机设计.武汉理工大学
[5]电子线路基础.徐勇.西安电子科技大学出版社，