高频课设-基于Multisim的高频电子线路设计与仿真.doc

高频电子线路课程设计

题 目：基于Multisim的高频电子线路设计与仿真

中文摘要
本接收系统，以模拟乘法器为核心，接收部分由本机振荡，混频电路，晶体振荡电路，小信号放大，鉴频电路等模块组成。在设计过程中，采用模块化的设计方法，并使用了EDA工具软件，在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取，提高了设计效率。方案的优点是电路简单、器件易得、大大提高了电路的可行性。

关键词: 调频接收机；鉴频电路；仿真

目 录
第一章 概 述 1
第二章 窄带调频接收机原理介绍 2
2.1 接收系统原理框图 2
2.2 高频小信号放大电路 3
2.3 混频电路 3
2.4 晶体振荡器电路 4
2.5 鉴频电路 4
第三章 设计要求 5
3.1 目的及意义 5
3.2主要技术指标和要求 6
3.3 内容和要求 6
第四章 开发平台简介 7
第五章 详细设计及仿真 9
5.1 高频小信号放大器电路设计及仿真 9
5.2 混频电路设计及仿真 10
5.3 晶体振荡电路设计及仿真 11
5.4 鉴频电路设计及仿真 11
总 结 15
参考文献 16

17

第一章 概 述
随着社会经济的迅速发展和科学技术的全面进步，计算机事业的飞速发展，以计算机与通信技术为基础的信息系统正处于蓬勃发展的时期。随着经济文化水平的显著提高，人们对生活质量及工作软件的要求也越来越高。在当今电子设计领域，EDA设计和仿真是一个十分重要的设计环节。在众多的EDA设计和仿真软件中，EWB软件以其强大的仿真设计应用功能，在各高校电信类专业电子电路的仿真和设计中得到了较广泛的应用。EWB软件及其相关库包的应用对提高学生的仿真设计能力，更新设计理念有较大的好处。
EWB（电子工作平台）软件，最突出的特点是用户界面友好，各类器件和集成芯片丰富，尤其是其直观的虚拟仪表是EWB软件的一大特色。它采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取。EWB软件所包含的虚拟仪表有：示波器，万用表，函数发生器，波特图图示仪，失真度分析仪，频谱分析仪，逻辑分析仪，网络分析仪等。
本次课程设计主要是利用EWB软件来设计和仿真信号调频接收机系统电路。

第二章 窄带调频接收机原理介绍
2.1 接收系统原理框图
无线通信(或称无线电通信)的类型很多，可以根据传输方法、 频率范围、 用途等分类。不同的无线通信系统，其设备组成和复杂度虽然有较大差异，但它们的基本组成不变，图2-1是无线通信系统基本组成的方框图。

图2-1 无线电通信系统基本组成框图
图中虚线以下部分为接收设备（收信机）, 天线及天线开关为收发共用设备。信道为自由空间。
接收机由调谐电路、变频器、中频放大器、检波器、音频放大器等部分电路组成。
调谐电路是将空中众多的电磁波中选出我们所需要的电台。
变频器是将天线接收到的电磁波和本机振荡信号混合后产生一个中频信号，然后送入中频放大器进行放大。
鉴频器是将放大后的中频信号将声音信号从电磁波中分离出来，也叫解调，是调制的反过程。音频信号经过音频放大器放大后通过喇叭发出声音。
由上面的例子可以看出接收机电路的基本内容应该包括：
（1）高频小信号放大电路
（2）混频电路
（3）晶体振荡器电路
（4）鉴频电路
2.2 高频小信号放大电路
高频小信号谐振放大器的功用就是放大各种无线电设备中的高频小信号。高频小信号谐振放大电路主要用于接收机的高频放大器和中频放大器中，功用就是放大各种无线电设备中的高频小信号。
高频小信号调谐放大器的电路由晶体管和LC谐振回路组成。
晶体管工作在线性区，可看成线性元件，可用有源四端网络参数微变等效电路来分析。

图2-2　 高频小信号放大电路
2.3 混频电路
混频，又称变频，也是一种频谱的线性搬移过程，它是使信号的频率由一个量值变换为另一个量值的过程，但在变换后，信号的频谱结构不变。具有这种功能的电路称为变频器（或混频器）。
　　　uc (fc)
uL (fL)
uI (fI)
混频器

　　　　图2-3 混频器
设输入已调波信号：
本振信号：
那么两信号的乘积项为：

如果带通滤波器的中心频率为
带宽

则经带通滤波器的输出为：

一般用混频器产生中频信号，混频器将天线上接收到的信号与本振产生的信号混频，当混频的频率等于中频时，信号可以通过中频放大器，被放大后，进行峰值检波。检波后的信号被视频放大器进行放大，然后显示出来。由于本振电路的振荡频率随着时间变化，因此频谱分析仪在不同的时间接收的频率是不同的。
　　模拟乘法器能够完成两个信号的相乘，在其输出中都会出现混频所要求的的差额，然后利用滤波器取出该频率分量，即完成了混频。
2.4 晶体振荡器电路
石英晶体振荡器是利用石英晶体谐振器做滤波元件构成的振荡器，其振荡频率有石英晶体谐振器决定。与LC谐振回路相比，石英晶体谐振器具有很高的标准性和极高的品质因数，因此石英晶体振荡器具有很高的频率稳定度，采用高精度和稳频措施后，石英晶体振荡器可以达到--的频率稳定度。在仪器、通信设备中都有广泛的应用。石英晶体振荡器具有较高的频率稳定度。
　　　Co
Cg
Co
Cg5
Cg3
Cg
Lg
Lg3
Lg5
Lg
Rg

　　 　　 图2-4 石英晶体等效电路

2.5 鉴频电路
从调频波中"检出"原来调制信号的过程称为调频波的解调,又叫鉴频。实现鉴频的电路称为鉴频器,也叫频率检波器。
鉴频器使输出电压和输入信号频率相对应的电路。用于调频信号的解调，常见的有斜率鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器等，对这类电路的要求主要是非线性失真小，噪声门限低。
斜率鉴频器原理电路图如图2-5（a）。其中，晶体管和LC回路实质上是一个调谐放大器，但回路的谐振频率f0与已调频信号的中心频率fc是失谐的。一旦已调频信号的瞬时频率发生变化,放大器就输出一个与之相对应的调幅-调频波(图2-5（b））。经二极管检波处理，即可在负载RL上得到与原调制信号变化规律相同的输出。斜率鉴频器的电路比较简单，但回路失谐时其谐振特性曲线不是直线，因而鉴频特性的线性较差。

图2-5 斜率鉴频器原理电路及特性

第三章 课程设计任务要求
3.1 目的及意义
高频电子线路已成为现代通信的基础，它广泛应用在广播、电视、卫星、移动等通信领域。调制与解调方式有多种，如调幅、调频、调相等，其中角度调制具有话音传送质量高，抗干扰性好等优点而被广泛应用。角度调制属于非线性调制，即调制后信号的频谱不再是调制前信号频谱的线性搬移，而产生出很多新的频率成分。当调频指数------，则称为宽带调频。1930年发现，WBFM占用频带宽，曾被认为不经济，甚至被认为无应用价值。
1936年，阿姆斯特朗认识到了WBFNM具有消除噪声的优良性质，证明了它的使用价值。其次高频谐振功率放大电路也是高频电路的基础知识之一。
本次课设的目的就是通过学习和掌握电路设计和仿真软件的基础上，按要求设计一个高频电子线路并仿真，综合应用所学知识，进行一次比较全面的训练，为今后的学习和工作积累经验。
此外，该题目还涵盖了«通信原理»、«电路分析»、«模拟电子»等主要课程的知识点，学生通过该题目的设计过程，可以初步掌握各种元器件工作原理和电路设计、开发原理，得到系统的训练，提高解决实际问题的能力。
3.2主要技术指标和要求
学习和掌握调频和鉴频电路设计方法，熟悉相关元器件的工作原理和基本参数，设计一个调频及鉴频电路。学习并掌握电路设计仿真软件的基本操作等。主要包括：
1、调频和鉴频电路原理分析；
2、电路设计；
3、电路分析；
4、仿真结果和分析。
3.3 课程设计的基本要求
1、学习掌握调频信号的调制与鉴频电路原理：
包括：1）频率调制信号电路的分析；
2）鉴频电路的分析。
2、学习和初步掌握电路设计仿真软件：
包括：1）原理图设计的基本操作；
2）电路仿真的基本操作。
要求：会用电路仿真软件仿真基本的电原理图
3、对调频和鉴频电路进行仿真，绘制其电路图：
包括：1）调频和鉴频电路的设计；
2）电路仿真及结果分析。
3.4 课程设计说明书与图纸要求
1、查阅文献资料，一般在4篇以上；
2、分析课设题目要求，严格按照课设任务书的要求，完成课程设计任务；
3、完成课程设计说明书，不少于8000字。
主要包括：中文摘要150字；关键词3到5个；正文内容应包括：前言、基本原理、课程设计内容、设计步骤及主要内容的记录、结果以及对结果做出评价，说明设计的特点和存在的问题，提出改进意见、心得体会、参考文献、致谢等；
4、认真详细填写过程记录中的各项内容。

第四章 开发平台简介
随着电子技术和计算机技术的发展，电子产品已与计算机紧密相连，电子产品的智能化日益完善，电路的集成度越来越高，而产品的更新周期却越来越短。
Multisim 10是加拿大 Interactive Image Technologies公司 2001 年推出的 Multisim 最新版本。可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及部分微机接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路。
　　它有丰富的元件库，为用户提供元器件模型的扩充和技术 ；虚拟测试仪器仪表种类齐全，其操作方法与实际仪器十分相似 ；具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等 18 种电路分析方法，基本上能满足一般电子电路的分析设计的要求 ；提供了多种输入输出接口，Multisim2001 可以与国内外流行的印刷电路板设计自动化软件Protel及电路仿真软件Pspice之间的文件接口，也能通过Windows 电路图送往文字处理系统中进行编辑排版，同时还支持VHDL和Verilog HDL语言的电路仿真与设计。
　　Multisim 10 把所有的元件分成13类库，再加上放置分层模块、总线、登录网站共同组成元件工具栏。
Multisim 10提供了18种仪表，仪表工具栏通常位于电路窗口的右边，也可以用鼠标将其拖至菜单的下方，呈水平状。
Multisim 10具有以下特点:
(1)Multisim 10是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。其元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到，因此可以很方便地在工程设计中使用。
(2)Multisim 10 的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、信号发生器、双通道示波器、直流电源；还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图示仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真度测量仪、频谱分析仪和网络分析仪等。
(3) Multisim 10 具有较详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等，以帮助设计人员分析电路的性能。
(4) Multisim10.0可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及部分微机接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的过程中还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据。
　　Multisim10是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。它用软件的方法模拟电子线路元器件和仪器仪表，实现了“软件即元器件”和“软件即仪器”。 Multisim10是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件，该软件为电子工程师提供了一个电路设计与仿真平台，不仅与国际著名的模拟电路仿真软件spice兼容，而且具有较强的 VHDL和 Verilog设计与仿真功能。它具有界面形象、直观易懂、采用图形方式创建电路的特点；它丰富的元件库中提供了超过16000个组件，全部采用世纪模型，确保了仿真结果的真实性和实用性；它采用开放式的库管理模式，能自动地生成模拟和数字组件模型，这对新器件的补充十分有利。multisim10.0的虚拟测试仪器种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、信号发生器、双通道示波器、直流、交流电源；还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图示仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真度测试仪、频谱分析仪和网络分析仪等。
Multisim10.0具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。
　　Multisim10.0 可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及微机接口电路等；可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。
第五章 详细设计及仿真
5.1 高频小信号放大器电路设计及仿真
高频小信号谐振放大电路主要由晶体管、负载、输入信号和直流馈电等部分电路组成。如图5-1所示电路，晶体管基极为正偏，工作在甲类，负载为LC并联谐振回路，调谐在输入信号的频率465kHz上。该放大电路能够对输入的高频小信号进行反相放大。
在Multisim窗口中，从示波器上观察到输入与输出波形，如图5-2所示。

图5-1 高频小信号放大电路

图5-2 小信号放大电路输出波形
5.2 混频电路设计及仿真
模拟乘法器能够完成两个信号的相乘，在其输出中都会出现混频所要求的的差额，然后利用滤波器取出该频率分量，即完成了混频。模拟乘法器混频器电路如图5-3所示，其输出波形如图5-4所示。与三极管混频器电路相比较，模拟乘法器混频器的优点是：输出电流频谱较纯，可以减少接收系统的干扰；允许动态范围的信号输入，有利于减少交调、互调的干扰。

图5-3 模拟乘法器混频器

图 5-4 模拟乘法器混频器
5.3 晶体振荡电路设计及仿真
在Multisim 10 仿真软件的电路窗口中，创建如图5-5所示的晶体振荡电路，从示波器中观察到输出波形如图5-6所示。

图5-5　石英晶体振荡器电路

　图5-6 石英晶体振荡器输出波形

5.4 鉴频电路设计及仿真
电路中有两个单失谐回路斜率鉴频器，当等幅的调频波Vs同时加到两个共发射极单失谐回路鉴频器晶体管的基极时，晶体管输出端的并联谐振回路L1、C6和L2、C7的谐振频率分别为f01和f02。它们对称地处于调频波的载频——中心频率fo的两边。设f01> f0> f02，这样，当输入信息是调频波时，Q1集电极输出的调频—调幅波形。它的特点是频率高时幅度大，频率低时幅度小。Q2的集电极输出的是调频——调幅波形。它的特点是频率高时幅度小，频率低时幅度大。A、B两点间输出电压为VC8－VC9。

图5-7 斜率鉴频电路

图5-8 鉴频电路上半部分波形

图5-9 鉴频电路下半部分波形

图5-10 斜率鉴频电路输出波形

总 结
课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。
此次课程设计主要针对信号接收电路提出自己的设计方案，并利用仿真软件来实现自己的设计电路图。设计中用到了高频小信号电路，混频电路，晶体振荡电路，鉴频电路等在高频电子线路课程中学到的知识。由于对所学电路不熟悉，导致在设计的过程中无法画出正确的电路图，算不出电路中元器件的参数，使得在设计过程中绕了许多弯路，做了许多的无用功。
设计过程中查阅了大量的有关高频电子线路设计的书籍，巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的必要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟跟平时的理论还是存在着很大的差异，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。总之，通过这次课程设计之后，我发现自己的不足之处还很多，我下去以后一定把以前所学过的知识重新温故。

参考文献
[1] 《高频电路原理与分析》主编：曾兴雯 刘乃安 陈健 西安电子科技大学出版社
[2] 《通信电子线路》主编：刘泉 武汉理工大学出版社
[3] 《电子线路设计、实验、测试》主编：谢自美 华中理工大学出版社
[4] 《电子技术实验教程[M]》主编：王紫婷 成都:西南交大出版社,1997.
[5] 《通信电子线路》主编：刘泉 武汉理工大学出版社