毕业设计-论文高频电子线路报告--小功率调幅发射机.doc

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吉林建筑大学
电气与电子信息工程学院
高频电子线路课程设计报告

设计题目： 小功率调幅发射机
专业班级： 电子信息工程
学生姓名：
学 号：
指导教师：
设计时间： 2014.12.08－2014.12.19

教师评语：

成绩 评阅教师 日期

一、 设计题目：
小功率调幅发射机的设计
二、 设计目的、内容及要求：
2.1 设计目的
(1)加深对《高频电子线路》理论知识的进一步理解，进一步巩固理论知识，能够建立起无线发射机的整机概念，学会分析电路、设计电路的步骤和方法，深入地贯穿到实践中。
（2）提高同学们自学和独立工作的实际能力，为今后课程的学习和从事相应工作打下坚实基础。
2.2 设计内容及要求
小功率调幅发射机的设计
（1）掌握小功率调幅发射机原理；
（2）设计出实现调幅功能的电路图；
（3）应用multisim软件对所设计电路进行仿真验证。
技术指标：载波频率f0=1MHz~ 10MHz；低频调制信号1KHz正弦信号；调制系数Ma=50％±5％；负载电阻RA=50Ω。
三、 工作原理：
由振荡器产生一个固定频率的载波信号，载波信号经缓冲级送至振幅调制电路，缓冲级将振荡级与调制级隔离，减小调制级对晶体振荡级的影响，放大级将低频信号放大至足够的电压后送到振幅调制电路，振幅调制电路的输出信号经高频功率放大器，高放级将载频信号的功率放大到所需的发射功率。
调幅发射机常用于通信系统与其他无线电系统中，在中短波领域应用极为广泛，由于调幅简便，占用频带窄，设备简单等优点，因此在发射机系统中应用非常广泛。
在实际的广播发射系统中，中波调幅的频率范围为535 ～ 1605 千赫，音频信号中的高音频率应该被限制在 4.5 千赫以下，发射功率需要达到300W以上才能使空间覆盖面达到比较好的状态，此次设计需要在实验室环境中研究发射机的工作原理与原件选择，因此，根据实验室条件适当降低技术指标，载波频率采用实验室较为常用的6MHz，单音频调制信号选择1KHz，发射机功率初步定为1W。
四、 总体方案：
1、调幅发射机的设计方案
发射机的主要任务是利用低频音频信号对高频载波进行调制，将其变为在适合频率上具有一定的带宽，有利于天线发射的电磁波。根据设计要求，载波频率f0=1MHz~ 10MHz；低频调制信号1KHz正弦信号。其总体电路结构可分为主振级，缓冲级，放大级，振幅调制电路和音频放大电路 。
2、调幅发射机的原理框图
所谓调幅，就是按照调制信号的变化规律去改变载波的幅度，使输出信号的频谱搬移到高频波段，而输出信号的振幅携带调制信号的相关信息。调幅发射机的主要任务是完成有用的低频信号对高频载波的幅度调制,将其变为在某一中心频率上具有一定带宽、适合通过天线发射的电磁波。
通常，调幅发射机包括三个部分：高频部分，低频部分，和调制部分。
高频部分一般包括主振荡器、缓冲放大、倍频器、中间放大、功放推动级与末级功放。主振器的作用是产生频率稳定的载波。为了提高频率稳定性，主振级往往采用石英晶体振荡器或LC振荡电路，并在它后面加上缓冲级，以削弱后级对主振器的影响。
低频部分包括话筒、低频电压放大级、低频功率放大级与末级低频功率放大级。低频信号通过逐渐放大，在末级功放处获得所需的功率电平，以便对高频末级功率放大器进行调制。
调制部分即振幅调制电路，它将要传送的信息装载到某一高频振荡(载频)信号上去的过程。
调幅发射机的原理框图如图1示：

主振荡
隔离放大
被调级
低频信号
低频功放
调制器

图1 调幅发射机原理框图

3、主振级
(1)三点式振荡器：电容三点式振荡器的输出波形比电感三点式振荡器的输出波形好。为提高频率稳定度，可采用改进三点式振荡电路，如克拉波振荡电路、西勒振荡电路。
(2)晶体振荡器：晶体振荡器频率稳定度高，振荡频率不易受外界因素（温度湿度、电压变化等）影响。
频率稳定度是振荡器的一项十分重要的技术指标，它表示在一定时间范围内或一定温度、湿度、电压、电源等变化范围内振荡频率的相对变化程度，振荡频率的相对变化量越小，则表明振荡期的频率稳定度越高。
改善振荡器频率稳定度，从根本上来说就是力求减小振荡频率受温度、负载、电源等外界因素影响的程度，振荡回路是决定振荡频率的主要部件。因此改善振荡频率稳定度的最重要措施是提高振荡回路在外界因素变化时保持频率不变的能力，这就是所谓的提高振荡回路的标准性。提高振荡回路标准性除了采用稳定性好和高Q的贿赂电容电感外，还可以采用与正温度系数电感作相反变化的具有氟温度系数的电容，以实现温度补偿作用。
因此，RC振荡器不符合要求，可以采用西勒振荡器或者晶体振荡器，由于multisim软件没有10Mhz晶振，为便于进行仿真，所以这次设计采用西勒振荡器。
4、低频放大器
生活中音频信号的频率范围是300Hz~3400Hz，所以对音频信号的放大一般采用低频放大器即可。低频信号放大器的作用就是放大音频信号，使其达到调制电路输入信号的要求。
低频信号放大电路可以用三极管来实现，也可以用集成的运算放大器来实现。本次设计采用LM741的芯片来实现放大功能。
5、振幅调制
(1)低电平调幅电路输出功率小，适用于低功率系统。它的电路形式有多种，如斩波调幅、平衡调幅器、模拟乘法器调幅等，比较常用的是采用模拟乘法器形式制成的集成调幅电路，即集成模拟乘法器调幅。这种集成电路的出现，使产生高质量调幅信号的过程变得极为简单，而且成本很低。
(2)高电平调幅电路输出功率大，一般在系统末级直接产生满足发射要求的调幅波。它的电路形式主要有集电极调幅和基极调幅两种。集电极调幅电路的优点是效率高，晶体管获得充分的应用；缺点是需要大功率的调制信号源。基极调幅电路的优缺点正好与之相反，它的平均集电极效率不高，但所需要的调制功率很小，有利于调幅发射系统整机的小型化。
6、高频功率放大器
高频功率放大器是调幅发射机的末级，它的任务是要给出发射机所需要的输出功率。本设计研究的是小功率调幅发射系统，通过前面的电路以后，进入功率放大级的是已调信号。但由于信号的功率太小，发射出去存在很大衰减，影响信号的传送，所以要进行功率放大。末极放大可以采用高频小信号谐振放大器电路。
高频小信号谐振放大器的主要性能指标有：
（1）中心频率指放大器的工作频率。它是设计放大电路时，选择有源器件、计算谐振回路元器件参数的依据。
（2）增益 指放大器对有用信号的放大能力。通常表示为在中心频率上的电压增益和功率增益。
电压增益
功率增益
式中，、分别为放大器中心频率上的输出、输入电压；、分别为放大器中心频率上的输出、输入功率。
通频带 指放大电路增益由最大值下降3dB时所对应的频带宽度，用表示。它相当于输入不变时，输出电压由最大值下降到0.707倍或功率下降到一半时对应的频带宽度。

五、 单元电路设计：
1、 主振级
主振级是调幅发射机的核心部件，主要用来产生一个频率稳定、幅度较大、波形失真小的高频正弦波信号作为载波信号。该电路通常采用晶体管LC正弦波振荡器。常用的正弦波振荡器包括电容三点式振荡器即考毕兹振荡器、克拉泼振荡器、西勒振荡器。
本级用来产生4MHz左右的高频振荡载波信号，由于整个发射机的频率稳定度由主振级决定，因此要求主振级有较高的频率稳定度，同时也要有一定的振荡功率（或电压），其输出波形失真较小。为此，这里我采用西勒振荡电路，可以满足要求。
为了解决频率稳定度和振荡幅度的矛盾，常采用部分接入方式。由前述可知，为了保证振荡器有一定的稳定振幅及容易起振，当静态工作点确定后，晶体管内部参数的值就一定，对于小功率晶体管可以近似认为，反馈系数大小应在0.15～0.5范围内选择。
如图2西勒振荡器电路所示、、提供偏置电压使三极管工作在放大区，起到滤波作用。
输出电路的总电容：

振荡频率为：

在此西勒振荡器电路中，由于和L并联，，所以变化不会影响回路的接入系数，如果使固定，可以通过改变来改变振荡频率，因此，西勒振荡器可用作波段振荡器，适用于较宽波段工作。

图2 西勒振荡器

西勒振荡电路仿真如下：

图3 载波频率

图4西勒振荡器的输出波形

4、放大级
这里选用高频小信号放大器最典型的单元电路如下图5所示，这里由、构成LC单调谐回路，由LC单调谐回路作为负载构成晶体管调谐放大器。晶体管基极为正偏，工作在甲类状态，负载回路调谐在输入信号频率上，能够对输入的高频小信号进行反相放大。由LC调谐回路的作用主要有两个：一是选频滤波，选择放大=工作信号频率，抑制其他频率的信号；二是提供晶体管集电极所需的负载电阻，同时进行匹配交换。
设计的推动级采用高频小信号谐振放大器电路。由于推动级还起到隔离缓冲的作用，故它的电路一般用谐振放大器加一级射随器组成。
高频小信号谐振放大器的主要性能指标有：
（1）中心频率 指放大器的工作频率。它是设计放大电路时，选择有源器件、计算谐振回路元器件参数的依据。
（2）增益 指放大器对有用信号的放大能力。通常表示为在中心频率上的电压增益和功率增益。
电压增益
功率增益
式中，、分别为放大器中心频率上的输出、输入电压；、分别为（3） 通频带 指放大电路增益由最大值下降3dB时所对应的频带宽度，用表示。它相当于输入不变时，输出电压由最大值下降到0.707倍或功率下降到一半时对应的频带宽度
（4）选择性 指放大器对通频带之外干扰信号的衰减能力。通常有两种表征方法：
1）用矩形系数说明邻近波道选择性的好坏。
矩形系数定义为

理想矩形系数应为1，实际矩形系数均大于1。
2）用抑制比来说明对带外某一特定干扰频率信号抑制能力的大小，其定义为中心频率上功率增益与特定干扰频率上的功率增益之比。

用分贝表示，则为：

图5 放大级

图6 音频信号与放大
3、音频放大
音频放大是将信号放大到调制电路所需要的调制电压，经过放大后的信号送入调制级对高频载波信号进行调制，音频信号源由图中所示电压源代替，采用3554BM对输入的语音信号进行不失真的放大。

图7音频放大电路

仿真结果如图9所示

图8 音频放大级仿真
5、AM调制电路
调幅是使高频载波信号的振幅随调制信号的瞬时变化而变化。也就是说，通过用调制信号来改变高频信号的幅度大小，使得调制信号的信息包含入高频信号之中，通过天线把高频信号发射出去。调幅器可分为高电平调幅和低电平调幅：大功率广播和通信多采用高电平调平，这种调幅机输出功率大、效率高；载波电话机和各种电子仪器多采用低电平调幅，它们对输出功率和效率要求不高，可以选用调幅特性较好的电路中。
常见的调幅方法主要有乘法器调幅、开关型调幅电路、晶体管调幅电路，其中晶体管调幅又分为基极调幅、集电极调幅。本课程设计采用二极管平衡电路进行调幅，二极管平衡电路也是最简单的调制电路。音频信号和载波信号分别通过变压器T1、T3输入到调制电路，然后经二极管进行调制，最后经LC谐振回路输出调制结果。

图9 二极管平衡调制电路

调制电路仿真调试结果如下图所示：

图10 音频信号

图11 高频载波信号

图12 调制信号
六、 系统设计与仿真分析
调幅发射机的主要任务是完成有用的低频信号对高频载波的幅度调制,将其变为在某一中心频率上具有一定带宽、适合通过天线发射的电磁波。由振荡器产生一个固定频率的载波信号，载波信号经缓冲级送至振幅调制电路，缓冲级将振荡级与调制级隔离减小调制级对晶体振荡级的影响，放大级将低频信号放大至足够的电压后送到振幅调制电路，振幅调制电路的输出信号经高频功率放大器，高放级将载频信号的功率放大到所需的发射功率。
将主振级电路、缓冲级电路、放大级电路、AM调制电路以及音频放大电路依次连接就构成了小功率调幅发射机整体电路原理图（见附录2）。
小功率调幅发射机由主振级产生一个载波信号，由缓冲级将主振级与调制电路隔离开，以减小调制电路对振荡电路的影响，再有放大级将信号放大，送至调制级，由调制电路进行调制。
由于工作频率的升高，分布参数及各种耦合与干扰对高频电路的影响比对低频电路更加明显。因此高频电路的调试过程与其设计过程同样重要。
电路的调试顺序一般从前级单元电路开始，向后逐级进行。即先将各单元电路彼此断开，从第一级开始调整单元电路的静态工作点，以及交流状态下的性能指标；然后与下一级连接，进行逐级联调，直到整机调试。
在逐级调试时，还会出现这样的现象：单独加测试信号调试合格的单元电路，在与前级或下级电路连接后，没有输出或输出信号不正常。这时要考虑，各级相连的电路对其输入信号幅度及功率的要求是否达到，也就是说，单元电路仅仅有输入信号是不够的，还要保证其输入信号的参数满足本级电路的要求。例如调幅接受机中的二极管大信号包络检波器，就要求输入调幅波的幅度达到几百mV以上。在单独调试单元电路时，可借助测试仪器（如信号发生器、示波器等）确定电路达到最佳工作状态所需的输入信号幅值及频率参数等。主振级与缓冲级联调时缓冲级输出电压明显减小或波形失真的情况。产生的主要原因是缓冲级的输入阻抗不够大，使主振级负载加重。这可通过增大缓冲级的射极电阻来提高缓冲输入级输入阻抗，也可通过减小，即减小主振级与缓冲级的耦合来实现。本机振荡级、缓冲级、放大级以及调制级联调时，往往会出现过调幅现象。产生的原因可能是经射级跟随器输出的本振电压偏小或者是话音放大级输出的调制电压过大。调整放大级增益，以满足调幅度=50%的技术指标要求。

总体电路图的仿真结果如图13所示：

图13 总体仿真图

七、 总结与体会
本次课程设计通过对高频知识的运用，初次利用Multisim仿真软件设计了一个小功率调幅发射机。调幅发射机的设计分为四个模块，主振荡器模块、低频放大模块、调制模块和高频放大模块，设计时先将各部分电路设计出来，并且单独进行仿真和调试，然后再将各模块连接起来进行调试并且仿真。
在设计各个环节中都遇到了很多问题：首先，参数的选定很难，课堂上基本上是分析电路的原理功能和计算电路的性能指标，很少亲自选定器件的参数，从资料或网上得到的数据很多都有问题；必须经过修正和调试才能确定出器件的参数，只有正确的参数，才能够设计出我们所想要的输出结果，参数的正确性可以说决定着设计成功的50其次，有些时候理论上符合要求的电路，仿真后却得不到相应的结果，尤其是整机联接的时候出现了更多问题，也花费了很多时间（其实差不多一半的时间都在进行整机调试和修正），比如主振级与缓冲级联调时缓冲级输出电压明显减小并且波形失真严重，开始的时候，主振级甚至起振不起来，还有就是调幅失真，问题更加复杂。当然也正是由于问题的出现，我才学到了更多的知识，以及设计的技巧，对Multisim软件的应用也更加熟练了。出现问题的时候，首先思考出现问题的环节，然后借助于从图书馆借的几本书，有时候直接上网查询，也请教其他同学，在这个过程中对以前学的知识有了更深刻的了解，也明白了所学知识的应用范围，收获颇丰。这次课程设计使我不但进一步掌握了高频电子线路的基础知识，还学会了Multisim仿真软件的基本操作，刚开始接触到这个题目时还不知怎么下手，绘制原理图元器件怎么找怎么连接都得请同学帮助。这次课程设计真的样我学到了很多知识。也让我懂得一个道理，遇到困难不要退缩，只要你有决心你就能做的到。这次课程设计培养了我自己分析、应用单元电路的能力。也使我更加的看清了自己，明白了凡事要认真，要有耐心，只要你肯做就一定能做到。其次通过这次课程设计样也知道了自己学习的知识还是很少，致使设计过程中总出现一些问题。我会在以后更加努力学习，学习更多知识。
在学习中,老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模，老师们的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神，将永远激励着我。这四年中还得到众多老师的关心支持和帮助。在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意！

八、 参考文献
[1]张肃文.高频电子线路.(第三版) 高教出版社.2009
[2]曾兴雯.高频电路原理与分析.西安：西安电子科技大学出版社.2002.
[3]康光华.电子技术基础.模拟部分(第五版).北京：高等教育出版社.2006
[4]李新平.实用电子仿真技术.北京：机械工业出版社.2003
[5]谢自美.电子线路设计.实验.测试(第三版).武汉：华中科技大学出版社.2000
[6]王尧.电子线路实验. 南京：东南大学出版社.2000.
[7]曹才开.高频电子线路原理与实践.湖南：中南大学出版社.2010

附录1：元器件清单
A
B
C
数量
描述
编号
3
可变电容
C3 C5 C6
1
电源VCC
VCC
4
额定电容100PF
C6 C9 C10 C11
1
额定电容300PF
C2
1
额定电容600PF
C4
1
额定电容33nF
C1
4
额定电容22uF
C8 C14 C15 C16
3
变压器
NLT-VIRTUAL
4
示波器
示波器
1
频率计数器
频率计数器
3
三极管
NPN
2
滑动变阻器
R11 R12 R13
2
可变电感
L1 L3
5
电阻
R1 R2 R3 R5 R6
1
电阻
R4
1
交变电源10mv 1kHz
V1
1
电阻
R7
1
电阻
R18
1
电阻
R9

附录2：系统原理图

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