高频课程设计报告.docx
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高频课程设计报告
高频电子线路课程设计论文
目录
摘要1
Abstract2
绪论3
第一章联调原理与计算4
1、1中波调幅发射机4
1、2超外差中波调幅收音机8
第二章联调过程12
第三章联调故障分析13
3、1中波调幅发射机模块故障分析13
3、2超外差中波调幅接收机模块故障分析14
第四章射频IC和手机模块分析15
4、1射频IC和射频卡15
4、2通信系统之手机模块17
总结18
谢辞19
附录20
摘要
此次课程设计的论文主要把这次课程设计的重点通信系统中最重要的两部分--发射信号和接收信号描述清楚,对于实践过程中中波调幅发射机和超外差中波调幅接收机(联调)的原理和计算、联调的过程以及联调过程中出现的问题进行故障分析。
在解决了联调之后,将进一步拓展一下射频IC的知识及其运用,以及手机模块的分析。
将高频知识拓展到生活中的运用,理论联系实际。
这对于一个工科学生来说也是必要的,我们要学习理论知识,更要又动手能力,更要对于未知的领域用所学的只是去分析。
此次的高频电子线路对于我们每一个人的动手能力都是一个很好地锻炼。
学会分析电路板,查找故障原因,并将分立的实验板联调成一个简单的通信系统,这就是本次课程设计的主要目的,而本报告就总结了此次课程设计的成果。
Abstract
Thecurriculumdesignofthecoursedesignofthethesismainlyfocusoncommunicationsystemisthemostimportanttwoparts-transmitandreceivesignal.Intheprocessofpracticemediumwaveamplitudemodulationtransmitterandsuperheterodynemediumwaveamplitudemodulationreceiver(alignment)principleandcalculation,alignmentprocessandalignmentprocessinfailureanalysis.Insolvingthealignmentafter,willfurtherdeveloptheRFICknowledgeanditsapplication,andmobilephonemoduleanalysis.Highfrequencywillbeextendedtotheapplicationofknowledgeoflife,linktheorywithpractice.Thisforaengineeringstudentsisnecessary,wewanttolearningtheoryknowledge,moreandmorepracticalability,forunknownwithwhattheyhavelearnedisjusttoanalysis.Thehighfrequencyelectroniccircuitforeachoneofustobegintheabilityisaverygoodexercise.Learntoanalyzecircuitboard,findthecauseoftheproblem,andthediscreteexperimentalplatealignmentintoasimplecommunicationsystem,thisisthemainpurposeofthecoursedesign,andthisreportsummarizestheresultsofthecoursedesign.
绪论
通信的意义是什么?
是信息的传递,信号的传输。
而信息的传递如何进行,无非就是先要有一端发射信号,另一方接收信号。
而此次的课程设计的主要目的就是实现一个简易的通信过程。
由中波调幅发射机和超外差中波调幅接收机来实现这个通信过程。
本次的课程设计先是对高频实验箱的分立模块进行熟悉,分析每块实验板的功能,检查其功能是否能实现,不能实现的原因及其故障分析。
本报告也将带领走入探索通信的领域,也将解答实现联调(中波调幅发射机和超外差中波调幅接收机)的原理及一些简单的运算,以及对于联调的具体过程以及在此过程中的一些问题和故障分析。
最后,对于通信,还是有很大的领域,而本次课程设计知识一小部分,对于射频IC会有一些介绍,还有通信在手机模块上的运用。
第一章联调原理与计算
此次的连调实验是将所做过的高频电子线路的实验连起来以达到实现通信原理中的发射信号与接收信号。
也就是要完成调幅发射机整机联调。
联调包括两个部分:
中波调幅发射机和超外差中波调幅接收机。
1、1中波调幅发射机
图1调幅发射机组成原理框图
该调幅发射机组成原理框图如图1所示,发射机由音频信号发生器,音频放大,AM调制,高频功放四部分组成。
实验箱上由模块4,8,10构成。
简述为从产生发射信号(即音乐),然后是将产生的音频信号经过一块芯片后放大,再将音频信号经过AM调幅附在载频信号上,接着是将其经过功率放大器后将含载波的调制信号发射出去。
首先,产生的音乐功率不够大,所以要经过一块芯片将其放大,由于就算是经过一些放大的音乐还是没办法通过天线发送出去,由于频率和功率低,要发射出去的话对于天线的长度要求很高,这不太实际,所以要经过AM调制后将其附在载波上,接着就是通过集成线性宽带功率放大器进一步地提高功率,之后再连接到发射端再发射出去。
下面就简述一下中波调幅发射机的AM调制和高频功放这两大模块的原理。
幅度调制就是载波的振幅(包络)随调制信号的参数变化而变化。
所谓AM调幅,就是载波和要进行调制的信号同时输入,经过一个模拟乘法器,再经过一个比较器。
实质还是模拟乘法器,就是让两个信号相乘。
这次实验相乘的部分是有集成模拟乘法器MC1496完成的。
MC1496是四象限模拟乘法器,其内部电路图和引脚图如图2所示。
其中V1、V2与V3、V4组成双差分放大器,以反极性方式相连接,而且两组差分对的恒流源V5与V6又组成一对差分电路,因此恒流源的控制电压可正可负,以此实现了四象限工作。
V7、V8为差分放大器V5与V6的恒流源。
以下是MC1496的内部电路以及引脚图:
图2MC1496的内部电路及引脚图
集成模拟乘法器是完成两个模拟量(电压或电流)相乘的电子器件。
在高频电子线路中,振幅调制、同步检波、混频、倍频、鉴频、鉴相等调制与解调的过程,均可视为两个信号相乘或包含相乘的过程。
采用集成模拟乘法器实现上述功能比采用分离器件如二极管和三极管要简单得多,而且性能优越。
所以目前无线通信、广播电视等方面应用较多。
集成模拟乘法器常见产品有BG314、F1595、F1596、MC1495、MC1496、LM1595、LM1596等。
一般来说,实验时是将频率为465K、幅值为500mv的载波输入到AM调幅模块的载波输入的。
用MC1496集成电路构成的调幅器电路图如图3所示。
图中W1用来调节引出脚1、4之间的平衡,器件采用双电源方式供电(+12V,-8V),所以5脚偏置电阻R15接地。
电阻R1、R2、R4、R5、R6为器件提供静态偏置电压,保证器件内部的各个晶体管工作在放大状态。
载波信号加在V1-V4的输入端,即引脚8、10之间;载波信号Vc经高频耦合电容C1从10脚输入,C2为高频旁路电容,使8脚交流接地。
调制信号加在差动放大器V5、V6的输入端,即引脚1、4之间,调制信号VΩ经低频偶合电容E1从1脚输入。
2、3脚外接1KΩ电阻,以扩大调制信号动态范围。
当电阻增大,线性范围增大,但乘法器的增益随之减小。
已调制信号取自双差动放大器的两集电极(即引出脚6、12之间)输出。
图3AM/DSB、SSB
经过AM调制,就是经过模拟乘法器后将音频信号的变化反映在载波上面。
通过发射机发射出去。
这次的中波调幅发射机就主要是这个原理。
最核心的部分就是调幅这一块。
调幅时,有两处调节,一处是调节调制系数的(控制是正常,制还是过调),另一处是调节调制信号的幅度的。
经过线性宽带功率放大器后,将调制信号进一步在线性范围内放大,以便其更容易发射出去。
在宽波段工作范围内能采用自动调谐技术是现代通信的发展方向,以便于迅速转换工作频率。
为了满足上述要求,可以在发射机的中间各级采用宽带高频功率放大器,它不需要调谐回路,就能在很宽的波段范围内获得线性放大。
但为了只输出所需的工作频率,发射机末级(有时还包括末前级)还要采用调谐放大器。
当然,所付出的代价是输出功率和功率增益都降低了。
因此,一般来说,宽带功率放大器适用于中、小功率级。
对于大功率设备来说,可以采用宽带功放作为推动级同样也能节约调谐时间。
最常见的宽带高频功率放大器是利用宽带变压器做耦合电路的放大器。
宽带变压器有两种形式:
一种是利用普通变压器的原理,只是采用高频磁芯,可工作到短波波段;另一种是利用传输线原理和变压器原理二者结合的所谓传输线变压器,这是最常用的一种宽带变压器。
本次做联调实验时是用两级三极管进行放大,此外,中间还有耦合放大,既起到放大的作用,又起到阻抗变化的用途。
稳定电路。
图4线性功率放大原理图
本中波调幅发射机模块电路如图3所示。
该实验电路由两级宽带、高频功率放大电路组成,两级功放都工作在甲类状态,其中Q1(3DG12)、L1组成甲类功率放大器,工作在线性放大状态,RA1、R6、R7、R8组成静态偏置电阻,调节RA1可改变放大器的增益。
R2为本级交流负反馈电阻,展宽频带,改善非线性失真,T1,T2两个传输线变压器级联作为第一级功放的输出匹配网络,总阻抗比为16:
1,使第二级功放的低输入阻抗与第一级功放的高输入阻抗实现匹配,后级电路分析同前级。
1、2超外差中波调幅收音机
图5超外差中波调幅接收机
图4所示为超外差中波调幅接收机的大致组成。
接收机由天线回路、变频电路、中频放大电路、检波器、音频功放、耳机等六部分组成,各部分电路中元件的功能与作用前述单元电路中己讲述。
实验箱上由模块2,4,7,10构成。
也即将信号从天线上接收下来,然后输入到三极管变频,将其你变成中频,之后就将变频后的信号输入到双调谐小信号放大器将其进一步放大,紧接着就是将变频放大后的信号接到三极管包络检波处将音频信号从调制波上检波下来,再接着就是讲检波后的音频信号通过音频功率放大器后接到耳机上,如此一来,则用耳机就可以听到之前发送的音乐了,这样也就完成了超外差接收机的作用。
接下来就介绍一下变容二极管调频(变频模块)、双调谐小信号放大器(中频放大模块)、包络和同步检波(检波模块)的基本原理。
调频即为载波的瞬时频率受调制信号的控制。
其频率的变化量与调制信号成线性关系。
常用变容二极管实现调频。
调频的原理解释如下:
图6调制信号电压大小和调频波频率关系图解
图5展示出了当变容二极管在低频简谐波调制信号作用情况下,电容和振荡频率的变化示意图。
在(a)中,U0是加到二极管的直流电压,当u=U0时,电容值为C0。
uΩ是调制电压,当uΩ为正半周时,变容二极管负极电位升高,即反向偏压增大;变容二极管的电容减小;当uΩ为负半周时,变容二极管负极电位降低,即反向偏压减小,变容二极管的电容增大。
在图(b)中,对应于静止状态,变容二极管的电容为C0,此时振荡频率为f0。
因为
,所以电容小时,振荡频率高,而电容大时,振荡频率低。
从图(a)中可以看到,由于C-u曲线的非线性,虽然调制电压是一个简谐波,但电容随时间的变化是非简谐波形,但是由于
,f和C的关系也是非线性。
不难看出,C-u和f-C的非线性关系起着抵消作用,即得到f-u的关系趋于线性(见图(c))。
小信号谐振放大器是通信机接收端的前端电路,主要用于高频小信号或微弱信号的线性放大。
此次接收机的中频放大模块式用双调谐小信号放大器实现的,二实质上双调谐和单调谐小信号放大器原理差不多。
单调谐电路由晶体管Q1、选频回路T1二部分组成。
它不仅对高频小信号进行放大,而且还有一定的选频作用。
而双调谐电路则是由晶体管Q1、选频回路T1和选频回路T2三部分组成。
比单调谐电路多了一个选频回路T2。
不管是单调谐还是双调谐。
都是经过三极管Q将信号放大在经过T滤波选频再放大,只不过单调谐是经过一级,而双调谐是经过两级。
使用双调谐放大器改善了单调谐放大器的选择性较差、增益和通频带的矛盾比较突出的一些缺点。
检波过程是一个解调过程,它与调制过程正好相反。
检波器的作用是从振幅受调制的高频信号中还原出原调制的信号。
还原所得的信号,与高频调幅信号的包络变化规律一致,故又称为包络检波器。
从频谱来看,检波就是将调幅信号频谱由高频搬移到低频。
检波过程也是应用非线性器件进行频率变换,首先产生许多新频率,然后通过滤波器,滤除无用频率分量,取出所需要的原调制信号。
常用的检波方法有包络检波和同步检波两种。
有载波振幅调制信号的包络直接反映了调制信号的变化规律,可以用二极管包络检波的方法进行解调。
而抑制载波的双边带或单边带振幅调制信号的包络不能直接反映调制信号的变化规律,无法用包络检波进行解调,所以采用同步检波方法。
包络检波的物理过程如下:
在高频信号电压的正半周时,二极管正向导通并对电容器C充电,由于二极管的正向导通电阻很小,所以充电电流iD很大,使电容器上的电压VC很快就接近高频电压的峰值。
充电电流的方向如图6(a)图中所示。
这个电压建立后通过信号源电路,又反向地加到二极管D的两端。
这时二极管导通与否,由电容器C上的电压VC和输入信号电压Vi共同决定.当高频信号的瞬时值小于VC时,二极管处于反向偏置,管子截止,电容器就会通过负载电阻R放电。
由于放电时间常数RC远大于调频电压的周期,故放电很慢。
当电容器上的电压下降不多时,调频信号第二个正半周的电压又超过二极管上的负压,使二极管又导通。
如图6(b)中的tl至t2的时间为二极管导通的时间,在此时间内又对电容器充电,电容器的电压又迅速接近第二个高频电压的最大值。
在图6(b)中的t2至t3时间为二极管截止的时间,在此时间内电容器又通过负载电阻R放电。
这样不断地循环反复,就得到图6(b)中电压
的波形。
因此只要充电很快,即充电时间常数Rd·C很小(Rd为二极管导通时的内阻):
而放电时间常数足够慢,即放电时问常数R·C很大,满足Rd·C< 的幅度接近于输入电压 的幅度,即传输系数接近l。 另外,由于正向导电时间很短,放电时间常数又远大于高频电压周期(放电时 的基本不变),所以输出电压 的起伏是很小的,可看成与高频调幅波包络基本一致。 而高频调幅波的包络又与原调制信号的形状相同,故输出电压 就是原来的调制信号,达到了解调的目的。 图7包络检波的示意图 而同步检波器则是用于对载波被抑止的双边带或单边带信号进行解调。 它的特点是必须外加一个频率和相位都与被抑止的载波相同的电压。 同步检波器的名称由此而来。 外加载波信号电压加入同步检波器可以有两种方式,一种是将它与接收信号在检波器中相乘,经低通滤波器后检出原调制信号,另一种是将它与接收信号相加,经包络检波器后取出原调制信号。 如图8所示。 图8同步检波方框图 第二章联调过程 此次的联调是将信号通过中波调幅发射机将其发射出去,然后通过超外差中波调幅接收机将信号接收回来,最后在耳机上听到之前发射的音乐。 原本应该是由音频IC产生音乐通过音频放大到音频输出,然后接到AM调幅电路板上,同时输入一个频率为465K,幅值为500mv的载波,然后就从调幅板的AM/DSB的输出口输入到集成线性宽带功率放大器的输入口,然后在线性宽带功率放大器的输出端接到放射的接口上,按下发射开关就把信号发射出去了。 而接收应该是由天线将发射出来的信号接收下来,接着由接收口将信号引到三极管变频的输入口,从其输出口接到双调谐电路的输入口,经过双调谐小信号放大器将所变的中频放大,接着是检波了,通过三极管包络检波将音频信号从调制信号上检波出来,再接着就是将检波出来的波输入到音频功率放大器上,将其进一步放大,最终到耳机上。 以上是本应该如此来调这次的联调过程的,不过,实际的步骤与实现预计好的步骤有些出入。 首先是,发射机的部分。 AM调制过后应该将调制波接到集成线性宽带功率放大器上将其进一步放大,而实际操作时由于经过集成线性功率放大器后信号发生了一些变化,导致经过发射会失败,故最后决定不经过集成线性宽带功率放大器,直接将调制信号引到发射端直接发射。 虽然这样做最终对于接收到的音乐声音不太大,不过至少可以听到音乐。 其次是,接收机的部分。 由于之前的课设时间已经检查出本小组的三极管变频部分以及单双调谐放大器有问题,故本应该把就收下来的信号经过变频成中频,再将其中频放大,再过来才是检波。 不过,实际操作时,并没有经过变频也没用经过中频放大模块。 而是直接将接收下来的调制信号经过检波直接将音频信号输入到音频功率放大器上,到耳机。 由于在本小组做联调实验时,耳机也是坏的,故只能观察到波形。 而真正做实验时,是和邻组合作的。 我组所做的是发射部分,而他组则是接收部分。 由于另一台箱子上面的天线没有,则是直接将我组的发射端接到另一组的接收端。 这样也避免了接收过程中空气中其他信号的一些干扰。 另外就是由于他组高频实验箱中的包络检波有问题,所以是直接用同步检波来替代三极管包络检波。 实验过程中,能够大致实现发射信号和接收信号的功能,也就是在发射一个音频信号(音乐)后,在另一台高频实验箱的耳机上插上耳机能够听到发射的音乐,虽然波形有些出乎意料。 不过,总的来说,此次的联调实验算是成功的,功能上是过关的。 第三章联调故障分析 此次的联调实验经过一系列的努力成功地实现功能了,不过在联调的过程中还是有很多的问题,出现了很多故障。 现在就针对于那些实验时出现的问题进行故障分析一下。 3、1中波调幅发射机模块故障分析 在发射机的部分,先是由音乐芯片产生音乐后经过一块芯片将音频信号放大,接着是将音频信号输入到AM调幅模块进行调制(与此同时,输入频率为465k,幅值为500mv的载波),接着是将调制信号输入到集成线性宽带功率放大器将调制信号进一步放大以便发射。 不过,由于在实际操作时候,发现在音频输出端能够清楚地观察到方波,在经过调制环节后,也能够出现方波调制后的波形,不过,在将方波调制波输入到集成线性宽带功率放大器后,本来在示波器上观察到的很清楚明朗的方波调制波已经有了很明显的失真,出现的是一些杂音,是杂波。 已没有当初的清晰的方波调制波。 故可以很肯定的是,集成线性功率放大器有问题。 还有一点可以证明是集成线性功率放大器有问题的。 就是在联调实验的时候,一开始,本认为对于实验的步骤掌握得还可以,就开始连线路,结果把集成线性功率放大器少连了。 但是结果是可以再接收端听到音乐,只是有些杂音。 不过,在纠正回来后,就是将集成线性功率放大器接上后发现在接收端听不到音乐了。 所以,实践证明,集成线性功率放大器是有问题的。 对于集成线性功率放大器的故障分析有一些纠结,对于该功率放大器,在做此实验前,利用该实验板上的集成线性功率放大器对调制信号进行放大,在其输出端是可以观察到一个方波调制波的,不过在正式地做该实验时却发现放大没有用了,不能对于调制信号放大,故由此猜测估计是线性功率放大器内部不稳定,才导致有时能实现功能,有时却不能实现功能。 对于集成线性功率放大器的原理分析在之前介绍联调原理时已经对其有了一个系统的分析。 对于集成线性功率放大器,其中Q1(3DG12)、L1组成甲类功率放大器,工作在线性放大状态,RA1、R6、R7、R8组成静态偏置电阻,调节RA1可改变放大器的增益。 R2为本级交流负反馈电阻,展宽频带,改善非线性失真。 故我认为在实际操作时出现失真的情况,有可能是反馈模块的原因,频带没有展宽导致非线性失真没有得到很好的改善。 这是一个可能的原因,还有就是静态工作点有问题,没有让电路工作在线性放大放大器的状态。 这些都有可能成为线性功率放大器故障的原因。 3、2超外差中波调幅接收机模块故障分析 此次的联调实验主要问题是出在超外差中波调幅接收机模块上,接下来就详细地描述一下在接收机模块上出现的问题。 首先,是天线。 由于做实验时所用到的接收实验箱的天线是没有用的。 故难免对实验的结果有一些影响。 由于缺少天线,故在发射机上直接将发射端接到另一个实验箱上的接收端,就省了用天线来接收发射端所发射的信号。 其实这样做也是有好处的,至少所发射的信号在空气中停留然后再到接收端这一段时间的影响是可以避免的。 变频模块也是有问题的。 就是在接收端用示波器可以看到所传输过来的信号是很清晰的,不过,经过变频模块后就完全没有波形了。 在检查三极管变频器时发现,在输入的TP1处可以观察到波形,但是在经过实验板上的调谐模块后却没有波形了。 故由此推断出问题出在调谐器上。 中频放大模块也是有问题的。 在之前检查到变频模块出现问题后就直接省掉将信号变频就直接输入到中频放大模块,也就是双调谐小信号放大器上。 但是发现双调谐小信号放大器也失去了该有的功能。 经检查后发现在放大器上的滑动变阻器W4的三端的有两端检查不到波形,故才认为是双调谐小信号放大器有问题,对于这个故障,很有可能是前一个中周坏了所致。 况且W4还兼有调节放大器的静态工作点的重要任务,若W4有问题,则会使得放大器工作都成问题,至于放大更谈不上。 接下来是检波阶段了。 检波本应该是用三极管峰值包络检波,但是由于三极管峰值包络检波器有问题,故用的是同步检波来替代的。 在功能上应该是不会有问题的,但是实际的观察情况,在经过检波后波形出现了一些变化,有些模糊了,经过检查是因为载波的输入有些问题。 检波的载波和AM调制的载波是同一个信号,故用一根线相连,有可能是线的问题。 本身对于所用的同步检波器是经过检查的,没有问题的。 最后一部分是音频功率放大器部分了。 此次实验的最失败的就是在经过功放后本应该在示波器上观察到方波,却出现的是类似正弦波的波形(也有些像锯齿波)。 虽然最终能够在耳机里听到传送过来的音乐,不过,该音乐的波形已经有些失真了,也难怪音乐有些变化,与之前的调有些不同,估计就是功率放大器的原因。 在经过功率放大器之前还是可以观察到方波的,但是经过音频功率放大器之后就变样了。 当然,也不能完全说是功放的原因,毕竟之前还省略了变频和中频放大两大模块。 以上就是此次联调实验的故障分析,分析的不是很全,但都是实践所得。 第四章射频IC和手机模块分析 4、1射频IC和射频卡 射频(RF)是RadioFrequency的缩写,表示可以辐射到空间的电磁频率,频率范围从300KHz~30GHz之间。 射频IC(IntegratedCircuit)是指工作在射频频段的集成电路芯片,用以实现特定的射频功能。 射频简称RF射频就是射频电流,它是一种高频交流变化电磁波的简称。 每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流,大于10000次的称为高频电流,而射频就是这样一种高频电流。 在电子学理论中,电流流过导体,导体周围会形成磁场;交变电流通过导体,导体周围会形成交变的电磁场,称为电磁波。 在电磁波频率低于100khz时,电磁波会被地表吸收,不能形成有效的传输,但电磁波频率高于100khz时,电磁波可以在空气中传播,并经大气层外缘的电离层反射,形成远距离传输能力,我们把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频,射频技术在无线通信领域中被广泛使用。 射频识别技术依其采用的频率不同
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