高频电子线路课程设计.docx
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高频电子线路课程设计
计算机与信息工程系
《高频电子线路》
课程设计报告
专业通信工程
班级
学号
姓名
完成日期2014年12月31日
指导教师
评语:
成绩:
批阅教师签名:
批阅时间:
设计目的及任务要求:
1 设计目的:
1)巩固和加深对基本专业知识的理解,学会设计电子电路的方法;
2)增强学生理论联系实际的能力,提高学生电路分析和设计能力;
3)实践教学引导学生在理论指导下有所创新为实践奠定基础;2 设计内容及任务要求:
1.设计一个高频正弦波振荡器,要求振荡频率为5MHz,相对准确对≤2‰
2.设计一个混频器电路,要求中心频率为455HZ,本振频率为10MHZ。
3.设计一个AM调幅电路要求输入低频调制信号为20kHz,幅度小于500mV,高频载波信号为1MHz幅度小于300mV。
4.调频发射电路,根据自己设定的频率和所给电容值算出电感L的值得大小。
目录
前言1
一Multisim仿真软件2
二.高频正弦波振荡器3
2.1高频正弦波振荡器的设计内容及要求3
2.1.1设计要求3
2.1.2正弦波振荡器设计方案及工作原理3
2.1.3电路分析4
2.2高频正弦波振荡器仿真分析5
2.3结果分析5
三混频器仿真5
3.1晶体管混频器的设计内容及要求5
3.1.1设计要求5
3.1.2晶体管混频器设计方案及工作原理5
3.1.3电路分析6
3.1.4晶体管混频器仿真分析7
3.2模拟乘法器混频电路8
3.2.1设计要求及原理8
3.2.2模拟乘法器混频电路仿真分析9
3.3结果分析9
四幅度调制电路9
4.1高频正弦波振荡器的设计内容及要求9
4.1.1设计要求9
4.1.2幅度调制电路设计方案及工作原理9
4.1.3电路分析11
4.2幅度调制电路仿真分析12
4.3结果分析12
五调频发射12
5.1调频发射的设计内容及要求12
5.1.1设计要求12
5.1.2调频发射的设计方案及工作原理12
5.1.3电路分析13
5.2调频发射电路仿真分析14
5.3结果分析15
六心得体会16
七参考文献17
前言
课程设计是电子技术课程的实践性教学环节,是对学生学习电子技术的综合性训练,该训练通过学生独立进行某一课题的设计、安装和调试来完成。
通过动脑、动手解决若干个实际问题,巩固和运用在高频电子线路课程中所学的理论知识和实验技能,基本掌握常用电子电路的一般设计方法,提高设计能力和实验技能,为以后从事电子电路设计、研制电子产品打下基础。
本文设计了包括选频网络的设计、三点式振荡器的基础设计以及AM高低电平、混频器与幅度调制,调频发射等与生活息息相关的一些技术设计。
选频网络应用非常广泛,可以用作放大器的负载,具有阻抗变换、频率选择和滤波的功能;三点式振荡器用于产生稳定的高频振荡波,在通信领域应用广泛;振幅调制解调都属于频谱的线性搬移电路,是通信系统及其它电子线路的重要部件。
调频发射机作为一种简单的通信工具,它首先将音频信号和高频载波调制为调频波,使高频载波的频率随音频信号发生变化,再对所产生的高频信号进行放大,激励,功放和一系列的阻抗匹配,使信号输出到天线,发送出去的装置。
本文主要讨论了调频发射机的原理实现方式并设计了电路图,将调频发射机的电路分为了它由调制器、前置功放、末级功放和直流稳压电源等部分组成,分别讨论它们的原理及其特性。
在设计过程中查阅了大量相关资料,对所要设计的内容进行了初步系统的了解,并与同学进行了充分的讨论与交流,最终通过独立思考,完成了对题目的设计。
关键词:
振荡器混频器幅度调制调频发射
一Multisim仿真软件
Multisim是美国国家仪器(NI)有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具,适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。
它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式,具有丰富的仿真分析能力。
工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图,并对电路进行仿真。
Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容,这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计,这也使其更适合电子学教育。
通过Multisim和虚拟仪器技术,PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。
Multisim是一个专门用于电子线路设计与仿真的EDA工具软件,它是加拿大IIT公司(InteractiveImageTechnologiseLtd.)推出的继EWB之后的版本。
它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式,具有丰富的仿真分析能力。
NIMultisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真,能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。
学生可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来,并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。
Multisim软件特点:
直观的图形界面、丰富的元器件库、丰富的测试仪器、完备的分析手段、强大的仿真能力等。
二.高频正弦波振荡器
2.1高频正弦波振荡器的设计内容及要求
2.1.1设计要求
设计一个高频正弦波振荡器,要求振荡频率为5MHz,相对准确对≤2‰,用Multisim画出电路图并进行仿真,并用示波器和频率计得到仿真结果。
2.1.2正弦波振荡器设计方案及工作原理
1.正弦波振荡器设计方案
振荡器主要分为RC,LC振荡器和晶体振荡器。
振荡器的作用主要是将直流电变交流电。
该设计要求产生高频正弦波,所以选用电容反馈式三端振荡器,因为它具有输出波形不易失真,通过适当加大回路电容量,就可以减弱不稳定因素对振荡频率的影响,从而提高频率稳定度。
三端式LC振荡器是一种反馈式LC振荡器。
如图2-1所示:
要想产生振荡,必须满足以下条件:
,另外为了满足
相差1800条件,
必须为同一性质的电抗(射同它异)。
在电容反馈式三端振荡器中
必须为电容,
必须为电感。
图2-1电容反馈式三端振荡器原理图
2.正弦波振荡器工作原理
通过电容三端式电路实现振荡电路如图2-2所示,输入直流电压12V提供能量。
电容C1,C2,C3还有电感L1为储能原件,通过改变L1等的大小,可以实现振荡频率的调节。
图2-2振荡器原理图
2.1.3电路分析
如图2-3所示,普通的电容三端式电路调C1或C2来改变振荡频率时,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C1、C2为固定电容,则在调整频率时,基本上不会影响反馈系数。
回路总等效电容为:
振荡频率为:
图2-3三端振荡电路
如图2-4为高频正弦波振荡器设计电路。
电路由直流电源+12V提供能量,振荡频率大约为5MHz左右
图2-4LC电容三端式仿真电路
2.2高频正弦波振荡器仿真分析
仿真结果如下:
图2-5输出波形
图2-6振荡频率
2.3结果分析
通过对高频振荡正弦波振荡器电路的仿真,我们对所学振荡器知识有了更深层的了解,也更加直观的看出每一部分对电路的影响和作用。
在实验过程中由于知识掌握的不牢固,电路工作原理不清,在调试的过程中,浪费了很多时间。
但通过本次试验大部分知识点又得到了熟练地掌握。
三混频器仿真
3.1晶体管混频器的设计内容及要求
3.1.1设计要求
设计一个三极管混频器,要求中心频率为455HZ,本振频率为10MHZ。
3.1.2晶体管混频器设计方案及工作原理
1.混频器的设计方案
混频器的作用是在保持已调信号的调制规律不变的前提下,使信号的载波频率升高(上变频)或下降(下变频)到另一个频率。
如图3-1所示。
图3-1混频器原理图
2.晶体管混频器的工作原理
本课程设计电路如图3-2所示是用10MHZ的交流信号电压源、晶体管混频器电路以及选频电路组成。
信号源所产生的10MHZ的正弦波与本振电路所产生的10.455MHZ正弦波通过三极管进行混频后产生和频、差频信号及其它频率信号,然后通过滤波网络滤掉不需要的频率分量,取出差频(455kHZ)的信号,即为所需的455kHZ信号。
图3-2晶体管混频器
3.1.3电路分析
电路特点:
(1)输入回路工作在输入信号的载波频率上,而输出回路则工作在中频频率。
(2)输入信号幅度很小,在在输入信号的动态范围内,晶体管近似为线性工作。
(3)本振信号与基极偏压Eb共同构成时变工作点。
由于晶体管工作在线性时变状态,存在随UL周期变化的时变跨导gm(t)。
工作原理:
输入信号与时变跨导的乘积中包含有本振与输入载波的差频项,用带通滤波器取出该项,即获得混频输出。
在混频器中,变频跨导的大小与晶体管的静态工作点、本振信号的幅度有关,通常为了使混频器的变频跨导最大(进而使变频增益最大),总是将晶体管的工作点确定在:
UL=50~200mV,IEQ=0.3~1mA,而且,此时对应混频器噪声系数最小。
如图3-3为晶体混频器的设计电路。
电路的输入信号(用10MHZ的信号源代替)与本振电压分别从基极输入和发射极注入。
选频电路的取值:
倒推可得:
从而通过对结合仿真效果,可取L=0.1224uH,C=1uF。
图3-3晶体三极管混频电路
3.1.4晶体管混频器仿真分析
本地振荡电路的仿真结果如下
图3-4仿真结果波形
图3-5振荡频率
3.2模拟乘法器混频电路
3.2.1设计要求及原理
如图3-6为模拟乘法器混频电路,观察示波器显示波形,分析实验结果。
图3-6模拟乘法器原理图
模拟乘法器能够实现两个信号相乘,在其输出中会出现混频所要求的差频(ωL-ωC),然后利用滤波器取出该频率分量,即完成混频。
其仿真电路图如下:
图3-7模拟乘法器仿真图
与晶体管混频器相比,模拟乘法器混频的优点是:
输出电流频谱较纯,可以减少接收系统的干扰;允许动态范围较大的信号输入,有利于减少交调、互调干扰。
3.2.2模拟乘法器混频电路仿真分析
图3-8模拟乘法混频器电路结果波形图
3.3结果分析
通过对混频器的仿真,让我更加清楚的知道混频器的作用以及工作的原理。
在本次设计过程中通过选用乘法器与晶体管混频器来选取混频信号,经设计仿真分析发现,采用晶体管混频器选取效果优于乘法器电路;当然在实验过程中首先要计算出电容与电感值,经过计算,选取较为合适的电容电感值。
本次设计告诉我们要把握实验的重点,要尝试。
四幅度调制电路
4.1高频正弦波振荡器的设计内容及要求
4.1.1设计要求
1.设计一个AM调幅电路要求输入低频调制信号为20kHz,幅度小于500mV,高频载波信号为1MHz幅度小于300mV。
2.用仿真软件Multisim画出电路图,并通过仿真在虚拟示波器上得到普通调幅波AM。
4.1.2幅度调制电路设计方案及工作原理
1.幅度调制电路设计方案
采用集成模拟乘法器设计幅度调制,幅度调制是由调制信号去控制高频载波的幅度,使之随调制信号作线性变化的过程。
设正弦载波为:
V(t)=Acos(ωct+ϕ0)
根据调制定义,幅度调制信号(已调信号)一般可表示成:
Vm(t)=Am(t)cos(ωct+ϕ0)m(t)为调制信号。
2.幅度调制电路的工作原理
本实验中载波是由实验箱的高频信号源产生的10MHz高频信号,利用DDS信号发生器输出1KHz的低频信号m(t)为调制信号。
振幅调制器即为产生调幅信号的装置。
图4-1调制过程
其时域表示式sAM(t)=[V0+m(t)]cosωct
其频域表示式VAM(W)=1/2[M(W+WC)+M(W-WC)]+πV0[(σ(w+ωc)+σ(w-ωc)]
3.MC1496模拟乘法器
MC1496是双平衡四象限模拟乘法器,电路如图4-3所示。
引脚⑧与⑩接输入电压Ux,①与④接另一输入电压Uy,输出电压Uo从引脚⑥与⑿输出。
引脚②与③外接电阻R8为电流负反馈电阻,可调节乘法器的信号增益,并扩展输入电压U的线性动态范围。
引脚⒁为负电源(双电源供电时)或接地端(单电源供电时)。
图4-2MC1496引脚图
图4-3MC1496内部封装图
4.1.3电路分析
如图4-4所示,载波为幅度100mV,频率为1MHz,输入信号为200mV,频率为20KHz,通过乘法器MC1496,最终得到调幅信号。
图4-4幅度调制仿真电路图
4.2幅度调制电路仿真分析
本地振荡电路的仿真结果如下:
图14-5仿真结果波形
4.3结果分析
通过本次实验,首次制作了器件MC1496模拟乘法器,了解到Multisim的强大功能。
在本次设计中,遇到的最大问题是对系统中不存在的元器件的封装与设计,首先我们需要了解器件的内部构成与功能,还有各引脚的作用,其次要保证该器件在电路中可以正确的实现。
最后连接好电路很容易就可得到AM调制信号。
五调频发射
5.1调频发射的设计内容及要求
5.1.1设计要求
1、根据自己设定的频率和所给电容值算出电感L的值得大小。
2、其中Mic用一个300mV,频率为1kHz的信号源代替,CK为耳机插孔可以不要,开关都可以用导线代替,9018用三极管2N3390代替。
3、用Multisim进行仿真并得到仿真结果
5.1.2调频发射的设计方案及工作原理
1.调频发射的设计方案
调频信号的方法有两种:
一种是用调制信号直接控制载波的瞬时频率——直接调频;另一种是先将调制信号积分,然后对载波进行调相,结果得到调频波。
在本次设计中,我们采用间接调频。
图5-1调频方法
2.调频发射的工作原理
图5-2调频原理
5.1.3电路分析
调频原理是通过改变三极管的基极和发射极之间电容来实现调频的如图5-3所示,当声音电压信号加到三极管的基极上时,三极管的基极和发射极之间电容会随着声音电压信号大小发生同步的变化,同时使三极管的发射频率发生变化,实现频率调制。
图5-3原理电路图
注:
C1,C2是极性电容。
C3,C6,C8是瓷片电容,电容量一般以pF为单位,前两位数是电容量的有效数字,后一位数是后面添零的个数。
如103=10*10的三次方=10000pF=10nF
电路的原理为:
高频三极管V1和电容C4、C5、C6组成一个电容三点式的振荡器,三极管集电极的负载C4、L组成一个谐振器,谐振频率就是调频话筒的发射频率,根据图中元件的参数发射频率可以在88~108MHz之间,正好覆盖调频收音机的接收频率,通过调整L的数值(拉伸或者压缩线圈L)可以方便地改变发射频率,避开调频电台。
发射信号通过C7耦合到天线上再发射出去。
R4是V1的基极偏置电阻,给三极管提供一定的基极电流,使V1工作在放大区,R5是直流反馈电阻,起到稳定三极管工作点的作用。
话筒MIC可以采集外界的声音信号,这里我们用的是驻极体小话筒,灵敏度非常高,可以采集微弱的声音,同时这种话筒工作时必须要有直流偏压才能工作,电阻R3可以提供一定的直流偏压,R3的阻值越大,话筒采集声音的灵敏度越弱。
电阻越小话筒的灵敏度越高,话筒采集到的交流声音信号通过C2耦合和R2匹配后送到三极管的基极,电路中D1和D2两个二极管反向并联,主要起一个双向限幅的功能,二极管的导通电压只有0.7V,如果信号电压超过0.7V就会被二极管导通分流,这样可以确保声音信号的幅度可以限制在正负0.7V之间,过强的声音信号会使三极管过调制,产生声音失真甚至无法正常工作。
5.2调频发射电路仿真分析
根据实验要求我们可知,输出频率要保持在88MHz到108MHz之间,所以选频网络电容和电感参数设计要合理,此次设计中我们要求输出频率在90MHz左右,通过计算可以选取电容18pF,电感83nH实现选频。
图5-4仿真电路图
图5-5幅度调制电路波形及频率
5.3结果分析
通过本次实验,我更加深刻地掌握了调频方法以及实现的工作原理;在实验过程中,根据自己设定的输出频率来计算L1非常重要,但比较麻烦。
六心得体会
经过这次课程设计,个人认为是一次小小的将所学的东西整合的一次机会,更加熟悉的了解正弦波振荡器、混频变频器、幅度调制、角度调制等知识,我更加扎实的掌握了有关高频电子线路方面的知识。
本次课程设计对该专业知识的运用进行了全方面的考查,经过本次课程设计我察觉到了自身的不足之处,认识到对一些基本的知识有些模棱两可以及对重要知识点有一定的遗忘。
在课设过程中,可能由于实验仪器等原因,造成实验结果存在一定误差,但通过对比课程设计的要求,实验结果基本上达到了任务要求。
依次我在做实验的过程中发现错误、改正错误的能力得到了极大的提高,现在回想每一天的实验内心会有很强烈的满足感。
课程设计诚然是一门专业课,给我很多专业知识以及专业技能上的提升,同时又是一门讲道课,一门辩思课,给了我许多道,给了我很多思,给了我莫大的空间。
同时,设计让我感触很深。
使我对抽象的理论有了具体的认识。
通过这次课程设计,我掌握了常用元件的识别和测试;熟悉了常用仪器、仪表,了解电路的连线方法。
总的来说,本次课设不仅仅使自己的实际动手能力有所提高,更重要的是懂得了怎样对实验设计进行分析,如何去实现自己的目的,这更进一步激发了我们对专业知识的兴趣,让我掌握了如何能够结合实际的问题和知识的能力。
更重要的时让我学到了不少实用的东西,对于高频电子电路有了更深层次的掌握,提高了我独立解决问题的能力。
通过这次课程设计,让我感受到理论应用于实际中的难度,认识到理论联系实际的重要性。
当然也要感谢同学们无私的帮助,正是我们共同努力才能走得更轻松,让我觉得学习是一个快乐的过程,在与他人的交流和讨论中让我受益匪浅。
最后,再次感谢老师和同学的帮助,顺利地完成此次课程设计。
七参考文献
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高等教育出版社,2009
[2]李秀人.电子技术实训指导.[M]北京:
国防工业出版社,2006
[3]铃木雅臣.晶体管电路设计.[M]北京:
科学出版社,2004
[4]高吉祥、易凡、丁文霞.电子技术基础实验与课程设计.北京:
电子工业出版社,2002
[5]曹才开,《高频电子线路原理与实践》,中南大学出版社,2010年
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