调频接收机课程设计(改)讲解.pdf
高频电子线路课程设计说明书 调频接收机设计 院 部：电气与信息工程学院 学生姓名：谢曾闻达、刘泽仁、姚一鸣 指导教师：刘海波 专 业：通信工程 班 级：通信 1102 班 学 号：11401340214 11401340231 11401340238 完成时间：2013 年 12 月 摘 要 信息传递是人类社会生活的重要内容，没有通信，人类社会是不可想象的，从古到今的烽火到近代的旗语，都是人们寻找快速远距离的通信手段。今年来，电子工业发展非常惊人，当然这些进步都成了人类生活不可缺少的东西，1937 年莫尔斯发明的有线电报开创了利用电传递信息的新时代，1876 年贝尔发明的电话已经成为我们日常生活中通信的重要工具，1918 年，调幅无线广播、超外差接收机问世，1936 年，商业电视广播开播 伴随着人类的文明、社会的进步和科学技术的发展，电信技术也是一日千里的速度飞速发展。然而无线通信在现在的生活中更是重要，小到我们常用的手机和各种电器的遥控器等，大到航天科技都离不开发射和接收设备。本次设计中，其目的是得到一个调频接收机。在接收机的设计过程中，应将其分为选频网络、高频放大、变频、解调、低放和低频功放六个部分。整个电路的设计必须注意几个方面，选择性好的级，应尽可能靠近前面，因为在干扰都不大的地方把干扰抑制下去，效果最好。如干扰信号很大，则由于三极管的非线性，将产生严重的组合频率及其他非线性失真，这时滤除杂波比较困难。因此，在高级接收机中，输入电路常采用复杂的高级选择电路。为了使混频和本振分别调在最佳状态，采用单独的本振。总得来说，设计一部接收机时必须全面考虑，妥善处理一些相互牵制的矛盾，特别要抓住主要矛盾（稳定性、选择性、失真等），才能使得接收机有较好的指标。关键词：调频、本振、混频、鉴频 目录 第 1 章 调频接收机简介 1 1.1 调频接收的特点 1 1.2 调频接收机的工作过程 1 1.3 调频原理 1 1.4 调频接收机的主要技术指标 2 1.4.1 工作频域范围 2 1.4.2 灵敏度 2 1.4.3 中频选择性 3 1.4.4 中频抑制比 3 1.4.5 音频响应 3 1.4.6 额定输出功率 3 第2章 设计方案 4 第3章 各级电路设计 5 3.1 输入调频电路 5 3.2 高频放大电路 5 3.3 本地振荡电路 6 3.4 混频电路 8 3.5 二次混频电路 10 3.6 鉴频电路 11 3.7 低频放大电路 13 第4章 性能特点 15 结束语 16 致谢 17 参考文献 18 附录 19 第1章 调频接收机简介 1.1 调频接收的特点 调频广播通常采用频率为 88108MHZ 的超短波，其信号的振幅保持不变而载波频率随调制信号而变化。调频接收具有以下特点:调频接收工作在超短波段，该波段原有的干扰本来就小，加上电路中带有限幅，消除了信号幅度干扰的影响。同时，由于调频接收具有抗同频干扰的特性，即使干扰频率与接收的信号频率相同，只要信号电平稍强于干扰，就会使干扰受到很大的抑制，所以高频接收具有抗干扰性能好，收到电台后背景噪声小的特点。因调频接收信噪比高，动态范围也就相应增大，故调频接收机能获得调幅机难以达到的音质。视距传播，易受高大建筑物影响，产生遮蔽及多径传输现象。1.2 调频接收机的工作过程 从天线进入的高频信号，经过输入电路和高放电路，通过变频器将高频信号变为中频信号，进行多级的中频放大，然后通过鉴频，还原出音频信号，最后送到低放电路。输入回路、高放和变频三个部分合在一起，称为高频电路，也称为调频头。调频接收机和调幅接收机相比较有两处不同，其一是调频机不论普及机型或高级机型，大都带有高放。这是因为调频信号一般比较弱，加一级高放，能够降低噪声系数，提高其信噪比，另外，由于调频机的工作频率高，天线阻抗低，输入回路对各种信号干扰的选择性不易做好，需要加一级调谐高放来提高抗干扰性能，同时还可以减少本机振荡向天线端的辐射，因为调频机的频率高，和电视频道相近，本振的辐射容易干扰电视机。另一个不同之处是解调部分，由于调频波的振幅是不变的，只有载波的频率发生变化，若像调幅机那样用一只二极管作幅度检波器，即使切去载波的半边波形，仍然是个等幅波，检不出音频信号。因而必须采用另一个办法，使其能对载波的频偏起反应而检出音频信号来。这种调频波的解调器叫做鉴频器。中放在高频头的后面，它是将从混频出来的信号加以放大，再进入鉴频器。在鉴频器的后面是低放、功放。1.3 调频原理 调频（FM）就是用高频载波信号的频率来装载音频信号，即用音频信号（调制信号）来调制高频载波信号的频率，从而使原为等幅恒频的高频载波信号的频 率随着调制信号的幅度而变化，但其幅值不变（如图 1.1 所示）。频率被音频信号调制过的高频信号叫已调频信号，简称调频信号。调幅信号和调频信号统称为已调制信号，或简称为已调信号。图 1 调频波 调频广播所能传输的音频频带较宽，宜于传送高保真音乐节目，并且它的抗干扰能力较强。这是因为调频信号的幅值是固定不变的，可以用限幅的方法，将由干扰而产生的调频信号的幅值的变化有效地消除掉。同时，它比 AM 的发射功率也可减小，这是因为调幅信号的幅值一般都比载波的幅值大，有效发射功率比发射机发射的功率小得多。而调频信号的幅值和载波的幅值一样大，在发射机功率和有效发射功率一样时，调频信号的有效发射功率要比调幅信号的有效发射功率大。但由于调频广播工作于超短波波段，其缺点是传播距离短，覆盖范围小，且易于被高大建筑物等物体所阻挡。然而人们恰恰利用了这一点，不同地区或城市可使用同一或相近的频率，而不致引起相互干扰，提高了频率利用率。1.4 调频接收机的主要技术指标 1.4.1 工作频率范围 接收机可以接受到的无线电波的频率范围称为接收机的工作频率范围或波段覆盖。接收机的工作频率必须与发射机的工作频率相对应。如调频广播收音机的频率范围为 88108MH，是因为调频广播收音机的工作范围也为 88108MHz。1.4.2 灵敏度 在标准调制（如调制频率 f=kHz、频偏fm=kHz 或 25kHz、50 kHz、75 kHz）条件下，使接收机输出端为额定音频功率和规定信噪比的输入信号电 平，称为灵敏度。接受的输入信号电平越小，灵敏度越高。调频广播收音机的灵敏度为 50V。1.4.3 中频选择性 接收机 6dB 带宽和带外的抑制能力称为中额选择性，一般调频收音机的中频 6dB 带宽为100kHz,200kHz 处的带宽抑制能应大于 40dB 手机中频 6dB 带宽为 5kHz，10kHz 处带外抑制能力应大于 40dB。1.4.4 中频抑制比 接收机对输入信号为本机中频信号 fI 的抑制能力称为中频抑（IFR ）IFR=20(VIF/VS)，式中，VS 是输入灵敏度电平，VIF 是使输出功率为额定值的输入中频信号电平，单位用 dB（分贝）表示 dB 数越高，中频抑制能力越强。频率 fj比本振频频率高一个中频 fI，它与本振频率 fo之差仍等于中频 fI，fj=fo+fI=fS+2fI,fS 是接收机工作频率。1.4.5 音频响应 接收机在标准调制（如调制频率f=1kHz、频偏fm=5kHz或25kHz、50 kHz、75 kHz）和标准输入信号电平（如灵敏度或两倍灵敏度）下音频输出电平和调制频率的输出关系，称音频响应。1.4.6 额定输出功率 接收机的负载上获得的规定的（由接收机指标规定）不失真（或非线性系统为给定值时）功率，称额定输出功率。第2章 设计方案 电路的开始部分是由高频放大电路和本振信号混频，输出一个中频信号。因为这是超外差调频接收机，所以混频电路和调幅接收机有着明显的不同，在调频电路中，本振电路是独立的。在放大电路部分，采用场效应管共源极放大电路。本振电路才用 LC 振荡电路，两个信号分别输入混频器，得到一个中频信号。为了得到高的增益，而整个电路的增益取决于中放，同时也抑制了邻近干扰。在中频放大电路的输出端，接一个限幅器，其目的是如果直接接鉴频器，很可能得到很多不需要的波形，用滤波器很难滤除，所以在鉴频器的输入端加一级限幅器，去除不需要的波，使输出更为纯净。鉴频器是将原调制信号解调出来，在本次设计中采用比例鉴频器。为了能够得到我们所需要的效果，在电路的最后采用低频放大电路。图 2.1 为超外差式调频接收机组成方框图。超外差式收音机的中频放大电路采用了固定调谐的电路，这些特点使它比其他接收机优越得多，综合起来有如下优点：(1)用作放大的中频，可以选择那些易于控制的、有利于工作的领率(我国采用的中频频率为 465 千赫)，以便适合于管子和电路的性质，能够得到较为稳定和最大限度的放大量。(2)各个波段的输入信号都变成了固定的中频，电路将不因外来频率的差异而影响工作，这样各个频带就能够得到均匀的放大，这对于频率相差很大的高频信号(短波)来说，是特别有利的。(3)如果外来信号和本机振荡相差不是预定的中频，就不可能进入放大电路。因此在接收一个需要的信号时，混进来的干扰电波首先就在变频电路被剔除掉，加之中频放大电路是一个调谐好了的带有滤波性质的电路，所以接收机的选择性指标很高。图 2 超外差式调频接收机组成方框图 输入回路高放一次混频滤波器一次中放二次混频二次中放限幅鉴频低放本振一16.455MHz本振二6.9MHz静噪 第3章 各级电路设计 3.1 输入调频电路 输入电路又称天线回路。它的主要功能是选择所需电台的信号，抑制不需要的信号与干扰，特别是要滤除中频干扰，同时也要求输入回路的插入损耗小，并使天线阻抗和高放管的输入阻抗相匹配，并传输最大的功率，避免信号来回反射。输入回路常常是一带通滤波器。3.2 高频放大电路 高频放大器是用来放大高频信号的器件，在接收机中，高频放大器放所放大的对象是已调信号，它除载频信号外还有边频分量。根据高放的对象是载频信号这一情况，一般采用高频功率管做放大器件，而且并联谐振回路作为负载。这样做的好处是：（1）回路谐振能抑制干扰；（2）并联回路谐振时，其阻抗很大，从而可输出很大的信号。如图 1 所示。图 1 高频放大电路 R6、R7 为三极管 Q2 的偏置电阻，以使其工作在放大区。VCC=20V，V(BR)=VCC,输出电压：V0=I0R5(1)输出功率：P0=V02/2R5(2)电容 C2 起隔直耦合作用，C1 起隔直作用，Q1、Q3 两三极管构成乙类功率放大器，R2、R4 的值都取 1.0 欧，负载 R5 为 8.2 欧，最终由 R5 输出功率。由仿真结果得，放大器将电压幅值放大 20 倍。图 2 高频放大波形 3.3 本地振荡电路 对于本地振荡器的要求是：频率可调，并和输入回路及高放负载回路同步调整（统调），以满足选择电台信号及混频器差拍的需要；本振的频率稳定度要高，有时要采用自动频率调整电路（AFC），如彩色电视接收机；本振输出的波形要好，谐波成分要少，避免在混频器中产生较多的组合频率干扰；本振的工作要稳定，电压和温度漂移都要求小；另外，还要求本振的辐射小，幅度稳定，大小合适。本振与混频间，一般采用弱耦合方式。在我们本次的设计中，本振电路采用改进型电容三点式振荡电路。因为本振电路的输出频率要与高频放大电路的输出信号进行混频，得到一个中频信号。所以要求本振电路的输出频率必须很稳定，所以采用改进型电容三点式。如果本振电路的输出不稳定，将引起变频器输出信号的大小改变，振荡频率的漂移将使中频改变。振荡器的振幅与振荡管的特性以及反馈电路的特性有关，当温度及其它管子与反馈电路的特性改变时，振幅也就会改变。为了稳定振幅，可在各波段振荡器的反馈线圈上并联不同的电阻以平滑电抗元件的频率特性，还可用自动增益控制稳定振幅。本次设计的电容改进型电路图 3 如下所示：图 3 本地振荡电路 起振条件：A0F1（3）平衡条件：A0F=1，A+F=2n（n=0,1,2,3，）（4）R1、R3 为三极管偏置电阻，C1 起隔直作用，R3 为负载，其上输出电路产生的振荡波。C3=100pF,C4=200pF，输出振荡波的频率为 11MHz。仿真图形如图 4所示：图4本地振荡仿真图 3.4、混频器 采用二极管环形混频器，R1、R2 的值都为 1000 欧，V1 端输入高频已调信号，V2 端输入本振信号，VO 输出中频信号。由图可见，当 V2 在正半周时，加在 D1、D4 管上电压为正值，D1、D4 管导通，而加在 D2、D3 管上电压为负值，D2、D3管截止。同理，当 V2 在负半周时，D2、D3 管导通，D1、D4 管截止。如图 5 所示：图 5 晶体管混频电路 由图可知示波器 1 中 A、B 通道分别显示的高频放大信号和本振信号，示波器 2 显示的是混频之后的波形。图 6 混频之前高频放大以及本地振荡波形 经过变频器混频之后输出的波形，如图 7 所示：图 7 混频后波形 3.5、中频放大及鉴频电路 中放的作用有两个主要作用：（1）提高增益，因中频低于信号频率，晶体管的 y 参数及回路谐振电阻等较大，因此易于获得较高的增益。差外差接收机检波前的总增益主要取决于中放。（2）抑制邻近干扰。对中放的主要要求是工作稳定，失真小，增益高，选择性好，有足够宽的通频带。对于高放，因工作频率 f0高，通频带 BW=f0/QL宽，故高放回路的 Q 值越高越好，这时不必顾虑 BW 太窄的问题；但对于中放，由于工作频率较低，若回路Q 值过高，频带可能太窄而不能通过全部信号分量，故希望他在要求的通频带条件下选择性越高越好，也就是要求谐振曲线接近矩形。鉴频器的任务是从调频信号中检出调制信号，它包括变换部分及振幅检波器部分。如图 8 所示，即为中放和鉴频的电路图：图 8 中放及鉴频电路 图中 C1 是高频滤波电容，R 及 C 是减重网路，它用来提高抗干扰性。其作用原理是：在发射机中用加重网络加重高音，接收时用减重网络削弱高音，于是不存在高音频率失真。这样一来，减重网路把高音端的干扰削弱了，故接收机的信噪比得以提高；或者说，减重网络压缩了通频带，减小了噪声。图中电容 C上的输出电压在高音时因C的电抗减小而下降。图9即为中放前和鉴频后的包络：图 9 中放及鉴频仿真波形 3.6、低频放大电路 从鉴频器输出的信号一般很小，所以在输出极一般采用低频功率放大电路，如果是音频信号，可以外加一个喇叭。低频放大电路如图 10 所示：图 10 低频放大电路 R1=56 千欧、R2=15 千欧，分别为 Q1 的偏置电阻，C1、C2 起隔直耦合作用，C3 为旁路电容，直流电压源为 15V,负载 R6 上输出经低频放大后的原始信号，由 模拟波形可看出放大倍数为100倍。如图 11 所示：图 11低频放大输入输出波形 第4章 性能特点 1、容易得到足够大而且比较稳定的放大量。2、具有较高的选择性和较好的频率特性。这是因为中频频率fi 是固定的，所以中频放大器的负载可以采用比较复杂、但性能较好的有源或无源网络，也可以采用固体滤波器，如陶瓷滤波器、声表面波滤波器等。3、容易调整。除了混频器之前的天线回路和高频放大器的调谐回路需要与本地振荡器的谐振回路统一调谐之外，中频放大器的负载回路或滤波器是固定的，在接收不同频率的输入信号时不需再调整。超外差接收机的主要缺点是电路比较复杂，同时也存在着一些特殊的干扰，如像频干扰、组合频率干扰和中频干扰等(见混频器)。例如，当接收频率为fc 的信号时,如果有一个频率为f=f1+fi 的信号也加到混频器的输入端，经混频后也能产生|f1-f|=fi 的中频信号,形成对原来的接收信号fc的干扰，这就是像频干扰。解决这个问题的办法是提高高频放大器的选择性，尽量把由天线接收到的像频干扰信号滤掉。结束语 在本次课程设计过程当中，由于调频接收机的的理论知识已经在相关课程当中学习掌握，所以很快开始了设计思路，而后着手完成设计，但是在设计的过程中，我们小组遇到了很多困难，我们是通过老师的悉心指导以及上网和查找书本相关内容而慢慢得到解决，与此同时也培养了我们的团队协作能力，让我们的合作更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。在课程设计当中，本小组主要应用multisim 软件，使得软件应用更加熟练了。我们小组根据设计要求对整个系统进行模块化分析，再进行整合。经过这种从局部到整体的实践过程，深刻地体会到将理论知识应用到实践当中是一个不断磨合的过程，要想达到融会贯通的效果，就必须在平时的学习过程中不断强化自己的实践意识，提高实际操作能力。通过本次课程设计，我们小组更加扎实的掌握了有关高频电子线路方面的知识，但是也暴露出了前期我们在这方面的知识欠缺和经验不足，毕竟实践出真知，只有结合实际，我们所掌握的知识才能更加牢固。致谢 本设计是在刘海波导师的悉心指导下完成的，严谨的治学态度，一丝不苟的工作作风，平易近人的性格都是我们学习的楷模。在课程设计与论文整理期间，导师给了我们小组很大的支持和鼓励，才使得课程设计与说明书得以顺利的完成，在此谨向导师表示忠心的感谢和崇高的敬意。同时，我们小组也很感谢实验室老师，他们给我们提供了必要的实验器材，提供了很大的方便。参考文献 1.高频电子线路 胡宴如主编，出版社：高等教育出版社 2.模拟电子技术基础 康华康主编，出版社：高等教育出版社 3.高频电子线路实验与课程设计 杨翠娥主编，出版社：哈尔滨工程大学出版社 4.高频电子线路辅导 曹馨文 陈剑主编，出版社：西安电子科技大学出版社 5.电子线路设计实验测试 谢自美、罗杰主编，出版社：电子工业出版社
