基于multisim的集电极调幅与大信号检波设计与仿真.docx

课程设计报告题目：基于 multisim 的集电极调幅与大信号检波设计与仿真学生姓名： 学生学号： 系 别：专 业：届 别：淮南师范学院电子信息工程学院 2023 届电子信息工程专业课程设计报告指导教师：电气信息工程学院制2023 年 3 月基于 multisim 的集电极调幅与大信号检波设计与仿真前 言调制器与解调器是通信设备中的重要部件。所谓的调制，就是用调制信号去掌握载波某个参数的过程。调制信号是由原始消息转变成的低频或视频信号，这些信号可以是模拟的，也可以是数字的。未受调制的高频振荡信号称为载波。受调制后的振荡波称为以调波，它具有调制信号的特征。振幅调制是由调制信号去掌握载波的振幅，使之按信号的变化规律，严格的讲是使高频振荡的振幅与调制信号呈线性关系。使受调波的幅度随调制信号而变化的电路称为调幅器。调幅器输出信号幅度与调制信号瞬时值的关系曲线叫做调幅特性。抱负的调幅特性应是直线，否则便会产生失真。调幅器主要由非线件和选择性电路构成。非线件实现频率变换，产生边带和谐波重量；选择性电路用来选出所需的频率重量并滤掉其他成分，如高次谐波等。常用的非线件有晶体二极管、场效应晶体管等。选择性电路大多用谐振回路或带通滤波器。依据电平的凹凸，调幅器可分为高电平调幅和低电平调幅。大功率播送或通信放射机多承受高电平调幅器。这种调幅器输出功率大，效率高。载波 机和各种电子仪器多承受低电平调幅器。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。所谓的集电极调幅，就是用调幅信号来转变高频功率放大器的集电极直流电源电压， 以实现调幅.集电极调幅的特点：(1)因过压工作， 高(与 m 无关) (2)用于大功率调幅放射机(3) 要求U供给较大的驱动功率(4) m 较大时，调幅波非线性失真2淮南师范学院电子信息工程学院 2023 届电子信息工程专业课程设计报告不管哪种振幅调制信号，都可以承受由相乘器和低通滤波器组成的同步检波电路进展解调。但是，对于一般条幅信号来说，它的载波重量未被预制掉，可以直接利用非线件实现相乘作用，得到所需的解调电压，而不必另加同步信号，通常将这种振幅调制检波器称为包络检波器。目前应用最广泛的是二极管包络检波器，而在集成电路中， 主要承受三极管包络检波电路。1 集电极振幅调制器的工作原理及分析1.1 集电极振幅调幅器的工作原理集电极调幅是利用低频调制电压去掌握晶体管的集电极电压，通过集电极电压的变化，使集电极高频电流的基波重量随调制电压的规律变化，从而实现调幅。实际上，它是一个集电极电源受调制信号掌握的谐振功率放大器，属高电平调幅。调幅管处于丙类工作状态。要完成无线电通信，首先必需产生高频率的载波电流，然后设法将电报、 等信号“加到”载波上去。将声音电流加在高频电流上，这个过程称为调制。一个载波电流有三个参数可以转变，即振幅、频率和相位。本次设计要求承受调幅方式。它的根本原理是，将要传送的调制信号这里我们以话音信号为例从低频率搬移到高频， 使它能通过电离层反射进展传输，在远距离接收端我们用适当的解调装置再把原信号不失真的恢复出来，就到达了传输话音低频信号的目的。即载波的频率和相角不变，载波的振幅依据信号的变化规律而变化，高频振幅变化所形成的包络信号就是原信号的波形。1-1 集电极调幅工作原理图图中，设基极鼓励信号电压即载波电压为： u0= V cosw00t 则加在基射极间的瞬时电3淮南师范学院电子信息工程学院 2023 届电子信息工程专业课程设计报告压为uB= -VBE+ V cosw0t 调制信号电压0加在集电极电路中，与集电极直流电压V 串CC联，因此，集电极有效电源电压为 VC= V+uCCW= V+ VCCWcosw0t = VCC(1+ macosWt ) 。式中，VCC为集电极固定电源电压； ma= VVWCC为调幅指数。由式可见，集电极的有效电源电压 VC 随调制信号压变化而变化。1.2 集电极电路脉冲的变化状况线性调幅时，由集电极有效电源UCC所供给的集电极电流的直流重量 IC 0和集电极电流的基波重量 I与UC1CC成正比。调制信号电压加在集电极电路中，与集电极直流电压 EC串联，因此，集电极有效电源电压为UCC式中,EC为集电极固定电源电压；m 为调幅指数。集电极电压相对应的集电极电流脉冲的UCC变化情形如图 1-2 所示：U图 1-2 同集电极电压相对应的集电极电流脉冲的 CC 变化情形由图可见，集电极的有效电源电压UCC随调制信号压变化而变化。由于U与U不BBb变，故为常数，又RP不变，因此动态特性曲线的斜率也不变。假设电源电压变化，则动态线随UCC值的不同，沿 EC平行移动。由图可以看出，在欠压区内，当UCC由UCC1变至UCC 2临界时，集电极电流脉冲的振幅与通角变化很小，因此分解出的 Icm1的变化也很小，因而回路上的输出电压 E的C变化也很小。这就是说在欠压区内不能产生有效的调幅作用。4淮南师范学院电子信息工程学院 2023 届电子信息工程专业课程设计报告1.3 集电极调幅波形图在这种状况下，分解出的Icm1随集电极电压UCC的变化而变化，集电极回路两端的高频电压也随UCC而变化。输出高频电压的振幅U(t)= ICC´ R ， Rcm1PP不变， I随U而变cm1CC化，而UCC幅。是受UO掌握的，回路两端输出的高频电压也随U0O变化，因而实现了集电极调t0(t)t 0tvvW(t)0v0(t) A调制信号波形B载波信号波形lW(t)0tv01.4 集电极调幅的静态调制特性C已调信号波形 图 1-3 集电极调幅波形图当没有参加低频调制电压U 即U= 0 时，逐步转变集电极直流电压U的大小，WWCC同样可使ic电流脉冲发生变化，分解出的 Ic 0或 Icm1也会发生变化。我们称集电极高频电流 Icm1或 Ic 0随UCC变化的关系线为静态调制特性曲线。依据分析结果可作出静态调制特性曲线如图 1-4 所示。5淮南师范学院电子信息工程学院 2023 届电子信息工程专业课程设计报告图 1-4 集电极调幅的静态调制特性静态调制特性曲线不能完全反映实际的调制过程，由于没有参加调制信号，输出电压中没有边频存在，只有载波频率，不是调幅波。通常调制信号角频率W 要比载波角频率w低得多，因此对载波来说，调制信号的变化是很缓慢的，可以认为在载波电压交变0的一周内，调制信号电压根本上不变。这样，静态调制特性曲线仍旧能正确反映调制过程。我们可以利用它来确定已调波包络的非线性失真的大小。由图 1-4 可知，为了减小非线性失真，当加上调制信号电压时，保证整个调制过程都工作在过压状态，所以工作点 Q 应选在调制特性曲线直线段的中心，即UCCQ=U12CC 0处， UCC 0为临界工作状态时的集电极直流电压。否则，工作点 Q 偏高或偏低，都会使已调波的包络产生失真。2 集电极调幅设计与仿真2.1 集电极振幅调制设计电路2.2 集电极振幅调制仿真电路图 2-1 集电极振幅调制设计电路6淮南师范学院电子信息工程学院 2023 届电子信息工程专业课程设计报告图 2-2 集电极振幅调制仿真电路2.3 集电极调幅输入载波信号波形图 2-3 集电极调幅输入载波波形2.4 集电极调幅输入调制信号波形7淮南师范学院电子信息工程学院 2023 届电子信息工程专业课程设计报告图 2-4 集电极调幅输入调制信号波形2.5 集电极调幅输出波形及分析1. 输出波形原理分析图 2-5 集电极调幅输出波形载波UC直接加到放大器的基极。调制信号Uc 0加到集电极电路且与直流电源相串联。C1、C2 是高频旁路电容。集电极谐振回路 LC 调谐在载频上。C8淮南师范学院电子信息工程学院 2023 届电子信息工程专业课程设计报告由于U与 EC 0C相串联，因此，丙类被调放大器集电极等效电源UCC将随UC 0变化，从而导致被调放大器工作状态发生变化，在过压状态下，集电极电流 IC的基波重量振幅IC1随U成正比变化，从而实现调幅。C 0集电极调幅电路具有调制线性好，集电极效率高的优点。广泛用于输出功率较大的放射机中。所需调制信号功率大是该调制电路的缺点。2. 输出波形特点分析调幅波的振幅变化规律与调制信号波形全都，调幅度 m 反映了调幅的强弱程度。可以看出：一般 m 值越大调幅越深：m = 0 时，未调幅m = 1时，最大调幅(百分之百)m > 1时，过调幅，包络失真，实际电路中必需避开3. 二极管大信号检波的工作原理及分析3.1 二极管大信号检波原理当输入信号较大大于 0.5 伏时，利用二极管单向导电特性对振幅调制信号的解调， 称为大信号检波。大信号检波原理电路如图 3-1a 所示。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c很快就接近高频电压的峰值。充电电流的方向如图4-1a 图中所示。9淮南师范学院电子信息工程学院 2023 届电子信息工程专业课程设计报告图 3-1 二极管检波器的原理图和波形图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 上的电压和输入信号电压c共同打算。当高频信号的瞬时值小于ic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，调频信号其次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 3-1b 中的 t 至1t 的时间为二极管导通的时间，在此时间内又对电容器充电，电容器的电压又快速接近2其次个高频电压的最大值。在图 3-1b 中的 t 至 t 时间为二极管截止的时间，在此时间23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 3-1b 中电压的c波形。因此只要充电很快，即充电时间常数 R ·C 很小R 为二极管导通时的内阻；而dd放电时间常数足够慢，即放电时间常数 R·C 很大，满足 R ·C<< RC,就可使输出电压dc的幅度接近于输入电压的幅度,即传输系数接近 1。另外，由于正向导电时间很短，放i电时间常数又远大于高频电压周期放电时的根本不变，所以输出电压c的起伏是c很小的，可看成与高频调幅波包络根本全都。而高频调幅波的包络又与原调制信号的形状一样，故输出电压就是原来的调制信号，到达了解调的目的。c依据上述工作特点，大信号检波又称峰值包络检波。抱负状况下，峰值包络检波器的输出波形应与调幅波包络线的外形完全一样。但实际上二者之间总会有一些差距，亦即检波器输波形有某些失真。本试验可以观看到该检波器的两种特有失真：即惰性失真和负峰切割失真。惰性失真是由于负载电阻 R 与负载电容 C 选得不适宜，使放电时间常数 RC 过大引起的。惰性失真又称对切割失真，如图 4-2 所示。10淮南师范学院电子信息工程学院 2023 届电子信息工程专业课程设计报告ViVc0tt1t23-2 堕图性5失-6真惰性失真如图中 t -t 时间内，由于调幅波的包络下降，电容 C 上的电荷不能很快地随调幅波12包络变化，而输入信号电压总是低于电容 C 上的电压i，二极管始终处于截止状态，c输出电压不受输入信号电压掌握，而是取决于RC 的放电，只有当输入信号电压的振幅重超过输出电压时，二极管才重导电。为了避开这种失真，理论分析证明，R·C 的大小应满足以下条件R · C <1 - Ma 2m Wamax式中 ma是调制系数； max 是被检信号的最高调制角频率。负峰切割失真是由于检波器的直流负载电阻 R 与沟通音频负载电阻相差太大引起的一种失真。检波器总是通过耦合电容 CC与低频放大器或其他电路相连接。如图 3-3 所示。图中C 是耦合电容，容量较大；rCi2是下一级电路的输入电阻一般较小 1K 左右。由图可见：检波器的直流负载电阻为 RR ；由于 C 的容量较大，对音频低频来说，可以认为LC是短路。图 3-3 接有沟通负载的检波器因此，检波器的沟通负载电阻 R等于 R 与 ri2R · r的并联值，即R=WR +i 2 < R ri 2明显交、直流电阻是不同的，因而有可能产生失真。这种失真通常使检波器音频输出电压的负峰被切割，因而称为负峰切割失真或底部切割失真，如图 3-4 所示。11淮南师范学院电子信息工程学院 2023 届电子信息工程专业课程设计报告3.2 大信号检波仿真电路图图 3-4 负峰切割失真图 3-5 大信号检波仿真电路图3.3 大信号检波仿真波形12淮南师范学院电子信息工程学院 2023 届电子信息工程专业课程设计报告图 3-6 大信号检波仿真波形4 软件 Multisim 10 介绍13淮南师范学院电子信息工程学院 2023 届电子信息工程专业课程设计报告4.1 仿真软件概述Multisim10 是美国NI 公司推出的以Windows为根底的仿真工具，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力量。有了 Multisim 软件，就相当于拥有了一个设备齐全的试验室， 可以格外便利的从事电路设计、仿真、分析工作。4.2 界面概述4.3 元器件库的操作14淮南师范学院电子信息工程学院 2023 届电子信息工程专业课程设计报告4.4 留意事项1. 不要长时间使软件处于仿真状态，以免死机；2. 删除元件、仪器、连线等，肯定要在断开仿真开关的状况下进展；3. 留意数字地与模拟地的差异，使用标准符号；4. LED 数码管的极性；5. 分模块调试，最终综合调试。15淮南师范学院电子信息工程学院 2023 届电子信息工程专业课程设计报告5 设计总结5.1 心得体会这次课设中使我懂得了有些问题是可以自己渐渐看书摸索，在反复的尝试过程中解决，我信任这种方法还可以运用到以后的实际工作中。此次课程设计制作让我了解有关电路的原理和设计理念：在最终的仿真结果却不肯定与抱负的完全一样，由于在实际接线中有着各种各样的条件制约，所以，在设计时应考虑两者之间的差距，从而找出最适宜的方法，通过调试来觉察自己的错误，并分析排出故障。我深深感受到了所学学问的有限，明白了只学好课本上的学问是不够的，要通过图书馆和互联网等各种渠道来扩大自己的学问。另外用 Multisim 仿真的过程中，我生疏了这一仿真软件的用法，把握了更多的学问。虽然遇到了很多问题，但在同学的帮助以及教师的急躁指导下，还是顺当的完成了任务。在此，我由衷地感谢教师及同学们的帮助。1. 参考文献1 曾兴文，刘乃安，陈健.高频电子线路M.北京：高等教育出版社，20232 张肃文等.高频电子线路M(第四版).北京：高等教育出版社，20233 华成英，童诗白.模拟电子技术M(第四版).北京：高等教育出版社，20234 清华大学通信教研组.高频电路M.北京：人民邮电出版社，19795 杨欣，王玉凤.电子设计从零开头M.北京：清华大学出版社，20236 陈尔绍. 电子掌握电路实例. 电子工业出版社，2023 年7 李平.有用电子仿真技术.北京：机械工业出版社，2023 年8 杨宝清. 有用电路手册. 机械工业出版社,2023 年9 胡宴茹.高频电子线路 高等教育出版社，2023.810 王安编著电子线路试验与课程设计机械工业出版社202316淮南师范学院电子信息工程学院 2023 届电子信息工程专业课程设计报告2. 附录1. 器件清单器件名型号个数示波器XSC14电容250pF1电容20nF2电容10uF1电阻10K2电感450nH1电阻5101可调电阻10K1晶体管2N2222A1二极管1BH6201直流电压源-0.1v1直流电压源12v1AM 调幅波1.5v，50KHz,50Hz1沟通电源0.75v,15MHz1沟通电源10v,10KHz117淮南师范学院电子信息工程学院 2023 届电子信息工程专业课程设计报告2. 仿真电路附图集电极振幅调制仿真电路大信号检波仿真电路图18