Multisim-12在通信电子线路中的应用(共18页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上 第5章 Multisim 12在通信电子线路中的应用5.1 高频小信号谐振放大电路所谓谐振放大器，就是采用谐振回路(串并联及耦合回路)做负载的放大器。高频小信号谐振放大电路主要用于接收机的高频放大器和中频放大器中，目的是对高频小信号进行线性放大。5.1.1 单调谐回路谐振放大电路单调谐回路放大电路是以单调谐回路作为交流负载的放大器。图5.1.1给出的共发射极单调谐放大器是接收机中典型的一种高频小信号调谐放大器，可以对高频小信号进行反相放大。图中C2是高频旁路电容；R1和R4组成基极分压式偏置电路，以稳定静态工作点；L1、R2和C3组成并联谐振回路，与晶体管一起起选频

2、放大作用，其中改变R3可以改变放大器输出调谐回路的品质因数，调整放大器的通频带。图5.1.2给出了仿真电路输入输出波形，图5.1.3和5.1.4分别给出了通过波特仪显示的单调谐回路放大器幅频特性和相频特性。 图5.1.1 单调谐回路谐振放大电路 图5.1.2 单调谐回路谐振放大电路输入输出波形 图5.1.3 单调谐回路谐振放大电路幅频特性 图5.1.4 单调谐回路谐振放大电路相频特性 将输入信号由单一频率改为多个频率，如图5.1.5所示，信号频率分别为10MHz以及其2、4次谐波(即20MHz和40MHz)，此时电路的输入输出波形如图5.1.6所示。 图5.1.5 高频小信号谐振放大电路选频特

3、性 图5.1.6 高频小信号谐振放大器选频特性输入输出波形由图5.1.6可知，电路的输入信号是多频率信号的叠加信号，而输出信号则是单一频率信号，且幅度比输入信号幅度大得多。这是因为根据谐振回路的特性，谐振放大电路对于靠近谐振频率的信号有较大的增益；对于远离谐振频率的信号增益迅速下降。因此，谐振放大器不仅有放大作用，同时也起着滤波或选频的作用。5.1.2 双调谐回路谐振放大电路单调谐回路放大器的选择性较差(其矩形系数离理想矩形系数1较远)，增益和通频带的矛盾比较突出。改善这一不足的方法之一是采用双调谐回路谐振放大电路。创建如图5.1.7所示的双调谐回路放大电路，得到如图5.1.8所示的电路输入输

4、出波形。图5.1.9和5.1.10分别给出了双调谐回路放大电路的幅频特性和相频特性。 图5.1.7 双调谐回路谐振放大电路 图5.1.8 双调谐回路谐振放大电路输入输出波形双调谐放大电路工作在临界耦合状态时选择性比单调谐放大电路要好；工作在弱耦合状态时，其谐振曲线与单调谐放大电路相似；工作在强耦合状态时，通频带显著加宽，矩形系数变好，但是谐振曲线顶部出现凹陷，这就使回路通频带、增益的兼顾较难。图5.1.9 双调谐回路谐振放大电路幅频特性 图5.1.10 双调谐回路谐振放大电路相频特性5.2 谐振功率放大电路图5.2.1 谐振功率放大电路高频功率放大电路主要应用在无线电发射机中，用来对载波信号或

5、高频已调波信号进行功率放大。窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器。5.2.1 谐振功率放大电路图5.2.1构建了一个谐振功率放大电路，晶体管工作在丙类，负载为并联谐振回路，调谐在输入信号的频率上，起滤波和阻抗匹配的作用。晶体管工作在丙类是为了提高功率放大器的效率，此时晶体管的导通时间小于输入信号的半个周期，其集电极电流是周期的余弦脉冲序列。当输入信号的振幅为0.707V时，选择软件中SimulateAnalysisTransient Analysis选项，设置仿真开始时间0.03s，仿真结束时间0.s，输出变量选择ic，得到如图

6、5.2.2所示集电极电流脉冲波形，此时集电极电流是一串尖脉冲。将输入信号振幅更改为1.414V，得到如图5.2.3所示的集电极电流脉冲波形，此时集电极电流是一串顶部有凹陷的脉冲。 图5.2.2 小信号输入时集电极电流 图5.2.3 大信号输入时集电极电流图5.2.4 谐振功率放大电路虽然晶体管的非线性工作使得集电极电流与输入信号之间为非线性关系，但是由于并联谐振回路的选频特性，集电极电流的基波分量会在回路两端产生较大的输出电压，而谐波分量产生的输出幅度很小，基本可以忽略。因此输出信号与输入信号近似成线性关系。将电路参数更改为如图5.2.4所示，得到电路输入输出信号波形，如图5.2.5所示。增大

7、输入信号幅度为2.5V，可以看到此时输出信号出现失真，如图5.2.6所示。 图5.2.5 谐振功率放大电路输入输出波形 图5.2.6 过压时谐振功率放大器输入输出波形5.2.2 谐振功率放大电路的外部特性谐振功率放大电路的外部特性主要包括调谐特性、负载特性、放大特性和调制特性，这些特性有助于了解谐振功率放大电路性能变化的特点，并在调试谐振功率放大电路时起着指导作用。图5.2.7 谐振功率放大电路的调谐特性1、调谐特性调谐特性是指在VCC、VBB、vbm和R1不变的条件下，谐振功率放大电路的Ic0、Ie0、Uc等变量随C1变化的关系。调谐特性指示了负载回路是否调谐在输入信号频率上。如图5.2.7

8、所示搭建仿真电路，调节可变电容，当百分比为50%，即电容值为220pF时，电路处于谐振状态，输出正弦波，如图5.2.5所示；改变可变电容百分比，电路处于失谐状态，此时输出信号出现失真，如图5.2.8所示为电容百分比40%时电路输入输出波形。当处于电路谐振状态时，电路表读数最小，改变电容百分比，电流表读数增大，特性曲线如图5.2.9所示。 图5.2.8 失谐状态下谐振功率放大器输入输出波形 图5.2.9 谐振功率放大电路调谐特性2、负载特性如果VCC、VBB、vbm不变，则放大器的工作状态就由负载电阻R1决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随R1而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。

9、谐振功率放大电路的负载特性曲线如图5.2.10所示。构建如图5.2.11所示仿真电路，改变电位器R1的取值，观察负载R1变化时输出信号电压的变化。 图5.2.10 谐振功率放大电路的负载特性曲线 图5.2.11 谐振功率放大电路的负载特性 3、放大特性放大特性指的是在VCC、VBB和负载R1不变，只改变vbm时，功率放大电路中电流Icm、Ic0和电压Vcm以及功率、效率变化的情况。谐振功率放大电路的放大特性曲线如图5.2.12所示。构建如图5.2.13所示仿真电路，当输入信号幅度为1V时，电流表显示集电极电流Ic0为0.603mA；将输入信号幅度更改为0.5V，此时电流表显示Ic0为1.332

10、A。由此可知，集电极电流Ic0随输入信号幅度减小而减小，处于欠压工作时，减小幅度较大。 图5.2.12 谐振功率放大电路放大特性曲线 图5.2.13 谐振功率放大电路放大特性4、调制特性谐振功率放大电路的调制特性包括了集电极调制特性和基极调制特性。集电极调制特性是指VBB、vbm和R1不变，放大器性能随VCC变化的特性，如图5.2.14所示。构建如图5.2.15所示仿真电路观察谐振功率放大电路的集电极调制特性。图5.2.14 谐振功率放大电路集电极调制特性曲线 图5.2.15 谐振功率放大电路集电极调制特性单击仿真软件中的SimulateAnalysisParameter Sweep选项，在弹

11、出的对话框中对VCC进行设置，如图5.2.16所示。图5.2.16 Parameter Sweep对话框 图5.2.17 瞬态分析参数设置图5.2.18 谐振功率放大电路集电极调制仿真结果单击Parameter Sweep对话框中的Edit Analysis按钮，在弹出的对话框中对所需要的瞬态分析进行参数设置，如图5.2.17所示。输出变量选择节点4，即V4，单击Simulate进行仿真，结果如图5.2.18所示。图中三条曲线分别是VCC为5V、12V和20V时电路的输出信号波形。从图中可以看出随着VCC的增大，输出信号幅度也在增大。谐振功率放大电路的基极调制特性指的是VCC、vbm和R1不变

12、，放大器性能随VBB变化的特性，如图5.2.19所示。图5.2.19 谐振功率放大电路基极调制特性曲线 图5.2.20 谐振功率放大电路基极调制仿真结果依旧用图5.2.15所示电路观察谐振功率放大电路的基极调制特性。具体步骤与前面相似，区别在于在Parameter Sweep对话框中对VBB进行设置，仿真取样点分别为0.8V、1V和1.2V，仿真结果如图5.2.20所示。从图中可以看出，随着的增大，输出信号幅度也在增大，但明显在过压区，输出信号幅度增大不明显。5.3 LC正弦波振荡器正弦波振荡器是不需要输入信号控制就能自动将直流能量转换为特定频率和振幅的正弦交变能量的电路。LC正弦波振荡器是采

13、用LC谐振回路作为移相网络的正弦波振荡器，目前采用最广的是三点式振荡电路和差分对管振荡电路。5.3.1 电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路如图5.3.1所示。图中R1、R2和R3是分压式偏置电阻；C1和C3是旁路和隔直流电容；L1、C2和C4组成并联谐振回路。根据工程估算，该振荡电路的振荡频率近似为： (5.3.1)通过改变电容值C2和C4可以改变电路的振荡频率。图5.3.1电路参数计算出振荡频率近似为3.18MHz，输出信号波形和信号频率如图5.3.2所示。 图5.3.1 电容三点式振荡电路 图5.3.2 电容三点式振荡电路输出信号波形和频率调解C2、C4改变频率时，反馈系数也改变。由于极

14、间电容对反馈振荡器的回路电抗均有影响，所以对振荡器频率也会有影响。而极间电容受环境温度、电源电压等因素的影响较大，所以电容三点式振荡器的频率稳定度不高。为克服共基电容三点式振荡器的缺点，可对其进行改进，即克拉泼电路和西勒电路。5.3.2 电感三点式振荡电路如图5.3.3是电感三点式振荡电路，电路中各元件作用与电容三点式振荡电路相同。根据工程估算，该振荡电路的振荡频率近似为： (5.3.2)电路输出信号波形和频率如图5.3.4所示。电感三点式振荡电路的优点是：由于L1和L2之间的互感存在，所以容易起振；其次在改变回路电容来调整振荡信号频率时，基本不会影响电路的反馈系数，频率调整方便。但是由于反馈

15、支路是感性支路，对高次谐波呈现高阻抗，故对于LC回路中的高次谐波反馈较强，波形失真较大。同时在频率较高时，由于L1和L2上的分布电容与晶体管的极间电容均并联与L1和L2两端，反馈系数随频率变化而改变，工作频率越高，分布参数的影响也愈大，甚至可能使反馈系数减小到满足不了起振条件，因此在甚高频波段应当优先选用电容反馈振荡电路。 图5.3.3 电感三点式振荡电路 图5.3.4 电感三点式振荡电路输出信号波形和频率5.3.3 克拉泼振荡电路克拉泼电路是电容三点式振荡电路的改进型电路，如图5.3.5所示。谐振回路中电容C3通常取值较小，满足C3C1，C3C2，回路总电容取决与C3；晶体管极间电容与C1，

16、C2并联，不影响C3的值，故改变C3改变电路振荡频率时不会影响电路的反馈系数，频率稳定度高。克拉泼电路输出信号波形和信号频率如图5.3.6所示。 图5.3.5 克拉泼振荡电路 图5.3.6 克拉泼振荡电路输出信号波形和频率5.3.4 西勒振荡电路克拉泼振荡电路中，C3取值减小会导致环路增益减小，严重时会使振荡器不满足振幅起振而停振。西勒振荡电路可以有效地改变振荡频率而不影响环路增益。西勒振荡电路如图5.3.7所示。振荡回路总电容近似为C3+C5，调节C5改变电路振荡频率时不会影响电路的环路增益。西勒振荡电路输出信号波形和频率如图5.2.8所示。 图5.3.7 西勒振荡电路 图5.3.8 西勒振

17、荡电路输出信号波形和频率5.4 振幅调制与解调电路振幅调制电路是无线电发射机的重要组成部分。按其功率高低，分为高电平调制电路和低电平调制电路两大类。前者置于发射机前端，要求产生功率足够大的已调信号；后者置于发射机的前端，产生小功率的已调信号，而后通过多级线性功率放大器放大到所需的发射功率。不管是哪种振幅调制信号，都可以采用同步检波电路进行解调。但是对于普通调幅信号来说，其载波分量还没有被抑制掉，可以直接利用非线性器件实现相乘作用，得到所需的解调电压，这就是包络检波。5.4.1 高电平调幅电路1、基极调幅电路基极调幅指的是通过调制信号电压来改变高频功率放大器的基极偏置电压，从而实现调幅。仿真电路

18、如图5.4.1所示，图中V1为载波信号，V2为调制信号，VBB和VCC分别为基极偏置电压和集电极电源。放大器的有效偏压等于调制信号和VBB之和。需要强调的是，为了获得有效的调幅，基极调幅电路必须总是工作在欠压状态。电路输出波形如图5.4.2所示。 图5.4.1 基极调幅电路 图5.4.2 基极调幅电路输出信号波形2、集电极调幅电路集电极调幅就是用调制信号来改变高频功率放大器的集电极直流电源电压，以实现条幅。仿真电路如图5.4.3所示，图中V1为载波信号，V2为调制信号，VBB和VCC分别为基极偏置电压和集电极电源。放大器的有效集电极电源等于调制信号和VCC之和。需要强调的是，为了获得有效的调幅

19、，基极调幅电路必须总是工作在过压状态。电路输出波形如图5.4.4所示。 图5.4.3 集电极调幅电路 图5.4.4 集电极调幅电路输出信号波形图5.4.5 二极管平衡调幅电路 5.4.2 低电平调幅电路一般说来，低电平调制主要用来实现双边带和单边带调制，对它的要求主要是调制线性好，载波抑制能力强，而功率和效率的要求则是次要的。1、二极管平衡调幅电路二极管平衡调幅电路如图5.4.5所示。图中V1、V2是载波信号，V3为调制信号，V4为直流分量。为改善电路性能，电路应工作在理想开关状态。由于二极管的通断只取决于载波电压，而与调制信号无关，因此，载波信号幅度至少应大于0.5V以上，且载波信号幅度要远

20、大于调制信号幅度(10倍以上)。图5.4.6为电路输出普通调幅信号波形。将图中直流电源去除，得到DSB信号，如图5.4.7所示。 图5.4.6 二极管平衡调幅电路输出AM信号波形 图5.4.7 二极管平衡调幅电路输出DSB信号波形图5.4.8 模拟乘法器调幅电路2、模拟乘法器调幅电路模拟乘法器在完成两个输入信号相乘的同时，不会产生其他无用组合频率分量，因此输出信号中的失真最小，仿真电路如图5.4.8所示。当电路中开关S1合上时，电路输出为普通调幅信号，如图5.4.9所示；当电路中开关S1断开时，电路输出为抑制载波的双边带调幅信号，如图5.4.10所示。 图5.4.9 模拟乘法器调幅电路输入输出

21、信号(AM) 图5.4.10 模拟乘法器调幅电路输入输出信号(DSB)5.4.3 二极管包络检波电路二极管包络检波电路由二极管和低通滤波器R1C1相串接构成，如图5.4.11所示，图中调制信号调制度为0.5。利用电容的充放电作用，在低通滤波器R1C1两端获得与输入AM信号包络成正比的输出电压，从而完成AM信号的解调，电路输入输出信号波形如图5.4.12所示。需要注意的是，输入AM信号电压过小或者电路中元件参数选择不当会在检波时产生失真，主要有频率失真、惰性失真和负峰切割失真。 图5.4.11 二极管包络检波电路 图5.4.12 二极管包络检波电路输入输出信号1、频率失真这种失真是由于电路中的滤

22、波电容C1和耦合电容C2所引起的。C1的容抗应在上限频率max时，不产生旁路作用，即应满足以下条件：，或 (5.4.1)这种失真称作高音频失真。将C1更改为5F，包络检波电路输入输出信号波形如图5.4.13所示。同时需要注意的是C1的选择不能太小，过小会产生较大的纹波，如图5.4.14所示，此时C1=50nF。 图5.4.13 高音频失真信号波形 图5.4.14 包络检波电路输入输出信号(C1=50nF)C2主要影响检波的下限频率min。为使频率为min时，C2上的电压降不大，不产生频率失真，必须满足下列条件：，或 (5.4.2)这种失真称作低音频失真。将C2更改为0.1F，电路输入输出信号波

23、形如图5.4.15所示。 图5.4.15 低音频失真信号波形 图5.4.16 惰性失真信号波形2、惰性失真这种失真是由于电阻R1与电容C1的时间常数太大所引起的。这时电容C1上的电荷不能很快的随调幅波包络变化。这种失真是由于C1的惰性太大所引起的，故称惰性失真。只要选取适当的RC数值，使C1的放电加快，能跟上高频信号电压包络的变化就可以防止惰性失真，即要满足以下条件： (5.4.3)其中ma是调制系数，max是被检信号的最高角频率。图5.4.16给出了R1=10k时电路输入输出波形。3、负峰切割失真图5.4.17 负峰切割失真信号波形这种失真是由于检波器的直流负载电阻R1与交流负载电阻不相等，

24、而调幅度ma又相当大引起的，为了防止这种失真，需满足以下条件： (5.4.4)其中R为电路交流负载。当ma=0.80.9时，和的差别不应超过10%20%。R1愈大，这个条件愈难满足，因此直流负载电阻R1的选择还受负峰切割失真的限制。图5.4.17给出了R2=600时的电路输入输出信号波形。5.4.4 同步检波电路同步检波，又称相干检波，主要用来解调DSB信号和SSB信号。实现同步检波的关键是产生出一个与载波信号同频同相的同步信号。1、二极管平衡同步检波器二极管平衡同步检波电路属于叠加性同步检波电路，如图5.4.18所示。电路中相乘电路用于产生DSB信号；DSB信号与载波信号叠加后可以成为或近似

25、成为AM信号，然后通过包络检波电路得到解调信号。图中L1、L2、C1和C2构成低通滤波网络。电路中调制信号、已调信号、二极管输出信号和检波信号如图5.4.19所示。 图5.4.18 二极管平衡同步检波电路 图5.4.19 二极管平衡同步检波电路信号波形2、 模拟乘法器实现同步检波模拟乘法器同步检波是乘积型同步检波电路，如图5.4.20所示。电路中相乘器A1用于产生DSB信号；DSB信号与载波信号相乘后通过低通滤波器将低频信号提取出来得到解调信号。电路中调制信号、已调信号、已调信号与载波信号的相乘信号以及解调信号如图5.4.21所示。 图5.4.20 模拟乘法器同步检波电路 图5.4.21 模拟

26、乘法器同步检波电路信号波形5.5 角度调制与解调电路角度调制季节调电路属于频谱非线性变换电路，它是用调制信号控制载波信号的频率或相位来实现的调制。角度调制有频率调制(FM)和相位调制(PM)两种。调频和调相都表现为载波信号的瞬时相位受到调变，统称为角度调制。调频波的解调称为频率检波，简称鉴频；调相波的解调称为相位检波，简称鉴相。它们的作用都是从已调信号中检出反映在频率或相位变化上的调制信号。5.5.1 变容二极管直接调频电路变容二级管直接调频电路是目前应用最为广泛的直接调频电路，它是利用变容二极管反偏时所呈现的可变电容特性来实现调频的。它的优点是能够获得较大的频移(相对于间接调频而言)，电路简

27、单，并且几乎不需要调制功率；缺点是中心频率稳定度低。变容二极管直接调频电路如图5.5.1所示。利用频率计观察信号频率变化，电路输出信号波形和频率计显示如图5.5.2所示。 图5.5.1 变容二极管直接调频电路 图5.5.2 变容二极管直接调频电路输出波形和频率5.5.2 斜率鉴频电路斜率鉴频电路首先利用LC谐振回路完成FM波到AM-FM波的转换，即使调频波的振幅按照瞬时频率的规律变化，然后通过包络检波器输出反映振幅变化的解调电压。为了扩大鉴频特性的线性范围，通常采用两个单失谐回路鉴频电路构成的平衡电路，如图5.5.3所示。电路中输入信号、失谐信号、单端输出信号和平衡输出信号如图5.5.4所示。

28、 图5.5.3 双失谐回路斜率鉴频电路 图5.5.4 双失谐回路斜率鉴频电路输入输出信号波形5.5.3 相位鉴频电路相位鉴频的原理是首先利用变换电路将FM信号变成FM-PM信号，即将调频波的附加相移按瞬时频率的规律变化，然后将FM-PM信号与原调频信号的瞬时相位进行比较，检出反映附加相移变化的解调电压。1、 电容耦合相位鉴频电路电容耦合相位鉴频电路如图5.5.5所示，四踪示波器四个通道分别连接输入调频信号、LC回路谐振端、单输出端和平衡输出端，信号波形如图5.5.6所示。 图5.5.5 电容耦合相位鉴频电路 图5.5.6 电容耦合相位鉴频电路输入输出信号波形2、互感耦合相位鉴频电路互感耦合相位

29、鉴频电路由频率-相位变换网络、相位-幅度变换网络和包络检波其三个部分组成，如图5.5.7所示。四踪示波器四个通道分别连接输入调频信号、互感耦合输出端、鉴频输出端和低通滤波器输出端，信号波形如图5.5.8所示。 图5.5.7 互感耦合相位鉴频电路 图5.5.8 互感耦合相位鉴频电路输入输出信号波形3、乘积型相位鉴频电路前面两种相位鉴频电路是叠加性相位鉴频电路，是利用叠加性鉴相器检出附加相移变化，而乘积型相位鉴频电路则是利用乘积型鉴相器检出附加相移变化。乘积型相位鉴频电路如图5.5.9所示，电路输入、输出信号波形如图5.5.10所示。 图5.5.9 乘积型相位鉴频电路 图5.5.10 乘积型相位鉴

30、频电路输入输出信号波形5.5.4 锁相环鉴频电路图5.5.11 锁相环鉴频电路锁相环是一个相位误差控制系统，它比较输入信号和压控振荡器输出的信号之间的相位差，从而产生误差控制电压来调整压控振荡器的频率，以达到与输入信号同频，而保持一个稳定相位差。锁相环鉴频电路如图5.5.11所示。当输入为调频波时，如果环路滤波器的带宽足够宽，使鉴相器的输出电压可以顺利通过，则压控振荡器就能跟踪输入调频波中反映调制规律变化的瞬时频率，即压控振荡器的输出VCOout就是一个具有相同调制规律的调频波，这时环路滤波器输出的控制电压LPFout就是所需的调频波解调电压。双击锁相环模块对锁相环进行设置，如图5.5.12所

31、示。四踪示波器三个通道分别连接输入调频信号、压控振荡器输出信号和鉴频信号，频率计连接鉴频信号。电路输入输出信号波形和输出鉴频信号频率如图5.5.13所示。 图5.5.12 锁相环设置 图5.5.13 锁相环鉴频电路输入输出信号波形和频率5.5.5 锁相环鉴相电路Multisim中没有调相电路，由于调相信号和调频信号之间可以相互转换，故用调频信号代替调相信号，对输出结果进行相应的变换即可得到鉴相信号。锁相环鉴相电路如图5.5.14所示，锁相环设置与前面相同，四踪示波器分别连接输入调频信号、压控振荡器输出信号、锁相环低通滤波器输出控制电压信号和低通滤波器输出鉴相信号，频率计连接低通滤波器输出鉴相信号，信号波形和频率如图5.5.15所示。 图5.5.14 锁相环鉴相电路 图5.5.15 锁相鉴相电路输入输出信号波形和频率专心-专注-专业