2022年高频电子线路课程论文.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 高频电子线路课程设计报告院系：信息科学与技术学院设计题目：专业班级：学 号：姓 名：指导老师：设计日期：名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 摘要摘 要信息传输对人的生活的重要性是不言而喻的；从古老的光、信鸽到有 线电报、通信,不久后,人们发觉了电磁波从而导致了无线电的创造；一个导体假如载有高频电流,就有电磁能向空间发射,高频电流成为载波；我们将声音、图象等信号掌握载波电流,就信息就能包含在载波中被发送 出去,在接受端将接收到的电磁波复原检波,取出其中的有效信号,就完

2、成了无线电通信；关键词 : 本地振荡器；高频载波；乘法模拟调制器；同步检波；低通滤波 器- - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - Abstract Abstract The information transmission is very important for our life. From ancient light, pigeons to cable telegraph, telephone.Soon after, people found the electromagnetic wave which le

3、ads to the invention of the radio. If a conductor carries high frequency current, it launches electromagnetic energy to space, and high frequency current become carrier.Sound, image and signal can control carrier current,so the information can be included in the carrier and sent out. The receiver wi

4、ll receive the electromagnetic wave and take out the valid signal.Thus,radio communications completed. Keywords: Oscillator; High frequency; Carrier; Multiplication simulation modulator; Synchronous detection - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 目目录录1 引 言-1 2 设计概述 -2 2.1 设计任务

5、 -2 2.2 技术指标 -2 3 系统工作原理 -3 3.1 系统框图与波形 -3 3.2 调制单元 -4 3.3 同步检波单元 -4 3.4. 低通滤波部分 -5 4 方案分析 -6-6- 9-11 5 电路性能指标测试 - 15 -15 -17-20 - 23 6 总电路原理图 -25 7 疑问与改良 -26 8 心得体会 -31 元器件清单 - 32 致谢 - 33 参考文献 - 34 附录：用信号发生器产生载波的调制解调系统- - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1 1引 言引言传输信息是人类生活的重要

6、内容之一；需要用到调幅和解调；在利用无线电技术传输信号时,调幅,英文是 Amplitude ModulationAM；调幅是使高频载波信号的 振幅随调制信号的瞬时变化而变化；也就是说,通过用调制信号来转变高 频信号的幅度大小,使得调制信号的信息包含入高频信号之中,通过天线 把高频信号发射出去,然后就把调制信号也传播出去了；解调过程正好相反,在接收处,先用接收天线将收到的电磁波转变为 已调波电流,然后从已调波电流中检出原始的信号；在接收调幅信号时,解调也叫做检波；调制与解调都是频谱变换的过程,必需用非线性元件才能完成；工程 实际中,人们通常将调制解调过程看做两个信号相乘的过程,一般都采纳 集成模

7、拟乘法器来实现,这比采纳分立器件电路简洁,且性能优越；名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2 2 设计概述设计概述设计任务 要求设计一个简易的本地振荡器和振幅调制解调器,通过本地振 荡器产生高频载波信号和调制信号经乘法器后,将调制信号搬移到了 高频处,输出抑制载波的双边带调 幅波；然后将已调信号和载波信号经乘法器后,就已调信号搬移 到了低频和更高频处,再经过低通滤波器,即可复原调制信号；技术指标 振幅调制的载波采纳本地振荡器产生,或由高频信号发生器输 出幅值为 30mV,频率为 500KHz；振幅调制器的设计采纳乘法

8、器产生抑制载波的双边带调幅波；低频信号利用已有的信号发生器,输出 信号；50mV,20KHz的正弦波高频信号发生器产生与载波信号频率、相位一样的高频信号,进行同步检波；低通滤波器滤除 20KHz以外的频率；本机振荡器产生高频载波信号；名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3 系统工作原理3 系统工作原理3.1 系统框图与波形本地振荡载波信号 v0 复原基带信号名师归纳总结 调制信号 v 混频调制单同步检波单低通滤波器第 7 页,共 38 页图 3.1.1 系统框图- - - - - - -精选学习资料 - - - -

9、- - - - - 3 图 3.1.2 系统工作原理各类信号波形3.2 调制单元利用模拟乘法器调幅得到抑制载波的双边带信号DSB；图 3.2.1 调制过程假设要得到抑制载波的双边带信号,低频调制信号不能有直流成分,即低频调制信号为v Vcost ,频率为of ；外加高频载波信号v t V ocosot ,频率为of ；两者进入混频调制单元乘法混频器后,产生抑制载波的双边带调制信号 DSB波v t 1KV Vcosot2coso t K 为常数,2得到o、o两种频率的波,频宽为f 0.72f ；3.3 同步检波单元图 3.3.1 同步检波解调过程名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页

10、,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3 图 3.3.2 3系统工作原理种信号的频谱将 v t 输入同步检波单元,作为该单元的本地载波信号,将已调波 v t 输入同步检波单元；由于同步检波单元也由乘法混频器构成,又由于该单元的本地载波信号与已调波的载波信号相同,故相位差0,所以输出信号v T 1KV Vcost1KV Vcos2ot1KV Vcos2ot ,244由此可知,v T t 中含有fs,fof 三种频率的波；3.4. 低通滤波部分低频滤波器功能为滤除2o邻近的高频信号,保留低频信号,由于经过低频滤波器,信号将得到衰减,所以在滤波器后面应当加一个放大器,组成低

11、频滤波放大器；最终,经低通滤波单元输出低频基带信号名师归纳总结 v T 1KV Vcost第 9 页,共 38 页2- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 4 4方案分析方案分析4.1 本地振荡电路分析方案一 ：利用现有信号发生器产生500KHz的高频载波信号；方案二 ：利用本地振荡器产生 500KHz的等幅振荡, 用来作为调制解调 系统中的高频载波；这里采纳的是电容反馈三点式振荡器；三点式振荡器 是指 LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组成的一种振荡 器；本试验的三点式振荡器电路采纳电容与互感耦合的方式,输出本振信 号； LC回路中与发射级相连

12、接的两个电抗元件必需为同性质的,另外一个电抗元件必需为异性质的,这是三点式电路组成的相位判据,或者称为三 点式电路的组成法就；与发射极相连的两个电抗元件同为电容的三点式电路,称为电容三点式电路；与发射极相连的两个电抗元件同为电感的三点 式电路,称为电感三点式电路；本试验采纳电容三点式电路,原理图如 4.1.1 所示：图 4.1.1 电容反馈三点式振荡器原理图电路元器件参数：名师归纳总结 R 112K,R 28K,R 31K,L 131.5 uH第 10 页,共 38 页C1100pF C24nF C34nF- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 4 方案分析

13、理论参数运算：如图 4.1.1 所示, 1, R 2, R 为直流偏置电阻,C 为基极偏置谐波电容,C 2, C 为反馈电容,C 4 为集电极耦合电容；电容 C 1, C 对沟通等效短路,直流电压 12V 对沟通等效短路接地,电阻 R 1, R 被沟通等效短路,由此可画出沟通等效电路图如图 4.1.2 所示：图 4.1.2 电容反馈三点式振荡器沟通等效图反馈系数FC2121150.6 MHzC1本振频率sf21L C31.5 2 10电路图 4.1.1 的仿真结果如下所示：名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 4 方

14、案分析V s10 V ,故,图 4.1.3 电容反馈三点式振荡器的仿真波形图由示波器记录可知：本振信号频率sf0.5 MHz ,幅值本振信号ov t 10cos3.14 10 6t V ；相对于理论值而言,本振信号频率变低,缘由可能是电抗元器件消耗 所致；当将这个本地振荡电路同时接入两个乘法器时,会发觉,振荡速度下 降,不易起振,电压波形产生失真,幅值极巨下降,频率也不稳固,产生 了很多干扰频率；这说明本地振荡电路受负载的影响极大；通常设计振荡器时对振荡器的选取有很多要求,要求振荡器的振荡频率和幅度精度高,稳固性好,易起振；本振频率中有锁相环,数字分 频、数字鉴相器等电路,保证极高的稳固度,否

15、就产生本振频率漂移； 本证 振电路多采纳体积小、牢靠性高的单片大规模集成数字频率合成器 等；可以看出,本地振荡器的要求很高,稳固性很难保证；在选用器件时 要留意特性,实行适当的稳频措施使振荡器产生稳固的正弦波；为 了削减负载的影响,增加稳固度,可在本振单元后面增加互感抽头；但假设振荡器只加1 组互感抽头电路,而不加放大器,直接接入乘法器中,仿真的结果是电压值快速下降, 幅值由原先的 10V快速衰减为 700uV 左右；输入的信号太小,经过调制解调系统就不简洁区分；测试电路和测 试结果结果如图 4.1.4 和图 4.1.5 所示；名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 38 页

16、精选学习资料 - - - - - - - - - 4 方案分析图 4.1.4 增加互感抽头的振荡器测试电路图 4.1.5 增加互感抽头的振荡器的仿真波形图从图中可以发觉,信号衰减到只有700uV左右；再观看解调后的示波器和频谱仪,发觉并没有图像,这是由于输入高频载波信号太小,小于量 程范畴；名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 4 方案分析故,在增加 1 组互感抽头电路之后,我又在其后增加了 1 个一阶有源 高通滤波放大器,来削减负载对前端电路的影响,稳固频率,并且能将高 频小信号的幅值依据需要放大；经过仿真, 频率

17、稳固在 500KHz,幅值变为 30mV左右,符合高频载波的 要求；所以,方案二也可以使用；4.2 乘法器方案分析方案一 ：应用差分对模拟乘法器；这种电路有缺点：温度漂移不能抵 消,同时,信号时单端输入,使用上有时感到不便；方案二 ：应用双差分对模拟乘法器；如图 4.2.1 所示, T1、T2 和 T3、T4 组成差分对放大器, T5、T6 为上述两对放大器的电流源,受v 掌握, T7 就作为 T5 和 T6 的电流源,并用 T8和 T7 组成镜像电流源,以抑制T1 至 T6 诸管的温度漂移；同时v 信号也是对称双端输入,这样就克服了差分对模拟乘法器电路的上述缺点,因此选用方案二；输出电压 v

18、 3 Kv v K 为常数,以下雷同；令 v 1 V 1 m cos o t v 2 V 2 m cos t ,即得：v 3 v v 2 KV V 2 m cos o t cos t1KV V 2 m cos o t cos o 2当模拟乘法器作为振幅调制器时,它的输出3v 即为已调信号,亦即实现了振幅调制；1v 接高频载波信号,v 接低频调制信号；当模拟乘法器作为振幅解调器时,它的输出v 即为解调出的低频基带名师归纳总结 信号,亦即实现明白调；1v 接本地振荡信号,2v 接已调波信号；第 14 页,共 38 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 4 方

19、案分析图 4.2.1 双差分对模拟乘法器原理图4.3 低通滤波器方案分析方案一 ：采纳晶体管 FMMT5179构成的低频放大器电路作为该单元的主要组成部分；该类型晶体管的频率特性曲线如以下图所示：图 4.3.1 晶体管 FMMT5179的大致频率特性曲线名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 4 方案分析纵轴代表放大倍数,横轴代表频率,该晶体管对低频信号具有放大作用,且随着频率的上升,放大倍数越来越小,故对于2o的频率没有放大作用；在该电路如图 4.3.2 所示,左右两端各加一个选频网络,其固有频率皆为 20KHz,用

20、于过滤高频信号,保留低频调制信号；所以,由此组成的单元电路既能滤出低频信号,也能放大低频信号；低频滤波放大单元输出的信号为：v T 1KV Vcost2图 4.3.2 低频滤波放大电路原理图名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 理论参数运算：L 1 4 6.34 uHC 1C 2方案分析L210 uF谐振频率为 fc=cf2119.998 KHz20KHzL C 1 1但这个电路存在缺陷,由于选频网络有一端接地,这等价于对后级放大器又加了一个 10kHz 的电源,干扰明白调信号；而且选频网络是带通滤波,频带较宽,也不

21、能起到很好的选频作用；又由于FMMT5179仅适用于振幅 26mV 的小信号放大, 对输入信号的幅值有要求, 不便系统的推广与使用；故方案一作废；方案二 ：改用运放为低频放大部分,即减弱了对输入信号的要求,同时,运放对于信号的输出也有肯定的稳固作用；通过改良之后,最终的低频滤波放大电路如图 4.3.3 所示；低频滤波器功能为滤除 2 o邻近的高频信号,保留 低频信号,就有 v T 1KV V cos t ；该单元采纳二阶 RC电2路低通有源网络,其阻带衰减特性的斜率为通滤波器阻带衰减太慢的缺点；40dB10oct ,克服了一阶低运放对低频信号具有放大作用,信号进入二阶滤波器,高频部分均从 两个

22、电容流入接地线,剩下的波形便是基带信号；图 4.3.3 改良后的低频滤波放大电路名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 4 R 和方案分析C 时,网络的传递 2该电路通带放大倍数与R 的比值有关,当C 1函数为A1R f21 1 3 SRCSRC 2,用 jw 取代 S 且取f21；R fRC1放大倍数为A1R f2R f1理论参数运算：R 1R 260 k1C 1C 2130pFRf1R f221 k20.4KHz,即放大倍数ARf22,通带截止频率cf1Rf1R C 1输出低于 20.4KHz 的低频信号；经过仿真

23、测试,得到如图 4.3.4 所示波形；图 4.3.4 低频滤波放大输出波形名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 4 方案分析XSC2中通道 A显示的是滤波之后放大之前的信号, 通道 B 显示的是输出 V0 的信号；两者周期相同,都约为 50us,即频率 f 20 KHz ；虽然两者波形一样,但每 Div 的数值不一样,很明显,通道 B 的比例是通道 A 的两倍,输出放大器的幅值是 100mv,输入放大器的幅值是 50mv；所以此电路的放大倍数是 A 2；经过比较应挑选方案二, 用二阶 RC电路低频有源滤波放大器得到到

24、 20KHz的低频基带信号；名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 5 电路性能指标测试5 电路性能指标测试 1 本地振荡电路图 5.1.1 本地振荡电路增加互感抽头电路,负载等效到本振电路的电阻明显变小,同时,增加了有源高通滤波放大电路电路,滤去了直流等不必要的重量,“ 净化”了本振信号,并且使得衰减后柔弱的小信号幅值得以放大；放大器的参数：放大倍数为A1R 3611011R 371 2 振荡频率图 5.1.2 输入耦合互感前的振荡频率名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页,共 38 页精选学习资料 -

25、 - - - - - - - - 5 电路性能指标测试 3 输出波形与频谱仿真波形与频谱仪曲线如下所示：图 5.1.3 振荡器输出电压波形图 5.1.4 振荡器的仿真频谱图从仿真波形可以看出,输出电压幅值增加到 30mV；从频谱图可以看出,输出信号频率稳固在 率,又有本振信号幅值为 30mV；500KHz,满意高频载波的频名师归纳总结 就高频载波信号为vo 30 103cos3.146 10 t 第 21 页,共 38 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 5 图 5.1.1 电路性能指标测试模拟乘法器调制电路调制部分由一个乘法器组成,分别接高频载波信号

26、500kHz,30mv的正弦波和低频调制信号20kHz,50mv的正弦波信号；1） 载波信号即为本振信号图 5.1.2 载波信号波形名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 5 电路性能指标测试2调制信号图 5.1.3 调制信号波形3已调信号波形与频谱仿真测试图 5.1.4 已调信号波形名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 5 V50电路性能指标测试20 kHz ,即输入信号本课设中,输入信号幅值mV ,频率f4v 0.05cos12.56 1

27、0 t V ；同时,由上文可知,外加高频载波信号6ov t 0.03cos3.14 10 t V ,故,可得已调波信号：1 6 4 6 4v t K 0.05 0.03cos3.14 10 12.56 10 t cos3.14 10 12.56 10 2由仿真图可得：V DSB 10 mV ；由于书中没有注明乘法器表达式v 3 Kv v 中 K 的值,故将 14mV 代入可得,1 K 0.05 0.03 10 10 3,即2K 133.3图 5.1.5 已调信号频谱上图可见已调波形未显现失真,波形完整；而频谱显现两个峰值,左峰值为w,右峰值为w,分别为 480KHz和520KHz,由于存在谐波

28、的影响,峰值间存在过度带；名师归纳总结 - - - - - - -第 24 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 5 电路性能指标测试2解调部分如以下图 5.2.1 ,解调利用了与调制部分一样的乘法器,利用同步检波,v3接频率、相位都与载波信号完全相同的高频信号,这里和调制乘法器一样,直接接入本地振荡器的输出端；图 5.2.1 模拟乘法器解调电路名师归纳总结 - - - - - - -第 25 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 载波信号v t 5 cosot电路性能指标测试V ocosot已调波信号v t 1 2KV Vcoso 两者

29、相乘,即得：vT 1KV V ocosotcoso cosottot21KV V coso cosot+coso coso21KV Vcostcos2otcost1 4KV Vcos221KV Vcos2otcost1KV Vcost221KV Vcost1KV Vcos2ot24代入以上所得值,即：Tv 11 24 133.3 0.05 0.03cos12.56 10 t4 12.56 10 t 6 133.3 0.05 0.03cos2 3.14 1041133.3 0.05 0.03cos2 3.14 1064 12.56 10 t41本地载波仍为本振信号图 5.2.2 载波信号波形名师

30、归纳总结 - - - - - - -第 26 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 5 电路性能指标测试2解调信号图 5.2.3 解调后输出波形注：假设用信号发生器产生载波信号,就解调后的波形与图5.2.3 ,详情请看附录；图 5.2.4 解调后的频谱由于存在诸多谐波重量,波形图看上去杂乱无章,但是包络波形仍旧 与调幅波相像；由于载波与调制信号较小,故输出波形与预期的“ 片状波形” 有肯定 的差距,但从频谱图中观看,结果大致正确；同步检波单元的输出包含了名师归纳总结 - - - - - - -第 27 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - -

31、 低频 5 o电路性能指标测试信号,高频 2信号,即 20KHz、980KHz和1020KHz,但仍是在500KHz邻近显现了“ 毛刺” 干扰,可能是由于乘法器未调零所致；3二阶低通滤波放大器图 5.3.1 低频滤波放大电路理论参数运算将之前运算的理论值带入,就检出的低频波为：vT 1K133.30.050.03cos12.564 10 tV2其中的 K值是由于低频滤波网络带来幅度的变化从而产生一个比列系数；信号进入二阶滤波器,高频部分均从两容流入接地线,剩下的波形便是基带信号,滤除了谐波成分,频率为20KHz,幅度为 100mv的基带信号；仿真测试如图 5.3.2 和图 5.3.3, 它们分

32、别显示了输出基带信号的波形图 和频谱图；名师归纳总结 - - - - - - -第 28 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 5 电路性能指标测试仿真测试如图 5.3.2 和图 5.3.3, 它们分别显示了输出基带信号的波形图和频谱图；图 5.3.2 输出基带信号波形通道B图 5.33 输出基带信号频谱频谱图只存在一个峰值,即为基带信号的频率 地方突起可能是由于直流重量导致的；20KHz,在频率接近零的名师归纳总结 - - - - - - -第 29 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 6 总电路原理图6 总电路原理图名师归纳总结 -

33、 - - - - - -第 30 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 8 7心得体会疑问与改良1、当调制信号与载波信号调换位置的时候,已调信号是否会发生变化？答：不会发生变化；通过理论分析可知,当调制信号和载波信号调换位置时,只要他们的频率和幅度没有发生变化,那么已调信号的的带宽仍是2；2、解调后的频谱里为什么含有500KHz的载波重量？答：可能是由于解调乘法器部分未调零；在使用解调乘法器之前,需 先输入高频载波信号,调整可变电阻,观看输出波形,直至输出波形幅值 为零,即可减轻载波干扰；在调整可变电阻的操作中,发觉由于可变电阻的精度不高,最小精度也只有5%,无论如

34、何调剂可变电阻,输出频谱中仍含有少量载波重量； 在转变电阻的过程中, 显现了如图 7.2 的频谱,500KHz 的载波重量快速增加,这证明白这种现象是由于才乘法器未调零造成的；图 7.2 解调乘法器调零后的输出频谱名师归纳总结 - - - - - - -第 31 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 元件清单3、为什么 DSB波肯定要用同步检波？答：包络检波的特点络检波器的输出波形应与调幅波包络线的外形完全一样；如以下图 7.3 所示的 DSB信号波形,可以看出 DSB信号在 V 的半周期处有反相的现象,显现“W” 或“M” 波形,包络不再与调制信号的变化规律一样,

35、因而不能采纳包络检波来复原调制信号；同步检波的解调与调制的实质一样,均是频谱搬移,在接收端供应一个与接收的已调载波同频同相得本地波,它与接收的已调信号相乘后,经过低通滤波器取出低频重量,即得原始的基带信号；图 7.2 解调乘法器调零后的输出频谱4、在本地振荡发生器的设计中,为什么采纳互感耦合的方式？答：采纳互感耦合或者抽头连接的方式,可以削减后级电路对前级电路负载阻抗的影响,稳固系统的Q值；其中,后级电路等效到前级的阻抗为M2,M为互感系数,Z22R 22jX22为后级电路阻抗；Z22但是经过仿真测试,很多互感都不能用于这个电路,会显现反常；不 同的互感由于互感系数不同,也会造成了不同程度的波

36、形失真；这可能是 由于元器件参数的高频特性所造成的；通过查阅资料,原先元器件在低频状态下,一般作为抱负器件,即当 做纯电阻、纯电感、纯电容来考虑,但在较高频率状态下,其频率特性已 远远偏离抱负特性；必需考虑高频分布参数对器件性能的影响；而对于电 感,在一个较宽的频率范畴内,可以看做是有一部分电容并联,所以,当 互感处于高频状态时,有可能与寄生电容产生谐振而导致波形失真；通过比照 NLT_PQ_4_56的失真较小,但由于负载的影响,幅值仍削减 了很多；所以对于稳固的本地振荡器的设计,仍有待去深究；名师归纳总结 - - - - - - -第 32 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 元件清单5、有关本地振荡器中的运算放大器；答：为了测试运放的性能,可以用示波器的两个端口输入端与输出端,仿真测试如图 7.4 ,7.5 所示；抱负放大倍数前面已经运算得出 A 11图 7.4 放大器功能测试A、B 分别