《现代通信电子线路设计》课程设计-现代通信电子线路设计 29页

武汉理工大学《现代通信电子线路设计》学号：课程设计题目现代通信电子线路设计学院专业通信工程班级通信姓名指导教师年月日 武汉理工大学《现代通信电子线路设计》课程设计任务书学生姓名专业班级：通信指导教师：工作单位：信息工程学院题目:现代通信电子线路设计初始条件：晶体管9018,电阻,电容,可变电位器,NPN型晶体三极管,晶体振荡器，单刀双掷开关.电压为12V的电源，扼流圈，电路板，电路仿真软件multisim等要求完成的主要任务:完成电路设计和实物制作：①LC三点式反馈振荡器与晶体振荡器设计与制作②高频小信号调谐放大器的电路设计与仿真时间安排：1、理论讲解，老师布置课程设计题目，学生根据选题开始查找资料；2、课程设计时间为1周。（1）确定技术方案、电路，并进行分析计算，时间1天；（2）选择元器件、安装与调试，或仿真设计与分析，时间2天；（3）总结结果，写出课程设计报告，时间2天。指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日 武汉理工大学《现代通信电子线路设计》摘要现代通信电子线路是通信系统的基础，随着电子技术的迅速发展，电子线路已广泛应用于国民经济，军事和人们日常生活的各个领域。现代通信电子线路主要是研究高频小信号放大器和高频功率放大器，高频振荡器，调制器，解调器，混频器与负反馈控制电路等各种电路的工作原理。对常用电路进行工程计算，仿真，调整和测试，学习高频仪表的使用方法。由于高频电子线路工作频率一般比较高，电路比较复杂，在理论分析时候需要进行一定的归纳和抽象。所以这次课程设计的主要目的在于解决通信电子线路的一些实际问题，通过实践环节进行学习和加深理解。另外，实践经验的积累还可以帮助开阔思路，提高创新能力。 武汉理工大学《现代通信电子线路设计》目录一、高频小信号调谐放大器的电路设计与仿真31.主要技术指标：32.给定条件43.设计过程44.单调谐高频小信号放大器电路仿真实验6二、LC三点式反馈振荡器与晶体振荡器设计与制作71、电容三点式振荡器原理工作原理分析82、主要设计技术性能指标103.基本设计条件114.电路结构115.静态工作电流的确定116.确定主振回路元器件126、性能测试13三、高频谐振功率放大器电路设计与制作13四、变容二极管调频与鉴频器电路设计16五．乘积型相位鉴频设计与仿真201.乘积型相位鉴频器原理说明202.乘积型相位鉴频器实验电路说明213.MC1496鉴频电路的鉴频实验224.鉴频特性曲线（S曲线）的测量方法22实验总结24仪器仪表清单25参考文献26 武汉理工大学《现代通信电子线路设计》一、高频小信号调谐放大器的电路设计与仿真1.主要技术指标：谐振频率：＝10.7MHz,谐振电压放大倍数：，通频带：，矩形系数：。要求：放大器电路工作稳定，采用自耦变压器谐振输出回路。2.给定条件回路电感L=4μH,，，，晶体管用9018，β=50。查手册可知，9018在、时，，,，，，。负载电阻。电源供电。3.设计过程高频小信号放大器一般用于放大微弱的高频信号,此类放大器应具备如下基本特性:只允许所需的信号通过,即应具有较高的选择性。放大器的增益要足够大。放大器工作状态应稳定且产生的噪声要小。放大器应具有一定的通频带宽度。除此之外,虽然还有许多其它必须考虑的特性,但在初级设计时,大致以此特性作考虑即可.基本步骤是:①选定电路形式依设计技术指标要求，考虑高频放大器应具有的基本特性,可采用共射晶体管单调谐回路谐振放大器，设计参考电路见图1-1所示。 武汉理工大学《现代通信电子线路设计》图1-1单调谐高频小信号放大器电原理图图中放大管选用9018，该电路静态工作点Q主要由Rb1和Rw1、Rb2、Re与Vcc确定。利用和、的分压固定基极偏置电位，如满足条件：当温度变化↑→↑→↓→↓→↓，抑制了变化，从而获得稳定的工作点。由此可知，只有当时，才能获得恒定，故硅管应用时，。只有当负反馈越强时，电路稳定性越好，故要求，一般硅管取：。②设置静态工作点由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流一般在0.8－2mA之间选取为宜，设计电路中取，设。因为：而所以：因为：(硅管的发射结电压为0.7V)所以：因为：所以：因为：而取则：取标称电阻8.2KΏ因为：则：，考虑调整静态电流的方便，用22KΏ电位器与15KΏ电阻串联。③谐振回路参数计算 武汉理工大学《现代通信电子线路设计》1）回路中的总电容C∑因为：则:2）回路电容C因有所以取C为标称值30pf,与5-20Pf微调电容并联。3）求电感线圈N2与N1的匝数：根据理论推导，当线圈的尺寸及所选用的磁心确定后，则其相应的参数就可以认为是一个确定值，可以把它看成是一个常数。此时线圈的电感量仅和线圈匝数的平方成正比，即：　　式中：K-系数，它与线圈的尺寸及磁性材料有关；   N-线圈的匝数一般K值的大小是由试验确定的。当要绕制的线圈电感量为某一值时，可先在骨架上(也可以直接在磁心上)缠绕10匝，然后用电感测量仪测出其电感量，再用下面的公式求出系数K值：式中：-为实验所绕匝数，由此根据和K值便可求出线圈应绕的圈数，即：实验中，L采用带螺纹磁芯、金属屏蔽罩的10S型高频电感绕制。在原线圈骨架上用0.08mm漆包线缠绕10匝后得到的电感为2uH。由此可确定 武汉理工大学《现代通信电子线路设计》要得到4uH的电感，所需匝数为匝最后再按照接入系数要求的比例，来绕变压器的初级抽头与次级线圈的匝数。因有，而匝。则：匝④确定耦合电容与高频滤波电容：耦合电容C1、C2的值，可在1000pf—0.01uf之间选择，一般用瓷片电容。旁路电容Ce、C3、C4的取值一般为0.01-1μF，滤波电感的取值一般为220-330uH。4.单调谐高频小信号放大器电路仿真实验用EWB电子工作平台软件构建1-1所示设计实验电路，仿真时可完成下列内容：●测量并调整放大器的静态工作点。仿真条件：晶体管用理想库（defauit）中的（ideal）器件。电感线圈用固定电感L1=2.8uH、L2=1.2uH，中间抽头。其余元件参数参见图1-1。IC=1.5mA。可采用直接或间接方法。自建表格记录实验数据。●谐振频率的调测与电压放大倍数的测量。仿真条件：输入高频信号频率fo=10.7MHz,幅度（峰-峰值）50mV。阻尼电阻R=∞、反馈电阻Re=1KΩ、负载电阻RL=10KΩ●研究阻尼电阻变化对放大器增益、带宽、品质因数的影响用频率特性测试仪测试放大器的幅频特性，并计算出增益、带宽及品质因数。测试条件：输入高频信号频率=fo=10.7MHz,幅度（峰-峰值）50mV。反馈电阻Re=1KΩ、负载电阻RL=10KΩ。阻尼电阻R=∞（开路）阻尼电阻R=10KΩ阻尼电阻R=3KΩ阻尼电阻R=470Ω●研究反馈电阻变化对放大器的影响测试条件：输入高频信号频率=fo=10.7MHz,幅度（峰-峰值）50mV。阻尼电阻R=10KΩ、负载电阻RL=10KΩ。反馈电阻R=1KΩ负载电阻R=2KΩ反馈电阻R=510Ω 武汉理工大学《现代通信电子线路设计》二、LC三点式反馈振荡器与晶体振荡器设计与制作在电子线路中，除了要有对各种电信号进行放大的电子线路外，还需要有能在没有激励信号的情况下产生周期信号的电子电路，这种在无需外加激励信号的情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、一定频率和一定幅度的交变能量的电子电路称为振荡器。振荡器的种类很多，根据工作原理可以分为反馈型振荡器和负阻型振荡器。根据选频网络采用的器件可分为LC振荡器、晶体振荡器、变压器耦合振荡器等。振荡器的功能是产生标准的信号源，广泛应用于各类电子设备中。为此,振荡器是电子技术领域中最基本的电子线路,也是从事电子技术工作人员必须要熟练掌握的基本电路。 武汉理工大学《现代通信电子线路设计》1、电容三点式振荡器原理工作原理分析反馈式正弦波振荡器有RC、LC和晶体振荡器三种形式，电路主要由放大网络、选频回路和反馈网络三个部分构成。本实验中，我们研究的主要是LC三点式振荡器。所谓三点式振荡器，是晶体管的三个电极（B、E、C），分别与三个电抗性元件相连接，形成三个接点，故称为三点式振荡器，其基本电路如图2-1所示：图2-1三点式振荡器的基本电路根据相位平衡条件，图2-1(a)中构成振荡电路的三个电抗元件，X1、X2必须为同性质的电抗，X3必须为异性质的电抗，若X1和X2均为容抗，X3为感抗，则为电容三点式振荡电路（如图2-1(b)）；若X2和X1均为感抗，X3为容抗，则为电感三点式振荡器（如图2-1(c)）。由此可见，为射同余异。共基电容三点式振荡器的基本电路如图2-2所示图2-2共基电容三点式振荡器由图可见：与发射极连接的两个电抗元件为同性质的容抗元件C1和C2；与基极和集电极连接的为异性质的电抗元件L，根据前面所述的判别准则，该电路满足相位条件。其工作过程是：振荡器接通电源后，由于电路中的电流从无到有变化，将产生脉动信号，因任一脉冲信号包含有许多不同频率的谐波，因振荡器电路中有一个LC谐振回路，具有选频作用，当LC谐振回路的固有频率与某一谐波频率相等时，电路产生谐振。虽然脉动的信号很微小，通过电路放大及正反馈使振荡幅度不断增大。当增大到一定程度时，导致晶体管进入非线性区域，产生自给偏压，使放大器的放大倍数减小，最后达到平衡，即AF=1，振荡幅度就不再增大了。于是使振荡器只有在某一频率时才能满足振荡条件， 武汉理工大学《现代通信电子线路设计》于是得到单一频率的振荡信号输出。该振荡器的振荡频率为：反馈系数F为：若要它产生正弦波，必须满足F=1/2-1/8，太小不容易起振，太大也不容易起振。一个实际的振荡电路，在F确定之后，其振幅的增加主要是靠提高振荡管的静态电流值。但是如静态电流取得太大，振荡管工作范围容易进入饱和区，输出阻抗降低使振荡波形失真，严重时，甚至使振荡器停振。所以在实用中，静态电流值一般ICO=0.5mA-4mA。共基电容三点式振荡器的优点是：1）振荡波形好。2）电路的频率稳定度较高。工作频率可以做得较高，可达到几十MHz到几百MHz的甚高频波段范围。电路的缺点：振荡回路工作频率的改变，若用调C1或C2实现时，反馈系数也将改变。使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，改进电路有两种：①串联型改进电容三端式振荡器(克拉泼电路)电路组成如图2-3示：图2-3克拉泼振荡电路电路特点是在共基电容三点式振荡器的基础上，用一电容C3，串联于电感L支路。功用主要是以增加回路总电容和减小管子与回路间的耦合来提高振荡回路的标准性。使振荡频率的稳定度得以提高。因为C3远远小于C1或C2，所以电容串联后的等效电容约为C3。电路的振荡频率为：与共基电容三点式振荡器电路相比，在电感L支路上串联一个电容。但它有以下特点：1、振荡频率改变可不影响反馈系数。2、振荡幅度比较稳定；但C3不能太小，否则导致停振，所以克拉泼振荡器频率覆盖率较小，仅达1.2-1.4；为此， 武汉理工大学《现代通信电子线路设计》克拉泼振荡器适合与作固定频率的振荡器。②并联型改进电容三端式振荡器(西勒电路)电路组成如图2-4示：图2-4西勒振荡电路电路特点是在克拉泼振荡器的基础上，用一电容C4，并联于电感L两端。功用是保持了晶体管与振荡回路弱藕合，振荡频率的稳定度高，调整范围大。电路的振荡频率为：特点：1.振荡幅度比较稳定；2.振荡频率可以比较高，如可达千兆赫；频率覆盖率比较大，可达1.6-1.8；所以在一些短波、超短波通信机，电视接收机中用的比较多。频率稳定度是振荡器的一项十分重要技术指标，它表示在一定的时间范围内或一定的温度、湿度、电压、电源等变化范围内振荡频率的相对变化程度，振荡频率的相对变化量越小，则表明振荡器的频率稳定度越高。改善振荡频率稳定度，从根本上来说就是力求减小振荡频率受温度、负载、电源等外界因素影响的程度，振荡回路是决定振荡频率的主要部件。因此改善振荡频率稳定度的最重要措施是提高振荡回路在外界因素变化时保持频率不变的能力，这就是所谓的提高振荡回路的标准性。提高振荡回路标准性除了采用稳定性好和高Q的回路电容和电感外，还可以采用与正温度系数电感作相反变化的具有负温度系数的电容，以实现温度补偿作用。石英晶体具有十分稳定的物理和化学特性，在谐振频率附近，晶体的等效参量Lq很大，Cq很小，Rq也不大，因此晶体Q值可达到百万数量级，所以晶体振荡器的频率稳定度比LC振荡器高很多。2、主要设计技术性能指标振荡频率频率稳定度输出幅度 武汉理工大学《现代通信电子线路设计》采用西勒振荡电路，为了尽可能地减小负载对振荡电路的影响，采用了射随器作为隔离级。3.基本设计条件电源供电为12V，振荡管BG1为9018（其主要参数,取β=100，fT>1100MHz）。隔离级射随器晶体管BG2也为9018，LC振荡器工作频率为6MHz，晶体为6MHz。4.电路结构根据设计要求和条件可采用如图2-5所示的电路结构。图2-5LC与晶体振荡器电原理图5.静态工作电流的确定合理地选择振荡器的静态工作点，对振荡器的起振，工作的稳定性，波形质量的好坏有着密切的关系。－般小功率振荡器的静态工作点应选在远离饱和区而靠近截止区的地方。根据上述原则，一般小功率振荡器集电极电流ICQ大约在0.8-4mA之间选取，故本实验电路中：选ICQ=2mAVCEQ=6Vβ=100则有为提高电路的稳定性Re值适当增大，取Re=1KΩ则Rc＝2KΩ因：UEQ=ICQ·RE则：UEQ=2mA×1K=2V 武汉理工大学《现代通信电子线路设计》因：IBQ=ICQ/β则：IBQ=2mA/100=0.02mA一般取流过Rb2的电流为5-10IBQ,若取10IBQ因：则：取标称电阻12KΏ。因：：为调整振荡管静态集电极电流的方便，Rb1由27KΏ电阻与27K电位器串联构成。6.确定主振回路元器件回路中的各种电抗元件都可归结为总电容C和总电感L两部分。确定这些元件参量的方法，是根据经验先选定一种，而后按振荡器工作频率再计算出另一种电抗元件量。从原理来讲，先选定哪种元件都一样，但从提高回路标准性的观点出发，以保证回路电容Cp远大于总的不稳定电容Cd原则，先选定Cp为宜。若从频率稳定性角度出发，回路电容应取大一些，这有利于减小并联在回路上的晶体管的极间电容等变化的影响。但C不能过大，C过大，L就小，Q值就会降低，使振荡幅度减小，为了解决频稳与幅度的矛盾，通常采用部分接入。反馈系数F=C1/C2，不能过大或过小，适宜1/8—1/2。因振荡器的工作频率为：当LC振荡时，f0=6MHzL＝10μH本电路中，则回路的谐振频率fo主要由C3、C4决定，即有。取C3=120pf，C4=51pf（用33Pf与5-20Pf的可调电容并联），因要遵循C1，C2>>C3,C4，C1/C2=1/8—1/2的条件，故取C1=200pf，则C2=510pf。对于晶体振荡，只需和晶体并联一可调电容进行微调即可。为了尽可能地减小负载对振荡电路的影响，振荡信号应尽可能从电路的低阻抗端输出。例如发射极接地的振荡电路，输出宜取自基极；如为基级接地，则应从发射极输出。综合上述计算结果。得实际电路如图2-5所示。 武汉理工大学《现代通信电子线路设计》6、性能测试调整Rw1，使。foVop-pVceIc测量值Ic计算值6MHZ/8MHZ10．5V0.682.04MA2MA三、高频谐振功率放大器电路设计与制作1.设计要求电路的主要技术指标：输出功率Po≥125mW，工作中心频率fo=6MHz，>65%，已知：电源供电为12V，负载电阻,RL=51Ω，晶体管用3DA1，其主要参数：Pcm=1W,Icm=750mA,VCES=1.5V,fT=70MHz,hfe≥10，功率增益Ap≥13dB（20倍）。（1）确定功放的工作状态对高频功率放大器的基本要求是,尽可能输出大功率、高效率，为兼顾两者，通常选丙类且要求在临界工作状态，其电流流通角在600—900范围。现设=700。查表3-1得：集电极电流余弦脉冲直流ICO分解系数，集电极电流余弦脉冲基波ICM1分解系数，。设功放的输出功率为0.5W。功率放大器集电极的等效电阻为：集电极基波电流振幅为：集电极电流脉冲的最大振幅为：集电极电流脉冲的直流分量为：电源提供的直流功率为：集电极的耗散功率为： 武汉理工大学《现代通信电子线路设计》集电极的效率为：(满足设计要求)已知：即则：输入功率：基极余弦脉冲电流的最大值（设3DA1的=10）基极基波电流的振幅为：得基极输入的电压振幅为：（2）基极偏置电路计算因则有：因则有：取高频旁路电容（3）计算谐振回路与耦合线圈的参数输出采用L型匹配网路， 武汉理工大学《现代通信电子线路设计》则匹配网路的电感L为，电容C为。（4）电源去耦滤波元件选择   高频电路的电源去耦滤波网络通常采用π型LC低通滤波器，滤波电感0可按经验取50～100μH，滤波电感一般取0.01μF。综合上述设计，得参考电路如图3-10所示。 武汉理工大学《现代通信电子线路设计》四、变容二极管调频与鉴频器电路设计频率调制是无线电通信的重要调制方式，因具有抗干扰能力强，可充分利用发射机发送最大的功率。调频与解调电路简单，信号传输质量高的特点，故广泛应用在调频广播、电视伴音、卫星通信、卫星广播电视和模拟微波中继通信等方面。但因其频带较宽，常用于超短波及频率较高的波段。从调频信号中解调出调制信号的电路称为频率检波器或鉴频器。常用的鉴频器有相位鉴频器、比例鉴频器、振幅鉴频器、正交鉴频器、锁相环鉴频器等。本实验主要讨论的是相位鉴频器中的乘积型鉴频器。1、变容二极管调频基本原理所谓调频，就是用调制信号去控制载波（高频振荡）的瞬时频率，使其按调制信息的规律变化。调频信号的产生通常有两种方法：一是间接调频，即先对调制信号积分再用载波调相，其特点是调制与振荡分离，故频率稳定性高，但频偏小，电路较复杂。二是直接调频，即用调制电压去控制振荡器中LC回路的参数，使其振荡频率随调制电压而变化。其特点是振荡、调制合二为一，同时进行。故频率稳定性差，但频偏大，电路简单。常用的直接调频电路有变容二极管直接调频和电抗管调频。由于变容二极管调频工作频率范围宽，固有损耗小，使用方便，电路简单，故本实验采用变容二极管调频电路。变容二极管构成的调频电路如图4-1所示。图4-1变容二极管调频器原理图由图可见，变容二极管的结电容通过耦合电容并接在回路的两端，形成振荡回路总电容的一部分。振荡回路的总电容，振荡频率为： 武汉理工大学《现代通信电子线路设计》由于变容二极管是利用PN结的结电容制成，在反偏电压作用下呈现一定的结电容（势垒电容），而且这个结电容能灵敏地随着反偏电压在一定范围内变化。调制时将直流反偏电压和调制信号同时加入，其结电容在直流反偏压所设定的电容基础上随调制信号电压的幅度变化而变化，因为变容管的结电容是振荡回路电容的一部分，所以振荡器的频率必然随调制信号幅度而变化，从而实现了调频。其频偏与回路的中心频率成正比，与结电容变化的最大值成正比，与回路的总电容成反比。为了减小高频电压对变容二极管的作用，减小中心频率的漂移，常将耦合电容的容量选得较小（与同数量级），这时变容二极管部分接入振荡回路，这时回路的总电容为:回路总电容的变化量为：频偏:式中，称为接入系数。2、调频信号解调基本原理调频信号的解调是从调频波中恢复出原调制信号的过程，完成调频波解调过程的电路称为频率检波器。将调频波进行特定的波形变换，根据波形变换特点的不同，可归纳以下几种实现方法：第一种方法，将调频波通过频率—幅度线性变换网络，变换成调频—调幅波，再通过包络检波器检测出反映幅度变化的解调电压。这种鉴频器称为斜率鉴频器，或称振幅鉴频器，其原理电路框图如4-2所示。图4-2振幅鉴频器电路框图第二种方法，将调频波通过频率—相位线性变换网络，变换成调频— 武汉理工大学《现代通信电子线路设计》调相波，再通过鉴相器检测出反映相位变化的解调电压。把这种鉴频器称为相位鉴频器，其原理电路框图如4-3所示。图4-3相位振幅鉴频器电路框图第三种方法，是随着近年来集成电路的广泛应用，在集成电路调频机中较多采用的移相乘积鉴频器。它是将输入FM信号经移相网络后生成与FM信号电压正交的参考信号电压，它与输入的FM信号电压同时加入相乘器，相乘器输出再经低通滤波器滤波后，便可还原出原调制信号，其原理电路框图如4--4所示。图4-4移相乘积鉴频器电路框图2、变容二极管电路及说明实验电路的主要主要技术指标：主振频率f0=6MHz，频率稳定度Δfo/fo≤5x10-4小时，最大频偏△fm＝±25KHz，振荡器输出电压Vo≥0.8V.已知条件：Vcc=12V，高频三极管用9018，β=60。变容二极管用2CC1C(，调制信号频率为1-3KHz.。①电路形式确定依据性能指标要求，对频率稳定度Δfo/fo要求较高，故选用电容三点改进西勒振荡器，如图4-5所示。图4-5变容二极管调频器电路电原理图图中，晶体管BG1接成共基组态西勒振荡器，Cb为基极电容。振荡电路的静态工作点由Rb1、Rw1、Rb2决定。变容二极管的直流偏置电路由R1与RW2构成。只要静态偏置调整合适，就可实现线性调频。ZL为扼流电感，R2为限流电阻，调制电压经C10耦合电容加到变容二极管。Cc为振荡回路与变频回路的耦合电容，采用部分接入。调制信号经BG2射随放大后经输出耦合电容C9 武汉理工大学《现代通信电子线路设计》输出。跳线开关K4-5-1控制变容管断开与接入，拨码开关K4-5-2改变接入系数。②振荡电路静态工作点设置一般小功率自动稳幅LC振荡器的静态工作电流ICQ为1-4mA。ICQ偏大，振荡幅度虽增加，但波形失真加重，频率稳定性变差，故一般选ICQ为2mA。为了获得较大的动态范围，一般取VCEQ为电源电压的一半，故取VCEQ=6V。因有：ICQ=（VCC-VCEQ）/(RE+RC)则：RE+RC=（VCC-VCEQ）/ICQ=（12-6）/2=3K为提高电路的工作稳定性，Re可适当取大一些，但应小于RC，故取：Re=1K则Rc=2K因有：Rb2=VBQ/I1I1=(5-10)IBQIBQ=ICQ/βVBQ=VEQ+0.7VVEQ=ICQRE则：VEQ=2*1=2VVBQ=2+0.7=2.7VIBQ=2/60=0.033取I1=10IBQ=0.33RB2=VBQ/I1=2.7/0.33=8.18K取标称电阻8.2K。因有：RB1=[（VCC-VBQ）/VBQ]RB2则：RB1=[（12-2.7）/2.7]8.2=28.24K为调整静态电流方便，用一5.1K电阻与50K电位器串联。③计算主振回路元件参数在电容三点式西勒振荡器中，由L、C1、C2、C3与Cj组成并联谐振回路。其中C2两端的电压构成振荡反馈电压，其大小由反馈系数F=C1/C2选定，比值一般应满足1/2—1/8。为了减小晶体管极间电容对回路振荡频率的影响，C1与C2的取值应较大，即C3<